计算机组成原理第1章课件.ppt

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1、计算机组成原理第一章第一章 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目录运运 算算 器器控控 制制 器器主存储器主存储器输入设备输入设备输出设备输出设备总总线线 和和 输输入入输输出出接接口口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟存储器(磁盘设备磁盘设备)（第二章第二章）（第五章第五章）（第第三三章章）（第六章第六章）（第第七七、八八章章）中央处理单元中央处理单元CPU系

2、统结构基本概念第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论v计算机系统不同于一般的电子设备，它是一个由硬件、软件组成的复杂的自动化设备。1.1 1.1 计算机的分类和应用计算机的分类和应用 1.2 1.2 计算机的硬件计算机的硬件 1.3 1.3 计算机的软件计算机的软件 1.4 1.4 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构系统结构基本概念1.1.1 计算机的分类计算机的分类 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。各自主要特点各自主要特点：模模拟拟计计算算机机由由模模拟拟运运算算器器件件构构成成，其其变变量量由由连连续续量量（如如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的电压

3、、电流等）来表示，运算过程也是连续的数数字字计计算算机机则则是是由由逻逻辑辑电电子子器器件件构构成成，其其变变量量为为开开关关量量（离离散散的的数数字字量量），采采用用数数字字式式按按位位运运算算，运运算算模模式式是是离离散式的散式的1.1 1.1 计算机的分类和应用计算机的分类和应用系统结构基本概念数字计算机与模拟计算计的主要区别比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0和1电压、电流等计算方式数字计算电量组合和测量值控制方式程序控制模拟信号组合控制精度、抗干扰性高、好低、差数据存储量大小、几乎无逻辑判断能力强无系统结构基本概念数数字字计计算算机机专用计算机专用计算机通用计算机通用计算机

4、超级计算机超级计算机大型机大型机服务器服务器工作站工作站微型机微型机单片机单片机低低高高体积体积功耗功耗性能性能数据存储量数据存储量指令系统指令系统价格价格系统结构基本概念单片机微机小型机中型机大型机超级计算机低高体积功耗性能存储容量指令规模价格高低简易性系统结构基本概念1.1.2 1.1.2 计算机的应用计算机的应用 计算机的应用范围几乎涉及人类社会的所有领域。本书归纳成六个主要方面来叙述：科学计算科学计算 自动控制自动控制 测量和测试测量和测试 信息处理信息处理 教育和卫生教育和卫生 家用电器家用电器 人工智能人工智能1.2 1.2 计算机的硬件计算机的硬件 vJ.Von Neumann（

5、冯（冯.诺伊曼）诺伊曼）19131913，生生于于匈匈牙牙利利，瑞瑞士士化化学学学学士士，匈匈牙牙利利数数学学博博士士，后后移移居居美美国；国；4040年代初，参与曼哈顿计划；年代初，参与曼哈顿计划；4444年参观年参观ENIACENIAC；4545年发表年发表“关于离散变量自动电子计算机的草案关于离散变量自动电子计算机的草案”v计算机的基本结构；计算机的基本结构；v采用二进制；采用二进制；v数据和程序都放在内存中。数据和程序都放在内存中。冯冯.诺伊曼结构诺伊曼结构主主机机系统结构基本概念1.2.1 1.2.1 计算机的硬件系统组成计算机的硬件系统组成v打算盘，求解打算盘，求解 y=ax+b

6、c一个算盘一个算盘v计算，暂存结果计算，暂存结果一张纸一张纸v记录步骤、数据记录步骤、数据一支笔一支笔v将步骤、数据抄至纸上；将步骤、数据抄至纸上；v算盘上数据，抄至纸上。算盘上数据，抄至纸上。人脑和手人脑和手v控制算盘、完成步骤控制算盘、完成步骤运算器运算器存储器存储器IO设备设备控制器控制器行号行号解题步骤与数据解题步骤与数据1取数取数 （9）算盘算盘2乘法乘法 （12）算盘算盘3加法加法 （10）算盘算盘4减法减法 （11）算盘算盘5存数存数 y 136输出输出7停止停止89a10b11c12x13y系统结构基本概念1.运算器运算器v算术运算、逻辑运算算术运算、逻辑运算v采用二进制数（容

