计算机组成与系统结构课件

计算机组成与系统结构

陈泽宇副教授第1章计算机系统概论第2章运算方法和运算器第3章存储系统第4章指令系统第5章中央处理器（CPU）第6章总线系统第7章输入输出（I/O）系统第8章并行计算机系统1.2计算机的基本组成1.2.1计算机硬件1.2.2计算机软件1.2.3计算机固件计算机由硬件（Hardware）和软件（Software）组成硬件是基础是软件活动的舞台，由物理元器件构成的有形实体软件是灵魂使硬件最大限度发挥作用，是由计算机程序构成的无形的东西，需要存储在有形的硬件中可以实现更高层次的逻辑功能两者缺一不可1.2.1计算机硬件1．控制器2．运算器3．存储器4．输入输出设备5．总线计算机硬件是组成计算机的所有电子器件和机电装置的总称冯·诺伊曼体系结构主要特点：使用二进制数和存储程序设计思想：存储程序并按地址顺序执行程序及操作数据一同存储哈佛体系结构（HarvardArchitecture）源自HarvardMarkI计算机，程序与操作数据分开存储现代冯·诺伊曼计算机在设计中展示出了某些哈佛体系结构的特性，如高速缓存Cache冯·诺伊曼计算机具有5大部件FLASH演示用总线相互连接中央处理器（CPU）CentralProcessingUnit控制器和运算器的合称早期由许多分立元件组成，现在通常被制作在单片集成电路上，称为微处理器（Microprocessor）计算机系统工作时，输入设备将程序与数据存入存储器控制器从存储器中逐条取出指令，将其解释成控制命令，去控制各部件的动作数据在运算器中加工处理，处理后的结果通过输出设备输出1．控制器控制器是计算机的管理机构和指挥中心按照预先确定的操作步骤，协调控制计算机各部件有条不紊地自动工作控制器工作的实质就是解释程序逐条读取、分析、执行指令，控制各部件动作程序计数器（ProgramCounter）是一个特殊的寄存器记录着将要读取的下一条指令在存储器中的位置2．运算器用于信息加工的部件，对数据进行算术运算和逻辑运算FLASH演示算术逻辑单元（ArithmeticLogicUnit，ALU）具体完成算术与逻辑运算的单元，运算器的核心寄存器存放参与运算的操作数累加器特殊的寄存器，存放中间结果和最后结果算术运算加法、减法、乘法、除法，甚至三角函数、平方根整数、有限精度实数任何计算机都可以通过编程来执行任何的算术运算可通过编程把复杂运算分解成计算机可执行的简单步骤如ALU硬件不支持，则可用软件实现，但需花较多时间超标量计算机包含多个ALU，可同时处理多条指令图形处理器和具有并行特性的计算机的ALU，可执行矢量和矩阵算术运算3．存储器存储器的主要功能是存放程序和数据程序和数据都用二进制数表示，统称为信息向存储器存入或从存储器取出信息，都称为访问存储器存储器由一系列存储单元组成每个存储单元的编号称为地址要按给定的地址来寻找所选择的存储单元信息单位位（bit，简写成b）计算机的最小信息单位，包含1位二进制信息（0或1）字节（Byte，简写成B）由8位二进制信息组成字（Word）计算机一次所能处理的二进制位数，至少一个字节通常把组成一个字的二进制位数称为字长微型机字长可以少至8位，多至32位，甚至达到64位存储容量存储器中所有存储单元的总数KB（Kilobyte，千字节）、MB（Megabyte，兆字节）、GB（Gigabyte，千兆字节）1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB存储器分类按照在计算机中的作用，可分为主存储器、寄存器、闪速存储器、高速缓冲存储器、辅助存储器4．输入输出设备I/O设备或外围设备(Peripheral，简称外设)1）输入设备2）输出设备3）适配器1）输入设备将人们熟悉的信息形式，变换成计算机能接受并识别的二进制信息形式理想的输入设备应该是“会看”和“会听”的键盘、鼠标、扫描仪等，以及用于文字识别、图像识别、语音识别的设备2）输出设备将计算机输出的处理结果信息，转换成人类或其他设备能够接受和识别的信息形式理想的输出设备应该是“会写”和“会讲”的激光打印机、绘图仪、CRT/LCD显示器等，以及输出语言的设备（如语音合成产品）3）适配器外围设备通过适配器（Adapter）部件与主机相连接作用相当于转换器，保证外围设备按照计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息使主机和外围设备并行协调地工作5．总线计算机系统通过总线（Bus）将CPU、主存储器及I/O设备连接起来总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路按照信号类型，可分为数据总线：传送数据，双向，可输入输出地址总线：传送地址，单向，决定数据或命令传送给谁控制总线：传送各种控制信号1.2.2计算机软件计算机软件是程序的有序集合程序则是指令的有序集合1．软件系统2．程序设计语言3．操作系统4．数据库1．软件系统一台计算机中全部程序的集合，统称为这台计算机的软件系统软件系统是在硬件系统的基础上，为有效使用计算机而配置的计算机软件按其功能可分为应用软件和系统软件两大类应用软件是为解决某种应用问题而编制的程序系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能2．程序设计语言1）机器语言2）汇编语言3）算法语言1）机器语言早期人们直接用机器语言（即机器指令代码）编写程序，计算机完全可以“识别”并执行，所以又叫做目的程序但是用机器语言编写程序需要耗费大量的人力和时间，且容易出错2）汇编语言指令助记符：用约定的文字、符号和数字按规定格式表示各种不同指令，每条基本指令都被指定一个表示其功能又便于记忆的短的名字汇编语言（AssemblyLanguage）：用指令助记符表示的指令来编写程序汇编程序（Assembler）：把汇编语言程序转换为计算机可理解的、用机器语言表示的目的程序机器语言及汇编语言，对特定类型计算机而言是唯一的3）算法语言算法语言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接近数学语言，直观通用，与具体机器无关能够便利地表达程序员的设计思想，减少程序错误源程序（Source）用算法语言编写的程序，不能由机器直接识别和执行必须“翻译”为机器语言后才能由机器识别和执行源程序“翻译”方法 ⑴编译程序（Compiler）把用算法语言编写的源程序翻译成目的程序，然后在运行系统中执行目的程序，得出计算结果编译程序和运行系统合称为编译系统 ⑵解释程序（Interpreter）进行解释执行，即逐个解释并立即执行源程序的语句不是编译出目的程序后再执行，而是逐一解释语句并立即得出计算结果3．操作系统管理计算机资源（如处理器、存储器、外围设备和各种编译、应用程序）自动调度用户的作业程序使多个用户能有效地共用一套计算机系统4．数据库大量数据和表格按一定的规律组织起来，形成数据库（Database，DB）数据库就是实现有组织、动态地存储大量相关数据，方便多用户访问的计算机软、硬件资源所组成的系统数据库和数据库管理软件一起，组成了数据库管理系统（DatabaseManagementSystem，DBMS）1.2.3计算机固件随着大规模集成电路