計(jì)算機(jī)組成原理第一章概述講述

1、計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理課程說明課程說明 一、課程性質(zhì)一、課程性質(zhì) 計(jì)算機(jī)專業(yè)核心必修課，在計(jì)計(jì)算機(jī)專業(yè)核心必修課，在計(jì)算機(jī)科學(xué)中處于承上啟下的重要地算機(jī)科學(xué)中處于承上啟下的重要地位，具有內(nèi)容多、難度大的特點(diǎn)位，具有內(nèi)容多、難度大的特點(diǎn), , 被被設(shè)置為考研課程設(shè)置為考研課程(45(45分分) )。 二、二、 學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的 本課程通過詳細(xì)介紹計(jì)算機(jī)五大硬件本課程通過詳細(xì)介紹計(jì)算機(jī)五大硬件的組成與工作原理，使學(xué)生全面系統(tǒng)地掌的組成與工作原理，使學(xué)生全面系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的組成方式、工作方式和控組成方式、工作方式和控制方式制方式，并進(jìn)一步建立整機(jī)系統(tǒng)的概念。，并進(jìn)一步建立整

2、機(jī)系統(tǒng)的概念。同時(shí)，還要培養(yǎng)學(xué)生具有一定的同時(shí)，還要培養(yǎng)學(xué)生具有一定的計(jì)算機(jī)硬計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力件系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力。三、課程主要內(nèi)容三、課程主要內(nèi)容 概述概述 運(yùn)算方法和運(yùn)算器運(yùn)算方法和運(yùn)算器 存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng) 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 中央處理器中央處理器 總線總線 輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng) 四、前修課程與后續(xù)課程四、前修課程與后續(xù)課程 前修課前修課 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，數(shù)字電子技術(shù)，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，數(shù)字電子技術(shù)，匯編語言程序設(shè)計(jì)匯編語言程序設(shè)計(jì) 后續(xù)課后續(xù)課 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，接口技術(shù)接口技術(shù)， 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)五、參考資料與習(xí)題冊(cè)五、參考資料與習(xí)題冊(cè) 王城王城.

3、.計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)M.M.北京北京: :清華大清華大學(xué)出版社學(xué)出版社 王愛英王愛英. .計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)M(M(第第4 4版版). ). 北京北京: :清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 唐朔飛唐朔飛. .計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理M.(M.(第第2 2版版) )北北京：高等教育出版社京：高等教育出版社 蔣本珊蔣本珊. .計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理M.M.北京：清華北京：清華大學(xué)出版社大學(xué)出版社 William Stallings.Computer Organization William Stallings.Computer Organization and A

4、rchitecture (7and Architecture (7thth Edition)Prentice Hall Edition)Prentice Hall Inc.USA.Inc.USA.John L.Hennessy,David John L.Hennessy,David A.Patterson.Computer Organization and A.Patterson.Computer Organization and Design:The Hardware/Software Interface Design:The Hardware/Software Interface (3(3

5、rdrd Edition) Morgan Kaufmann Publishers Edition) Morgan Kaufmann Publishers inc. USA.inc. USA.五、參考資料與習(xí)題冊(cè)五、參考資料與習(xí)題冊(cè) 徐愛萍編著徐愛萍編著. .計(jì)算機(jī)組成原理習(xí)題與解析計(jì)算機(jī)組成原理習(xí)題與解析. .北京：清華大學(xué)出版社北京：清華大學(xué)出版社 唐朔飛編著唐朔飛編著. .計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答與習(xí)題解答. .北京：高等教育出版社北京：高等教育出版社 蔣本珊編著蔣本珊編著. .計(jì)算機(jī)組成原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與計(jì)算機(jī)組成原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解析習(xí)題解析. .北京：清華大

