chapter計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論實(shí)用

會計(jì)學(xué)1chapter計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論實(shí)用《計(jì)算機(jī)組成原理》

ComputerOrganization課程代碼：1301026

課程類別：必修

課程學(xué)分：4

課程學(xué)時(shí)：72(其中：實(shí)驗(yàn)12學(xué)時(shí))

授課對象：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生

第1頁/共39頁教學(xué)內(nèi)容

研究討論單臺計(jì)算機(jī)的完整硬件系統(tǒng)的基本組成原理與內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制。

單臺：非多機(jī)系統(tǒng)基本：不一定是最高性能、最合理的組成,

而是最基礎(chǔ)的必要的組成部分.

完整：計(jì)算機(jī)整機(jī)、全部的硬件功能部件.第2頁/共39頁輸入設(shè)備輸出設(shè)備

總線外存設(shè)備主存儲器高速緩存控制器運(yùn)算器第3章第7章第4、5章第2章第6章輸入輸出接口第8章計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成第3頁/共39頁

第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第二章運(yùn)算方法和運(yùn)算器第三章存儲系統(tǒng)第四章指令系統(tǒng)第五章中央處理器第六章總線系統(tǒng)第七章外圍設(shè)備第八章輸入輸出系統(tǒng)教材目錄第4頁/共39頁教學(xué)過程與成績比例

除課堂教學(xué)外，實(shí)驗(yàn)室配有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱，通過實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，一方面增強(qiáng)對相應(yīng)知識點(diǎn)的理解和掌握，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識。實(shí)驗(yàn)成績屬于平時(shí)成績的一部分，將按10%的比例算入總成績之中。平時(shí)成績的另一個(gè)部分是期中考試，按20%的比例算入總成績之中。期末考試成績占總成績的70%。第5頁/共39頁學(xué)習(xí)目標(biāo)

《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的主干課之一。本課程的目的和任務(wù)是：用層次結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)并以信息的加工、處理為主線研究計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理；使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中各大部件的組成原理、邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法及互連構(gòu)成整機(jī)的技術(shù)；培養(yǎng)學(xué)生對硬件系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、使用和維護(hù)方面的能力，建立牢固的整機(jī)思想。

第6頁/共39頁教學(xué)參考書[1].白中英，計(jì)算機(jī)組成原理試題庫及實(shí)現(xiàn)，科學(xué)出版社，1991年。[2].王愛英，計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)，第3版,清華大學(xué)出版社,2001[3].莫正坤等《計(jì)算機(jī)組成原理》，高等教育出版社，2005年1月第1版；[4].（加）HamacherZvonkoVranesicSafwatZaky著，張紅光，張健民譯《ComputerOrganization》FifthEdition機(jī)械工業(yè)出版社，2004年7月第1版；第7頁/共39頁本課程的地位本課程在計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科中處于承上啟下的地位，要求先修的課程有：

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)數(shù)字邏輯微機(jī)原理與匯編語言學(xué)習(xí)指南第8頁/共39頁學(xué)習(xí)指南本課程的任務(wù)討論單機(jī)系統(tǒng)范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)各部件和系統(tǒng)的組成以及內(nèi)部工作機(jī)制。通過學(xué)習(xí)，掌握計(jì)算機(jī)各大部件的組成原理、邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法及其互連構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)。為后繼課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。第9頁/共39頁學(xué)習(xí)指南本課程的重點(diǎn)：五大基本部件的原理及實(shí)現(xiàn)。本課程的難點(diǎn)：各部件互連構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)，即整機(jī)概念的建立。本課程的深廣度：主要討論計(jì)算機(jī)組成中具有共性的問題，要處理好抽象概念與具體實(shí)例的關(guān)系。第10頁/共39頁第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論本章內(nèi)容1.1計(jì)算機(jī)分類1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史1.3計(jì)算機(jī)的硬件1.4計(jì)算機(jī)的軟件1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第11頁/共39頁提要

在本章中我們將從存儲程序的概念入手，討論電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的基本組成與工作原理，使大家對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)先有一個(gè)簡單的整體概念，為今后深入討論各個(gè)部件打下基礎(chǔ)。

第12頁/共39頁1.1計(jì)算機(jī)的分類按信號量分模擬機(jī)數(shù)字機(jī)專用通用巨型機(jī)大型機(jī)中型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)單片機(jī)2.數(shù)字機(jī)與模擬機(jī)的主要區(qū)別模擬機(jī)：用連續(xù)量表示數(shù)據(jù)，如計(jì)算尺的長度、電表的角度。計(jì)算過程也是連續(xù)的。數(shù)字機(jī)：用離散的數(shù)字量表示數(shù)據(jù)，如二進(jìn)制代碼，按位不連續(xù)地跳動計(jì)算。1.如何分類？分類的依據(jù)及結(jié)果，按用途分，按規(guī)模分第13頁/共39頁第14頁/共39頁1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史1.2.1計(jì)算機(jī)的五代變化第五代類型時(shí)期主要器件

