计算机组成原理课件第一章new.ppt

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1、计算机系统概论计算机系统概论n1.1 1.1 计算机的分类和应用计算机的分类和应用n1.2 1.2 计算机硬件计算机硬件n1.3 1.3 计算机软件计算机软件n1.4 1.4 层次结构层次结构什么是计算机？n计算机是一种不需要人的直观干预而能自动完成各种算术和逻辑运算的工具。（1）以电子器件为物质基础：电子数字计算机以电子器件为物质基础：电子数字计算机（DigitalComputer）（2）不需要人的直接干预：自动化（存储程序为基础）不需要人的直接干预：自动化（存储程序为基础）（3）数字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑判数字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑判断和处理能力的基础）断和处理能力

2、的基础）（4）算逻运算：基本运算操作是算术和逻辑运算算逻运算：基本运算操作是算术和逻辑运算（5）快速工具：快速工具：（A）电子器件电子器件（B）存储程序存储程序2、层次：1.11.1计算机的分类和应用计算机的分类和应用n电子模拟计算机电子模拟计算机：用连续变化的量（如：用连续变化的量（如电压、电流等）表示数值的计算机；精电压、电流等）表示数值的计算机；精度低，能力有限，应用范围小。度低，能力有限，应用范围小。n电子数字计算机电子数字计算机：用离散变化的数字表：用离散变化的数字表示数量大小的计算机。其特点是按位运示数量大小的计算机。其特点是按位运算。算。数字计算机与模拟计算计的主要区别数字计算机

3、与模拟计算计的主要区别比较内容比较内容数字计算机数字计算机模拟计算机模拟计算机数据表示方式数据表示方式数字数字0和和1电压、电流等电压、电流等计算方式计算方式数字计算数字计算电量组合和测量值电量组合和测量值控制方式控制方式程序控制程序控制模拟信号组合控制模拟信号组合控制精度、抗干扰性精度、抗干扰性高、好高、好低、差低、差数据存储量数据存储量大大小、几乎无小、几乎无逻辑判断能力逻辑判断能力强强无无n数数字字计计算算机机又又可可分分为为专专用用计计算算机机和和通通用用计算机。计算机。n专专用用和和通通用用是是根根据据计计算算机机的的效效率率、速速度度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。价格、运行

4、的经济性和适应性来划分的。n专专用用计计算算机机是是最最有有效效、最最经经济济和和最最快快速速的计算机，但是它的适应性很差。的计算机，但是它的适应性很差。n通用计算机适应性很大，但牺牲了效率通用计算机适应性很大，但牺牲了效率速度和经济性速度和经济性。n通通用用计计算算机机又又可可分分为为巨巨型型机机、大大型型机机、中中型型机机、小小型型机机、微微型型机机、单单片片机机等等六六类类，其其区区别别在在于于体体积积、简简易易性性、功功耗耗、性性能能指指标标、数数据据存存储储容容量、指令系统规模和机器价格。量、指令系统规模和机器价格。n一一般般来来说说，巨巨型型计计算算机机主主要要用用于于科科学学计计

5、算算，其其运运算算速速度度在在每每秒秒万万亿亿次次以以上上，数数据据存存储储量量大大，结构复杂，价格昂贵。结构复杂，价格昂贵。n单片计算机是只用一片集成电路作成的计算机，单片计算机是只用一片集成电路作成的计算机，体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜。通用计算机类别通用计算机类别巨型机大型机中型机小型机微型机单片机通用计算机专用计算机模拟电子计算机数字电子计算机应用领域应用领域 n科学计算科学计算n自动控制自动控制n信息处理信息处理n测量和测试测量和测试n教育和卫生教育和卫生n家用电器家用电器n人工智能人工智能 计算机的主要特性n快速性快速性n通用性：

6、任务通用性：任务-算术逻辑操作算术逻辑操作-指令指令n准确性：数字化准确性：数字化n逻辑性逻辑性1.2计算机硬件的组成计算机硬件的组成 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各部分的功能：各部分的功能：运算器运算器n算术运算算术运算n逻辑运算逻辑运算n采用二进制数（容易实现）采用二进制数（容易实现）n位数越多，计算精度越高位数越多，计算精度越高