6、學(xué)出版社北京：清華大學(xué)出版社五、參考資料與習(xí)題冊(cè)五、參考資料與習(xí)題冊(cè)六、其它六、其它 授課時(shí)間授課時(shí)間 1-141-14周周( (周二周二1-21-2節(jié)、周四節(jié)、周四5-65-6節(jié)節(jié)) ) 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 四次，十六學(xué)時(shí)四次，十六學(xué)時(shí) 課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 二周二周( (課程結(jié)束后課程結(jié)束后) ) 考試考試 閉卷，卷面成績(jī)閉卷，卷面成績(jī)(70(70分分)+)+實(shí)驗(yàn)成績(jī)實(shí)驗(yàn)成績(jī)(10(10分分)+)+平時(shí)成績(jī)平時(shí)成績(jī)(20(20分分) ) 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 計(jì)算機(jī)發(fā)展概況計(jì)算機(jī)發(fā)展概況 計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用 計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件 計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層

7、次結(jié)構(gòu)1.1 1.1 計(jì)算機(jī)發(fā)展概況計(jì)算機(jī)發(fā)展概況一、計(jì)算工具的發(fā)展一、計(jì)算工具的發(fā)展 1 1、算盤、算盤(abacus):(abacus):公元前公元前500500年年, ,古巴古巴比倫比倫2 2、計(jì)算尺、計(jì)算尺1.1 1.1 計(jì)算機(jī)發(fā)展概況計(jì)算機(jī)發(fā)展概況一、計(jì)算工具的發(fā)展一、計(jì)算工具的發(fā)展 3 3、機(jī)械計(jì)算、機(jī)械計(jì)算器器:1642:1642年年, ,法國(guó)數(shù)法國(guó)數(shù)學(xué)家學(xué)家Blaise Blaise Pascal(1623-1662),Pascal(1623-1662),進(jìn)行帶進(jìn)位的加法進(jìn)行帶進(jìn)位的加法和減法和減法4 4、差分機(jī)、差分機(jī)(Difference Engine)(Differenc

8、e Engine)和分析機(jī)和分析機(jī)(Analytical (Analytical Engine):1823Engine):1823年年, ,英英國(guó)數(shù)學(xué)家國(guó)數(shù)學(xué)家Charles Charles Babbage(1791-1871),Babbage(1791-1871),提出程序控制的思提出程序控制的思想想1.1 1.1 計(jì)算機(jī)發(fā)展概況計(jì)算機(jī)發(fā)展概況一、計(jì)算工具的發(fā)展一、計(jì)算工具的發(fā)展5 5、第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)、第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī) (ENIAC-Electronic (ENIAC-Electronic Numerical Integrator And Computer) :Numerical

9、Integrator And Computer) :美國(guó)美國(guó)PennsyivaniaPennsyivania大學(xué)大學(xué),1946,1946年年2 2月月,John Mauchly ,John Mauchly 和和J.Presper Eckert.J.Presper Eckert. 代別代別 第一代第一代 第二代第二代第三代第三代第四代第四代年代年代1946 1946 195719571958 19641958 19641965 19721965 1972 1973 1973 邏輯邏輯元件元件 電子管電子管( (真空管真空管Vacuum Vacuum tube)tube)晶體管晶體管(transi

10、stor)(transistor)19471947年由年由貝爾實(shí)驗(yàn)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制室研制集成電路集成電路(IC)1958(IC)1958年由德州年由德州儀器公司儀器公司Jack KilbyJack Kilby研制研制, ,亦稱亦稱微芯片微芯片microchipmicrochip( (超超) )大規(guī)模集大規(guī)模集成電路成電路(V)LSI(V)LSI存儲(chǔ)存儲(chǔ)元件元件 磁鼓磁鼓 磁芯磁芯磁芯及集磁芯及集成電路成電路( (超超) )大規(guī)模集大規(guī)模集成電路成電路 第五代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)第五代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(FGCS-Fifth Generation (FGCS-Fifth Generation Computer Sy

