第1_2章计算机系统概论.ppt

1、计算机原理与汇编,教材：计算机组成原理(第2版）, 唐朔飞编著，高等教育出版社 IBM-PC汇编语言程序设计（第2版）， 沈美明、温冬婵 编著，清华大学出版社,课程概述,计算机原理与汇编课程是计算机专业基础课程。计算机原理研究组成计算机的各个部件的工作原理，汇编语言针对特定计算机类型研究学习汇编语言程序设计方法和技术。 计算机组成原理上下承接两个概念：计算机系统结构和计算机实现。 计算机系统结构：从机器语言级程序员或汇编语言级程序员所看到的计算机的属性。 计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现。 计算机实现：计算机组成的物理实现。,课程研究内容,计算机组成原理研究组成计算机的各个部件的一般工作原

2、理，工作过程。 1.信息如何表示： 物理上：用何种形式表示(穿孔,磁记录,电信号等) 逻辑上：数据格式(数制,码制,指令格式,) 2.信息如何存储： 存储器 3.信息的变换：自然界信息通过输入设备转换为计算机可以识别的信息， 经过信息加工处理再通过输出设备转换为人类可以识别的自然界信息,课程研究内容,4.信息的传送：总线 5.信息的加工处理：运算器（算术运算, 逻辑运算） 6.对上述进行控制：控制器，整个计算机的控制中心 综上所述，计算机组成包括五大部件(运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备)，通过总线实现信息传送。 汇编语言针对80 x86计算机类型研究其指令系统和寻址方式，掌握汇编语

3、言程序格式，学习相应程序设计方法和技术。,第章 计算机系统概论,1.1 计算机系统简介,1.3 计算机硬件的主要技术指标,1.2 计算机的基本组成,1.1 计算机系统简介,由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成,1. 计算机系统,计算机系统,计算机的实体， 如主机、外设等,一、 计算机的软硬件概念,1.1,1.1,2. 计算机的解题过程,二、计算机系统的层次结构,高级语言,虚拟机器 M3,汇编语言,虚拟机器 M2,机器语言,实际机器 M1,微指令系统,微程序机器 M0,1.1,用编译程序翻译 成汇编语言程序,用汇编程序翻译 成机器语言程序,用机器语言解释操作系统,用微指令解释机器指令,由硬件直

4、接执行微指令,1.1,程序员所见到的计算机系统的属性 概念性的结构与功能特性,计算机体系结构所体现的属性的逻辑实现,有无乘法指令,如何实现乘法指令,（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）,（具体指令的实现）,1.1,三、计算机系统结构和计算机组成,1.2 计算机的基本组成,1. 计算机由五大部件组成,3. 指令和数据用二进制表示,4. 指令由操作码和地址码组成,6. 以运算器为中心,5. 存储程序,一、冯诺依曼计算机的特点(控制流驱动方式）,5. 存储程序（指令在存储器内按顺序存放）,冯.诺依曼体系结构的核心有3点： 1.计算机由五大部件组成； 2.机内采用二进制:提高运算速度,使硬件简

5、单； 3. “存储程序”，计算机才能自动工作（存储器存放预先编写好的程序和数据，指令在存储器内按顺序存放）。 计算机在控制器的控制下自动高速地逐条取出指令并加以执行。,1.2,算术运算 逻辑运算,存放数据 和程序,将信息转换成机 器能识别的形式,将结果转换成 人们熟悉的形式,指挥程序 运行,1.2,冯诺依曼计算机硬件框图,二、计算机硬件框图,1.2,1. 以存储器为中心的计算机硬件框图,ALU,主存 辅存,CPU,主机,I/O设备,硬件,CU,2.现代计算机硬件框图,1.2,1.上机前的准备,建立数学模型,编制解题程序,确定计算方法,程序 运算的 全部步骤,指令 每 一个步骤,1.2,三、计算

