[计算机硬件及网络]第1章 概论 计算机的基本组成.ppt

计算机组成原理,孙启良 讲师 信息与计算科学系,答疑办公室：西校7教C段201 Telss_ 质疑时间：周四 15:30-17:00,本课程是计算机专业学生必修的核心硬件课程，其教学内容是学生必备的专业知识。 要求学生在学过“数字逻辑与数字集成电路”和“汇编语言程序设计”课程的基础上，掌握计算机的硬件系统的基本组成原理和简单的设计技术。,一、课程内容和学习目的,包括数字化信息编码与数据表示，数据运算算法和运算器部件的知识；指令、指令系统和控制器部件的知识；存储器系统的组成、运行原理；输入输出系统的构成和运行原理。力求达到能设计一台简单、完整的基本计算机系统的要求；同时还能熟悉知晓当前流行的计算机中广泛采用的最新技术和工艺，有能力粗浅了解国内外计算机硬件领域科学研究的动向与应用发展的趋势。,本课程是“计算机系统结构“、“微型计算机系统“和“操作系统“等后续课程的先修课。本课程教学过程中，强调学习理论知识和增长科研与开创性工作的能力，强调理解硬件与软件的协调与实现的思路。,二、世界上第一台电子数字计算机,ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)，美国宾夕法尼亚大学1946年研制成功。 18000多个电子管，1500多个继电器，耗电150千瓦，重30吨，占地170平方米，运算速度5000次/秒左右。 尽管从今天的眼光来看，这台计算机性能低且耗费巨大，但它却是科学史上的一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的基础。宣告人类进入电子计算机时代。 担开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成。,ENIAC,ENIAC,Vacuum tube in ENIAC,Cable,Programing,Debug(线路检查),ENIAC & Von Neumann,Von Neumann,ENIAC的问题,十进制计算机 每一位数由一圈共10个真空管表示 通过开关和插拔电缆进行手动编程 输入程序和数据可能需要半天时间 能否将程序和数据存在存储器中？存储程序？,现代电子计算机之父,19441945年间，美籍匈牙利科学家冯诺伊曼在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想： 采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯诺伊曼机体系延续至今。,第1章 概论 1.1 冯诺依曼体制,ENIAC概况 1）数据表示-十进制 2）工作存储器-只有20个单元，用于存放数据 3）编程-靠电子开关和拔接插头进行编制程序 4）ENIAC共用18000多个电子管，1500多个继电器，耗电140kw，占地170平米，重30吨，运算速度5000次/秒。 ENIAC可靠运行时间不超过20分钟。,第1章 概论 1.1 冯诺依曼体制,2. 冯诺依曼体制 1）引进存储程序概念，程序和数据一样放在同一个存储器中 2）数据以二进制码表示 3）机器以运算器为核心 4）指令由操作码和地址码两部分构成 5）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分构成 这些理论奠定了现代计算机的基本思想，到目前为止，大多数计算机沿用这一体制，人们称其为冯诺依曼体制,围绕运算器部件构建系统 围绕存储器部件构建系统,第1章 概论 1.2 计算机的基本组成,1.2.1运算器基本结构 功能：完成算术运算和逻辑运算的装置 设置考虑：任意算术运算（加+减-乘*除/）都可以通过相加和移位来解决。 举证： 这样一来，运算器的基本结构就确定下来，如下图,第1章 概论 1.2计算机的基本组成,运算器由加法器、 移位门、寄存器组、 输入选择门 和数据总线组成。,图 运算器结构框图,1.2.1存储器的基本结构 功能：存放程序和数据装置，并满足计算机在执行过程中能够随机访问这些程序和数据。 设置考虑：存、取如何解决？ 存储器的基本结构如下图,1.2计算机的基本组成,图 存储器基本结构框图,1.2.1控制器的基本结构 功能：全机指挥机构，执行方式有如下三种： 按规定的操作去执行 自动地去执行 有秩序地去执行,第1章 概论 1.2计算机的基本组成,图 控制器结构框图,图中可以看到的计算机系统的 7 层结构。在不同层次之间的关系表现为： 上面的一层是建立在下一层的基础上实现出来的，实现的功能更强大，更接近人解决问题的思维方式和处理问题的具体过程，对使用人员更方便，使用这一层提供的功能时，不必关心下一层的实现细节。 下面一层是实现上一层的基础，更接近计算机硬件实现的细节，实现的功能相对简单，人们使用这些功能更感到困难。在实现这一层的功能时，可能尚无法了解其上一层的目标和将要解决的问题，也不必理解其更下一层实现中的有关细节问题，只要使用下一层所提供出来的功能来完成本层次的功能处理即可。 采用这种分层次的方法来分析和解决某些问题，有利于简化处理问题的难度，在某一段