11、stem)Computer System)能識(shí)別自然語言的計(jì)算機(jī)能識(shí)別自然語言的計(jì)算機(jī)高速超導(dǎo)計(jì)算機(jī)高速超導(dǎo)計(jì)算機(jī)激光計(jì)算機(jī)激光計(jì)算機(jī)分子計(jì)算機(jī)分子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)DNADNA計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)神經(jīng)元計(jì)算機(jī)神經(jīng)元計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)未來趨勢(shì)：未來趨勢(shì)：芯片級(jí)節(jié)能技術(shù)、基礎(chǔ)架構(gòu)級(jí)節(jié)能技術(shù)、系統(tǒng)級(jí)節(jié)能技術(shù)芯片級(jí)節(jié)能技術(shù)、基礎(chǔ)架構(gòu)級(jí)節(jié)能技術(shù)、系統(tǒng)級(jí)節(jié)能技術(shù)三、摩爾定律三、摩爾定律(Moore(Moores Law) s Law) 19651965年，年，IntelIntel公司奠基人之一公司奠基人之一摩爾摩爾(Gordon Moore)(Gordon Moore)預(yù)言：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，硅芯預(yù)

12、言：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，硅芯片上晶體管數(shù)目將會(huì)每片上晶體管數(shù)目將會(huì)每1818個(gè)月翻一番，性能個(gè)月翻一番，性能也將提升一倍。例如：也將提升一倍。例如：19711971年的年的Intel 4004Intel 4004芯芯片有片有23002300個(gè)晶體管，現(xiàn)在片內(nèi)可以集成幾億個(gè)晶體管，現(xiàn)在片內(nèi)可以集成幾億個(gè)晶體管。個(gè)晶體管。 制約：物理和財(cái)務(wù)上的限制。制約：物理和財(cái)務(wù)上的限制。 RockRock定律定律(Intel (Intel 公司早期投資人公司早期投資人Arthur Arthur Rock)Rock)：制造半導(dǎo)體集成電路所需主要設(shè)備的：制造半導(dǎo)體集成電路所需主要設(shè)備的成本每成本每4 4年翻一番。年翻一

13、番。 四、馮諾依曼型計(jì)算機(jī)四、馮諾依曼型計(jì)算機(jī) 1 1、產(chǎn)生背景、產(chǎn)生背景 19461946年，年，ENIACENIAC的顧問，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮的顧問，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮. .諾依曼諾依曼(John Von Neumann)(John Von Neumann)等三人共同發(fā)表題為等三人共同發(fā)表題為“電子計(jì)算機(jī)裝電子計(jì)算機(jī)裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探置邏輯結(jié)構(gòu)初探”的論文，提出一個(gè)完整的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)雛形。的論文，提出一個(gè)完整的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)雛形。 2 2、 馮馮. . 諾依曼體系結(jié)構(gòu)諾依曼體系結(jié)構(gòu)(Von Neumann (Von Neumann architecture)architecture) 前四代計(jì)算機(jī)

14、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍遵循馮前四代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍遵循馮. .諾依曼提出的諾依曼提出的“存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序”結(jié)構(gòu)原理，其要點(diǎn)為結(jié)構(gòu)原理，其要點(diǎn)為: : (1) (1)數(shù)據(jù)和指令用數(shù)據(jù)和指令用二進(jìn)制代碼二進(jìn)制代碼表示，且二者以同表示，且二者以同等地位存放于存儲(chǔ)器內(nèi)，并可按地址訪問等地位存放于存儲(chǔ)器內(nèi)，并可按地址訪問; ; (2) (2)機(jī)器機(jī)器以運(yùn)算器為中心以運(yùn)算器為中心，輸入設(shè)備與存儲(chǔ)器間，輸入設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送通過運(yùn)算器完成；的數(shù)據(jù)傳送通過運(yùn)算器完成； (3) (3) 指令由操作碼和地址碼組成指令由操作碼和地址碼組成, ,操作碼用來表示操作操作碼用來表示操作的性質(zhì)的性質(zhì), ,地址碼用來表示操作數(shù)在存