6、机的工作步骤,取x 至运算器中,乘以x 在运算器中,乘以a 在运算器中,存ax2 在存储器中,取b 至运算器中,乘以x 在运算器中,加ax2 在运算器中,加c 在运算器中,= (ax + b)x + c,取x 至运算器中,乘以a 在运算器中,加b 在运算器中,乘以x 在运算器中,加c 在运算器中,计算 ax2 + bx + c,1.2,编程举例,000001 0000001000,打印 y,停机,取数 ,存数 ,加 ,乘 x,指令格式举例,1.2,1.2,计算 ax2 + bx + c 程序清单,存储体,大楼,存储单元 存放一串二进制代码,存储字 存储单元中二进制代码的组合,存储字长 存储单元

7、中二进制代码的位数,每个存储单元赋予一个地址号,按地址寻访, 存储单元, 存储元件,（0/1）, 房间, 床位,（无人/ 有人）,(1)存储器(Main Memory)的基本组成,1.2,2.计算机的解题过程,MAR,MDR,1.2,存储器地址寄存器 反映存储单元的个数,存储器数据寄存器 反映存储字长,(1)存储器(Main Memory)的基本组成,主存：存放数据、程序，以地址编号，按地址访问 存储体(存储矩阵ST） ：存储单元的集合，存储二进制信息，地址号从0开始 MAR ：存储器地址寄存器，接收从CPU发送的地址号 MAD ：存储器地址译码器，对MAR进行译码，选中一单元 MBR ：存储

8、器缓冲寄存器，暂存从内存读出或写入的数据 RW电路：读写控制电路，控制读、写内存,1.2,(2)运算器的基本组成及操作过程,1.2,被加数,被减数,被除数,乘数,商,加数,减数,被乘数,除数,加法,减法,乘法,除法,和,差,余数, 加法操作过程,1.2,1.2, 减法操作过程,1.2, 乘法操作过程,1.2, 除法操作过程,取指令,分析指令,执行指令,PC,IR,CU,取指,执行,IR 存放当前欲执行的指令,访存,访存,完成 一条 指令,1.2,(3)控制器的基本组成,控制从内存取出指令并执行指令，指令格式为： IR 其中: OP：操作码，指明本条件作何操作 A：地址码，指明操作数在何处，A可

9、分为一地址，二地址，三地址，四地址，零地址。 控制器包含以下部件： 指令控制部件：PC，IR，ID PC：程序计数器，将即将执行的指令存于内存的地址号，PC能自动加1 IR：指令寄存器，存从内存取出的指令 ID：指令译码器，将OP译成控制电位,op,A,1.2,地址形成部件 指令中A称为形式地址，形式地址经运算或变换形成操作数的真实地址(有效地址EA)，即物理地址（运算或变换的过程称为寻址） AR：地址寄存器，先存形式地址，后存物理地址 XR：变址寄存器，变址寻址中，XR的内容与部分形式地址相加得到物理地址 地址计算部件：一个并行加法器，专作地址变换,定时部件 产生节拍电位，节拍脉冲，含： C

10、P：时钟脉冲源，即主频 TSG：时序信号发生器，产生节拍电位与脉冲 微操作控制部件：产生执行指令时所需的微操作信号 (微操作：在一个节拍电位内完成的硬件动作) (4) I/O：完成输入输出工作,1.2,以取数指令为例,(5)主机完成一条指令的过程,1.2,以存数指令为例,1.2,(5)主机完成一条指令的过程,(6) ax2 + bx + c 程序的运行过程,将程序通过输入设备送至计算机,程序首地址,打印结果,分析指令,取指令,停机,启动程序运行,执行指令,1.2,MAR,M,MDR,IR,PC,CU,OP(IR),Ad(IR),MAR,M,MDR,ACC,PC,1.3 计算机硬件的主要技术指标

