北京聯(lián)合大學李天工計算機組成原理課件1

1、1第第1 1章章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論1.1 1.1 計算機的發(fā)展和分類計算機的發(fā)展和分類1.2 1.2 計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成1.3 1.3 計算機的主要技術指標計算機的主要技術指標1.4 1.4 計算機系統(tǒng)的設計思想計算機系統(tǒng)的設計思想1.5 1.5 計算機系統(tǒng)的層次結構計算機系統(tǒng)的層次結構2第第1 1章章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論本節(jié)教學目標：本節(jié)教學目標： 了解計算機系統(tǒng)概況，為分析計算機工作奠定基礎。了解計算機系統(tǒng)概況，為分析計算機工作奠定基礎。本節(jié)重點內容：本節(jié)重點內容： 硬件系統(tǒng)組成、硬件系統(tǒng)組成、CPUCPU組成、數據和信息組成、數據和信息31.1 1.1

2、 計算機的發(fā)展和分類計算機的發(fā)展和分類 自自19461946年年第一臺電子數字計算機問世以來，計算機第一臺電子數字計算機問世以來，計算機大體經歷了幾代變革。在這期間，大約每五年計算機的大體經歷了幾代變革。在這期間，大約每五年計算機的平均運算平均運算速度速度提高十倍，運行的可靠性提高十倍，制造提高十倍，運行的可靠性提高十倍，制造成本下降十倍，體積縮小十倍。成本下降十倍，體積縮小十倍。 當前，當前，微型計算機微型計算機已經成為計算機的代表。已經成為計算機的代表。 根據計算機的發(fā)展和應用情況，可以將計算機進行根據計算機的發(fā)展和應用情況，可以將計算機進行多種分類。多種分類。4摩爾定律v早在早在1964

3、1964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登. .摩爾摩爾（Gordon MooreGordon Moore）在一篇很短的論文里斷言：）在一篇很短的論文里斷言：每每1818個月，集成電路的性能將提高一倍，而個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。這就是著名的其價格將降低一半。這就是著名的摩爾定律摩爾定律。作為迄今為止半導體發(fā)展史上意義最深遠的作為迄今為止半導體發(fā)展史上意義最深遠的定律，摩爾定律被集成電路近定律，摩爾定律被集成電路近4040年的發(fā)展歷年的發(fā)展歷史準確無誤地驗證著。史準確無誤地驗證著。5 計算機從總體上來說分為兩大類計算機從總體上來說分為兩大類: 模擬計算機

4、模擬計算機和和數字計算機數字計算機：各自主要特點各自主要特點：模擬計算機由模擬運算器件構成，其變量由連續(xù)量模擬計算機由模擬運算器件構成，其變量由連續(xù)量（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續(xù)的（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續(xù)的數字計算機則是由邏輯電子器件構成，其變量為開數字計算機則是由邏輯電子器件構成，其變量為開關量（離散的數字量），采用數字式按位運算，運算關量（離散的數字量），采用數字式按位運算，運算模式是離散式的。模式是離散式的。1. 計算機分類（計算機分類（P1）數字計算機數字計算機:分為專用計算機和通用的計算機。分為專用計算機和通用的計算機。通用的計算機：分以下六類通用

5、的計算機：分以下六類6各機型各機型性能性能、功能、指令、功能、指令、容量、速度容量、速度、體積、價格、體積、價格不同。不同。72. 2. 計算機發(fā)展（計算機發(fā)展（P2P2）1)1)按年代劃分按年代劃分2)2)按電子技術劃分按電子技術劃分代代時時 間間硬件技術硬件技術速度（次速度（次/ /秒）秒）一一1946-19571946-1957電子管電子管4000040000二二1958-19641958-1964晶體管晶體管200000200000三三1965-19711965-1971中、小規(guī)模集成電路中、小規(guī)模集成電路10000001000000四四1972-1972-1990-1990大大/ /