15、儲(chǔ)器中的位置地址碼用來表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置; ; (4) (4) 采用采用“存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序”工作方式工作方式 * *事先編制由指令組成的程序事先編制由指令組成的程序; ; * *指令在存儲(chǔ)器中按順尋存放指令在存儲(chǔ)器中按順尋存放. .通常通常, ,指令是順序執(zhí)行指令是順序執(zhí)行的的, ,在特定條件下在特定條件下, ,可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果或設(shè)定的條件改變執(zhí)可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果或設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序行順序; ; * *計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)將自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)將自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依次取出指令加以執(zhí)行次取出指令加以執(zhí)行. . (5) (5) 由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備及輸出由運(yùn)

16、算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備及輸出設(shè)備等五大部件設(shè)備等五大部件, ,構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng). . 五、非馮諾依曼模型五、非馮諾依曼模型 和許多和許多 研究領(lǐng)域都屬于非馮諾依曼模型的范疇，研究領(lǐng)域都屬于非馮諾依曼模型的范疇，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基因算法、量子計(jì)算并行計(jì)算機(jī)等。包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基因算法、量子計(jì)算并行計(jì)算機(jī)等。 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 計(jì)算機(jī)發(fā)展概況計(jì)算機(jī)發(fā)展概況 計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用 計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件 計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2 1.2 計(jì)算機(jī)的分類及應(yīng)用計(jì)算機(jī)的分類及應(yīng)用 一、計(jì)算機(jī)的分類一、計(jì)算機(jī)的分類( (按

17、照計(jì)算機(jī)規(guī)模劃分按照計(jì)算機(jī)規(guī)模劃分) )1 1、超級(jí)計(jì)算機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)( (巨型機(jī)巨型機(jī), Supercomputer), Supercomputer)：運(yùn)算速度：運(yùn)算速度很高很高( (可達(dá)每秒執(zhí)行幾億條指令以上可達(dá)每秒執(zhí)行幾億條指令以上), ),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，主要用于大型科學(xué)計(jì)很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，主要用于大型科學(xué)計(jì)算算, , 它也是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的象征它也是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的象征被譽(yù)為大國(guó)被譽(yù)為大國(guó)重器之一。重器之一。 從從19921992年起，每年按照年起，每年按照LinpackLinpack的測(cè)試性能公的測(cè)試性能公布在世界范圍內(nèi)的前布在世界范圍

18、內(nèi)的前500500臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)排行。臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)排行。( (國(guó)國(guó)際際TOP500, ;TOP500, ;中國(guó)中國(guó)TOP TOP 100,http:/)100,http:/)。 1983年國(guó)防科大研制成功“銀河”億次巨型機(jī)2008年國(guó)家智能計(jì)算機(jī)研發(fā)中心研制的曙光5000A(浮點(diǎn)運(yùn)算峰值計(jì)算速度為230萬億次/秒)落戶上海超算中心2009年11月，國(guó)防科大研制成功“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)(浮點(diǎn)運(yùn)算峰值計(jì)算速度為1206.19萬億次/秒)2013年6月，國(guó)防科大研制成功的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)(浮點(diǎn)運(yùn)算峰值計(jì)算速度為

19、33.86千萬億次/秒；2015年6月為5.49億億次/秒)2 2、大型機(jī)、大型機(jī): :反映各個(gè)時(shí)期先進(jìn)計(jì)算技術(shù)的大型通用反映各個(gè)時(shí)期先進(jìn)計(jì)算技術(shù)的大型通用計(jì)算機(jī)，其中以計(jì)算機(jī)，其中以IBMIBM公司的大型機(jī)系列公司的大型機(jī)系列(360(360、370370、390390等等) )影響最大，通常用于大型企業(yè)的計(jì)影響最大，通常用于大型企業(yè)的計(jì)算平臺(tái)、大型網(wǎng)站的服務(wù)器等；算平臺(tái)、大型網(wǎng)站的服務(wù)器等；3 3、小型機(jī)、小型機(jī): :規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)研制周期短，規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)研制周期短，以以DECDEC公司的公司的PDP-11PDP-11和和VAX11VAX11系列為代表，用于系列為代表，用

