第一章计算机系统概论《计算机组成原理课件》.ppt

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1、1计算机组成原理计算机组成原理计算机核心专业课程2主要参考书主要参考书主教材：主教材： 计算机组成原理白中英计算机组成原理白中英 主编科学出主编科学出版社版社参考教材：参考教材： 计算机组成原理题解、题库、实验计算机组成原理题解、题库、实验3目目 录录 第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 第二章第二章 运算方法和运算器运算方法和运算器 第三章第三章 存储系统存储系统 第四章第四章 指令系统指令系统 第五章第五章 中央处理器中央处理器 第六章第六章 总线系统总线系统 第七章第七章 外围设备外围设备 第八章第八章 输入输出系统输入输出系统4第一章第一章 计算机系统结构计算机系统结构5概概

2、述述计算机分类：计算机分类： 电子电子模拟模拟计算机计算机：数值由连续的量来表示。：数值由连续的量来表示。 电子数字计算机电子数字计算机：计算机中的数值由不连续的数字来表示。：计算机中的数值由不连续的数字来表示。 专用机：经济，有效，快速，适应性差专用机：经济，有效，快速，适应性差 通用机：适应性强通用机：适应性强巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 单片机 低低 简易性简易性 高高 高高 体积，功耗，性能，价格体积，功耗，性能，价格 低低6计算机的发展计算机的发展1642 Blaise Pascal1822 1822 差分机差分机1833 1833 分析机分析机计算机发展史计算机发展史7简

3、简 介介电子数字计算机是一种能够自动、快捷，准确地电子数字计算机是一种能够自动、快捷，准确地实现信息存放数值计算、数据处理过程控制等多实现信息存放数值计算、数据处理过程控制等多种功能的电子机器，其基本功能是进行数字化信种功能的电子机器，其基本功能是进行数字化信息处理。息处理。世界上第一台计算机世界上第一台计算机ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Calculator）诞生于）诞生于1946年年2月月15日，是美国宾夕法尼亚大学摩尔理日，是美国宾夕法尼亚大学摩尔理工学院的摩切利和埃卡特发明的。工学院的摩切利和埃卡特发明的。计算机应用于科学计算、数

4、据处理、工业控制、计算机应用于科学计算、数据处理、工业控制、实时控制、人工智能、虚拟现实、远程教育、电实时控制、人工智能、虚拟现实、远程教育、电子商务等多种领域。子商务等多种领域。8 计算机的发展计算机的发展第一台电子计算机（第一台电子计算机（ENIAC）计算机发展史计算机发展史5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170M218800只电子管只电子管1500个继电器个继电器7000个电阻个电阻10000个电容个电容耗电耗电150KW9计算机的发展计算机的发展类型时期主要器件 重 要 特 征第一代1946- 1957电子管机器语言，汇编语言速度低，体积大，价格昂贵可靠性差，用于科学

5、计算。第二代1958-1964晶体管算法语言，操作系统体积缩小，可靠性提高从科学计算扩大到数据处理。第三代1965-1971中、小规模集成电路体积小，可靠性大大提高，速度达几百万IPS，软件技术和外设发展迅速应用领域不断扩大。第四代1972-中、大及超大规模集成电路速度提高至GIPS乃至TIPS水平多机并行处理和计算机网络迅速发展。10各时代各时代代表机型代表机型时代时代机型机型产地产地一一ENIAC 1946EDSAC 1949美美.宾州大学宾州大学英英.剑桥大学剑桥大学二二IBM 7090 1958DJS-21,108,X-2,441B IBM中国中国三三IBM360/370系列系列CDC

6、6000/7600,STAR-100, NOVA,PDP-11DJS-130/200IBMCDC中国中国四四微型机微型机 APPLE,IBM-PCVAX系列系列长城长城0520,.11计算机总体发展计算机总体发展 年 代 逻辑元件 主 存 辅 存 语言处理 速 度 代表机种 第一代 1946 - 1957 电子管 磁芯、磁鼓 磁带 机器语言 汇编语言 1万次 /秒 ENICA 、IBM650 IBM709 第二代 1958 - 1964 晶体管 磁芯、磁鼓 磁带、磁盘 高级语言 编译语言 操作系统 几万次 几百万次/秒 IBM7094 DTS -121 X-2 第三代 1965 - 1971

7、集成电路和大规模集成电路 半导体存储器 磁带、磁盘 多道程序实时处理 百万次千万次 IBM360 DJS-100 第四代 1972 - 超大规模集成电路 半导体存储器 高速磁盘 数据库系统 网络结构 千万次 1亿次 /秒 VAX -11 INTEL系列 12微电子与计算机年 份型 号管 数年 份型 号管 数1971400423001997P-MMX450万1972800835001997P-II750万1974808060001998 Celeron750万19788086290001999P-III960万19828028613万1999.10P-III-COP2800万1985386DX2

8、7.5万2000P44200万1989486DX120万2001Itanium2500万1993PENTIUM310万2002Itanium 22.2亿1995P-PRO550万13 第五代计算机第五代计算机 通信、存储、信息处理和人工智能相结合的通信、存储、信息处理和人工智能相结合的超巨能计算机。超巨能计算机。 第六代计算机第六代计算机 利用光电子元件、超导电子元件或生物电子利用光电子元件、超导电子元件或生物电子元件作为计算机的核心元件。元件作为计算机的核心元件。一一. 分类分类按用途分类通用机：通用性强，综合能力强，解决各种问题 专用机：特殊配置，功能单一，解决特定问题 按综合性能指标分类