7、易实现）采用二进制数（容易实现）v算术算术逻辑单元（逻辑单元（ALU）+专用或通用寄存器专用或通用寄存器v计算机的运算器长度：计算机的运算器长度：8 8位、位、1616位、位、3232位或位或6464位位系统结构基本概念2.存储器存储器v功能：保存或功能：保存或“记忆记忆”数据和运算过程数据和运算过程v存储的是存储的是0或或1表示的二进制代码表示的二进制代码v存存储储单单元元：在在存存储储器器中中保保存存一一个个n n位位二二进进制制数数的的n n个个触触发器，组成一个存储单元发器，组成一个存储单元v存存储储器器地地址址：存存储储器器是是由由许许多多存存储储单单元元组组成成，每每个个存存储储单

8、元的编号，称为地址单元的编号，称为地址v存存储储容容量量：存存储储器器所所有有存存储储单单元元的的总总数数。通通常常用用单单位位“KB“KB、MBMB、GB”GB”等表示等表示v内存储器（主存）和外存储器内存储器（主存）和外存储器(辅存辅存）0地址地址 存储单元存储单元1101010100010111000011010011000100101111000000100000000000000000000000000000000011010101000101111234.M-1系统结构基本概念v(1)(1)程序程序每每一一个个基基本本操操作作就就叫叫做做一一条条指指令令,而而解解算算某某一一问问题

9、题的的一一串指令序列串指令序列,叫做该问题的叫做该问题的计算程序计算程序,简称为简称为程序程序。v(2)(2)指令的形式指令的形式 表表示示参参加加运运算算的的数数据据从从存存储储器器的的哪哪个个单单元元取取；运运算算的的结结果果应应存存到哪个单元到哪个单元操作码操作码地址码地址码指指出出指指令令所所进进行行的的操操作作，如如加加、减减、乘乘、除除、取取数数、存存数等数等 3.控制器控制器v控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作系统结构基本概念3.控制器控制器v“存储程序存储程序”：是把是把指令序列指令序列事先输入到存储器中事先输入到存储器中 v“程序控制

10、程序控制”：当计算机启动后，程序就会控制计算机按当计算机启动后，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规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务v冯冯诺依曼型计算机的设计思想：诺依曼型计算机的设计思想：存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行v指令系统：指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。一台计算机中所有机器指令的集合。（3 3）控制器的基本任务）控制器的基本任务 控制取指令和指令译码，这段时间称为取指周期；控制取指令和指令译码，这段时间称为取指周期；控制指令执行过程，这段时间称为执行周期；控制指令执行过程，这段时间称为执行周期；取指周期和

11、执行周期交替发生；取指周期和执行周期交替发生；每取一条指令，指令计数器加每取一条指令，指令计数器加1。系统结构基本概念（4 4）指令流和数据流）指令流和数据流 v计计算算机机中中的的信信息息单单位位：位位（bit）、字字节节（Byte）、字字（Word）。例：）。例：10010110v字字长长：组组成成一一个个字字的的二二进进制制位位数数。一一个个“字字”至至少少由由一一个个以上的字节组成。以上的字节组成。v计计算算机机字字既既可可以以代代表表指指令令,也也可可以以代代表表数数据据。如如果果某某字字代代表表要要处处理理的的数数据据,则则称称为为数数据据字字；如如果果某某字字为为一一条条指指令令

12、,则称为则称为指令字指令字。v指指令令和和数数据据统统统统放放在在内内存存中中,从从形形式式上上看看,它它们们都都是是二二进进制制数数码码。一一般般来来讲讲，在在取取指指周周期期中中从从内内存存读读出出的的信信息息是是指指令令流流,它它流流向向控控制制器器；而而执执行行周周期期中中从从内内存存读读出出的信息流是的信息流是数据流数据流,它由内存流向运算器。它由内存流向运算器。3.控制器控制器系统结构基本概念操作操作编码编码加法加法001减法减法010乘法乘法011除法除法100取数取数101存数存数110停机停机000指令和数据的存储指令和数据的存储地址 存储单元0101 0111011 101