重要特征第一代1946|1957電子管機(jī)器語言，匯編語言速度低，體積大，價(jià)格昂貴可靠性差，用于科學(xué)計(jì)算。第二代1958|1964晶體管算法語言，操作系統(tǒng)體積縮小，可靠性提高從科學(xué)計(jì)算擴(kuò)大到數(shù)據(jù)處理。第三代1965|1971中、小規(guī)模集成電路體積小，可靠性大大提高，軟件技術(shù)和外設(shè)發(fā)展迅速應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。第四代1972|1990大及超大規(guī)模集成電路體積進(jìn)一步縮小，可靠性進(jìn)一步提高，成本進(jìn)一步降低。1991|巨大規(guī)模集成電路由一片巨大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)單片計(jì)算機(jī)開始出現(xiàn)。運(yùn)算速度每秒幾千~幾萬次每秒幾萬~幾十萬次每秒幾十萬~幾百萬次每秒1000萬~1億次每秒10億次第15頁/共39頁1.2.2半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展

50~60年代，由微小的鐵磁體環(huán)(磁芯)構(gòu)成。

1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一片半導(dǎo)體存儲器。

1974年，每位半導(dǎo)體存儲器的價(jià)格低于磁芯存儲器。此后半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了11代：單處芯片容量1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、256MB和現(xiàn)在的1GB。其中：1B=8bit；1K=210；1M=220；1G=230第16頁/共39頁1.2.3微處理器的發(fā)展20世紀(jì)70年代：

4004800880808086808820世紀(jì)80年代：

80286386TMDX386TMSX 486TMDX20世紀(jì)90年代：

486TMSXPentiumPentiumPro PentiumII最近的處理器：

PentiumIIIPentium4Itanium Itanium2第17頁/共39頁1.3計(jì)算機(jī)的硬件1.3.1硬件組成的要素--用算盤計(jì)算y=ax+b-c步驟如下。行數(shù)解題步驟和數(shù)據(jù)說明1取數(shù)(9)→算盤(9)表示第9行的數(shù)a,下同2乘法(12)→算盤完成a*x,結(jié)果在算盤上3加法(10)→算盤完成ax+b,結(jié)果在算盤上4減法(11)→算盤完成ax+b-c,結(jié)果在算盤上5存數(shù)y→13算盤上的y值記到第13行6輸出把算盤上的y值寫出給人看7停止運(yùn)算完畢,暫停89a數(shù)據(jù)10b數(shù)據(jù)11c數(shù)據(jù)12x數(shù)據(jù)13y數(shù)據(jù)第18頁/共39頁算盤計(jì)算中用到了：1)算盤:用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算;2)紙:用于存儲解題的原始信息，包括解題步驟和原始數(shù)據(jù);3)筆:用于把原始數(shù)據(jù)和解題步驟記錄到紙上,及把運(yùn)算結(jié)果寫出;4)我們?nèi)吮旧?主要是腦和手):用于控制解題過程。計(jì)算機(jī)與算盤類似相應(yīng)部件如:

1)運(yùn)算器:在計(jì)算機(jī)中相當(dāng)于算盤功能的部件；2)存儲器:在計(jì)算機(jī)中相當(dāng)于紙那樣具有“記憶”功能的部件;3)輸入設(shè)備輸出設(shè)備:相當(dāng)于筆,把原始解題信息送到計(jì)算機(jī)或把運(yùn)算結(jié)果顯示出來的設(shè)備;4)控制器:相當(dāng)于我們的大腦,能夠自動控制整個(gè)計(jì)算過程。第19頁/共39頁運(yùn)算器控制器主存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備輔助存儲器CPU控制數(shù)據(jù)地址或指令主機(jī)外設(shè)存儲器第20頁/共39頁1.3.2運(yùn)算器

功能：進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算，好比一個(gè)由電子線路構(gòu)成的算盤。

數(shù)制：二進(jìn)制：采用二進(jìn)制的原因有三點(diǎn):字長(即位數(shù)):通常有8、16、32、64位。運(yùn)算規(guī)律簡單;

比較容易實(shí)現(xiàn);節(jié)省元件狀態(tài)數(shù)。第21頁/共39頁1.3.3存儲器–

有內(nèi)存(半導(dǎo)體存儲器)與外存(磁盤、光盤等)之分

功能：保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟。

存儲介質(zhì)：內(nèi)存為半導(dǎo)體存儲器，由觸發(fā)器構(gòu)成，一個(gè)觸發(fā)器存放1bit。

存儲單元:保存一個(gè)數(shù)的多個(gè)觸發(fā)器,稱為一個(gè)存儲單元。

8個(gè)bit構(gòu)成一個(gè)字節(jié)(Byte)(1~n)個(gè)字節(jié)構(gòu)成一個(gè)字(Word)，n取決于計(jì)算機(jī)的字長。