11、与分类,1.机器字长(精度）,2.运算速度,CPU 一次能处理数据的位数 与 CPU 中的 寄存器位数 有关,主频,一、主要技术指标,221 = 256 KB,3.存储容量,主存容量,辅存容量,存储单元个数 存储字长,字节数,字节数 80 GB,如 MAR MDR 容量,10 8,16 32,存放二进制信息的总位数,1.3,1 K 8位,64 K 32位,4.存储周期,主存进行一次完整读写操作所需的时间，即主存进行连续读写操作所允许的最短时间间隔,1.3,可靠性，可用性，可维性，完整性，安全性,5. RASIS特性,6. 兼容性,硬，软件的向上、向下兼容,7. 性价比,性能/价格（各单项），综

12、合性价比越高越好,1. 按处理信息的方式分：模拟机、数字机 2. 按用途分：专用机、通用机 3. 按性能、规模分：巨、大、中、小、微、超微 型计算机 4. 按处理的字长分： 4 、8、 16、 32、 64位 机 5. 按使用方式分：服务器、工作站,1.3,二、计算机的分类,习题：P19 1.1，1.2，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8， 1.11,第章 计算机的发展及应用,2.3 计算机的展望,2.2 计算机的应用,2.1 计算机的发展史,2.1 计算机的发展史,一、计算机的产生和发展,1946年 美国 ENIAC,1955年退役,用手工搬动开关和拔插电缆来编程,世界上第一台电子计算机

13、 ENIAC(1946),2.1,硬件技术对计算机更新换代的影响,2.1,第一台von Neumann 系统结构的计算机,2.1,IBM System360,2.1,2.1,1.Cray XT5 Jaguar,224162 个 CPU 最大平均速度 1759000 GFLOPS,速度最快的五台超级计算机（截止到 2010.6）,2.1,2.NSCS : Nebulae,120640 个 CPU 最大平均速度 1271000 GFLOPS,速度最快的五台超级计算机（截止到 2010.6）,2.1,3.IBM: Roadrunner,122400 个 CPU 最大平均速度 1042000 GFLO

14、PS,速度最快的五台超级计算机（截止到 2010.6）,2.1,4. Cray: Kraken XT5,98928 个 CPU 最大平均速度 831700 GFLOPS,最快的五台超级计算机（截止到 2010.6）,2.1,5. IBM: JUGENE - Blue Gene/P Solution,294912 个 CPU 最大平均速度 825500 GFLOPS,最快的五台超级计算机（截止到 2010.6）,2.1,最权威的超级计算机排名的参考网址 ,最权威的超级计算机排名的参考网址 ,二、微型计算机的出现和发展

15、,微处理器芯片,存储器芯片,1971年,1970年,2.1,Moore 定律,Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出,2.1,Intel 公司的典型微处理器产品,8080 8位 1974年 8086 16位 1979年 2.9 万个晶体管 80286 16位 1982年 13.4 万个晶体管 80386 32位 1985年 27.5 万个晶体管 80486 32位 1989年 120.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1993年 310.0 万个晶体管 Pentium Pro 64位（准） 1995年 550.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 19

16、97年 750.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1999年 950.0 万个晶体管 Pentium 64位 2000年 4 200.0 万个晶体管,2.1,2007 年 芯片上可集成 3 亿 5 千万 个晶体管,2010 年 芯片上可集成 11亿 个晶体管,三、软件技术的兴起和发展,机器语言 面向机器,汇编语言 面向机器,高级语言 面向问题,FORTRAN 科学计算和工程计算,PASCAL 结构化程序设计,C 面向对象,Java 适应网络环境,1. 各种语言,2.1,2. 系统软件,语言处理程序 汇编程序 编译程序 解释程序,操作系统 DOS UNIX Windows,服务性程序 装配 调试 诊断 排错,数据库管理系统 数据库和数据库管理软件,网络软件,2.1,3. 软件发展的特点, 开发周期长, 制作成本昂贵, 检测软件产品质量的特殊性,2.1,2.2 计算机的应用,一、科学计算和数据处理,二、工业控制和实时控制,三、网络技术,1. 电子商务,2. 网络教育,3. 敏捷制造,四、虚拟现