计算机01组成原理第一章PPT.ppt

第一章概述,冯诺依曼,提出了一种建设性的计算机体系结构,冯诺依曼,美籍匈牙利科学家冯诺依曼提出程序存储的思想，并成功将其运用在计算机的设计之中，根据这一原理制造的计算机被称为冯诺依曼结构计算机，世界上第一台冯诺依曼式计算机是1949年研制的EDSAC（电子储存程序计算机），由于他对现代计算机技术的突出贡献，因此冯诺依曼又被称为“计算机之父”。,冯诺依曼,20世纪30年代中期，冯诺依曼大胆的提出:抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时，他还说:预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。,根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：,把需要的程序和数据送至计算机中；必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力；能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；能够按照要求将处理结果输出给用户。,为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件，包括：,控制器运算器存储器输入设备输出设备,基本结构,输入设备,存储器,输出设备,控制器,运算器,控制流,数据流,CPU,主机,阿兰图灵（AlanTuring）,图灵从理论上证明了计算机这货可以做出来，也就是可行性。,阿兰图灵（AlanTuring）,1966年美国计算机协会（ACM，AssociationforComputerMachinery）设立的“图灵奖”，专门奖励那些对计算机科学研究与推动计算机技术发展有卓越贡献的杰出科学家。它被公认为计算机界的“诺贝尔”奖。1912年6月23日出生于英国伦敦，他被认为成二十世纪最著名的数学家之一。1936年，图灵作出了他一生最重要的科学贡献，他在其著名的论文论可计算数在判定问题中的应用（OnComputernumberswithanApplicationtotheEntscheidungs-problem）一文中，以布尔代数为基础，将逻辑中的任意命题用一种通用的机器来表示和完成，并能按照一定的规则推导出结论。这篇论文被誉为现代计算机原理开山之作,它描述了一种假想的可实现通用计算的机器，后人称之为“图灵机”。,阿兰图灵（AlanTuring）,在他42年的人生历程中，他的创造力是丰富多彩的，他是天才的数学家和计算机理论专家。16岁就开始研究爱因斯坦的相对论，24岁提出图灵机理论，31岁参与COLOSSUS的研制，33岁设想仿真系统，35岁提出自动程序设计概念，38岁设计“图灵测验”。,阿兰图灵（AlanTuring）,1945年，图灵被调往英国国家物理研究所工作。他结合自己多年的理论研究和战时制造密码破译机的经验，起草了一份关于研制自动计算机器（ACE：AutomaticComputerEngine）的报告，以期实现他曾提出的通用计算机的设计思想。图灵预言，总有一天计算机可通过编程获得能与人类竞争的智能。1950年10月，图灵发表了题为机器能思考吗？的论文，在计算机科学界引起巨大震撼，为人工智能学的创立奠定了基础。,同年，图灵花费4万英镑，用了约800个电子管的ACE样机研制成功，它的存储容量比(ENIAC)大了许多。在公开演示会上，被认为是当时世界上速度最快、功能最强的计算机之一。图灵还设计了著名的“模仿游戏试验”，后人称之为“图灵测试”。该实验把被提问的一个人和一台计算机分别隔离在两间屋子，让提问者用人和计算机都能接受的方式来进行问答测试。如果提问者分不清回答者是人还是机器，那就证明计算机已具备人的智能（1993年美国波士顿计算机博物馆举行的著名的“图灵测试”充分验证了图灵的预言）。,阿兰图灵（AlanTuring）,1912年6月23日，出生于英国伦敦。1931年-1934年，在英国剑桥大学国王学院（KingsCollege）学习。1932年-1935年，主要研究量子力学、概率论和逻辑学。1935年，年仅23岁的图灵，被选为剑桥大学国王学院院士。1936年，主要研究可计算理论，并提出图灵机的构想。1936年-1938年，主要在美国普林斯顿大学做博士研究，涉及逻辑学、代数和数论等领域。1938年1939年，返回剑桥从事研究工作，并应邀加入英国政府破译二战德军密码的工作。1940年-1942年，作为主要参与者和贡献者之一，在破译纳粹德国通讯密码的工作上成就杰出，并成功破译了德军U-潜艇密码，为扭转二战盟军的大西洋战场战局立下汗马功劳。,阿兰图灵（AlanTuring）,1943年-1945年，担任英美密码破译部门的总顾问。1945年，应邀在英国国家物理实验室从事计算机理论研究工作。