計算機組成原理第一章參考幻燈片

1、24.12.2020,1,第一章 計算機系統(tǒng)概論,1.1計算機的分類 1.2計算機發(fā)展簡史 1.3計算機的硬件 1.4計算機的軟件 1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),24.12.2020,2,1.1計算機的分類,一、電子計算機從總體上來說分為兩大類。 電子模擬計算機。“模擬”就是相似的意思。模擬計算機的特點是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算過程也是連續(xù)的。 電子數(shù)字計算機，它是在算盤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是用數(shù)目字來表示數(shù)量的大小。數(shù)字計算機的主要特點是按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算。,24.12.2020,3,1.1計算機的分類,數(shù)字計算機與模擬計算機的主要區(qū)別,24.12.2020,4,1.1計算機的分類

2、,二、數(shù)字計算機分類 數(shù)字計算機根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應(yīng)性來劃分，可以劃分為兩類： 專用計算機：專用機是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但是它的適應(yīng)性很差。 通用計算機：通用計算機適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。,24.12.2020,5,1.1計算機的分類,三、通用計算機分類 通用計算機根據(jù)體積、簡易性、功率損耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機器價格等可以分為： 超級計算機 大型機 服務(wù)器 工作站 微型機 單片機,24.12.2020,6,1.2計算機發(fā)展簡史,一、計算機的五代變化 第一代為19461957年，電子管計算機：數(shù)據(jù)處理 第二代為195

3、81964年，晶體管計算機：工業(yè)控制 第三代為19651971年，中小規(guī)模集成電路計算機：小型計算機 第四代為19721990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機：微型計算機 第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計算機：單片機,24.12.2020,7,1.2計算機發(fā)展簡史,二、半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展 20世紀(jì)5060年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán) 1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半導(dǎo)體存儲器 從1970年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。 其中1K=210,1M

4、=220,1G=230,24.12.2020,8,1.2計算機發(fā)展簡史,三、微處理器的發(fā)展 1971年Intel公司開發(fā)出Intel 4004。這是第一個將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品，于是，微處理器誕生了。 微處理器演變中的另一個主要進步是1972年出現(xiàn)的Intel 8008，這是第一個8位微處理器，它比4004復(fù)雜一倍。 1974年出現(xiàn)了Intel 8080。這是第一個通用微處理器，而4004和8008是為特殊用途而設(shè)計的。8080是為通用微機而設(shè)計的中央處理器。 20世紀(jì)70年代末才出現(xiàn)強大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。 這一發(fā)展趨勢中的另一階段是在1981年，

5、貝爾實驗室和HP公司開發(fā)出了32位單片微處理器。 Intel于1985年推出了32位微處理器Intel 80386。 到現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器,24.12.2020,9,1.3計算機的硬件,一、硬件組成要素 通過一個例子我們來了解數(shù)字計算機的主要組成和工作原理。 假設(shè)給一個算盤、一張帶有橫格的紙和一支筆，要求我們計算y=ax+b-c這樣一個題目。 解題步驟和數(shù)據(jù)記錄在橫格紙上，請看過程。,24.12.2020,10,手工模仿計算機工作（1）,24.12.2020,11,1.3計算機的硬件,二、數(shù)字計算機基本組成 控制器：人的大腦的操作控制功能 運算器：人的大腦的計算功能 存儲器：人的大

6、腦記憶功能 輸入設(shè)備：交互接口，筆 輸出設(shè)備：交互接口，紙,24.12.2020,12,1.3計算機的硬件,三、馮諾依曼型計算機 存儲程序 按地址自動執(zhí)行 五大部件：包括控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備 以運算器為中心,24.12.2020,13,1.3計算機的硬件,馮諾依曼型計算機,存儲器,輸出,輸入,運算器,控制器,數(shù)據(jù)信號,控制信號,地址信號,24.12.2020,14,1.3計算機的硬件,四、運算器 算術(shù)運算和邏輯運算 在計算機中參與運算的數(shù)是二進制的 運算器的長度一般是8、16、32或64位,24.12.2020,15,1.3計算機的硬件,五、存儲器 存儲數(shù)據(jù)和程序（指令）

7、 容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位） 分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存 存儲器單位： 210 byte1K 210 K1M 210 M1G 210 G1T,24.12.2020,16,1.3計算機的硬件,六、控制器 指令和程序:指令的形式（操作和地址碼、存儲程序的概念、指令中程序和數(shù)據(jù)的存放、指令系統(tǒng)） 指令和數(shù)據(jù)存儲,演示計算機執(zhí)行模擬過程,24.12.2020,17,1.3計算機的硬件,七、控制器的基本任務(wù) 控制器的基本任務(wù)：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。取指周期和執(zhí)行周期 控制器完全可以區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字。一般來講，取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流

8、是指令流，它流向控制器；而在執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器。,24.12.2020,18,1.3計算機的硬件,八、適配器與I/O設(shè)備 輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式 輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器設(shè)備所能接收和識別的信息形式 適配器：它使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機進行聯(lián)系，以便使主機和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作 總線：構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。 總之，現(xiàn)代電子計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。這也是人們常說的計算機硬件。,

9、24.12.2020,19,1.4計算機的軟件,一、軟件的組成與分類 計算機軟件相對計算機硬件來說是看不見，是計算機系統(tǒng)中不可少的無形部件。主要有兩大類： 系統(tǒng)軟件：用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途。它包括以下四類： 各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯程序、練習(xí)程序等 語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等 操作系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 應(yīng)用軟件：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序，如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學(xué)計算程序等,24.12.2020,20,1.4計算機的軟件,二、軟件的發(fā)展演變 編程

10、語言的發(fā)展 手編程序：機器語言程序，手工編譯二進制碼 匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編 高級程序：算法語言/高級語言，機器編譯程序/解釋程序 系統(tǒng)軟件的發(fā)展 操作系統(tǒng) 分布式系統(tǒng)軟件,24.12.2020,21,1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),一、多級計算機系統(tǒng) 計算機不能簡單地認(rèn)為是一種電子設(shè)備，而是一個十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體。它通常由五個以上不同的級組成，每一級都能進行程序設(shè)計，如圖所示。,24.12.2020,22,1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),二、五級計算機層次系統(tǒng) 第一級是微程序設(shè)計級。這是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那

11、么可在這一級上運行應(yīng)用程序。 第二級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。這一級也是硬件級。 第三級是操作系統(tǒng)級，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。 第四級是匯編語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫時，則機器必須要有這一級的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。 第五級是高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。,24.12.2020,23,1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),三、軟件與硬件邏輯等價性 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)的軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因為任何操作可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。 任何操作可以由軟件來實現(xiàn)也可以有硬件來實現(xiàn)（設(shè)計計算機系統(tǒng)時，應(yīng)考慮各個方面的因素：價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期） 實體硬件機功能的擴大 固件的概念（功能上是軟件