20、于控制領(lǐng)域、信號(hào)及圖像處理以及在客戶機(jī)控制領(lǐng)域、信號(hào)及圖像處理以及在客戶機(jī)/ /服務(wù)服務(wù)器結(jié)構(gòu)中用作服務(wù)器等；器結(jié)構(gòu)中用作服務(wù)器等；4 4、微型機(jī)、微型機(jī): 1971: 1971年由年由4 4位微處理器位微處理器Intel 4004Intel 4004組成組成的的MCS-4MCS-4是世界上第一臺(tái)微型機(jī)，是世界上第一臺(tái)微型機(jī)，IntelIntel公司也是公司也是目前世界上最有影響力的微處理器生產(chǎn)廠家，產(chǎn)目前世界上最有影響力的微處理器生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品品80 x8680 x86系列、系列、PentiumPentium系列。系列。 二、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用二、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 1. 1.科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算( ( S

21、cientific Calculating)Scientific Calculating) 2.2.實(shí)時(shí)控制實(shí)時(shí)控制( ( Real Time Control)Real Time Control) 3.3.數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理( ( Data Processing)Data Processing) 4.4.教育和衛(wèi)生教育和衛(wèi)生(Education And Health)(Education And Health) 5.5.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造(CAD/CAM)(CAD/CAM) 6.6.辦公自動(dòng)化辦公自動(dòng)化( ( Office Automation)Office Aut

22、omation) 7.7.人工智能人工智能 (Artificial Intelligence(Artificial Intelligence ) ) 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 計(jì)算機(jī)發(fā)展概況計(jì)算機(jī)發(fā)展概況 計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用 計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件 計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3 1.3 計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件(hardware)(hardware) 完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng). .其中其中計(jì)算機(jī)硬件指可觸摸得到的物理設(shè)備實(shí)體計(jì)算機(jī)硬件指可觸摸得到的物理設(shè)備實(shí)體. .一、一、 數(shù)字計(jì)算機(jī)的硬件組成

23、數(shù)字計(jì)算機(jī)的硬件組成主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器適配器適配器CPUCPU輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線主機(jī)主機(jī)圖圖1.1 1.1 數(shù)字計(jì)算機(jī)硬件組成數(shù)字計(jì)算機(jī)硬件組成輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器外設(shè)外設(shè)二、計(jì)算機(jī)各功能部件的基本功能二、計(jì)算機(jī)各功能部件的基本功能 1. 1. 運(yùn)算器運(yùn)算器:(1) :(1) 完成二進(jìn)制編碼的算術(shù)運(yùn)算完成二進(jìn)制編碼的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算和邏輯運(yùn)算;(2);(2)數(shù)據(jù)傳送的通道數(shù)據(jù)傳送的通道. .A L UA L U寄存器寄存器B B累加器累加器A A圖圖1.2 1.2 運(yùn)算器基本結(jié)構(gòu)運(yùn)算器基本結(jié)構(gòu)ALU:Arithmetic ALU:Arith

24、metic (and) Logic (and) Logic UnitUnit 2. 2. 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器: :是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，存放是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，存放數(shù)據(jù)或命令數(shù)據(jù)或命令. .包括內(nèi)存儲(chǔ)器包括內(nèi)存儲(chǔ)器( (由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)成成, ,亦稱為主存儲(chǔ)器亦稱為主存儲(chǔ)器) )、外存儲(chǔ)器、外存儲(chǔ)器( (亦稱輔助存儲(chǔ)亦稱輔助存儲(chǔ)器器, ,包擴(kuò)硬盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等包擴(kuò)硬盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等) )、CacheCache、控制存儲(chǔ)器、寄存器等。控制存儲(chǔ)器、寄存器等。地地址址寄寄存存器器地地址址譯譯碼碼器器讀讀/ /寫控制電路寫控制電路讀讀/ /寫命令寫命令圖圖1.3 1.3

