计算机硬件技术基础——第一章.ppt

1、计算机组成原理,PrinciplesofComputerOrganization,教材：包健，冯建文，章复嘉编著，计算机组成原理，浙江科学技术出版社，2004，8。参考书目1、王爱英主编，计算机组成与结构，清华大学出版社。2、白中英主编，计算机组成原理，科学出版社。,课程的任务和目的,计算机组成原理是计算机应用与软件专业的一门专业基础课程，它的特点是：知识面广、内容多、难度大及更新快，在基础课和专业课之间起着承上启下的作用。本课程着重阐述了构成一台计算机的基本原理，包括各功能部件的基本组成结构与原理，以及这些部件是如何连接构成一个有机的整体，并协调运转的。通过学习这门课，使学生掌握计算机内部的

2、工作过程及硬件组成实现的原理，深刻理解整机的概念，初步掌握计算机及其部件的基本设计思想和方法。,课程关系图,课程学习框架,正确的心态人与人之间只有很小的差异，但这种很小的差异却往往造成了巨大的差异！很小的差异就是所具备的心态是积极的还是消极的，巨大的差异就是成功与失败！注意学习方法合理安排时间作一些必要的笔记抓住重点独立完成作业积极配合教学希望：对教学内容、方式等如有意见或建议及时反馈,第一章绪论,1.1、计算机的特点及分类计算机的工作特点运算速度快、运算精度高、记忆功能强、通用性广和自动运算等。（快速性、准确性、通用性和逻辑性）,计算机的分类,混合计算机：取数字、模拟两种计算机之长，既能高速

3、运算，又便于存储，但设计困难，造价昂贵。,：速度快，精度不高。,按照信息的表示形式和处理方式分类,1.2计算机系统的组成,计算机硬件是指计算机中的电子线路和物理装置，计算机软件是指描述解决问题的方法、思想和过程的程序和数据。,1、冯.诺依曼机的特点计算机由5大部件组成：CPU（运算器和控制器）、存储器、输入设备、输出设备指令和数据均用二进制表示（由物理器件的性能决定）（现代计算机内部一般采用二进制形式。我国历史上的八卦图即反映了二值逻辑的思想，它最早记载在周易上，距今已有约三千年）存储程序：预先将程序和数据存入存储器，执行程序时，控制器自动、高速地从中取出指令并执行。（存储程序控制）指令由操作

4、码和地址码组成。指令在存储器中是有序存放的。计算机系统以运算器为中心工作，I/O设备与存储器的数据传送要通过运算器。冯.诺依曼计算机体系结构的主要特点：使用二进制数和存储程序（控制），最主要特点是存储程序(控制)。冯.诺依曼机工作方式的基本特点是按地址访问并顺序执行指令。,1.2.1计算机硬件系统,2、计算机硬件框图典型的冯.诺依曼计算机结构框图（以运算器为中心）,现代计算机结构框图（以存储器为中心）,3、数字计算机的五大部件及各部分的功能系统总线：地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）,运算器,主要功能：加、减、乘、除等算术运算和逻辑运算,存储器主要功能：保存程序（指令和数据）

5、等给出地址寻访单元,地址存储单元,0123n-1n,存储单元长度为字或字节,控制器主要功能：控制计算机各部件有条不紊地工作。控制从存储器中取指令、分析指令，然后发控制信号让各部件配合工作，执行指令。将要执行的下一条指令在存储器中的地址由程序计数器PC给出,I/O设备适配器就是接口输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等；输出设备：显示器、打印机等。,1、系统软件系统软件是指管理、调度、监视和维护计算机系统资源的程序集合，使系统资源得到合理调度、确保高效率运行。操作系统（OS）、系统引导程序、BIOS、语言处理程序、数据库管理系统SQL、服务性程序（VC等）、网络管理软件操作系统是为提高计算机利用率，方便

6、用户使用计算机以及提高计算机响应时间而配备的一种系统软件。2、应用软件应用软件：用户为解决某种应用问题而编制的程序。如信息管理系统、CAD软件,1.2.2计算机软件系统P7-8,源程序,机器语言程序,运行结果,编译、汇编、连接,解释,计算机运行程序的过程,1.3计算机系统的层次结构,源程序文件编译程序/汇编程序目标程序文件,由于软件的发展导致各级虚拟机，对应的层次结构如下：,语言不是软件机器语言(000001010)汇编语言(ADDR1,R2)高级语言(A=A+B),计算机系统的层次结构,层次结构的特点：上层是下层功能的扩展，下层是上层的基础。另外，站在不同的层次观察计算机系统，会得到不同的概