6、超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路1000000010000000五五19911991巨大規(guī)模集成電路巨大規(guī)模集成電路1010億億1.1 1.1 計算機的發(fā)展和分類計算機的發(fā)展和分類83. 3. 半導體存儲器發(fā)展（半導體存儲器發(fā)展（P3P3） 早期：所有計算機存儲器用鐵磁環(huán)（磁芯）做成。早期：所有計算機存儲器用鐵磁環(huán)（磁芯）做成。 7070年：仙童半導體公司生產第一個較大容量半導體年：仙童半導體公司生產第一個較大容量半導體M M。 目前：內存都采用目前：內存都采用半導體半導體M M。1.1 1.1 計算機的發(fā)展和分類計算機的發(fā)展和分類半導體存儲器芯片容量指標意義：半導體存儲器芯片容量指標意義：1

7、KB 1KB 、1MB1MB、1GB1GB、1TB1TB4. 4. 微處理器（微處理器（CPUCPU）發(fā)展（）發(fā)展（P3P3、P4P4） 19711971年：年：IntelIntel公司開發(fā)公司開發(fā)4 4位位Intel4004Intel4004，第一個將，第一個將CPUCPU的所有元件都放入同一塊芯片內，標志的所有元件都放入同一塊芯片內，標志微處理誕生微處理誕生。 19721972年：出現了年：出現了Intel8008Intel8008，第一個，第一個8 8位位微處理器。微處理器。 19741974年：出現了年：出現了Intel8080Intel8080，第一個，第一個通用通用CPUCPU。

8、7070年代末：出現年代末：出現IntelIntel80868086 ，1616位位微儲器。微儲器。9一臺完整的一臺完整的計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)（人）（人）包括：包括：硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)（人的軀體）（人的軀體）軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)（靈魂和思維）（靈魂和思維）計算機硬件建立了計算機應用的物質基礎計算機硬件建立了計算機應用的物質基礎計算機軟件擴大了計算機的功能和應用范圍計算機軟件擴大了計算機的功能和應用范圍1.2 1.2 計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成101. 計算機硬件組成（計算機硬件組成（P6）1.2.1 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)1）五大組成部分）五大組成部分111.2.1 1.2.1 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)

9、2） 總線結構總線結構(1)單總線結構單總線結構(2)雙總線結構雙總線結構(3)三總線結構三總線結構20208086CPU 8086CPU 指令指令 控制器控制器 運運算算器器寄寄存存器器存儲器存儲器 ABABCBCBDBDB1616I/OI/O接口接口 I/OI/O接口接口 外設外設 外設外設 123 3）各部件結構簡介各部件結構簡介 示意圖示意圖主存主存高速緩存系統(tǒng)高速緩存系統(tǒng)虛擬存儲系統(tǒng)虛擬存儲系統(tǒng)1.2.1 1.2.1 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)131 1） 運算器運算器(1) (1) 定義定義 對數據進行處理的部件對數據進行處理的部件(2) (2) 功能功能 實現算術運算和邏輯運算實現算術運算

10、和邏輯運算(3) (3) 特點特點 采用二進制數（容易實現） 位數越多，計算精度越高 計算機的運算器長度：8位、16位、32位或64位（4 4）組成）組成1.2.1 1.2.1 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)142 2）存儲器）存儲器(1) (1) 定義定義存放存放程序和數據程序和數據的部件的部件( (存放程序、數據的二進制編碼存放程序、數據的二進制編碼) )(2) (2) 分類分類主存（主存（RAMRAM、ROMROM）高速緩存（高速緩存（CacheCache）輔存輔存( (硬盤、軟盤、光盤、磁帶等這些屬于外部設備硬盤、軟盤、光盤、磁帶等這些屬于外部設備) )1.3.2 1.3.2 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)15(

11、3) (3) 基本概念：基本概念：主存儲器：主存儲器：（簡稱主存或內存）包括存儲體、各種邏輯（簡稱主存或內存）包括存儲體、各種邏輯部件及控制電路等部件及控制電路等存儲體：存儲體：由許多存儲單元組成電路陣列由許多存儲單元組成電路陣列存儲單元：存儲單元：包含若干個存儲元件包含若干個存儲元件( (或稱存儲基元或稱存儲基元, ,存儲元存儲元) )存儲元件存儲元件能寄存能寄存 1 1 位位二進制代碼（二進制代碼（0 0或或1 1）存儲單元存放一串二進制代碼存儲單元存放一串二進制代碼存儲單元的基本單位是存儲單元的基本單位是字節(jié)字節(jié)字節(jié)定義：位字節(jié)定義：位二進制代碼二進制代碼存取字長：存取字長：指一次指一次