7、n计算机的运算器长度：计算机的运算器长度：n8位、位、16位、位、32位或位或64位位存储器存储器n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n存储的是存储的是0 0或或1 1表示的二进制代码表示的二进制代码n主存采用半导体器件来作为存储器，一个半导体触主存采用半导体器件来作为存储器，一个半导体触发器记忆一个二进制位发器记忆一个二进制位n存储单元存储单元：在存储器中保存一个在存储器中保存一个n n位二进制数的位二进制数的n n个触发器个触发器，组成一个存储单元组成一个存储单元n存储器存储器地址地址：存储器是由许多存储单元组成存储器是由许多存储单元组成，每个每个存储单元的编

8、号存储单元的编号，称为地址称为地址n存储容量存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单存储器所有存储单元的总数。通常用单位位“KB“KB、MBMB、GB”GB”等表示等表示n规模较大的存储器往往分为若干级，称规模较大的存储器往往分为若干级，称为存储系统。常见的三级存储系统，为存储系统。常见的三级存储系统，外外存存内存内存高速缓存。高速缓存。n每个的特点？作用？每个的特点？作用？表示参加运算的数据表示参加运算的数据从存储器的哪个单元取从存储器的哪个单元取运算的结果应存到哪个单元运算的结果应存到哪个单元3.控制器n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n指令

9、指令有两部分：操作的性质和操作的地址有两部分：操作的性质和操作的地址操作码操作码地址码地址码指出指令所进行的操作指出指令所进行的操作加、减、乘、除、取数、存数等加、减、乘、除、取数、存数等 指令指令操作码操作码加法加法减法减法乘法乘法除法除法取数取数存数存数打印打印停机停机001010011100101110111000n控制器基本任务控制器基本任务计算机进行运算时，指令必须是按一定的顺序一计算机进行运算时，指令必须是按一定的顺序一条一条执行。控制器的基本任务是：条一条执行。控制器的基本任务是：按照计算按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放

10、到控制器中，对该指令的操作码由译码器令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令的性质，执行指进行分析判别，然后根据指令的性质，执行指令，进行相应的操作，接着取第二条指令，再令，进行相应的操作，接着取第二条指令，再执行第二条指令，依此类推。执行第二条指令，依此类推。指令字和数据字，指令流和数据流 n某字为一条指令，则称为某字为一条指令，则称为指令字指令字n某字代表要处理的数据，称为某字代表要处理的数据，称为数据字数据字n在取指周期中从内存读出的信息是在取指周期中从内存读出的信息是指令流指令流，它流向控制器它流向控制器n而执行周期中从内存读出的信息流是而执行周期中从内存读出

11、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n时间上时间上：在取指周期中，：在取指周期中，CPU从内存读出的从内存读出的信息一定是信息一定是指令指令；而执行周期中从内存读出；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定是或写入的信息一定是数据。数据。n空间上：指令空间上：指令一定流向控制器；而一定流向控制器；而数据数据则是则是在内存（或寄存器）与运算器之间流动在内存（或寄存器）与运算器之间流动n运运算算器器和和控控制制器器统统称称为为CPUCPU，即即中中央央处处理理器。器。CPUCPU和存储器合在一起，和存储器合在一起，称为主机。称为主机。n输入、输出设备：统称为外部设备，简输入、

12、输出设备：统称为外部设备，简称外设。主机与外界通信的手段。外设称外设。主机与外界通信的手段。外设通过适配器才能与主机进行通信。通过适配器才能与主机进行通信。n总线：总线：冯.诺依曼计算机的结构特点计算机内部采用二进制表示指令和数据。计算机内部采用二进制表示指令和数据。n把指令与数据事先存放在存储器中，然把指令与数据事先存放在存储器中，然后启动计算机工作，这就是存储程序的后启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。基本含义。n计算机应由运算器、存储器、控制器、计算机应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成。输入设备和输出设备组成。类型类型时期时期主要器件主要器件重重 要要 特特 征征第