25、 主存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖主存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線按地址存取按地址存取4. 4. 適配器與輸入輸出設(shè)備適配器與輸入輸出設(shè)備 輸入設(shè)備：將某種信息形式變換為機(jī)器輸入設(shè)備：將某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所接受和識(shí)別的二進(jìn)制形式；內(nèi)部所接受和識(shí)別的二進(jìn)制形式； 輸出設(shè)備：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為輸出設(shè)備：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其它設(shè)備所能接收和識(shí)別的信息形式；人或其它設(shè)備所能接收和識(shí)別的信息形式； 適配器：輸入適配器：輸入/ /輸出設(shè)備通過適配器與主輸出設(shè)備通過適配器與主機(jī)相連，用于完成計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間相互銜機(jī)相連，用于完成計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間相互銜接、交換信息。接、交換

26、信息。3. 3. 控制器控制器: :用于控制整個(gè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)地、連用于控制整個(gè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)地、連續(xù)地和協(xié)調(diào)地完成一條條指令。續(xù)地和協(xié)調(diào)地完成一條條指令。圖圖1.41.4是一個(gè)比較完善的硬件系統(tǒng)圖，目的是一個(gè)比較完善的硬件系統(tǒng)圖，目的是了解硬件組成及相互關(guān)系。是了解硬件組成及相互關(guān)系。 輸入輸入 輸出命令輸出命令 命令命令控制器控制器主存主存輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器輔存輔存指令指令數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)I/OI/O數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)及指令及指令 圖圖1.4 1.4 計(jì)算機(jī)硬件組成框圖計(jì)算機(jī)硬件組成框圖三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1. 1.運(yùn)算速度運(yùn)算速度: :計(jì)算機(jī)

27、的運(yùn)算速度與許多因素有關(guān)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度與許多因素有關(guān), , 如機(jī)器的主頻、執(zhí)行什么樣的操作以及主存本如機(jī)器的主頻、執(zhí)行什么樣的操作以及主存本身的速度等。身的速度等。 (1)(1)主頻主頻( (主時(shí)鐘頻率主時(shí)鐘頻率)/ )/時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期:CPU:CPU的時(shí)鐘頻的時(shí)鐘頻率率, , 以以HzHz為單位記作為單位記作f; f; 時(shí)鐘周期記作時(shí)鐘周期記作T, CPUT, CPU內(nèi)內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度, , 度量單位是度量單位是us(us(微秒微秒) )、ns(ns(納秒納秒), ), 有有: : f=1/T f=1/T 時(shí)鐘頻率越高意味著時(shí)鐘周期越短時(shí)鐘頻率越高意味著時(shí)鐘

28、周期越短, CPU, CPU能在短時(shí)間內(nèi)完成一定任務(wù)能在短時(shí)間內(nèi)完成一定任務(wù), ,表明其速度快。表明其速度快。 (2)(2)每秒完成多少百萬條指令每秒完成多少百萬條指令MIPS(million MIPS(million instructions per second):instructions per second):對(duì)一個(gè)給定的程序，對(duì)一個(gè)給定的程序，MIPS MIPS 定義為定義為: : MIPS= MIPS=指令條數(shù)指令條數(shù)/( /(執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間10106 6) )(3)(3)每秒完成多少百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒完成多少百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算 MFLOPS(Million MFLOPS(Milli

29、on Floating-point Operations per Second):Floating-point Operations per Second):對(duì)一個(gè)給對(duì)一個(gè)給定的程序，定的程序， MFLOPS MFLOPS 定義為定義為: :MFLOPS=MFLOPS=浮點(diǎn)操作次數(shù)浮點(diǎn)操作次數(shù)/( /(執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間10106 6) )(4)(4)每條指令執(zhí)行所需時(shí)鐘周期數(shù)每條指令執(zhí)行所需時(shí)鐘周期數(shù)CPI(Cycles per CPI(Cycles per Instruction) :Instruction) :CPI=CPI=執(zhí)行某段程序所需的執(zhí)行某段程序所需的CPUCPU時(shí)鐘周期數(shù)時(shí)鐘周

