計(jì)算機(jī)組成原理課件第1章課件

主講教師：莊春興江南南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理Email:cx_zhuang@163.com1本課程在計(jì)算機(jī)課程體系中的位置硬件類軟件類CPU及整機(jī)設(shè)計(jì)（計(jì)算機(jī)組成原理）BIOS與接口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)模擬電路、數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)SOC芯片設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外圍接口電路設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)編譯系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)C++JAVA離散數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)電子商務(wù)多媒體技術(shù)…算法設(shè)計(jì)、數(shù)值分析、信號(hào)與系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)理論課程、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程匯編語(yǔ)言軟件工程C#…2課程的性質(zhì)、目的及任務(wù)本課程為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)位課程，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)中關(guān)于軟件和硬件分界面相關(guān)知識(shí)比較集中的一門課程主要研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯實(shí)現(xiàn)過(guò)程和方法。本課程還討論計(jì)算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所涉領(lǐng)域的基本功能以及獲取最大性能所需求的技術(shù)，最后本課程將依據(jù)當(dāng)前的發(fā)展介紹一些最新的計(jì)算機(jī)組成技術(shù)。

3教材白中英戴志濤，計(jì)算機(jī)組成原理，科學(xué)出版社2013參考書王愛(ài)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白中英,計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)（第4版立體化教材），清華大學(xué)出版社，20084第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第二章運(yùn)算方法和運(yùn)算器第三章多層次的存儲(chǔ)器

第四章指令系統(tǒng)第五章中央處理器

第六章總線系統(tǒng)第七章外存與I/O設(shè)備第八章輸入輸出系統(tǒng)第九章并行組織與結(jié)構(gòu)

第十章課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目錄5第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計(jì)算機(jī)的分類1.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)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)61.1計(jì)算機(jī)的分類一、計(jì)算機(jī)從總體上來(lái)說(shuō)分為兩大類:

模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)。各自主要特點(diǎn)：模擬計(jì)算機(jī)由模擬運(yùn)算器件構(gòu)成，其變量由連續(xù)量（如：電壓、電流等）來(lái)表示，運(yùn)算過(guò)程也是連續(xù)的數(shù)字計(jì)算機(jī)則是由邏輯電子器件構(gòu)成，其變量為開(kāi)關(guān)量（離散的數(shù)字量），采用數(shù)字式按位運(yùn)算，運(yùn)算模式是離散式的7數(shù)字計(jì)算機(jī)與模擬計(jì)算計(jì)的主要區(qū)別比較內(nèi)容數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0和1電壓、電流等計(jì)算方式數(shù)字計(jì)算電量組合和測(cè)量值控制方式程序控制模擬信號(hào)組合控制精度、抗干擾性高、好低、差數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大小、幾乎無(wú)邏輯判斷能力強(qiáng)無(wú)8二、數(shù)字計(jì)算機(jī)分類數(shù)字計(jì)算機(jī)根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來(lái)劃分，可以劃分為兩類：專用計(jì)算機(jī)：專用機(jī)是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，但是它的適應(yīng)性很差。通用計(jì)算機(jī)：通用計(jì)算機(jī)適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。9三、通用計(jì)算機(jī)分類101.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史1.2.1計(jì)算機(jī)的五代變化

1.2.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展

1.2.3微處理器的發(fā)展

1.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)

111.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史1.2.1計(jì)算機(jī)的五代變化第一代為1946—1957年，電子管計(jì)算機(jī)：數(shù)據(jù)處理第二代為1958—1964年，晶體管計(jì)算機(jī)：工業(yè)控制第三代為1965—1971年，中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：小型計(jì)算機(jī)第四代為1972—1990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：微型計(jì)算機(jī)第五代為1991年開(kāi)始，巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)121.2.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展20世紀(jì)50～60年代，所有計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)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(gè)較大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器從1970年起，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器經(jīng)歷了11代：?jiǎn)蝹€(gè)芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。其中1K=210,1M=220,1G=230131.2.3微處理器的發(fā)展1971年Intel公司開(kāi)發(fā)出Intel4004。4位微處理器1972年出現(xiàn)的Intel8008，這是第一個(gè)8位微處理器，它比4004復(fù)雜一倍。1974年出現(xiàn)了Intel8080。這是第一個(gè)通用微處理器，而4004和8008是為特殊用途而設(shè)計(jì)的。20世紀(jì)70年代末才出現(xiàn)強(qiáng)大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。這一發(fā)展趨勢(shì)中的另一階段是在1981年，貝爾實(shí)驗(yàn)室和HP公司開(kāi)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Intel80386。到現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器141.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)

吞吐量表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）。

響應(yīng)時(shí)間表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間度量，用時(shí)間單位來(lái)度量，例如微秒（10-6S）、納秒（10-9S）。