13、第1代代 1946-1958电子管电子管机器语言，汇编语言。速度低，体机器语言，汇编语言。速度低，体积大，价格昂贵，可靠性差，用于积大，价格昂贵，可靠性差，用于科学计算。科学计算。速度达几千次到几万次速度达几千次到几万次第第2代代 1958-1964晶体管晶体管算法语言，操作系统。体积缩小，算法语言，操作系统。体积缩小，可靠性提高。从科学计算到数据处可靠性提高。从科学计算到数据处理。理。每秒几万次到几十万次每秒几万次到几十万次第第3代代 1964-1971中小规模集中小规模集成电路成电路体积小，可靠性大大提高，速度达体积小，可靠性大大提高，速度达几百万次，软件技术和外设发展迅几百万次，软件技术

14、和外设发展迅速应用领域不断扩大。速应用领域不断扩大。第第4代代 1971-1986大大/超大规超大规模集成电路模集成电路速度提高至几千万亿次速度提高至几千万亿次出现微型计算机出现微型计算机第第5代代 1986-巨大规模集巨大规模集成电路成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 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个继电器个继电器耗电耗电150KW计算机发展史计算机发展史Top500(2006)IBM Blue GenT

15、op500(2006)IBM Blue Gene e计算机发展史计算机发展史Top500(2006.0Top500(2006.06 6)计算机发展史计算机发展史摩尔定律v早早在在19641964年年，英英特特尔尔公公司司创创始始人人戈戈登登.摩摩尔尔（Gordon Gordon MooreMoore）在在一一篇篇很很短短的的论论文文里里断断言言：每每1818个个月月，集集成成电电路路的的性性能能将将提提高高一一倍倍，而而其其价价格格将将降降低低一一半半。这这就就是是著著名名的的摩摩尔尔定定律律。作作为为迄迄今今为为止止半半导导体体发发展展史史上上意意义义最最深深远远的的定定律律，摩摩尔尔定定律

16、律被被集集成成电电路路近近4040年年的的发发展展历历史准确无误地验证着史准确无误地验证着什么是微型计算机n微型计算机（Microcomputer）n采用微处理器为核心构造的计算机n微处理器（Microprocessor）n一块大规模集成电路芯片n微型机的运算和控制核心n中央处理单元相对来说，微机性能、价格、体积较小n工作学习中使用的个人微机n生产生活中运用的各种智能化电子设备微处理器的基本性能指标n字长n微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数n例如一次进行运算、传输的位数n时钟频率n微处理器的处理速度n反映微处理器的基本时间单位n集成度n表明微处理器的生产工艺水平n常用芯片上集成的晶体管数

17、量来表达通用微处理器n4位微处理器n1971年，Intel 4004，第一个微处理器n8位微处理器nM6800、Z80和Intel 8080/8085nApple公司苹果机n16位微处理器nIntel 8086/8088 n16位个人计算机（PC：Personal Computer）n32位微处理器n80386，80486，PentiumPentium 4n32位PC机，APPLE公司的Macintosh机n64位微处理器专用微处理器 n单片机（微控制器，嵌入式控制器，MCU）nIntel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列n爱特梅尔（Atml）公司的AT89系列（与MCS-5

18、1兼容），AT91系列（基于ARM内核）nMicrochip Technology公司的PIC系列n数字信号处理器（DSP）n专注于数字信号的高速处理n美国德州仪器TI公司TMS320各代产品n主要应用于通信、消费类电子产品和计算机n主要应用形式：嵌入式系统8086n16位结构的微处理器：数据总线为16位n主存容量1MB：地址总线为20位n时钟频率5MHz（IBM PC使用4.77MHz）n准16位微处理器8088：外部数据总线为8位nIBM PC和PC/XT机使用Intel 8088 CPUn处理器总线（Bus）n微处理器的对外引脚（Pin）n数据、地址和控制三组信号处理器总线n数据总线（D

