計算機組成原理課件

計算機組成原理課件第一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五1.本課程的作用

《計算機組成原理》是計算機科學與技術專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎課程。從課程地位來說，它在先導課(匯編語言程序設計、數(shù)字邏輯、數(shù)據(jù)結構)和后續(xù)課(操作系統(tǒng)、編譯方法、接口技術等)之間起著承上啟下的作用。2.本課程的目的與任務

從傳授基礎知識和培養(yǎng)能力的目標出發(fā)，使學生掌握寬厚的硬件基礎知識，理論聯(lián)系實際，注重智力開發(fā)和能力培養(yǎng)，鍛煉學生的硬件分析、設計和調試能力。從而適應在各類計算機上從事開發(fā)和應用的需要。前言第二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五第一章計算機系統(tǒng)概論本章內容1.1計算機分類和應用1.2計算機的硬件1.3計算機的軟件1.4計算機系統(tǒng)的層次結構第三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五1.1計算機的分類與應用1.1.1計算機的分類1.如何分類？分類的依據(jù)及結果按信號量分模擬機數(shù)字機，按用途分專用通用，按規(guī)模分巨型機大型機中型機小型機微型機單片機2.數(shù)字機與模擬機的主要區(qū)別模擬機：用連續(xù)量表示數(shù)據(jù)，如計算尺的長度、電表的角度。計算過程也是連續(xù)的。數(shù)字機：用離散的數(shù)字量表示數(shù)據(jù)，如二進制代碼，按位不連續(xù)地跳動計算。第四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五1.1.2計算機的應用1.科學計算—用于科學研究和工程設計

計算機在科學計算和工程設計中的應用,不僅減輕了大量繁瑣的計算工作量,更重要的是,一些以往無法解決、無法及時解決或無法精確解決的問題得到了圓滿的解決。2.自動控制—涉及面極廣,應用于多個行業(yè)，如工業(yè)中的數(shù)控機床

不僅提高了產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效力，而且大大地降低了勞動強度。提高檢測精度適應檢測環(huán)境智能化檢測控制檢測設備處理檢測數(shù)據(jù)4.信息處理--用于商務處理和管理應用，如OA、MIS

雖然計算機研制的初衷是為了科學計算，但現(xiàn)在已廣泛應用于非數(shù)值計算領域，可用來處理文字、表格、圖象、聲音等各類問題。3.測量與測試—用于第五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五5.計算機輔助技術—

包括

CAD–ComputerAidedDesignCAM–ComputerAidedManufacturingCAT–ComputerAidedTestCAI–ComputerAidedInstruction

…… 6.家用電器

個人計算機已成為一種時尚的家用電器,

單片機廣泛應用于微波爐、洗衣機、電子玩具、游戲機等。7.人工智能--

諸如計算機學習、計算機證明、景物分析、模擬人的思維過程、機器人等等。智能機器人,它會自己識別控制對象和工作環(huán)境,作出判斷和決策,直接領會人的口令和意圖,能避開障礙物,適應環(huán)境條件的變化,靈活機動地完成控制任務與信息處理任務。第六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五1.2計算機的硬件1.2.1數(shù)字計算機的硬件組成--用算盤計算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,結果在算盤上3加法(10)→算盤完成ax+b,結果在算盤上4減法(11)→算盤完成ax+b-c,結果在算盤上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)第七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五算盤計算中用到了：1)算盤:用于對數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術運算;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,及把運算結果寫出;4)我們人本身(主要是腦和手):用于控制解題過程。計算機與算盤類似相應部件如:

1)運算器:在計算機中相當于算盤功能的部件；2)存儲器:在計算機中相當于紙那樣具有“記憶”功能的部件;3)輸入設備輸出設備:相當于筆,把原始解題信息送到計算機或把運算結果顯示出來的設備;4)控制器:相當于我們的大腦,能夠自動控制整個計算過程。第八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五1.運算器–

功能：進行算術、邏輯運算，好比一個由電子線路構成的算盤。

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

比較容易實現(xiàn);元件狀態(tài)數(shù)最省第九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五2.存儲器–有內存(半導體存儲器)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：半導體存儲器，由觸發(fā)器構成，一個觸發(fā)器存放1bit。

存儲單元:保存一個數(shù)的多個觸發(fā)器,稱為一個存儲單元。

8個bit構成一個字節(jié)(Byte)(1~n)個字節(jié)構成一個字(Word)

