ch1计算机系统概论.ppt

计算机组成原理,任课教师：郭志恒 Tel：教材 白中英，计算机组成原理，科学出版社 参考书 唐朔飞 ，计算机组成原理, 高教出版社 罗克露，计算机组成原理, 电子科大出版社,一、课程性质与任务 “计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。 计算机组成原理是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要必修的主干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算期、控制器、存储器、输入输出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。,课程概述,二、课程的基本要求 计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设讲解， 围绕各自的功能、组成、设计、实现、使用等知识进行介绍要求学生掌握计算机的组成和工作原理。强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识。 通过学习基本组成结构和操作理论，以建立整机概念。本课程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的思考研究能力。 三、先修课程与后续课程 先修课：数字电路、模拟电路 后续课：计算机系统结构、微型计算机系统与设计，关系密切的还有操作系统等课程。,课程概述,四、学时分配 授课学时：40，实验学时：8 理论教学安排 概述（4学时） 信息表示和数据运算（6学时） 存储系统（8学时） 指令系统（4学时） CPU系统（10学时） 总线技术（2学时） 输入/输出系统（6学时）,课程概述,五、考核要求及方法： 平时成绩：25%，作业及考勤 实验成绩：25%，实验过程及报告 期末成绩：50%，闭卷考试 旷课一次，平时成绩或实验成绩减4 迟到一次，平时成绩或实验成绩减2,课程概述,第一章 计算机系统概论 第二章 运算方法和运算器 第三章 存储系统 第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统,目录,第一章 计算机系统概论,1.概念 计算机（Computer）是一种以电子器件为基础的，自动的、高速的、精确的、具有记忆能力、算术逻辑运算能力的数字化信息处理电子设备。,（1）内部特征： （A） 高速高集成度逻辑开关器件 （B） 数字化信息编码 （C） 逻辑判断和处理能力 （D） 存储程序 （2）外部特征： （A） 快速性（由（1）中（A）（D）决定） （B） 准确性（由（1）中（B）（D）决定） （C） 逻辑性（由（1）中（A）（C）（D）决定） （D） 智能性（由（1）中（A）（B）（C）（D）决定）,2、特征 ：,1.1 计算机的分类,一、计算机从总体上来说分为两大类: 模拟计算机和数字计算机。,各自主要特点： 模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的 数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算模式是离散式的,模拟计算机,数字计算机与模拟计算计的主要区别,1.1计算机的分类,二、按用途分： 通用计算机和专用计算机 通用计算机：根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为： 超级计算机 大型机 服务器 工作站 微型机 单片机,通用计算机类别,1.2计算机发展简史,一、计算机的五代变化 第一代为19461957年，电子管计算机：数据处理 第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控制 第三代为19651971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机 第四代为19721990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机 第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机,计算机的发展史,第一台电子计算机（ENIAC）,5000次加法/秒 体重28吨 占地170M2 18,800只电子管 1500个继电器 耗电150KW,Top500 (2006)IBM Blue Gene,计算机发展史,超级计算机、大型机、服务器、工作站、微型机和单片机，它们的结构规模和性能指标依次递减 随着超大规模集成电路的迅速发展,今天的小型机可能是明天的微型机,而今天的微型机可能是明天的单片机,摩尔定律,早在1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（Gordon Moore）在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路近40年的发展历史准确无误地验证着,1.3 计算机的硬件系统组成,1. 运算器,算术运算：加、减、乘、除 逻辑运算：与、或、非 采用二进制数（容易实现） 位数越多，计算精度越高 计算机的运算器长度： 8位、16位、32位或64位 操作对象：数据（存储器或寄存器）,2.存储器,功能：存储数据和指令 容量（存储单元、存储单元地址、容量单位） 分类内存（主存ROM、RAM）、外存(辅存） 单片机主存：EPROM、EEPROM、RAM、Flash Flash存储器：可读可写（优盘） 主存采用半导体器件来作为存储器 存储的是0或1表示的二进制代码,2. 存储器,存储单元： 在存储器中保存一个n位二进制数的n个开关器件，组成一个存储单元 存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址 存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB、GB”等表示 存储器单位： 210 byte1K 210 K1M 210 M1G 210 G1T,表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元取 运算的结果应存到哪个单元,3. 控制器,控制计算机的各个部件有序地进行工作 指令有两部分：操作的性质和操作的地址,指出指令所进行的操作 加、减、乘、除、取数、存数等,1. 冯诺依曼型体系结构 存储程序并按地址顺序执行 归纳为：存储程序，程序控制 2. 