计算机组成与结构第1章-计算机系统概论.ppt

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1、计算机组成原理马家宇Email：2知识与课程结构知识与课程结构微机原理微机原理体系结构体系结构汇编语言汇编语言计算机原理计算机原理数字逻辑数字逻辑电子技术电子技术电路分析电路分析3课程重要性课程重要性计算机专业的专业课程；计算机专业的专业课程；后续课程的知识基础课程；后续课程的知识基础课程；继续深造的必考课程；继续深造的必考课程；4学习目标及方法学习目标及方法学习目标：学习目标：1.花时少、效率高花时少、效率高;2.掌握本课程的内容；掌握本课程的内容；3.培养一流的计算机人才。培养一流的计算机人才。学习方法：学习方法：1.学习时，多问几个学习时，多问几个why?(提倡怀疑提倡怀疑)2.听课追随

2、老师的思路，积极思考；听课追随老师的思路，积极思考；3.温故而知新；温故而知新；5如何学好本课程？如何学好本课程？是什么、为什么和怎么样是什么、为什么和怎么样概念的记忆与原理的理解概念的记忆与原理的理解从了解计算机系统的外部特性为出发从了解计算机系统的外部特性为出发点，以软件设计过程中必须知道的计点，以软件设计过程中必须知道的计算机系统的结构为线索来学习。算机系统的结构为线索来学习。作业、纪律与考试作业、纪律与考试第一章 计算机系统概论1.1 1.1 电子计算机的发展简史电子计算机的发展简史u第一代第一代 电子管时代电子管时代(1946-1958)耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言耗

3、电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言u第二代第二代 晶体管时代晶体管时代(1958-1965)变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言u第三代第三代 中小规模集成电路时代中小规模集成电路时代(1965-1970)存储容量大，运算速度快，几十至几百万次存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒秒u第四代第四代 大规模集成电路时代大规模集成电路时代(1971至今至今)向大型机和微型机两个方向发展向大型机和微型机两个方向发展u现代计算机发展方向现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 根据摩尔定

4、律集成电路大体上每根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番，今后可再用个月翻一番，今后可再用10年。年。目前，大规模芯片生产工艺已达到0.25微米。微电子工业发展每下一步的线宽大约是前一步的0.7倍，因而0.25微米的下一步是0.18微米，其后是0.13微米、0.09微米、0.06微米。计算机的六大分类计算机的六大分类u巨型机巨型机世界几家公司生产，最快世界几家公司生产，最快1.4万亿次，万亿次，9千个千个CPU组组 成成Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河国产银河I,银河银河II,银银 河河III，目前我国神威号速度达目前我国神威号速度达3480亿次亿次/秒。秒。u小巨型机小

5、巨型机功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速 美国美国Convex公司的公司的C系列机为其代表产品。系列机为其代表产品。u大型机大型机大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调 度主机资源，代表产品有度主机资源，代表产品有IBM360，370，4300等等u小型机小型机它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用，它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用，典型产品有典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列系列u工作站工作站用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。用于特殊的专业

6、领域，例如图象处理和辅助设计等。典型产品有典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。工作站等。l微型机微型机个人或家庭使用，个人或家庭使用，PC机机/个人计算机，价格低廉个人计算机，价格低廉世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机1.IBM:Seaborg6 080个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.304 TF(1012)2.IBM:ASCI White8 192个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.304 TF(1012)世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机3.Linux NetworX:MCR Linux Cluster 2 304个个 CP

7、U 最大平均速度最大平均速度 7.634 TF(1012)世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机4.HP:ASCI Q4 096个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 13.88 TF(1012)世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机5.NEC:Earth Simulator5 120个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 35.86 TF(1012)世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机u6.IBM Blue Gene04年 32768个双核嵌入式CPU 13w08年 122400个CPU 1.02

8、6 PFLops1PF=1000TF162、计算机系统组成、计算机系统组成完整完整的计算机系统由的计算机系统由硬件硬件和和软件软件组成组成17计算机系统的内部组成计算机系统的内部组成 硬盘硬盘电源电源导线和电缆导线和电缆软驱软驱内存内存微处理器微处理器（CPU）扩展卡扩展卡主板主板扩展槽扩展槽 软件组成软件组成软件组成软件组成系统软件系统软件系统软件系统软件应用软件应用软件应用软件应用软件操作系统或管理软件操作系统或管理软件操作系统或管理软件操作系统或管理软件汇编程序汇编程序汇编程序汇编程序 高级语言的编译或解释程序高级语言的编译或解释程序高级语言的编译或解释程序高级语言的编译或解释程序故障诊

9、断或检验程序故障诊断或检验程序故障诊断或检验程序故障诊断或检验程序系统调试程序系统调试程序系统调试程序系统调试程序 数据库管理程序数据库管理程序数据库管理程序数据库管理程序 使用者根据需要采用各类语言使用者根据需要采用各类语言使用者根据需要采用各类语言使用者根据需要采用各类语言编写的各种应用程序，包括各编写的各种应用程序，包括各编写的各种应用程序，包括各编写的各种应用程序，包括各类应用软件包类应用软件包类应用软件包类应用软件包计算机软件的组成计算机软件的组成 没有配备任何软件的没有配备任何软件的没有配备任何软件的没有配备任何软件的“裸机裸机裸机裸机”无法投入使用，没有配备足无法投入使用，没有配