12、“訪存訪存”時可以處理的二進制代碼串時可以處理的二進制代碼串的長度。存取字長可以是的長度。存取字長可以是8 8位位/16/16位位/32/32位位/64/64位位等。等。1.2.1 1.2.1 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)161.2.1 1.2.1 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng) 字節(jié)地址字節(jié)地址 存儲器存儲器內容內容12H 12H ABH ABH 100H 100H 存儲單元存儲單元( (字節(jié)字節(jié)) )101H 101H FFFFH FFFFH 字地址字地址100H 100H 字字0000H 0000H (4) 存儲器示意圖存儲器示意圖173 3） 控制器控制器(1) (1) 定義定義 控制整個機器協(xié)調工作的部件控制

13、整個機器協(xié)調工作的部件(2) (2) 功能功能 實現計算機運行過程的自動化實現計算機運行過程的自動化，實現程序的自動運行。，實現程序的自動運行。1.2.1 1.2.1 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)(3) (3) 控制器組成控制器組成 依時鐘順序發(fā)出很多電信號依時鐘順序發(fā)出很多電信號 這些電信號控制全機統(tǒng)一協(xié)調工作這些電信號控制全機統(tǒng)一協(xié)調工作控制邏輯部件控制邏輯部件機器指令機器指令控制信號控制信號指令寄存器指令寄存器IRIR184 4）輸入部件和輸出部件）輸入部件和輸出部件輸入設備：把人們所熟悉的某種形式的信息變換為機器輸入設備：把人們所熟悉的某種形式的信息變換為機器 內部所能接收和識別的二進制信息形式。

14、內部所能接收和識別的二進制信息形式。輸出設備：把計算機處理的結果變換為人或其它機器所輸出設備：把計算機處理的結果變換為人或其它機器所 能接收和識別的信息形式。能接收和識別的信息形式。適配器適配器(I/O(I/O接口接口) )：每種外設都配備與之相配合的每種外設都配備與之相配合的I/OI/O接接口，口，I/OI/O接口接口是建立外設與主機聯(lián)系，它接受是建立外設與主機聯(lián)系，它接受CPUCPU發(fā)出的發(fā)出的各種控制命令，完成信息傳送的操作。各種控制命令，完成信息傳送的操作。1.2.1 1.2.1 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)191. 1. 計算機軟件系統(tǒng)簡介計算機軟件系統(tǒng)簡介1.2.2 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)202.

15、計算機軟件組成（計算機軟件組成（P11）1）軟件組成）軟件組成系統(tǒng)軟件；應用軟件（程序）系統(tǒng)軟件；應用軟件（程序）2）計算機語言）計算機語言機器語言（低級語言）機器語言（低級語言）符號語言（匯編語言符號語言（匯編語言:低級語言）低級語言）算法語言（高級語言）算法語言（高級語言）3）語言使用）語言使用高級語言高級語言機器語言：編譯程序機器語言：編譯程序編譯方式；解釋方式編譯方式；解釋方式 編譯方式編譯方式編譯是將整段程序進行翻譯，把源程序翻譯成等價的機器語言編譯是將整段程序進行翻譯，把源程序翻譯成等價的機器語言目標程序，然后連接運行。目標程序，然后連接運行。 解釋方式解釋方式解釋則不產生完整的目

16、標程序，而是逐句進行的，邊翻譯、邊解釋則不產生完整的目標程序，而是逐句進行的，邊翻譯、邊執(zhí)行。執(zhí)行。 匯編語言匯編語言機器語言：匯編程序機器語言：匯編程序1.2.2 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)211. 1. 計算機的機器字長（簡稱計算機的機器字長（簡稱“字長字長”） 機器字長是指處理機運算器一次能處理數據的位數機器字長是指處理機運算器一次能處理數據的位數，通常由通常由CPUCPU的寄存器位數決定。字長越長，數的表示范圍的寄存器位數決定。字長越長，數的表示范圍也越大，精度也越高，處理數據的能力越強。也越大，精度也越高，處理數據的能力越強。1.3 1.3 計算機硬件的計算機硬件的主要技術指標（主要技術指標（