存儲單元的標識：單元地址，每個存儲單元的編號。

存儲容量:存儲器所有存儲單元的總數(shù)。常用單位“KB、MB”表示,如64KB,128MB。存儲容量越大,則計算機可記憶儲存的信息越多。

存儲內容：無論是程序還是數(shù)據(jù)，均用二進制代碼表示。第十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五3.控制器--是計算機中發(fā)號施令的部件,它控制計算機的個部件有條不紊地進行工作。具體的講,控制器的任務是從內存中取出解題步驟加以分析,然后執(zhí)行某種操作:(1)計算程序–為解決某一實際問題而設計的指令序列。運算器只能完成加、減、乘、除四則運算及其他一些輔助操作。對于比較復雜的算題,計算機在運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,叫做該問題的計算程序,簡稱為程序。操作碼地址碼每條指令應當明確告訴控制器,從存儲器的那個單元取數(shù),并進行何種操作,操作的結果又存放到哪里。指令的內容由兩部分組成,即操作的性質和操作的地址。前者稱為操作碼,后者稱為地址碼。操作碼:指出指令所進行的操作,如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等地址碼:表示運算數(shù)據(jù)來源于哪個單元,運算結果應存入哪個單元。(2)指令的形式第十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五(3).

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

控制器+運算器=中央處理器(即CPU)(4).

指令流和數(shù)據(jù)流

1個字節(jié)=8bit1個字=(1~n)個字節(jié)，字長用bit數(shù)表示數(shù)據(jù)字：代表要處理的一個數(shù)據(jù)，指令字：代表要執(zhí)行的一條指令。指令流與數(shù)據(jù)流的區(qū)分與流向：一般來講，在取指周期中從內存讀出的信息是指令流,它流向控制器；而執(zhí)行周期中從內存讀出(或向內存寫入)的信息流是數(shù)據(jù)流,它由內存流向運算器或(從運算器流入內存)。第十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五4.適配器與輸入輸出設備輸入設備的作用：是把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內部所能接收和識別的二進制信息形式。常用的輸入設備有：鍵盤、鼠標器、數(shù)字掃描儀等。

理想的輸入設備應有“視”、“聽”功能輸出設備的作用：是把計算機處理的結果變換為人或其他機器所能接收和識別的信息形式。常見的輸出設備有：CRT顯示器、打印機、繪圖儀等。理想的輸出設備應有“寫”、“講”功能

計算機的輸入/輸出設備通常稱為外圍設備。(3)適配器的作用由于輸入輸出設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相連接,而是通過適配器部件與主機相連接。適配器的作用相當與一個轉換器,它可以保證外圍設備用計算機所要求的形式發(fā)送或接受信息。第十三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五計算機系統(tǒng)中還必須有總線。系統(tǒng)總線是構成計算機系統(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。借助系統(tǒng)總線,計算機在各系統(tǒng)部件之間實現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作。第十四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五

自1946年在美國賓夕法尼亞大學制成的世界上第一臺電子數(shù)字計算機以來,計算機的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代的變化：1.1946年開始的第一代電子管計算機:計算機運算速度一般為每秒幾千次至幾萬次,體積龐大,成本很高,可靠性較底,在此期間,形成了計算機的基本體系,確定了程序設計的基本方法,數(shù)據(jù)處理機開始得到應用。2.1958年開始的第二代晶體管計算機:運算速度提高到幾萬次至幾十萬次,可靠性提高,體積縮小,成本降低，工業(yè)控制機開始得到應用。3.1965年開始的第三代中小規(guī)模集成電路計算機:可靠性進一步提高,體積進一步縮小,成本進一步下降,運算速度提高到幾十萬次至幾百萬次。在此期間,形成機種多樣化,生產(chǎn)系列化,使用系統(tǒng)化,小型計算機開始出現(xiàn)。2.2.2計算機系統(tǒng)結構的過去和未來第十五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五4.1971年開始的第四代大規(guī)模集成電路計算機:可靠性更進一步提高,體積更進一步縮小,成本更進一步降低,速度提高到每秒幾百萬次至幾千萬次。有機片大規(guī)模集成電路組成的微型機開始出現(xiàn)。5.1986年開始的第五代巨大規(guī)模集成電路計算機:運算速度提高到每妙幾億次至上百億次。由一片巨大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的單片機開始出現(xiàn)?？傊?從1946年計算機誕生以來,大約每隔五年運算速度提高10倍,可靠性提高10倍,成本降低10倍,體積縮小10倍。而70年代以來,計算機的生產(chǎn)數(shù)量每年以25%的速度遞增。隨著社會需求和微電子技術的不斷發(fā)展,計算機的系統(tǒng)結構仍在繼續(xù)發(fā)展,其發(fā)展趨勢是：