30、期數(shù)/ /該程序該程序包含的指令數(shù)包含的指令數(shù)(5)CPU(5)CPU執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間: :表示執(zhí)行一段程序所占的表示執(zhí)行一段程序所占的CPUCPU時(shí)間時(shí)間, ,即即CPUCPU執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間=CPU=CPU時(shí)鐘周期數(shù)時(shí)鐘周期數(shù) CPU CPU時(shí)鐘周期長(zhǎng)時(shí)鐘周期長(zhǎng) 2. 2. 機(jī)器字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng):CPU:CPU一次能處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)一次能處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù). .字長(zhǎng)越字長(zhǎng)越長(zhǎng)長(zhǎng), ,數(shù)的表示范圍越大數(shù)的表示范圍越大, ,計(jì)算精度越高計(jì)算精度越高, ,同時(shí)影響寄存器、同時(shí)影響寄存器、運(yùn)算部件和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)運(yùn)算部件和數(shù)據(jù)總線的位數(shù). . 注意機(jī)器字長(zhǎng)和計(jì)算精度與硬件成本的關(guān)系注意機(jī)器字長(zhǎng)和

31、計(jì)算精度與硬件成本的關(guān)系. . 3. 3. 主存容量主存容量: :主存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)的全部信息量主存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)的全部信息量, ,常用字?jǐn)?shù)或常用字?jǐn)?shù)或字節(jié)數(shù)來表示字節(jié)數(shù)來表示. . 1KB=1024B 1KB=1024B ；1MB=1024KB1MB=1024KB；1GB=1024MB 1GB=1024MB 1TB=1024GB 1TB=1024GB；1PB=1024TB; 1PB=1024TB; 4. 4. 吞吐量吞吐量: :表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量的信息量. . 5. 5.響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間: :表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間表征

32、從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間度量度量. . 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 計(jì)算機(jī)發(fā)展概況計(jì)算機(jī)發(fā)展概況 計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用 計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件 計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 1.4 1.4 計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件(Software)(Software) 軟件指為運(yùn)行、維護(hù)、管理、應(yīng)用計(jì)算軟件指為運(yùn)行、維護(hù)、管理、應(yīng)用計(jì)算機(jī)所編制的所有程序及文檔的總和機(jī)所編制的所有程序及文檔的總和. . 一、一、 軟件的組成與分類軟件的組成與分類 1 1、系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)軟件: :為使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)良好運(yùn)行為使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)良好運(yùn)行而編制的基礎(chǔ)軟件而編制的基礎(chǔ)軟件, ,負(fù)

33、責(zé)系統(tǒng)調(diào)度管理負(fù)責(zé)系統(tǒng)調(diào)度管理, ,提供提供開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境, ,主要包括主要包括: :操作系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、編譯與解釋程序、服務(wù)性程序編譯與解釋程序、服務(wù)性程序( (如診斷程序、如診斷程序、安裝程等安裝程等) )、各種軟件平臺(tái)等。、各種軟件平臺(tái)等。 2 2、應(yīng)用軟件、應(yīng)用軟件: :用戶自身開發(fā)的，直接面用戶自身開發(fā)的，直接面向應(yīng)用需要的程序。向應(yīng)用需要的程序。二、軟件與硬件的邏輯等價(jià)性二、軟件與硬件的邏輯等價(jià)性 許多功能既可以由軟件來實(shí)現(xiàn)許多功能既可以由軟件來實(shí)現(xiàn), ,也可以由硬件來實(shí)也可以由硬件來實(shí)現(xiàn)現(xiàn), ,這兩種實(shí)現(xiàn)在邏輯上是等價(jià)的這兩種實(shí)現(xiàn)在邏輯上是等價(jià)的, ,設(shè)計(jì)中