17、P5P5）2. 2. 計算機的計算機的運算速度運算速度 不同場合，討論不同問題，使用不同指標：不同場合，討論不同問題，使用不同指標： 1 1）CPUCPU主頻主頻 2 2）CPICPI執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數 3 3）MIPSMIPS單位時間內執(zhí)行的指令數單位時間內執(zhí)行的指令數 4 4）MFLOPSMFLOPS衡量機器浮點操作的性能衡量機器浮點操作的性能 223. 3. 計算機的存儲容量（主存容量）計算機的存儲容量（主存容量）1)1)存儲器容量單位存儲器容量單位 存儲器容量以字節(jié)為單位存儲器容量以字節(jié)為單位，記，記 B Byteyte 字節(jié)字節(jié)8 8位，

18、即位，即1B1B8bit8bit。 字節(jié)單位換算：字節(jié)單位換算：1KB1KB1024B1024B2 21010 B B 1MB 1MB1024KB1024KB2 220 20 B B，1GB=21GB=230 30 B B，1TB=21TB=240 40 B B2)2)信息存儲量信息存儲量計算機的信息量計算機的信息量的的單位是單位是“位位”(bit)(bit)信息存儲量存儲單元數信息存儲量存儲單元數8(bit)8(bit)231. 1. 計算機組成與運行結構計算機組成與運行結構 計算機的基本部件是計算機的基本部件是CPU(CPU(運算器、控制器、寄存器運算器、控制器、寄存器) )和存儲器，它們

19、構成一個和存儲器，它們構成一個最小工作系統(tǒng)（最小工作系統(tǒng)（主機主機）。）。 計算機一定有計算機一定有自己的指令系統(tǒng)自己的指令系統(tǒng)，它是隨，它是隨CPUCPU設計而誕設計而誕生的。生的。 計算機運行時的信息流處理方式、指令的自動處理計算機運行時的信息流處理方式、指令的自動處理方式等，取決于計算機的方式等，取決于計算機的體系結構體系結構。 上述典型計算機的設計思想，是由上述典型計算機的設計思想，是由馮馮 諾依曼計算機諾依曼計算機模型開創(chuàng)的。模型開創(chuàng)的。1.4 計算機系統(tǒng)的設計思想計算機系統(tǒng)的設計思想242. 2. 馮馮 諾依曼諾依曼(Von Nenmann)(Von Nenmann)計算機模型計算

20、機模型美籍匈牙利數學家馮美籍匈牙利數學家馮諾依曼被稱為諾依曼被稱為“計算機計算機之父之父”。他對人類的最大貢獻是對計算機科學、他對人類的最大貢獻是對計算機科學、計算機技術和數值分析的開拓性工作。計算機技術和數值分析的開拓性工作。19441944年，馮年，馮 諾依曼參加諾依曼參加“ENIAC”ENIAC”計算機研究計算機研究工作。工作。19451945年，數學家馮年，數學家馮 諾依曼等人，提出了諾依曼等人，提出了“存存儲程序儲程序”的概念。的概念。19461946年，馮年，馮 諾依曼與他人合作提出更完善的計算機設計報告，是諾依曼與他人合作提出更完善的計算機設計報告，是以仙農提出的二進制，程序內存

21、以及指令和數據統(tǒng)一存儲為基礎，以仙農提出的二進制，程序內存以及指令和數據統(tǒng)一存儲為基礎，奠定了現代計算機體系結構的根基。奠定了現代計算機體系結構的根基。John Von Neuman(19031957) 1.4 計算機系統(tǒng)的設計思想計算機系統(tǒng)的設計思想2519531953年年3 3月，馮月，馮 諾依曼領諾依曼領導的小組發(fā)表了全新的存導的小組發(fā)表了全新的存儲程序式通用電子計算機儲程序式通用電子計算機方案方案電子離散變量自動電子離散變量自動計算機計算機EDVACEDVAC。以以“存儲程序存儲程序”概念為基概念為基礎的各類計算機，統(tǒng)稱為礎的各類計算機，統(tǒng)稱為“馮馮 諾依曼機諾依曼機”。1.4 計算機