13、0001 1000010 1001110 1011000 xxxx 12345 yxcba(二进制)96781011指令字数据字指指令令区区数数据据区区操作的编码操作的编码系统结构基本概念4.适配器与输入输出设备适配器与输入输出设备v输输入入设设备备把把人人们们所所熟熟悉悉的的某某种种形形式式的的信信息息变变换换为为机机器器内部所能接收和识别的二进制信息形式。内部所能接收和识别的二进制信息形式。v输输出出设设备备把把计计算算机机处处理理的的结结果果变变换换为为人人或或其其它它机机器器所所能接收和识别的信息形式。能接收和识别的信息形式。vI/OI/O设备设备通常统称为通常统称为外围设备。外围设备

14、。v适适配配器器(I/O(I/O接接口口)相相当当与与一一个个转转换换器器,它它可可以以保保证证外外围围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息。设备用计算机所要求的形式发送或接受信息。v系系统统总总线线构构成成计计算算机机系系统统的的信信息息链链接接,是是多多个个系系统统部部件之间进行数据传送的公共通路。件之间进行数据传送的公共通路。系统结构基本概念硬件系统五大组成部分框图硬件系统五大组成部分框图 常常用用的的输输入入设设备备有有：鼠鼠标标器器、键键盘盘、扫扫描描仪仪、数数字字化化仪仪、数数码码摄摄像像机机、条条形形码码阅读器、数码相机、阅读器、数码相机、A/D转换器等转换器等计计算算机机中中

15、用用于于存存取取程程序序和和数数据据的的部件。分为内存和外存两类部件。分为内存和外存两类显显示示器器、打打印印机机、音音箱箱、绘图仪等绘图仪等指挥和控制计算机各个部件进行工指挥和控制计算机各个部件进行工作的作的“神经中枢神经中枢”负负责责对对信信息息进进行行加加工工和和运运算算，内内设设若若干干寄寄存存器器，用用于于暂暂存存操操作作数数和和中中间间结果。结果。系统结构基本概念 1.2.2 计算机系统结构的过去和未来v世界上第一台电子数字计算机世界上第一台电子数字计算机ENIAC 诞生于诞生于1946年，是在美国宾夕法尼亚大学制成的。计算年，是在美国宾夕法尼亚大学制成的。计算机的发展大致经历了五

16、代的变化：机的发展大致经历了五代的变化：1.1946年开始，第一代电子管计算机年开始，第一代电子管计算机2.1958年开始，第二代晶体管计算机年开始，第二代晶体管计算机 3.1965年开始，第三代中小规模集成电路计算机年开始，第三代中小规模集成电路计算机 4.1971年开始，第四代大规模集成电路计算机年开始，第四代大规模集成电路计算机 5.1986年开始，第五代巨大规模集成电路计算机年开始，第五代巨大规模集成电路计算机 系统结构基本概念 第一台电子计算机（第一台电子计算机（ENIACENIAC）5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170M218,800只电子管只电子管1500个继

17、电器个继电器耗电耗电150KW计算机发展史计算机发展史系统结构基本概念年代年代主要器件主要器件重重 要要 特特 征征第第1代代1946-1958电子管电子管机机器器语语言言，汇汇编编语语言言。速速度度低低，体体积积大大，价价格格昂昂贵贵，可可靠靠性性差差，用用于于科科学学计计算算。速速度达几千次到几万次度达几千次到几万次第第2代代1958-1964晶体管晶体管算算法法语语言言，操操作作系系统统。体体积积缩缩小小，可可靠靠性性提提高高。从从科科学学计计算算到到数数据据处处理理。每每秒秒几几万万次到几十万次次到几十万次第第3代代1964-1971中小规模集成中小规模集成电路电路体体积积小小，可可靠

