計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件

計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

陳澤宇副教授第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第2章運(yùn)算方法和運(yùn)算器第3章存儲(chǔ)系統(tǒng)第4章指令系統(tǒng)第5章中央處理器（CPU）第6章總線系統(tǒng)第7章輸入輸出（I/O）系統(tǒng)第8章并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.2計(jì)算機(jī)的基本組成1.2.1計(jì)算機(jī)硬件1.2.2計(jì)算機(jī)軟件1.2.3計(jì)算機(jī)固件計(jì)算機(jī)由硬件（Hardware）和軟件（Software）組成硬件是基礎(chǔ)是軟件活動(dòng)的舞臺(tái)，由物理元器件構(gòu)成的有形實(shí)體軟件是靈魂使硬件最大限度發(fā)揮作用，是由計(jì)算機(jī)程序構(gòu)成的無形的東西，需要存儲(chǔ)在有形的硬件中可以實(shí)現(xiàn)更高層次的邏輯功能兩者缺一不可1.2.1計(jì)算機(jī)硬件1．控制器2．運(yùn)算器3．存儲(chǔ)器4．輸入輸出設(shè)備5．總線計(jì)算機(jī)硬件是組成計(jì)算機(jī)的所有電子器件和機(jī)電裝置的總稱馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)：使用二進(jìn)制數(shù)和存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)思想：存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行程序及操作數(shù)據(jù)一同存儲(chǔ)哈佛體系結(jié)構(gòu)（HarvardArchitecture）源自HarvardMarkI計(jì)算機(jī)，程序與操作數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)現(xiàn)代馮·諾伊曼計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)中展示出了某些哈佛體系結(jié)構(gòu)的特性，如高速緩存Cache馮·諾伊曼計(jì)算機(jī)具有5大部件FLASH演示用總線相互連接中央處理器（CPU）CentralProcessingUnit控制器和運(yùn)算器的合稱早期由許多分立元件組成，現(xiàn)在通常被制作在單片集成電路上，稱為微處理器（Microprocessor）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)，輸入設(shè)備將程序與數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器控制器從存儲(chǔ)器中逐條取出指令，將其解釋成控制命令，去控制各部件的動(dòng)作數(shù)據(jù)在運(yùn)算器中加工處理，處理后的結(jié)果通過輸出設(shè)備輸出1．控制器控制器是計(jì)算機(jī)的管理機(jī)構(gòu)和指揮中心按照預(yù)先確定的操作步驟，協(xié)調(diào)控制計(jì)算機(jī)各部件有條不紊地自動(dòng)工作控制器工作的實(shí)質(zhì)就是解釋程序逐條讀取、分析、執(zhí)行指令，控制各部件動(dòng)作程序計(jì)數(shù)器（ProgramCounter）是一個(gè)特殊的寄存器記錄著將要讀取的下一條指令在存儲(chǔ)器中的位置2．運(yùn)算器用于信息加工的部件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算FLASH演示算術(shù)邏輯單元（ArithmeticLogicUnit，ALU）具體完成算術(shù)與邏輯運(yùn)算的單元，運(yùn)算器的核心寄存器存放參與運(yùn)算的操作數(shù)累加器特殊的寄存器，存放中間結(jié)果和最后結(jié)果算術(shù)運(yùn)算加法、減法、乘法、除法，甚至三角函數(shù)、平方根整數(shù)、有限精度實(shí)數(shù)任何計(jì)算機(jī)都可以通過編程來執(zhí)行任何的算術(shù)運(yùn)算可通過編程把復(fù)雜運(yùn)算分解成計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的簡(jiǎn)單步驟如ALU硬件不支持，則可用軟件實(shí)現(xiàn)，但需花較多時(shí)間超標(biāo)量計(jì)算機(jī)包含多個(gè)ALU，可同時(shí)處理多條指令圖形處理器和具有并行特性的計(jì)算機(jī)的ALU，可執(zhí)行矢量和矩陣算術(shù)運(yùn)算3．存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)程序和數(shù)據(jù)都用二進(jìn)制數(shù)表示，統(tǒng)稱為信息向存儲(chǔ)器存入或從存儲(chǔ)器取出信息，都稱為訪問存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器由一系列存儲(chǔ)單元組成每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)稱為地址要按給定的地址來尋找所選擇的存儲(chǔ)單元信息單位位（bit，簡(jiǎn)寫成b）計(jì)算機(jī)的最小信息單位，包含1位二進(jìn)制信息（0或1）字節(jié)（Byte，簡(jiǎn)寫成B）由8位二進(jìn)制信息組成字（Word）計(jì)算機(jī)一次所能處理的二進(jìn)制位數(shù)，至少一個(gè)字節(jié)通常把組成一個(gè)字的二進(jìn)制位數(shù)稱為字長(zhǎng)微型機(jī)字長(zhǎng)可以少至8位，多至32位，甚至達(dá)到64位存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)KB（Kilobyte，千字節(jié)）、MB（Megabyte，兆字節(jié)）、GB（Gigabyte，千兆字節(jié)）1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB存儲(chǔ)器分類按照在計(jì)算機(jī)中的作用，可分為主存儲(chǔ)器、寄存器、閃速存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器4．