7、念。层次的划分不是绝对的。机器指令系统级与操作系统级的界面，又称硬件、软件的分解面，常常难以分清楚。操作系统与其它系统软件的界面也不是很清楚。,预备知识,1KB=210B=1024B（Kilo）1MB=1024KB=220B（Mega）1GB=1024MB=230B（Giga）1KHZ=1000HZ1MHZ=106HZ1个二进制位：bit（比特）8个二进制位：Byte（字节）1Byte=8bit2个字节：Word（字）1Word=2Byte=16bit一个字含多少字节与机器字长有关,1、机器字长CPU一次能直接处理的二进制数据的位数决定计算机精度的主要技术指标是计算机的字长2、存储容量：一个存

8、储器所有存储单元的总数存储容量=存储单元个数*存储字长1字节=8位（举例）3、运算速度：与许多因素有关，如机器的主频，访存的速度等MIPS(MillionInstructionsPerSecond)：多少百万条每秒CPI(CyclePerInstruction)：执行一条指令所需的周期数FLOPS（FloatingPointOperationPerSecond）：每秒浮点运算次数可靠性：平均无故障时间MTBF(MeanTimeBetweenFailures)来衡量，越大越好系统可维护性：平均恢复时间MTTR兼容性：设备或程序可以适用于多种不同的系统。性能/价格比：越高越好,1.4计算机系统的主

9、要技术指标,1.5计算机的发展,电子管计算机（1946-1957）30吨170M21946年第一台电子管计算机ENIAC,1949年第一台程序内存的计算机EDSAC晶体管计算机（1958-1964）FORTRANCOBOLALGOL我国1959（电子管），1965（晶体管）SSI/MSI集成电路计算机（1965-1971）BASICPASCALLSI/LVSI计算机（1971年至今）第5代（通信、存储、信息处理和人工只能相结合）第6代（计算机的核心元件是光电子元件，超导电子元件和生物电子元件等）,在微机系统中，影响最大、应用最广的是IBMPC机及其兼容机。微型机属于第四代计算机，核心部件是微处

10、理器CPU操作系统最先出现在第3代计算机,1.第一代微处理器Intel4004（1971年11月）、Intel40404位微处理器Intel8008低档8位微处理器2.第二代微处理器（8位、高档8位）Intel8080、MC6800、6501、65028位微处理器Intel8085、Z80、MC6809高档8位微处理器指令比较完善，有了中断与DMA支持的语言：汇编、BASIC，FORTRAN、PL/M后期配备了CP/M操作系统,微处理器发展概述,3.第三代微处理器（16位、准16位、高档16位）Intel8086、Z8000、MC6800016位8086数据总线16位、地址总线20位Intel

11、8088准16位外部数据总线8位，内部数据总线16位IBMPC、IBMPC/XTIntel80286、MC68010高档16位数据总线16位，地址总线24位IBMPC/AT实地址模式、虚地址保护模式虚地址模式可寻址16MB物理地址和1GB的虚拟地址空间4.第四代微处理器（386/486）Intel8038632位微处理器数据总线32位，地址总线32位工作模式：实地址模式、虚地址保护模式、虚拟8086模式虚地址模式可寻址4GB(232)物理地址和64TB(246)的虚拟地址空间Intel8048632位微处理器80386体系结构的主处理器+与80387兼容的数字协处理器+8KB的Cache,5.

12、第五代微处理器（Pentium/PentiumMMX)Pentium（奔腾）32位微处理器5级超标量结构、分支预测技术64条数据线、32条地址线常用指令硬件化，使用微程序设计3个执行部件（浮点执行部件和U、V整数执行部件）两个Cache(8KB的代码Cache、8KB的数据Cache)四种工作模式（加了系统管理模式）PentiumMMX（多能奔腾）32位增加了57条MMX指令（多媒体扩展指令集）采用了SIMD技术（单指令流多数据流）两个Cache(16KB的代码Cache、16KB的数据Cache),6.第六代微处理器(P6核心结构)PentiumPro（高能奔腾）32位64条数据线、36条地址线实现了动态执行技术(乱序执行)PentiumII（奔腾2）32位微处理器是PentiumPro+MMX双独立总线结构PentiumIII（奔腾3）32位微处理器增加了70条SSE指令首次内置序列号7.第六代之后的微处理器Pentium432位微处理器(非P6核心结构)Itanium64位微处理器,1、计算机系统结构外特性设计系统结构指机器语言程序员所能看到的一组“资源”，如机器的指令系统、通用寄存器、微处理器、状态字、I/O设备等。外特性指令系统、数据表示、寻址方式、寄存器集界面设计确定硬件功能。新型系统