計(jì)算機(jī)組成原理課件

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)2/6/202311.1計(jì)算機(jī)的分類一、電子計(jì)算機(jī)從總體上分為兩大類。電子模擬計(jì)算機(jī)?！澳M”就是相似的意思。模擬計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是數(shù)值由連續(xù)量來(lái)表示，運(yùn)算過(guò)程也是連續(xù)的。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。它是在算盤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是用數(shù)字來(lái)表示數(shù)量的大小。數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是按位運(yùn)算，并且不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算。2/6/202321.1計(jì)算機(jī)的分類數(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0/1電壓計(jì)算方式數(shù)字計(jì)數(shù)電壓組合和測(cè)量值控制方式程序控制盤上連線精度高低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大小邏輯判斷能力強(qiáng)無(wú)數(shù)字計(jì)算機(jī)與模擬計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別2/6/202331.1計(jì)算機(jī)的分類二、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)；針對(duì)某一任務(wù)設(shè)計(jì)（測(cè)試、控制），適應(yīng)性差。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（服務(wù)器、PC機(jī)）。2/6/202341.1計(jì)算機(jī)的分類三、通用計(jì)算機(jī)分類

通用計(jì)算機(jī)根據(jù)體積、簡(jiǎn)易性、功率損耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機(jī)器價(jià)格等可以分為：超級(jí)計(jì)算機(jī)大型機(jī)服務(wù)器工作站微型機(jī)單片機(jī)2/6/202351.1計(jì)算機(jī)的分類四、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)之所以迅速發(fā)展,其生命力在于它的廣泛應(yīng)用并協(xié)助人類取得了輝煌的成就。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍幾乎涉及人類社會(huì)的所有領(lǐng)域?？茖W(xué)計(jì)算自動(dòng)控制和測(cè)量信息處理教育和衛(wèi)生家用電器人工智能2/6/202361.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史一、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年開始，巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)2/6/20237

第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（ENIAC）5000次加法/秒體重28噸占地170M218,800只電子管1500個(gè)繼電器耗電150KW2/6/202381.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史二、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)做成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12代：?jiǎn)蝹€(gè)芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB、TB。其中1K=210,1M=220,1G=230,1T=2402/6/202391.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史三、微處理器的發(fā)展第1代：4位和低檔8位微機(jī)4004→8008→8080第2代：中高檔8位微機(jī)Z80、I8085、M6800，Apple-II微機(jī)第3代：16位微機(jī)8086→8088→80286，IBMPC系列機(jī)2/6/2023101.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史三、微處理器的發(fā)展第4代：32位微機(jī)80386→80486→Pentium→PentiumII→PentiumIII→Pentium432位PC機(jī)、Macintosh機(jī)、PS/2機(jī)第5代：64位微機(jī)Itanium、64位RISC微處理器芯片微機(jī)服務(wù)器、工程工作站、圖形工作站2/6/202311IBMPC系列機(jī)8088CPUIBMPC機(jī)IBMPC/AT機(jī)IBMPC/XT機(jī)2/6/202312英特爾微處理器芯片80386PentiumPentium4返回2/6/2023131.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史四、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?？偩€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)。2/6/2023141.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史四、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)

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。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：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。時(shí)鐘周期：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。2/6/202315運(yùn)算器控制器主存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備總線和輸入輸出接口高速緩存虛擬存儲(chǔ)器(磁盤設(shè)備)（第二章）（第五章）（第三章）（第六章）（第七、八章）中央處理單元CPU1.3計(jì)算機(jī)的硬件2/6/2023161.3計(jì)算機(jī)的硬件1.3.1硬件組成要素一、硬件組成要素 通過(guò)一個(gè)例子我們來(lái)了解數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要組成和工作原理。假設(shè)給一個(gè)算盤、一張帶有橫格的紙和一支筆，要求我們計(jì)算y=ax+b-c這樣一個(gè)題目。解題步驟和數(shù)據(jù)記錄在橫格紙上，請(qǐng)看過(guò)程。2/6/202317手工模仿計(jì)算機(jī)工作（1）2/6/2023181.3計(jì)算機(jī)的硬件二、數(shù)字計(jì)算機(jī)基本組成控制器：操作控制功能，人的大腦運(yùn)算器：計(jì)算功能，算盤存儲(chǔ)器：保存或記憶功能，紙輸入設(shè)備：交互接口，筆輸出設(shè)備：交互接口，紙2/6/2023191.3計(jì)算機(jī)的硬件三、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：包括控制器、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2/6/2023201.3計(jì)算機(jī)的硬件馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)2/6/2023211.3計(jì)算機(jī)的硬件1.3.2運(yùn)算器算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中參與運(yùn)算的數(shù)是二進(jìn)制的運(yùn)算器的長(zhǎng)度一般是8、16、32或64位2/6/2023221.3計(jì)算機(jī)的硬件1.3.3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、存儲(chǔ)容量）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存存儲(chǔ)器單位：210byte＝1K210K＝1M210M＝1G210G＝1T2/6/2023231.3計(jì)算機(jī)的硬件1.3.4控制器1、計(jì)算程序指令：一個(gè)基本操作計(jì)算程序：整個(gè)解題步驟2/6/202324表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器的哪個(gè)單元取運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個(gè)單元2、指令的格式指令有兩部分：操作的性質(zhì)和操作的地址操作碼地址碼指出指令所進(jìn)行的操作加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等1.3計(jì)算機(jī)的硬件2/6/2023251.3計(jì)算機(jī)的硬件1.3.4控制器3、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，執(zhí)行周期2/6/2023261.3計(jì)算機(jī)的硬件4、指令流和數(shù)據(jù)流指令字，數(shù)據(jù)字控制器完全如何區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字?時(shí)間上和空間上：

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；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(yùn)算器。2/6/2023271.3計(jì)算機(jī)的硬件1.3.5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。

2/6/2023281.4計(jì)算機(jī)的軟件軟件分類操作系統(tǒng) 語(yǔ)言處理程序服務(wù)性程序應(yīng)用軟件辦公軟件包數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)自動(dòng)控制軟件診斷、排錯(cuò)程序反病毒程序備份程序文件壓縮程序卸載程序圖形圖像處理軟件其它應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件1.4.1軟件的組成和分類系統(tǒng)軟件，應(yīng)用軟件

2/6/2023291.4計(jì)算機(jī)的軟件1.4.2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)：批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)：FOXPRO、SQL、ORACLE2/6/2023301.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.5.1多級(jí)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)，如圖所示。2/6/2023311.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.5.2軟件與硬件邏輯等價(jià)性任何操作可以由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來(lái)完成。設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮各個(gè)方面的因素：價(jià)格、速度、可靠性、存儲(chǔ)容量、變更周期固件的概念（功能上是軟件，形態(tài)上