1946年，这个时候，图灵在计算机和程序设计原始理论上的构思和成果，已经确定了他的理论开创者的地位。由于图灵的杰出贡献，年轻的他被英国皇室授予OBE爵士勋衔。1947年-1948年，主要从事计算机程序理论的研究，并同时在神经网络和人工智能领域做出开创性的理论研究。1948年，应邀加入英国曼彻斯特大学从事研究工作，担任曼彻斯特大学计算实验室副主任。1949年，成为世界上第一位把计算机实际用于数学研究的科学家。1950年，发表论文计算机器与智能，为后来的人工智能科学提供了开创性的构思。提出著名的图灵测试理论。1951年，从事生物的非线性理论研究。年仅39岁的图灵，被选为英国皇家学会会员。,阿兰图灵（AlanTuring）,1952年，在当年保守愚昧和冷战的时代，当警察得知图灵与同性朋友密切交往的消息之后，同性恋倾向的图灵被逮捕入狱。在法庭审判过程中，图灵明确告知人们，他认为自己没有做错什么事。在那个观念落后的年代，为了避免被判刑入狱，图灵被迫选择了为期一年的雌性激素注射的所谓治疗，才得以重新返回研究工作。1953年-1954年，继续在生物和物理学等方面的研究。被迫承受的对同性恋倾向的治疗，致使原本热爱体育运动的图灵在身心上受到极大的伤害。1954年6月7日，图灵被发现死于家中的床上。死因是氰化物中毒，警方调查结论是自杀。一代英灵，就此过早离去，成为人类科学史上的一大遗憾。,阿兰图灵（AlanTuring）,阿兰图灵（AlanTuring）,1976年一位21岁的加利福尼亚小伙子乔布斯为了纪念图灵，开办了一家公司，公司的Logo就是图灵死时手握的咬了一口的苹果。Apple,阿兰图灵（AlanTuring）,“图灵机”是数学机器，是目前所有计算机的数学模型“诺伊曼机”是物理机器，是目前主流计算机的物理模型,第一台电子计算机（ENIAC）,5000次加法/秒体重28吨占地170M218,800只电子管1500个继电器耗电150KW,计算机发展史,ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）电子数字积分和自动计算机,JohnW.Mauchly(1907-1980)J.PresperEckert目前世界上公认的第一台现代电子数字计算机1946年2月15日正式投入使用，被誉为“比炮弹还要快的计算机”主要用于计算弹道和氢弹的研制,国际TOP500组织本月2015年7月13日在德国举行的2015年国际超级计算机大会上发布全球超级计算机500强最新榜单，中国“天河二号”以每秒3.386万万亿次的浮点运算速度第五次蝉联冠军。该计算机由国防科技大学与中国的IT公司浪潮合作制造。天河二号包含16000个计算机节点，其中每个节点都包含两个IntelIvyBridgeXeon处理器和三个XeonPhi高性能计算卡。,摩尔定律,早在1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（GordonMoore）在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路近40年的发展历史准确无误地验证着,1.1计算机的发展与应用,计算机从总体上来说分为两大类:模拟计算机和数字计算机。,各自主要特点：模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算模式是离散式的,数字计算机与模拟计算计的主要区别,1.1.1计算机的发展简史（1/5）,1、第一代计算机（1）1946年第一台计算机ENIAC50年代末（2）主要特征：电子管作为电子器件（3）软件处于初始阶段，使用机器语言与符号语言编制程序（4）特点：体积大，运算速度低，存储容量小，主要用于科学计算。,1.1.1计算机的发展简史（2/5）,2、第二代计算机（1）50年代末60年代初（2）主要特征：晶体管作为电子器件（3）软件开始使用计算机高级语言（4）特点：体积减小，重量轻、寿命长、耗电少、运算速度快、存储容量比较大等优点。不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理，并逐渐用于工业控制。,1.1.1计算机的发展简史（3/5）,3、第三代计算机（1）60年代中期70年代初期（2）主要特征：中、小规模集成电路作为电子器件（3）操作系统出现（4）特点：体积与功耗都得到进一步减小，可靠性和运算速度进一步提高。不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理、自动控制等领域，出现了管理信息系统，可用于生产管理、交通管理、情报检索等领域。,1.1.1计算机的发展简史（4/5）,4、第四代计算机（1）1971年到1990年。