存儲單元的標(biāo)識：單元地址，每個(gè)存儲單元的編號。

存儲容量:存儲器所有存儲單元的總數(shù)。常用單位有KB，MB，GB，TB等，(1KB=210B=1024B、1MB=220B=1024KB、1GB=230B=1024MB、1TB=240B==1024GB),如512MB內(nèi)存，80GB硬盤。存儲容量越大,則計(jì)算機(jī)可記憶儲存的信息越多。

存儲內(nèi)容：無論是程序還是數(shù)據(jù)，均用二進(jìn)制代碼表示。第22頁/共39頁1.3.4控制器--

是計(jì)算機(jī)中發(fā)號施令的部件,它控制計(jì)算機(jī)的個(gè)部件有條不紊地進(jìn)行工作。具體的講,控制器的任務(wù)是從內(nèi)存中取出解題步驟加以分析,然后執(zhí)行某種操作:(1)程序–

為解決某一實(shí)際問題而設(shè)計(jì)的指令序列。運(yùn)算器只能完成加、減、乘、除四則運(yùn)算及其他一些輔助操作。對于比較復(fù)雜的算題,計(jì)算機(jī)在運(yùn)算前必須化成一步一步簡單的加、減、乘、除等基本操作來做。每一個(gè)基本操作就叫做一條指令,而解算某一問題的一串指令序列,叫做該問題的計(jì)算程序,簡稱為程序。操作碼地址碼

每條指令應(yīng)當(dāng)明確告訴控制器,從存儲器的那個(gè)單元取數(shù),并進(jìn)行何種操作,操作的結(jié)果又存放到哪里。指令的內(nèi)容由兩部分組成,即操作的性質(zhì)和操作的地址。前者稱為操作碼,后者稱為地址碼。操作碼:指出指令所進(jìn)行的操作,如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等地址碼:表示運(yùn)算數(shù)據(jù)來源于哪個(gè)單元,運(yùn)算結(jié)果應(yīng)存入哪個(gè)單元。(2)指令--計(jì)算機(jī)的基本操作命令第23頁/共39頁(3).

控制器的基本任務(wù)逐條從內(nèi)存中取出指令—取指周期然后執(zhí)行指令—執(zhí)行周期(4).

指令流和數(shù)據(jù)流

數(shù)據(jù)字：代表要處理的一個(gè)數(shù)據(jù)，

指令字：代表要執(zhí)行的一條指令。計(jì)算機(jī)是如何區(qū)分內(nèi)存中的信息是指令還是數(shù)據(jù)的？一般來講，在取指周期中從內(nèi)存讀出的信息是指令流,它流向控制器；而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出(或向內(nèi)存寫入)的信息流是數(shù)據(jù)流,它由內(nèi)存流向運(yùn)算器或(從運(yùn)算器流入內(nèi)存)。可見，指令流是單向的，數(shù)據(jù)流是雙向的。第24頁/共39頁1.3.5適配器與輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備的作用：是把人們所熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識別的二進(jìn)制信息形式。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)器、數(shù)字掃描儀等。理想的輸入設(shè)備應(yīng)有“視”、“聽”功能輸出設(shè)備的作用：是把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器所能接收和識別的信息形式。常見的輸出設(shè)備有：CRT顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。理想的輸出設(shè)備應(yīng)有“寫”、“講”功能

計(jì)算機(jī)的輸入/輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備。(3)適配器的作用由于輸入輸出設(shè)備種類繁多且速度各異,因而它們不是直接地同高速工作的主機(jī)相連接,而是通過適配器部件與主機(jī)相連接。適配器的作用相當(dāng)與一個(gè)轉(zhuǎn)換器,它可以保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)所要求的形式發(fā)送或接受信息。第25頁/共39頁

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還必須有總線。系統(tǒng)總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架,是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線,計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間實(shí)現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作。第26頁/共39頁電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想存儲程序與程序控制程序：是指令的有效序列。存儲程序：是把構(gòu)成程序的指令序列以代碼的形式事先輸入到計(jì)算機(jī)的主存儲器中，即用記憶數(shù)據(jù)的同一裝置存儲執(zhí)行運(yùn)算的命令。程序控制：是當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動后，程序就會控制計(jì)算機(jī)按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動完成預(yù)定的信息處理任務(wù)。馮.諾依曼型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想是：存儲程序并按地址順序執(zhí)行。第27頁/共39頁1.4計(jì)算機(jī)的軟件1.4.1軟件的組成和分類