10、备足无法投入使用，没有配备足无法投入使用，没有配备足够的软件，其功能就不能很好的发挥。够的软件，其功能就不能很好的发挥。够的软件，其功能就不能很好的发挥。够的软件，其功能就不能很好的发挥。计算机软件的分计算机软件的分计算机软件的分计算机软件的分类如下：类如下：类如下：类如下：计算机的语言计算机的语言自然语言自然语言：人类相互交流信息所用的语言：人类相互交流信息所用的语言 高级语言高级语言：由于当前的计算机还不具备理解自然由于当前的计算机还不具备理解自然 语言的能力，于是人们希望找到一种和自然语言语言的能力，于是人们希望找到一种和自然语言 接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为接近并能为计算

11、机接受的语言，这种语言被称为 计算机的高级语言计算机的高级语言。汇编语言汇编语言：符号式程序设计语言，属于低级语言。：符号式程序设计语言，属于低级语言。机器语言机器语言：然而目前的通用计算机不会直接执行用然而目前的通用计算机不会直接执行用高级语言编写的程序，因而要先将其翻译成机器高级语言编写的程序，因而要先将其翻译成机器能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由二能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由二进制代码表示的指令组成）。进制代码表示的指令组成）。计算机解题的过程可归结为：(1)程序员用高级语言编写程序；(2)将程序与数据输入计算机，并由计算机将程序翻译成机器语言程序，保存在计算机的存储

12、器中；(3)运行程序，输出结果。在计算机中能执行的程序是由指令组成的，因此计算机执行程序的过程，实际上就是按照给定次序执行一组指令的过程。一条指令通常分成两部分：(1)操作码规定该指令执行什么样的运算(或操作)，因此被命名为操作码。(2)地址码规定对哪些数据进行运算，通常表示的是数据地址，因此被称为地址码。22计算机计算机硬件硬件系统系统组成计算机的所有电子元件和机电装置的统称组成计算机的所有电子元件和机电装置的统称冯冯.诺依曼机具有如下基本特点诺依曼机具有如下基本特点:u计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。输出设备五部分组成

13、。u采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改。器中，由指令组成的程序可以修改。u数据以二进制码表示数据以二进制码表示u指令由操作码和地址码组成。指令由操作码和地址码组成。u指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序替增。替增。u机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。u输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程序。u输出设备用来输出计算机的处理结果。u存

14、储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存储和交流中心。u中央处理器又叫CPU，在早期的计算机中分成运算器和控制器两部分，由于电路集成度的提高，现在已把它们集成在一个芯片中。运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件，经常进行的是算术运算和逻辑运算，所以在其内部有一个算术及逻辑运算部件(ALU)。控制器主要用来实现计算机本身运行过程的自动化，即实现程序的自动执行。25冯冯.诺依曼体系结构诺依曼体系结构以以二进制表示二进制表示和和存储程序控制存储程序控制为核心为核心 运算器 ALU输出设备 存储器 控制器输入设备算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换

15、成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备27u存储计算机原理存储计算机原理计算机要自动完成解题任务，必须将计算机要自动完成解题任务，必须将事事先设计好先设计好、用以描述计算机解题过程的、用以描述计算机解题过程的程序程序与数据一样与数据一样，采用，采用二进制二进制形式存储形式存储在机器中，计算机在工作时在机器中，计算机在工作时自动自动高速地高速地从机器中从机器中逐条逐条取出指令加以执行。取出指令加以执行。以总线连接的计

16、算机框图29总线分类：总线分类：按功能功能划分：CPU内部总线、外总线、局部总线、系统总线。按时序时序划分：同步总线、异步总线。按数据传送方式数据传送方式划分：并行总线、串行总线。按传送方向传送方向划分：单向总线、双向总线。按信息类型信息类型划分：数据总线、地址总线、控制总线。计算机的解题过程 1.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 虚拟机虚拟机：通过配置软件扩展功能后形成的与实际机：通过配置软件扩展功能后形成的与实际机无关的机器。它将提供给用户的功能抽象出来，无关的机器。它将提供给用户的功能抽象出来，脱离了物理机。脱离了物理机。由于站在不同层次上编程的程序员所看到由于站在不同层次上

17、编程的程序员所看到的计算机属性也是个不相同的。的计算机属性也是个不相同的。虚拟机（通过软件扩充的物理机）目的：摆虚拟机（通过软件扩充的物理机）目的：摆脱真实机器的束缚。脱真实机器的束缚。比较：比较：JavaJava虚拟机虚拟机 实际机器（机器语言物理机）实际机器（机器语言物理机）专用语言虚拟机专用语言虚拟机高级语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机程序程序高级语言虚拟机器的层次结构计算机系统的多级层次结构1.5 1.5 计算机的应用领域计算机的应用领域u科学研究计算科学研究计算 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算u过程控制过程控制 机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制u辅助设计辅助设计/分析分析/制造制造/教学教学 机械机械CAD，建筑建筑CAD，CAE，CAM，CAIu数据处理数据处理 数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化u智能模拟智能模拟 人工智能、专家系统、自学习人工智能、专家系统、自学习u作业uP22 1.1,1.3