（2）主要特征：用大规模与超大规模集成电路（LSI，VLSI）作为电子器件（3）特点：软件越来越丰富，并且功能强大（4）代表产品：IBMPC8088802868038680486Pentium,1.1.1计算机的发展简史（5/5）,5、第五代计算机（1）1990至今（2）主要特征：用超大规模集成电路（ULSI）作为电子器件（3）主要标志：一个是单片集成电路规模达100万晶体管以上；另一个是超标量技术的成熟和广泛应用。未来的计算机以超大规模集成电路为基础，未来的计算机将向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。,1.1.2计算机的特点,计算机是由硬件和软件组成的复杂设备计算机以电子器件为物质基础计算机由程序控制其操作过程计算机以离散的数字量形式进行工作计算机的基本运算操作是算术和逻辑运算，运算速度和计算精度极高,1.1.3计算机的应用领域,1、科学计算2、过程检测与控制计算机检测系统：利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理。3、信息管理是指利用计算机来加工、管理与操作任何形式的数据资料，如企业管理、物资管理、报表统计、信息情报检索等4、计算机辅助系统计算机用于辅助设计、辅助制造、辅助教学等方面，统称为计算机辅助系统。,1.2计算机系统的组成,计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。计算机硬件（Hardware）是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。计算机软件（Software）主要是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。1983年，IEEE对软件给出了一个较为全面的定义：软件是计算机程序、方法、规范及其相应的文档以及在计算机上运行是所必须的数据。软件是相对于机器硬件而言的。,冯诺依曼计算机的基本思想采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成；将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是“存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的概念；指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成，规定了5部分的基本功能,冯诺依曼理论的要点,数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。,电子计算机的设计思想,存储程序，程序控制“存储程序”，是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成程序“程序控制”，是当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务冯诺依曼型计算机的设计思想存储程序并按地址顺序执行,1.2.1信息的数字化表示,1.在计算机中用数字代码表示各种信息,二进制代码,例1用数字代码表示数据,5,-5,表示为0101,表示为1101,例2用数字代码表示字符,A,B,表示为1000001,表示为1000010,例3用数字代码表示命令、状态,启动,停止,正在工作,工作结束,表示为00,表示为01,表示为10,表示为11,2.在物理机制上用数字信号,数字型电信号,例1用电平信号表示数字代码,高电平,1,低电平,高电平,0,1,例2用脉冲信号表示数字代码,有脉冲,无脉冲,有脉冲,1,0,1,表示数字代码,实现并行操作,实现串行操作,1.2.2存储程序工作方式,1.事先编制程序,3.自动、连续地执行程序,2.事先存储程序,传统诺依曼机串行执行指令。,对传统诺依曼机的改造：增加并行处理功能。,1.2.1计算机的硬件系统,1、存储器：存储器是用来存放数据和程序的部件。2、运算器：对信息进行运算处理的部件。主要功能是对二进制数码进行算术（加减乘除）和逻辑（与或非）运算。3、控制器：整个计算机的控制核心。主要功能是读取指令、翻译指令、并向计算机各部分发出控制信号，以便执行指令。4、输入设备：将数据和程序转换成计算机能够识别和接受的信息，并顺序地把它们送入存储器中。输入设备有许多种，例如键盘、鼠标、扫描仪、光电输入机等。5、输出设备输出设备将计算机处理的结果以人们能接受的或其它机器能接受的形式送出。输出设备有许多种类，例如显示器、打印机、绘图仪等。,1.2.1计算机的硬件系统,1.运算器,算术运算逻辑运算采用二进制数（容易实现）位数越多，计算精度越高计算机的运算器长度：8位、16位、32位或64位,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,ALU:通过加法器实现运算操作（由全加器求和、由进位链传递进位信号）。,算数逻辑单元,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,通用寄存器组：提供操作数，存放运算结果。