34、應(yīng)該從系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該從系統(tǒng)效率、速度、價(jià)格及資源狀況等諸多因素加以權(quán)衡。效率、速度、價(jià)格及資源狀況等諸多因素加以權(quán)衡。 硬件軟化硬件軟化: :由硬件實(shí)現(xiàn)的功能改由軟件模擬實(shí)現(xiàn)由硬件實(shí)現(xiàn)的功能改由軟件模擬實(shí)現(xiàn); ;可可以增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性。以增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性。 軟件硬化軟件硬化: :由軟件實(shí)現(xiàn)的功能改由硬件實(shí)現(xiàn)由軟件實(shí)現(xiàn)的功能改由硬件實(shí)現(xiàn), ,可以顯可以顯著降低軟件在時(shí)間上的開銷。著降低軟件在時(shí)間上的開銷。 固件固件(firmware):1967(firmware):1967年由美國(guó)人年由美國(guó)人A.OplerA.Opler首先提出首先提出, ,指存儲(chǔ)在能永久保存信息的器件指存儲(chǔ)在能永久保存信息的器件(

35、 (如如ROM)ROM)中的程序中的程序, ,是具有軟件功能的硬件是具有軟件功能的硬件, ,其執(zhí)行速度快于軟件其執(zhí)行速度快于軟件, ,靈活性靈活性優(yōu)于硬件。優(yōu)于硬件。 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 計(jì)算機(jī)發(fā)展概況計(jì)算機(jī)發(fā)展概況 計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用 計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件 計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.5 1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級(jí)語言級(jí)高級(jí)語言級(jí)(5(5級(jí)級(jí)) )匯編語言級(jí)匯編語言級(jí)(4(4級(jí)級(jí)) )操作系統(tǒng)級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)(3(3級(jí)級(jí)) )機(jī)器語言級(jí)機(jī)器語言級(jí)( (指令系統(tǒng)指令系統(tǒng))(2)(2級(jí)級(jí)) )微程序設(shè)計(jì)級(jí)微程序設(shè)計(jì)級(jí)

36、(1 (1級(jí)級(jí)) )翻譯程序翻譯程序匯編程序匯編程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)微程序微程序 圖圖1.5 1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖高級(jí)語言程序被翻譯成匯編語言高級(jí)語言程序被翻譯成匯編語言或中間語言程序或中間語言程序操作系統(tǒng)級(jí)操作系統(tǒng)級(jí): :組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整個(gè)組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整個(gè)工作流程工作流程, ,有效管理計(jì)算機(jī)的軟件及有效管理計(jì)算機(jī)的軟件及硬件資源硬件資源機(jī)器語言級(jí)機(jī)器語言級(jí): :由硬件或微程序執(zhí)行由硬件或微程序執(zhí)行 微程序設(shè)計(jì)級(jí)微程序設(shè)計(jì)級(jí): :由硬件直接執(zhí)行由硬件直接執(zhí)行數(shù)字邏輯電路數(shù)字邏輯電路(0(0級(jí)級(jí)) )實(shí)實(shí)際際機(jī)機(jī)器器虛虛擬擬機(jī)機(jī)器器匯編語言程序經(jīng)匯編程序翻譯成匯編語言程序經(jīng)匯編程序翻譯成機(jī)器語言機(jī)器語言數(shù)字邏輯電路數(shù)字邏輯電路: :1.5 1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級(jí)語言級(jí)高級(jí)語言級(jí)(5(5級(jí)級(jí)) )匯編語言級(jí)匯編語言級(jí)(4(4級(jí)級(jí)) )操作系統(tǒng)級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)(3(3級(jí)級(jí)) )機(jī)器語言級(jí)機(jī)器語言級(jí)( (指令系統(tǒng)指令系統(tǒng))(2)(2級(jí)級(jí)) )微程序設(shè)計(jì)級(jí)微程序設(shè)計(jì)級(jí)(1 (1級(jí)級(jí)) )翻譯程序翻譯程序匯編程序匯編程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)微程序微程序