9、巨型机：速度最快、处理能力最强2004年 曙光4000A 11万亿次的峰值速度2008年 曙光5000A 230万亿次的峰值速度2008年7月 IBM Roadrunner峰值性能1.37578PFlops大型机：大型、通用、较快、较强 作“客户机/服务器”的服务器 作“终端/主机”的主机 小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短 工艺先进、使用维护简单 工作站：介于PC与小型机之间 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强微型计算机：小、巧、轻、使用方便、价格便宜单片机:广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域 15二二. 计算机的应用计算机的应用

10、计算机的应用类型计算机的应用类型1. 科学计算2. 过程控制3. CAD/CAM/CAT4. 数据处理5. 电子商务6. 多媒体技术 7. 人工智能 计算机的主要应用领域计算机的主要应用领域1. 工商：电子商务、CAD/CAM2. 教育：多媒体教育、远程教育 、CAT 3. 医药：MRI(核磁共振)、远程医疗4. 政府：电子政务5. 娱乐：虚拟现实、电影特技 6. 科研：数据采集、计算分析7. 家庭：家庭信息化 16计算机体系结构和组织计算机体系结构和组织 计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。指令集（instructi

11、on set）软件硬件17电子计算机的设计思想电子计算机的设计思想 存储程序和程序控制存储程序和程序控制 “存储程序存储程序”是把指令以代码的形式事先输入到计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；执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成程序； “程序控制程序控制”是当计算机启动后，程序就会控制计是当计算机启动后，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。信息处理任务。冯冯诺依曼型计算机的设计思想

12、：诺依曼型计算机的设计思想：存储程序并按存储程序并按地址顺序执行。地址顺序执行。18一一.硬件系统硬件系统 存储器存储器 运算器运算器 控制器控制器 输入设备输入设备 输出设备输出设备 二二.软件系统软件系统 系统软件：系统软件：OS，语言处理，服务程序，数据库管理系统，语言处理，服务程序，数据库管理系统 用来提高使用效率，发挥和扩大计算机功能和用途的用来提高使用效率，发挥和扩大计算机功能和用途的程序程序。 应用软件：工程设计，数据处理，自动控制，企业管理应用软件：工程设计，数据处理，自动控制，企业管理 用户用来解决某些问题而编制的程序。用户用来解决某些问题而编制的程序。接口接口设备设备运算器

13、控制器内存系统总线19 运算器：运算器：计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件。计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件。 存储器：存储器：存放程序和数据的部件（存放程序和数据的部件（R/W）。）。 控制器：控制器：控制计算机有条不紊地执行程序的部件。控制计算机有条不紊地执行程序的部件。 输入设备：输入设备：能将人们所熟悉的信息形式变换为计算机能将人们所熟悉的信息形式变换为计算机内部能接收和识别的二进制信息的设备。内部能接收和识别的二进制信息的设备。 输出设备：输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其它设备把计算机处理的结果变换为人或其它设备所能接收和识别的信息形式的设备。所能接收和识别的信息形式的

14、设备。20输入设备输入设备输出设备输出设备输入输出接口和总线输入输出接口和总线外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构21运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构22运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构 运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能包括：其主要功能包括：1. 执行数值数据的算术加减乘除等运算，执行数值数据的算术加减乘除等运算， 执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，

15、执行逻辑数据的与或非等逻辑运算， 由一个被称为由一个被称为 ALU 的线路完成。的线路完成。 2. 暂时存放参加运算的数据和中间结果，暂时存放参加运算的数据和中间结果， 由多个通用寄存器来承担。由多个通用寄存器来承担。 3. 运算器通常也是数据传输的通路运算器通常也是数据传输的通路 。 23控控 制制 器器运运 算算 器器计算机硬件系统计算机硬件系统 24控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构 控制器是计算机中控制执行指令的部件：控制器是计算机中控制执行指令的部件：一一. 正确执行每条指令正确执行每条指令 1. 首先是取来一条指令，首先是取

16、来一条指令， 2. 接着分析这条指令，接着分析这条指令， 3. 再按指令格式和功能执行这条指令再按指令格式和功能执行这条指令二二. 保证指令按规定序列自动连续地执行。保证指令按规定序列自动连续地执行。三三. 对各种异常情况和请求及时响应和处理。对各种异常情况和请求及时响应和处理。说到底，说到底，控制器要向计算机各功能部件提供控制器要向计算机各功能部件提供 每一时刻协同运行所需要的控制信号每一时刻协同运行所需要的控制信号25外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构 26外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构 由高速缓冲存储器，主存储器，由高速缓冲存储器，主存储器，外存储器所组成的多级（层）存储器外存储器所组成的多级（层）存储器系统，是计算机中用于存储程序和数系统，是计算机中用于存储程序和数据的子系统。据的子系统。 这三级存储器所用的这三级存储器所用的存储介质的工作原理和特性各不相同。存储介