哈佛体系结构 哈佛结构处理器有两个明显的特点： (1)使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数 据，每个存储模块都不允许指令和数据并存； (2)使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径,4 计算机的设计思想,冯诺依曼型计算机,存储器,输出,输入,运算器,控制器,数据信号,控制信号,地址信号,哈佛体系结构计算机,冯诺依曼型计算机要点,冯诺依曼型计算机 存储程序 按地址自动执行 五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备 以运算器为中心,存储程序，程序控制 “存储程序”，是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用和记录数据的同 一装置存储指令，这些指令按一定的规则组成程序 “程序控制”，是控制器依据存储程序控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务,5 控制器的基本任务,按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令，依次类推 取指令的一段时间叫做取指周期 执行指令的一段时间叫做执行周期 执行完成指令的时间，称为指令周期,位、字节、字，指令流和数据流,最小存储单位“位”，一般按8位组成“字节” 计算机能够处理的位数为多个字节字，位数为字长 代表指令的字是指令字；代表数据的字是数据字 在取指周期中从内存读出的信息是指令流，它流向控制器 而执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器 时间上：在取指周期中，CPU从内存读出的信息一定是指令；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定是数据。 空间上：指令一定流向控制器；而数据则是在内存（或寄存器）与运算器之间流动,1.3.5 适配器与输入输出设备,输入设备把人们所熟悉的某种形式的信息变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式 输出设备把计算机处理的结果变换为人或其它机器所能接收和识别的信息形式 I/O设备通常统称为外围设备 适配器(I/O接口)相当与一个转换器,它可以保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息 系统总线构成计算机系统的信息链接,是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路,计算机的基本性能指标,吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）。 响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。 主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz 主频的倒数称为CPU时钟周期（T）,计算机的基本性能指标（二）,CPU执行时间：表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间 CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。 MIPS：表示每秒百万条指令数 MFLOPS：表示每秒百万次浮点操作次数,计算机系统概念,计算机是由元器件构成的有形物体，因而称为硬件或硬设备。硬件是计算机系统中实际物理装置的总称 计算程序，称为软件或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档（软件程序数据文档） 硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件的结合，构成完整的计算机系统,计算机系统硬件系统软件系统,1.4.1 软件分类,1.4 计算机软件,目的程序,早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以“识别”并能执行，所以又叫做目的程序 用机器语言编写程序很繁琐，又耗费大量的人力和时间，容易出错，出错后寻找错误也相当费事，大大限制了计算机的使用,汇编程序（Assembler),为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率，人们发明了汇编语言 借助于汇编程序，计算机本身自动地把符号语言表示的程序（称为汇编源程序）翻译成用机器语言表示的目的程序,用约定的文字、符号和数字（助记符） 按规定 的格式来表示各种不同的指令,高级语言,为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言（高级程序设计语言） 算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则。比较接近数学语言，直观通用，与具体机器无关，只要稍加学习就能掌握，便于推广使用计算机 有BASIC,FORTRAN,C,C+,Java,编译程序,用程序设计语言编写的程序称为源程序，这种源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的“翻译”，才能把源程序翻译为机器语言 通常采用下面两种方法： 编译系统： 用编译程序将源程序编译成机器语言形式的目的程序，然后在目标系统运行 解释系统 ：逐个解释并立即执行源程序的语句，它不是编出目的程序后再执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果,计算机的层次结构,软硬件界面（Interface）,assembler,complier,Operating System,library,ISA,S/W,H/W,Application,S/W：Software 软件 H/W：Hardware 硬件,ISA：Instruction Set Architecture 指令集结构,软件与硬件的逻辑等价性,随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了 任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成 对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等,软件的特点 易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约； 硬件的特点 可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。, 本章小结,计算机从开始出现到目前经历了一个快速发展的过程。按计