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,选择器：选择操作数；选择控制条件，实现各种算法。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,移位器：直接或者移位送出运算结果。,1）功能：产生控制命令(微命令)，控制全机操作。2）组成：,微命令序列,2.控制器,控制器的基本任务,按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令，依次类推,表示参加运算的数据从存储器的哪个单元取运算的结果应存到哪个单元,控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作指令有两部分：操作的性质和操作的地址,指出指令所进行的操作加、减、乘、除、取数、存数等,微命令产生方式（指令执行控制方式）：,组合逻辑控制方式：,微程序控制方式：,由组合逻辑电路产生微命令,由微指令产生微命令,3.存储器1）功能:存储信息。2）组成（主存储器）：,存储体:存放信息的实体。,寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。,读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂存读/写数据。,控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作。,3.存储器,功能：保存或“记忆”数据和运算过程存储的是0或1表示的二进制代码主存采用半导体器件来作为存储器一个半导体触发器记忆一个二进制位存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器，组成一个存储单元存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB、GB”等表示内存储器（主存）和外存储器(辅存）,4.输入/输出设备1）功能：转换信息。,输入：原始信息,代码，送入主机,输出：处理结果,人所能接受的形式，并输出,（代码）,1.2.1计算机的硬件系统,总线（Bus）：是计算机中用于传送信息的公用通道，是为多个部件服务的一组信息传送连接线。总线的分类：（1）按传送信息的属性分：数据总线（DB）在各部件之间传送数据信息地址总线（AB）传送各部件相互访问的地址信息控制总线（CB）传送控制各部件操作的控制信息（2）按信息传送的方向分：单向总线、双向总线（3）按连接对象和完成的功能分：I/OBUS用于外设与主机的信息交换。MEMORYBUS用于CPU与主存储器的信息交换,什么是微型计算机,微型计算机（Microcomputer）采用微处理器为核心构造的计算机微处理器（Microprocessor）一块大规模集成电路芯片微型机的运算和控制核心中央处理单元（CPU：CentralProcessingUnit）相对来说，微机性能、价格、体积较小工作学习中使用的个人微机生产生活中运用的各种智能化电子设备,微处理器的基本性能指标,字长微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数例如一次进行运算、传输的位数时钟频率微处理器的处理速度反映微处理器的基本时间单位集成度表明微处理器的生产工艺水平常用芯片上集成的晶体管数量来表达,微型计算机结构,1.微处理器2.存储器3.I/O接口和I/O设备4.系统总线,控制总线CB,数据总线DB,地址总线AB,微处理器,I/O设备,I/O接口,存储器,系统总线BUS,微处理器,微机的核心、控制中心，中央处理器CPU大规模集成电路VLSI芯片，集成控制器运算器（整数运算器）寄存器（高速存储单元）高性能微处理器内部还有浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元存储管理单元、代码保护机制Cache,存储器,存储器（Memory）是存放程序和数据的部件高性能微机的存储系统微处理器内部的寄存器（Register）高速缓冲存储器（Cache）主板上的主存储器以外设形式出现的辅助存储器主存储器（主存、内存）半导体存储器芯片组成RAM部分断电后信息丢失相对造价高、速度快、但容量小辅助存储器（简称辅存或外存）磁盘、光盘存储器等构成相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢,RAM和ROM,I/O接口和I/O设备,I/O设备（Peripheral）：用户与微机交互输入（Input）设备，如标准输入设备：键盘输出（Output）设备，如标准输出设备：显示器I/O接口（Interface）：外设和主机间的桥梁完成信号变换、数据缓冲、联络控制等工作较简单的I/O接口电路与主板一体较复杂的I/O接口电路制成独立的电路板（接口卡Card）,系统总线,总线（Bus）：传递信息的一组公用导线、信息通道系统总线（SystemBus）：微机系统中信息交换的主要公共通道地址总线：单向输出主存单元或I/O端口的地址信息数据总线：读（Read）操作数据输入微处理器；写（Write）操作数据输出到外界（主存或外设）控制总线：有些控制信号或状态信号输出；有些请求或联络信号输入微机系统采用总线结构，总线连接使得微机组合灵活、扩展方便,计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。