將進入以通信為中心的體系結構。計算機智能化將進一步發(fā)展,進入知識處理階段。不僅用多處理機技術來實現(xiàn)并行計算機,而且會出現(xiàn)計算機的動態(tài)結構。多媒體技術將有重大突破和發(fā)展。

第十六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五1.3計算機的軟件1.3.1軟件的組成和分類

計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設備組成的。這些部件或設備都是由元件構成的有形物體,因而稱為硬件或硬設備。如果只有算盤,沒有運算法則和步驟,就不能用算盤來計算。同樣,假如計算機只有硬件,它仍是個“死”東西。那么計算機靠什么東西才能變“活”,從而高速自動地完成各種運算呢？這就是我們前面講過的計算程序。因為它是無形的東西,所以稱為軟件或軟設備。比方說,用算盤進行運算,算盤本身就是硬件,而運算法則和解題步驟等就是軟件。事實上,利用電子計算機進行計算、控制或作其他工作時,需要有各種用途的程序。因此,凡是用于一臺計算機的各種程序,統(tǒng)稱為這臺計算機的程序或軟件系統(tǒng)。計算機軟件一般分為兩大類：一類叫系統(tǒng)程序,一類叫應用程序第十七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五

系統(tǒng)程序用來簡化程序設計,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:各種服務性程序,如診斷程序、排錯程序、練習程序等；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)

應用程序是用戶利用計算機來解決某些問題所編制的程序,如工程設計程序、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、科學計算程序等等。隨著計算機的廣泛應用,這類程序的種類越來越多。第十八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五1.目的程序早期計算機中,人們直接用機器語言編寫程序,這種編寫程序的方式稱為手編程序。這種用機器語言書寫的程序,計算機完全可以“識別”并能執(zhí)行,所以又叫做目的程序。但是,用機器語言編寫程序很繁瑣,又耗費大量的人力和時間,容易出錯,出錯后尋找錯誤也相當費事,這就大大限制了計算機的使用。2.匯編程序為了編寫程序方便翻譯和提高機器的使用效率,人們用一些約定的文字、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。借助于匯編程序,計算機本身自動地把符號語言表示的程序(稱為匯編源程序)翻譯成用機器語言表示的目的程序。3.源程序--為了進一步實現(xiàn)程序自動化和便于程序交流,使不熟悉具體計算機的人也能很方便地使用計算機,人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學語言的算法語言。1.3.2軟件的發(fā)展演變第十九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五算法語言是指按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學語言,直觀通用,與具體機器無關,只要稍加學習就能掌握,便于推廣使用計算機。用算法語言編寫的程序稱為源程序，這種源程序是不能由機器直接識別和執(zhí)行的,必須給計算機配備一個即懂算法語言又懂機器語言的“翻譯”,才能把源程序翻譯為機器語言。通常采用下面兩種方法：

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

2.使源程序通過所謂的解釋系統(tǒng)進行解釋執(zhí)行,即逐個解釋并立即執(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算結果。第二十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五4.操作系統(tǒng)為了擺脫用戶直接使用機器并獨占機器這種情況,依靠計算機來管理自己和管理用戶,于是人們又創(chuàng)造出一類程序,叫做操作系統(tǒng)。它是隨著硬件和軟件不斷發(fā)展而逐漸形成的一套軟件系統(tǒng),用來管理計算機資源(如處理器、內存、外部設備和各種編譯、應用程序)和自動調度用戶的作業(yè)程序,而使多個用戶能有效地共用一套計算機系統(tǒng)。根據(jù)不同使用環(huán)境要求,操作系統(tǒng)目前大致分為批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)等多種。5.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)隨著計算機在信息處理、情報檢索及各種管理系統(tǒng)中應用的發(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)庫就是實現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量相關數(shù)據(jù),方便多用戶訪問的計算機軟、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)。第二十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五1.4.1多級組成的計算機系統(tǒng)1.微程序設計級這是一個實在的硬件級，他由機器硬件直接執(zhí)行微命令。如果某一個應用程序直接用微命令來編寫，那么可在這一級上運行應用程序。2.一般機器