輸入輸出設(shè)備I/O設(shè)備或外圍設(shè)備(Peripheral，簡(jiǎn)稱外設(shè))1）輸入設(shè)備2）輸出設(shè)備3）適配器1）輸入設(shè)備將人們熟悉的信息形式，變換成計(jì)算機(jī)能接受并識(shí)別的二進(jìn)制信息形式理想的輸入設(shè)備應(yīng)該是“會(huì)看”和“會(huì)聽”的鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等，以及用于文字識(shí)別、圖像識(shí)別、語音識(shí)別的設(shè)備2）輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)輸出的處理結(jié)果信息，轉(zhuǎn)換成人類或其他設(shè)備能夠接受和識(shí)別的信息形式理想的輸出設(shè)備應(yīng)該是“會(huì)寫”和“會(huì)講”的激光打印機(jī)、繪圖儀、CRT/LCD顯示器等，以及輸出語言的設(shè)備（如語音合成產(chǎn)品）3）適配器外圍設(shè)備通過適配器（Adapter）部件與主機(jī)相連接作用相當(dāng)于轉(zhuǎn)換器，保證外圍設(shè)備按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息使主機(jī)和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作5．總線計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過總線（Bus）將CPU、主存儲(chǔ)器及I/O設(shè)備連接起來總線是構(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)傳送的公共通路按照信號(hào)類型，可分為數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)，雙向，可輸入輸出地址總線：傳送地址，單向，決定數(shù)據(jù)或命令傳送給誰控制總線：傳送各種控制信號(hào)1.2.2計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件是程序的有序集合程序則是指令的有序集合1．軟件系統(tǒng)2．程序設(shè)計(jì)語言3．操作系統(tǒng)4．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)1．軟件系統(tǒng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)中全部程序的集合，統(tǒng)稱為這臺(tái)計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為有效使用計(jì)算機(jī)而配置的計(jì)算機(jī)軟件按其功能可分為應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類應(yīng)用軟件是為解決某種應(yīng)用問題而編制的程序系統(tǒng)軟件用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的管理、調(diào)度、監(jiān)視和服務(wù)等功能2．程序設(shè)計(jì)語言1）機(jī)器語言2）匯編語言3）算法語言1）機(jī)器語言早期人們直接用機(jī)器語言（即機(jī)器指令代碼）編寫程序，計(jì)算機(jī)完全可以“識(shí)別”并執(zhí)行，所以又叫做目的程序但是用機(jī)器語言編寫程序需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，且容易出錯(cuò)2）匯編語言指令助記符：用約定的文字、符號(hào)和數(shù)字按規(guī)定格式表示各種不同指令，每條基本指令都被指定一個(gè)表示其功能又便于記憶的短的名字匯編語言（AssemblyLanguage）：用指令助記符表示的指令來編寫程序匯編程序（Assembler）：把匯編語言程序轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可理解的、用機(jī)器語言表示的目的程序機(jī)器語言及匯編語言，對(duì)特定類型計(jì)算機(jī)而言是唯一的3）算法語言算法語言按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號(hào)，以及由這套基本符號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則接近數(shù)學(xué)語言，直觀通用，與具體機(jī)器無關(guān)能夠便利地表達(dá)程序員的設(shè)計(jì)思想，減少程序錯(cuò)誤源程序（Source）用算法語言編寫的程序，不能由機(jī)器直接識(shí)別和執(zhí)行必須“翻譯”為機(jī)器語言后才能由機(jī)器識(shí)別和執(zhí)行源程序“翻譯”方法 ⑴編譯程序（Compiler）把用算法語言編寫的源程序翻譯成目的程序，然后在運(yùn)行系統(tǒng)中執(zhí)行目的程序，得出計(jì)算結(jié)果編譯程序和運(yùn)行系統(tǒng)合稱為編譯系統(tǒng) ⑵解釋程序（Interpreter）進(jìn)行解釋執(zhí)行，即逐個(gè)解釋并立即執(zhí)行源程序的語句不是編譯出目的程序后再執(zhí)行，而是逐一解釋語句并立即得出計(jì)算結(jié)果3．操作系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)資源（如處理器、存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序）自動(dòng)調(diào)度用戶的作業(yè)程序使多個(gè)用戶能有效地共用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)大量數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來，形成數(shù)據(jù)庫(kù)（Database，DB）數(shù)據(jù)庫(kù)就是實(shí)現(xiàn)有組織、動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)大量相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計(jì)算機(jī)軟、硬件資源所組成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件一起，組成了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DatabaseManagementSystem，DBMS）1.2.3計(jì)算機(jī)固件隨著大規(guī)模集成電路