19、B：Data Bus）n处理器与存储器或外设交换信息的通道n个数（条数）是一次能够传送数据的二进制位数 n地址总线（AB：Address Bus）n指定存储器或外设的具体单元n个数反映访问的主存储器容量或外设范围n控制总线（CB：Control Bus）n控制处理器数据传送等操作80286n16位数据总线，24位地址总线（16MB主存）n实方式（Real Mode）n与8086工作方式一样n保护方式（Protected Mode）n提供存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支持nIBM PC/AT机使用Intel 80286 CPU1KB210 B1024 B1MB220 B1024 KB1GB

20、230 B1024 MB20：22024：22432：23280386n32位结构n数据总线32位，地址总线32位，可寻址4GB主存n虚拟8086方式（Virtual 8086 Mode）n保护方式下的8086工作方式n系统管理方式（System Management Mode）n低功耗节能状态80486n8048680386803878KB Cachen浮点处理单元FPUn8086/8088：8087，80286：80287，80386n高速缓冲存储器Cachen微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器n复杂指令集计算机CISC融合精简指令集计算机RISC的技术特点，例如：指令流水线n指

21、令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行n多条指令可以在不同的执行阶段同时进行Pentiumn俗称的80586微处理器，奔腾微处理器n32位结构，连接主存的外部数据总线却是64位n超标量（Superscalar）技术n具有可以并行工作的2条整数处理流水线，可以达到每个时钟周期执行2条指令n双路高速缓冲结构n8KB代码高速缓冲存储器n8KB数据高速缓冲存储器Pentium Pron原称P6，中文名称为“高能奔腾”n两个芯片组成nCPU一级（L1）Cache（8KB代码和8KB数据）n二级（L2）Cache（256KB或512KB）n扩展的超标量技术n12级指令流水线n能同时执行3条指令n动态执

22、行技术n分支预测、数据流分析和推测执行Pentium IIn多媒体扩展指令（MMX指令）nMMX（MutliMedia eXtension）n整数运算多媒体指令n对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化n提升微机对多媒体的处理能力nPentium MMX（多能奔腾）：MMX指令应用于Pentium处理器nPentium II：MMX指令应用于Pentium ProPentium IIIn数据流SIMD扩展指令（SSE指令）nSSE（Streaming SIMD Extensions）n浮点单精度多媒体运算指令n提高浮点3D数据的处理能力。nSSE指令类似于AMD公司发布的3D Now!指令n

23、Pentium III：SSE指令应用于Pentium II n单指令多数据SIMDnSingle Instruction Multiple Datan表示一条指令具有同时处理多组数据的能力Pentium 4nNetBurst的微结构（Microarchitecture）n指令级并行ILP（Instruction-Level Parallel）n进一步发掘指令之间可以同时执行的能力n超线程HT（Hyper Threading）n线程级并行TLP（Thread-Level Parallel）n一个物理处理器形成两个逻辑处理器nSSE2指令n增强浮点双精度多媒体运算能力nSSE3指令n增强和完善M

24、MX，SSE和SSE2指令Intel 80 x86微处理器nCeleron（赛扬）微处理器n面向低端（低价位）PC机nXeon（至强）微处理器n面向高端服务器、工作站nAMD微处理器nAMD公司生产的IA-32微处理器兼容芯片nIntel公司最主要的竞争对手n双核微处理器n64位微处理器nAMD的K8核心：兼容IA-32的64位微处理器nIntel的EM64T（扩展64位技术）：IA-32的64位扩展个人微机n8位时代：Apple-II机，中华学习机n16位时代：IBM PC系列机n1981年，IBM PC机：Intel 8088，DOSn1982年，IBM PC/XT（Expanded Te

25、chnology）n1984年，IBM PC/AT（Advanced Technology）nIBM PC/XT/AT机的兼容微机n32位时代：32位PC机nWindows或Linuxn64位时代：n计算机是由运算器、存储器、控制器、适配计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入器、总线和输入/输出设备组成的。都是由输出设备组成的。都是由元件构成的有形物体，因而称为元件构成的有形物体，因而称为硬件硬件或硬设或硬设备。硬件是计算机系统中实际物理装置的总备。硬件是计算机系统中实际物理装置的总称称n计算程序，因为它是无形的东西，称为计算程序，因为它是无形的东西，称为软件软件或软设备。软件是