18、靠性性大大大大提提高高，速速度度达达几几百百万万次次，软软件件技技术术和和外外设设发发展展迅迅速速应应用用领领域域不不断扩大。断扩大。第第4代代1971-1986大大/超大规模超大规模集成电路集成电路速度提高至几百万次至几千万次速度提高至几百万次至几千万次 出现微型计算机出现微型计算机第第5代代1986-巨大规模集成巨大规模集成电路电路速度提高至几亿次乃至上百亿次。速度提高至几亿次乃至上百亿次。出现单片机出现单片机计算机的发展史计算机的发展史系统结构基本概念v计计算算机机是是由由运运算算器器、存存储储器器、控控制制器器、适适配配器器、总总线线和和输输入入/输输出出设设备备组组成成的的。都都是是

19、由由元元件件构构成成的的有有形形物物体体，因因而而称称为为硬硬件件或或硬硬设设备备。硬硬件件是是计计算算机机系系统统中中实实际物理装置的总称。际物理装置的总称。v软件软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。v硬硬件件是是软软件件的的工工作作基基础础，软软件件是是硬硬件件功功能能的的扩扩充充和和完完善善。两两者者相相互互依依存存，相相互互促促进进。软软件件与与硬硬件件的的结结合合，构成完整的构成完整的计算机系统。计算机系统。计算机系统硬件系统软件系统计算机系统硬件系统软件系统系统结构基本概念1.3 1.3 计算机的软件计算机的软件 软件的组成和分类

20、软件的组成和分类 软件分类软件分类操作系统操作系统 语言处理程序语言处理程序服务性程序服务性程序应用程序应用程序办公软件包办公软件包数据库管理系统数据库管理系统浏览器浏览器实时控制软件实时控制软件诊断、排错程序诊断、排错程序反病毒程序反病毒程序备份程序备份程序文件压缩程序文件压缩程序卸载程序卸载程序图形图像处理软件图形图像处理软件其它应用软件其它应用软件系统程序系统程序系统结构基本概念 下下面面以以系系统统程程序序为为例例,简简要要说说明明软软件件的的发发展展演演变变过程：过程：1.目的程序目的程序2.汇编程序汇编程序3.源程序源程序4.操作系统操作系统5.数据库管理系统数据库管理系统软件的发

21、展演变软件的发展演变 手编程序：直接用手编程序：直接用机器语言机器语言编写编写 用一些约定的文字、符号和数字按用一些约定的文字、符号和数字按规定的格式来表示各种不同的指令规定的格式来表示各种不同的指令,再用这些指令来编写程序再用这些指令来编写程序 系统结构基本概念3.源程序v算算法法语语言言：按按实实际际需需要要规规定定好好的的一一套套基基本本符符号号以以及及由由这套基本符号构成程序的规则。这套基本符号构成程序的规则。v源程序源程序：用算法语言编写的程序。用算法语言编写的程序。v通常采用下面两种方法把源程序翻译为机器语言通常采用下面两种方法把源程序翻译为机器语言：编编译译系系统统：用用编编译译

22、程程序序将将源源程程序序编编译译成成机机器器语语言言形式的目的程序，然后在目标系统运行。形式的目的程序，然后在目标系统运行。解解释释系系统统：逐逐个个解解释释并并立立即即执执行行源源程程序序的的语语句句，它它不不是是编编出出目目的的程程序序后后再再执执行行，而而是是直直接接逐逐一一解解释语句并得出计算结果。释语句并得出计算结果。系统结构基本概念4.操作系统v用用来来管管理理计计算算机机资资源源(如如处处理理器器、内内存存、外外部部设设备备和和各各种种编编译译、应应用用程程序序)和和自自动动调调度度用用户户的的作作业业程程序序,而而使使多个用户能有效地共用一套计算机系统。多个用户能有效地共用一套

23、计算机系统。v根根据据使使用用环环境境要要求求,操操作作系系统统大大致致分分为为批批处处理理操操作作系系统统、分分时操作系统时操作系统、网络操作系统网络操作系统、实时操作系统实时操作系统等多种。等多种。5.数据库管理系统v数数据据库库：实实现现有有组组织织地地、动动态态地地存存储储大大量量相相关关数数据据,方方便便多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统。多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统。v数数据据库库管管理理系系统统：数数据据库库和和数数据据库库管管理理软软件件一一起起,组组成成了了数据库管理系统。数据库管理系统。系统结构基本概念1.4.1 1.4.1 多级组成的计算机系统多级组成的