都是由元件构成的有形物体，因而称为硬件或硬设备。硬件是计算机系统中实际物理装置的总称计算程序，因为它是无形的东西，称为软件或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件的结合，构成完整的计算机系统,计算机系统硬件系统软件系统,软件（Software）：指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。,1.2.2计算机的软件系统,软件程序+数据+文档,软件的分类：（1）系统软件：指管理、监控和维护计算机资源的软件。操作系统：DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX语言处理程序：机器语言、汇编语言和高级语言数据库管理系统：数据库和管理数据库的软件服务程序：例如编辑程序、诊断程序、排错程序等（2）应用软件：除了系统软件以外的所有软件，是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序。,计算机软件程序数据文档,目的程序,早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以“识别”并能执行，所以又叫做目的程序用机器语言编写程序很繁琐，又耗费大量的人力和时间，容易出错，出错后寻找错误也相当费事，大大限制了计算机的使用,汇编程序,为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率，人们发明了汇编语言借助于汇编程序，计算机本身自动地把符号语言表示的程序（称为汇编源程序）翻译成用机器语言表示的目的程序,用约定的文字、符号和数字（助记符）按规定的格式来表示各种不同的指令,高级语言,为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言（高级程序设计语言）算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则。比较接近数学语言，直观通用，与具体机器无关，只要稍加学习就能掌握，便于推广使用计算机,编译程序,用程序设计语言编写的程序称为源程序，这种源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的“翻译”，才能把源程序翻译为机器语言通常采用下面两种方法：编译系统：用编译程序将源程序编译成机器语言形式的目的程序，然后在目标系统运行解释系统：逐个解释并立即执行源程序的语句，它不是编出目的程序后再执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果,软件与硬件的逻辑等价性,随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等,软件的特点易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约；硬件的特点可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。,1.2.3计算机系统的层次结构（1/3）,硬件和软件的逻辑等价1、含义：（1）任何一个由软件完成的操作可以由硬件实现（2）任何一条由硬件执行的指令能用软件完成2、固件（Firmware）：是一种界于传统的软件和硬件之间的实体，功能上类似软件，但形态上又是硬件。微程序是计算机硬件和软件相结合的重要形式。,1.2.3计算机系统的层次结构（2/3）,系列机和兼容机,系列机描述在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器IBMPC系列机兼容机描述不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机IBMPC/AT兼容机,1.2.3计算机系统的层次结构（3/3）,1、系列机：一组同属一个系统结构，在性能上由低档到高档形成一个系列的计算机，组成一个计算机系列（family）。系列机中的每个机型都具有：相同的基本指令系统，相同的数据结构，相同的基本输入输出操作，支持