26、指在硬件上运行的程序和或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档相关的数据及文档n硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件的结合，构成完整的件与硬件的结合，构成完整的计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统硬件硬件系统系统软件软件系统系统1.3计算机软件的组成及分类计算机软件的组成及分类 n（1 1）计算机软件的组成及分类计算机软件的组成及分类计算机的软件一般分为两大类：计算机的软件一般分为两大类：系统程序，系统程序，应用程序。应用程序。系统程序用于简化程序设计，

27、简化使用方系统程序用于简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下大计算机的功能及用途。它包括以下4 4类：类：系统软件na.a.操作系统：核心，接口。管理工作。操作系统：核心，接口。管理工作。nb.b.语语言言程程序序处处理理程程序序。源源程程序序转转换换成成目目标标程程序序，两两种种方方式式编编译译方方式式和和解解释释方方式式。编译程序，解释程序编译程序，解释程序 汇编程序和反汇编程序汇编程序和反汇编程序nc.c.数数据据库库管管理理系系统统。DBMSDBMS负负责责数数据据的的装装配，内容更新、查询检索等配，

28、内容更新、查询检索等nd.d.各各种种服服务务性性支支撑撑软软件件：如如诊诊断断程程序序，排错程序等排错程序等 biosbiosn应用程序是用户利用计算机来解决某些应用程序是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设计程序、问题而编制的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、科学计算程序等。理程序、科学计算程序等。n计算机软件的发展演变计算机软件的发展演变如同计算机的硬件，软件也在不断发展之中。如同计算机的硬件，软件也在不断发展之中。早期的计算机中，人们直接用机器语言（机器指早期的计算机中，人们直接用机器语言（机器指令代码）编写

29、程序。后来出现了汇编语言，用令代码）编写程序。后来出现了汇编语言，用来编写汇编程序。再后来出现了算法语言，它来编写汇编程序。再后来出现了算法语言，它比较接近数学语言，只直观通用，与具体机器比较接近数学语言，只直观通用，与具体机器无关。如无关。如BASICBASIC，FORTRANFORTRAN，PASCALPASCAL，C C，C+C+，JAVAJAVA等。等。1.4计算机层次结构计算机层次结构 n计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 多级层次结构多级层次结构：是从使用语言的角度，基：是从使用语言的角度，基于程序员与计算机系统对话中所采用的于程序员与计算机系统对话中所采用的语言结构和语义划

30、分。语言结构和语义划分。n硬件软化及软件硬化的概念硬件软化及软件硬化的概念 从设计人员看到的层次分层的优点n有利于人们正确理解计算机系统的工作，有利于人们正确理解计算机系统的工作，明确软硬件和固件在计算机系统的地位明确软硬件和固件在计算机系统的地位和作用和作用n理解各种语言的实质及其实现理解各种语言的实质及其实现n有助于理解计算机体系结构的含义，从有助于理解计算机体系结构的含义，从而合理地进行计算机系统的开发和设计而合理地进行计算机系统的开发和设计。软件固化和硬件软化全硬件、软硬件结合、全软件全硬件、软硬件结合、全软件n逻辑上等价逻辑上等价硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少存少软件实现：速度慢、复制费用低；灵活性好、占软件实现：速度慢、复制费用低；灵活性好、占用内存多、易设计、可改性强、适应性强、设用内存多、易设计、可改性强、适应性强、设计周期短；计周期短；n发展趋势发展趋势硬件实现的比例越来越高硬件实现的比例越来越高硬件所占的成本越来越低硬件所占的成本越来越低Summaryn1、计算机的组成，各部分功能计算机的组成，各部分功能n2、冯、冯.诺依曼思想诺依曼思想n3、计算机层次结构、计算机层次结构exercisenP18 4,5,7n用与门，与非，或者或门设计一个三人用与门，与非，或者或门设计一个三人表决器表决器