利用率表示在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占的比率，一般用百分比表示。

處理機(jī)字長(zhǎng)指處理機(jī)運(yùn)算器中一次能夠完成二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算的位數(shù)。當(dāng)前處理機(jī)的字長(zhǎng)有8位、16位、32位、64位。

字長(zhǎng)越長(zhǎng)，表示計(jì)算的精度越高。

151.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)

總線寬度一般指CPU中運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行互連的內(nèi)部總線二進(jìn)制位數(shù)。

存儲(chǔ)器容量存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來(lái)表示。

其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1個(gè)字節(jié)）。

存儲(chǔ)器容量越大，記憶的二進(jìn)制數(shù)越多。

存儲(chǔ)器帶寬存儲(chǔ)器的速度指標(biāo)，單位時(shí)間內(nèi)從存儲(chǔ)器讀出的二進(jìn)制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。

主頻/時(shí)鐘周期CPU的工作節(jié)拍受主時(shí)鐘控制，主時(shí)鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘，主時(shí)鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機(jī)為60MHz～266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。

161.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)主頻的倒數(shù)稱為CPU時(shí)鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。CPU執(zhí)行時(shí)間表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時(shí)間，可用下式計(jì)算：

CPU執(zhí)行時(shí)間＝CPU時(shí)鐘周期數(shù)×CPU時(shí)鐘周期長(zhǎng)

CPI表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)。用下式計(jì)算：

MIPS表示每秒百萬(wàn)條指令數(shù)，用下式計(jì)算：

171.3計(jì)算機(jī)的硬件1.3.1硬件組成要素1.3.2運(yùn)算器1.3.3存儲(chǔ)器1.3.4控制器1.3.5適配器與I/O設(shè)備181.3.1硬件組成要素?cái)?shù)字計(jì)算機(jī)基本組成與手工計(jì)算比較

控制器：人的大腦的操作控制功能運(yùn)算器：人的大腦的計(jì)算功能存儲(chǔ)器：人的大腦記憶功能輸入設(shè)備：交互接口，筆輸出設(shè)備：交互接口，紙19馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)程序按地址自動(dòng)執(zhí)行五大部件：控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以運(yùn)算器為中心20計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)211.3.2運(yùn)算器算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算二進(jìn)制運(yùn)算器的長(zhǎng)度一般是8、16、32或64位221.3.3存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序（指令）容量（存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)單元地址、容量單位）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存存儲(chǔ)器單位：1KB＝210B1MB＝220B1GB＝230B1TB＝240B231.3.4控制器指令和程序:指令的形式（操作和地址碼、存儲(chǔ)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(chǔ)24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(kāi)哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字。一般來(lái)講，取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；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(yùn)算器。251.3.5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(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式輸出設(shè)備：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器設(shè)備所能接收和識(shí)別的信息形式適配器：它使得被連接的外圍設(shè)備通過(guò)系統(tǒng)總線與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，以便使主機(jī)和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作總線：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。

總之，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器、存儲(chǔ)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(shuō)的計(jì)算機(jī)硬件。261.4計(jì)算機(jī)的軟件1.4.1軟件的組成與分類 系統(tǒng)軟件：用來(lái)簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)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：①各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯(cuò)程序、練習(xí)程序等②語(yǔ)言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等③操作系統(tǒng)④數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件：用戶利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決某些問(wèn)題而編制的程序，如工程設(shè)計(jì)程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動(dòng)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271.4.2軟件的發(fā)展演變編程語(yǔ)言的發(fā)展手編程序：機(jī)器語(yǔ)言程序，手工編譯二進(jìn)制碼匯編程序：符號(hào)語(yǔ)言程序，匯編程序匯編高級(jí)程序：算法語(yǔ)言/高級(jí)語(yǔ)言，機(jī)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28291.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.5.1多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)是一個(gè)十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體。它通常由五個(gè)以上不同的級(jí)組成，每一級(jí)都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)30五級(jí)計(jì)算機(jī)層次系統(tǒng)第一級(jí)是微程序設(shè)計(jì)級(jí)。這是一個(gè)實(shí)在的硬件級(jí)，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個(gè)應(yīng)用程序直接用微指令來(lái)編寫，那么可在這一級(jí)上運(yùn)行應(yīng)用程序。第二級(jí)是一般機(jī)器級(jí)，也稱為機(jī)器語(yǔ)言級(jí)，它由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)。這一級(jí)也是硬件級(jí)。第三級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)，它由操作系統(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，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(jí)也稱為混合級(jí)。第四級(jí)是匯編語(yǔ)言級(jí)，它給程序人員提供一種符號(hào)形式語(yǔ)言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語(yǔ)言編寫時(shí)，則機(jī)器必須要有這一級(jí)的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語(yǔ)言編寫，則這一級(jí)可以不要。第五級(jí)是高級(jí)語(yǔ)言級(jí)，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(jí)由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序支持和執(zhí)行。311.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.5.2軟件與硬件的邏輯等價(jià)性隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢(shì)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因?yàn)槿魏?/p>