24、计算机系统 1.4 1.4 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构机器语言级，机器语言级，由微程序解释由微程序解释机器指令系统机器指令系统 硬硬件件级级混混合合级级面向用户，为方便用面向用户，为方便用户编写应用程序而设户编写应用程序而设置。由各种高级语言置。由各种高级语言编译程序支持和执行编译程序支持和执行 系统结构基本概念1.4.2 1.4.2 软件与硬件的逻辑等价性软件与硬件的逻辑等价性v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。v任任何何操操作作可可以以由由软软件件来来实实现现，也也可可以以由由硬硬件件来来实实现现；任任何何指令的执行可以由硬件

25、完成，也可以由软件来完成。指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。v就就目目前前而而言言，一一些些计计算算机机的的特特点点是是，把把原原来来在在一一般般机机器器级级通通过过编编制制程程序序实实现现的的操操作作，如如整整数数乘乘除除法法指指令令、浮浮点点运运算算指令、处理字符串指令等等，改为直接由指令、处理字符串指令等等，改为直接由硬件硬件完成。完成。v现现在在已已经经可可以以把把许许多多复复杂杂的的、常常用用的的程程序序制制作作成成固固件件。就就它它的的功功能能来来说说，是是软软件件；但但从从形形态态来来说说，又又是是硬硬件件。传传统统的软件部分，今后完全有可能的软件部分，今后完全有可能

26、“固化固化”甚至甚至“硬化硬化”。计算机组成原理计算机组成原理 第一章计算机系统概论第一章计算机系统概论 本章小结本章小结l计算机的类型：模拟和数字；专用和通用；巨型机、大型机、小型计算机的类型：模拟和数字；专用和通用；巨型机、大型机、小型机、微型机、单片机。机、微型机、单片机。l计算机的应用领域。计算机的应用领域。l计算机从开始出现到目前经历了一个快速发展的过程。按计算机所计算机从开始出现到目前经历了一个快速发展的过程。按计算机所使用的微电子器件的发展可将电子计算机分成五代。使用的微电子器件的发展可将电子计算机分成五代。l计算机系统由计算机系统由软件系统软件系统与与硬件系统硬件系统组成。组成

27、。l计算机的硬件系统由有形的电子器件等构成的，它包括计算机的硬件系统由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备储器、控制器、适配器、输入输出设备。l计算机的软件系统是计算机不同于一般电子设备的本质所在。计算计算机的软件系统是计算机不同于一般电子设备的本质所在。计算机的软件一般分为机的软件一般分为系统程序系统程序和和应用程序应用程序两大类。两大类。l计算机的层次结构通常由计算机的层次结构通常由微程序设计级、微程序设计级、一般机器级、操作系统级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级汇编语言级、高级语言级组成。组成。习题11.计算机系统应包括（计

28、算机系统应包括（）。）。A）运算器、存储器、控制器 B）主机与外部设备C）硬件系统与软件系统 D）系统软件与应用软件2.计算机的存储器系统是指（计算机的存储器系统是指（）。）。A）RAM存储器 B）ROM存储器C）主存储器 D）主存储器和外存储器3.计算机硬件能直接执行的只能是（计算机硬件能直接执行的只能是（）。A符号语言 B机器语言C汇编语言 D机器语言和汇编语言4.冯诺依曼结构计算机的基本特点是冯诺依曼结构计算机的基本特点是（）。）。A）多指令流单数据流 B）存储程序并按地址顺序执行C）堆栈操作 D）存储器按内部选择地址5.下面下面()组设备包括组设备包括:输入设备输入设备,输出设备和存储设备输出设备和存储设备.A)显示器,CPU和ROM B)磁盘,鼠标和键盘 C)鼠标,绘图仪和光盘 D)磁带,打印机和调制解调器CDBBC