22、系統(tǒng)的設計思想計算機系統(tǒng)的設計思想26當年的當年的“馮馮 諾依曼機諾依曼機”機房情況機房情況1.4 計算機系統(tǒng)的設計思想計算機系統(tǒng)的設計思想273. 3. 馮馮 諾依曼計算機的特點諾依曼計算機的特點l計算機由計算機由五大部件組成五大部件組成：運算器、存儲器、控制器、：運算器、存儲器、控制器、輸入設備、輸出設備。輸入設備、輸出設備。l指令和數據均使用指令和數據均使用二進制編碼二進制編碼表示。表示。l指令指令的構成：操作碼、地址碼。操作碼表示操作的功的構成：操作碼、地址碼。操作碼表示操作的功能，地址碼表示操作數所在存儲單元的位置。能，地址碼表示操作數所在存儲單元的位置。l指令和數據以同等地位指令和

23、數據以同等地位存放在存儲器存放在存儲器內。內。l程序在存儲器內按執(zhí)行程序在存儲器內按執(zhí)行順序存放順序存放，并，并自動自動按地址按地址執(zhí)行執(zhí)行指令和訪問數據。指令和訪問數據。 l機器機器以運算器為中心以運算器為中心，與存儲器、輸入設備、輸出設，與存儲器、輸入設備、輸出設備進行數據傳送時，都要通過運算器才能完成傳送過程。備進行數據傳送時，都要通過運算器才能完成傳送過程。1.4 計算機系統(tǒng)的設計思想計算機系統(tǒng)的設計思想28例：例：馮馮 諾依曼計算機體系結構的諾依曼計算機體系結構的基本思想基本思想是什么？是什么？答：馮答：馮 諾依曼計算機體系結構的基本思想是：諾依曼計算機體系結構的基本思想是：“存儲程

24、存儲程序；序；( (按地址順序按地址順序) )自動執(zhí)行自動執(zhí)行”。也就是將用指令序列描述的解題程序，程序與原始數據也就是將用指令序列描述的解題程序，程序與原始數據一起存儲到計算機中，計算機啟動后自動按順序執(zhí)行一一起存儲到計算機中，計算機啟動后自動按順序執(zhí)行一條條指令，直至程序執(zhí)行完畢（得到計算結果）。條條指令，直至程序執(zhí)行完畢（得到計算結果）。1.4 計算機系統(tǒng)的設計思想計算機系統(tǒng)的設計思想29例：例：按照馮按照馮 諾依曼計算機體系結構的設計思想，計算諾依曼計算機體系結構的設計思想，計算機硬件系統(tǒng)應由哪些部件組成機硬件系統(tǒng)應由哪些部件組成? ? 它們各起什么作用？它們各起什么作用？答：答： 按

25、此思想設計的按此思想設計的計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)包括：運算器、控制器、存儲包括：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備個基本部件器、輸入設備和輸出設備個基本部件。 部件作用如下部件作用如下u運算部件對數據進行算術運算和邏輯運算；運算部件對數據進行算術運算和邏輯運算；u控制部件為計算機工作提供統(tǒng)一時鐘和時序控制部件為計算機工作提供統(tǒng)一時鐘和時序, ,解讀指令解讀指令, ,生成控生成控制信號制信號, ,完成指令規(guī)定的操作內容完成指令規(guī)定的操作內容, ,實現計算機運行過程自動化；實現計算機運行過程自動化；u存儲器用來存放程序、數據、結果；存儲器用來存放程序、數據、結果； u輸入設備用來輸入原始數據及相關程序；輸入設備用來輸入原始數據及相關程序； u輸出設備用來輸出計算機的處理結果，向用戶提供信息。輸出設備用來輸出計算機的處理結果，向用戶提供信息。30計算機的發(fā)展也可從系統(tǒng)層次結構的變化上體現出來