凡是用于一臺計(jì)算機(jī)的各種程序,統(tǒng)稱為這臺計(jì)算機(jī)的程序或軟件系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)軟件一般分為兩大類：系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件第28頁/共39頁

系統(tǒng)軟件用來簡化程序設(shè)計(jì),簡化使用方法,提高計(jì)算機(jī)的使用效率,發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)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(cuò)程序、練習(xí)程序等；語言處理程序,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)用軟件是用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題所編制的程序,如工程設(shè)計(jì)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(bào)檢索程序、科學(xué)計(jì)算程序等等。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,這類程序的種類越來越多。第29頁/共39頁1.目的程序

直接用機(jī)器語言編寫程序,這種編寫程序的方式稱為手編程序。優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)可以“識別”并能執(zhí)行,故稱目的程序。缺點(diǎn)：編程繁瑣；耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間；容易出錯(cuò)；出錯(cuò)后尋找錯(cuò)誤也相當(dāng)費(fèi)事。2.匯編程序?qū)C(jī)器指令符號化，用一些約定的文字、符號和數(shù)字按規(guī)定的格式來表示各種不同的指令,然后再用這些特殊符號表示的指令來編寫程序,這就是所謂的匯編語言，所編程序?yàn)閰R編語言源程序。需借助于匯編程序翻譯成用機(jī)器語言表示的目的程序。3.算法語言為了使不熟悉具體計(jì)算機(jī)的人也能很方便地使用計(jì)算機(jī),人們又創(chuàng)造了多種用接近自然語言和數(shù)學(xué)公式的算法語言。需借助于編譯程序或解釋程序才可執(zhí)行。1.4.2軟件的發(fā)展演變第30頁/共39頁算法語言是指按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學(xué)語言,直觀通用,與具體機(jī)器無關(guān),只要稍加學(xué)習(xí)就能掌握,便于推廣使用計(jì)算機(jī)。用算法語言編寫的程序稱為高級語言源程序，這種源程序是不能由機(jī)器直接識別和執(zhí)行的,必須給計(jì)算機(jī)配備一個(gè)既懂算法語言又懂機(jī)器語言的“翻譯”,才能把源程序翻譯為機(jī)器語言。通常采用下面兩種方法：

(1).計(jì)算機(jī)配置一套用機(jī)器語言寫的編譯程序,它把源程序翻譯成目的程序,然后機(jī)器執(zhí)行目的程序,得出計(jì)算結(jié)果。但由于目的程序一般不能獨(dú)立運(yùn)行,還需要一種叫做運(yùn)行系統(tǒng)的輔助軟件來幫助。通常,把編譯程序和運(yùn)行系統(tǒng)和稱為編譯系統(tǒng)。

(2).使源程序通過所謂的解釋系統(tǒng)進(jìn)行解釋執(zhí)行,即逐個(gè)解釋并立即執(zhí)行源程序的語句,它不是編出目的程序后再執(zhí)行,而是直接逐一解釋語句并得出計(jì)算結(jié)果。第31頁/共39頁4.操作系統(tǒng)(OS)作用：管理計(jì)算機(jī)資源(如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序)，為用戶提供使用計(jì)算機(jī)的操作接口。分類：操作系統(tǒng)目前大致分為批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等多種。5.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)隨著計(jì)算機(jī)在信息處理、情報(bào)檢索及各種管理系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展,要求大量處理某些數(shù)據(jù),建立和檢索大量的表格。這些數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來,使得處理更方便,檢索更迅速,用戶使用更方便,于是出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫。所謂數(shù)據(jù)庫就是實(shí)現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量相關(guān)數(shù)據(jù),方便多用戶訪問的計(jì)算機(jī)軟、硬件資源組成的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件一起,組成了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。第32頁/共39頁1.5.1多級組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.微程序設(shè)計(jì)級這是一個(gè)實(shí)在的硬件級，他由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微命令。如果某一個(gè)應(yīng)用程序直接用微命令來編寫，那么可在這一級上運(yùn)行應(yīng)用程序。2.一般機(jī)器級也稱為機(jī)器語言級，由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)。這一級也是硬件級。3.操作系統(tǒng)級由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機(jī)器指令和廣義指令組成，這些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。1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級語言級匯編語言級操作系統(tǒng)級一般機(jī)器級微程序設(shè)計(jì)級第33頁/共39頁1.5.1多級組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4.匯編語言級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，則機(jī)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。5.高級語言級面向用戶，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。1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級語言級匯編語言級操作系統(tǒng)級一般機(jī)器級微程序設(shè)計(jì)級第34頁/共39頁1.5.2軟件與硬件的邏輯等價(jià)性

隨著大規(guī)模集成電路技