計算機組成與系統(tǒng)結構課件

計算機組成與系統(tǒng)結構

陳澤宇副教授計算機組成與系統(tǒng)結構陳澤宇副教授第1章計算機系統(tǒng)概論第2章運算方法和運算器第3章存儲系統(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章并行計算機系統(tǒng)第1章計算機系統(tǒng)概論1.2計算機的基本組成1.2.1計算機硬件1.2.2計算機軟件1.2.3計算機固件1.2計算機的基本組成1.2.1計算機硬件計算機由硬件（Hardware）和軟件（Software）組成硬件是基礎是軟件活動的舞臺，由物理元器件構成的有形實體軟件是靈魂使硬件最大限度發(fā)揮作用，是由計算機程序構成的無形的東西，需要存儲在有形的硬件中可以實現(xiàn)更高層次的邏輯功能兩者缺一不可計算機由硬件（Hardware）和軟件（Software）組1.2.1計算機硬件1．控制器2．運算器3．存儲器4．輸入輸出設備5．總線1.2.1計算機硬件1．控制器計算機硬件是組成計算機的所有電子器件和機電裝置的總稱馮·諾伊曼體系結構主要特點：使用二進制數(shù)和存儲程序設計思想：存儲程序并按地址順序執(zhí)行程序及操作數(shù)據(jù)一同存儲哈佛體系結構（HarvardArchitecture）源自HarvardMarkI計算機，程序與操作數(shù)據(jù)分開存儲現(xiàn)代馮·諾伊曼計算機在設計中展示出了某些哈佛體系結構的特性，如高速緩存Cache計算機硬件是組成計算機的所有電子器件和機電裝置的總稱馮·諾伊曼計算機具有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）馮·諾伊曼計算機具有5大部件計算機系統(tǒng)工作時，輸入設備將程序與數(shù)據(jù)存入存儲器控制器從存儲器中逐條取出指令，將其解釋成控制命令，去控制各部件的動作數(shù)據(jù)在運算器中加工處理，處理后的結果通過輸出設備輸出計算機系統(tǒng)工作時，1．控制器控制器是計算機的管理機構和指揮中心按照預先確定的操作步驟，協(xié)調控制計算機各部件有條不紊地自動工作控制器工作的實質就是解釋程序逐條讀取、分析、執(zhí)行指令，控制各部件動作程序計數(shù)器（ProgramCounter）是一個特殊的寄存器記錄著將要讀取的下一條指令在存儲器中的位置1．控制器控制器是計算機的管理機構和指揮中心2．運算器用于信息加工的部件，對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算FLASH演示算術邏輯單元（ArithmeticLogicUnit，ALU）具體完成算術與邏輯運算的單元，運算器的核心寄存器存放參與運算的操作數(shù)累加器特殊的寄存器，存放中間結果和最后結果2．運算器用于信息加工的部件，對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算算術運算加法、減法、乘法、除法，甚至三角函數(shù)、平方根整數(shù)、有限精度實數(shù)任何計算機都可以通過編程來執(zhí)行任何的算術運算可通過編程把復雜運算分解成計算機可執(zhí)行的簡單步驟如ALU硬件不支持，則可用軟件實現(xiàn)，但需花較多時間超標量計算機包含多個ALU，可同時處理多條指令圖形處理器和具有并行特性的計算機的ALU，可執(zhí)行矢量和矩陣算術運算算術運算3．存儲器存儲器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)程序和數(shù)據(jù)都用二進制數(shù)表示，統(tǒng)稱為信息向存儲器存入或從存儲器取出信息，都稱為訪問存儲器存儲器由一系列存儲單元組成每個存儲單元的編號稱為地址要按給定的地址來尋找所選擇的存儲單元3．存儲器存儲器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)信息單位位（bit，簡寫成b）計算機的最小信息單位，包含1位二進制信息（0或1）字節(jié)（Byte，簡寫成B）由8位二進制信息組成字（Word）計算機一次所能處理的二進制位數(shù)，至少一個字節(jié)通常把組成一個字的二進制位數(shù)稱為字長微型機字長可以少至8位，多至32位，甚至達到64位信息單位存儲容量存儲器中所有存儲單元的總數(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存儲器分類按照在計算機中的作用，可分為主存儲器、寄存器、閃速存儲器、高速緩沖存儲器、輔助存儲器存儲容量4．輸入輸出設備I/O設備或外圍設備(Peripheral，簡稱外設)1）輸入設備2）輸出設備3）適配器4．輸入輸出設備I/O設備或外圍設備(Peripheral，1）輸入設備將人們熟悉的信息形式，變換成計算機能接受并識別的二進制信息形式理想的輸入設備應該是“會看”和“會聽”的鍵盤、鼠標、掃描儀等，以及用于文字識別、圖像識別、語音識別的設備1）輸入設備將人們熟悉的信息形式，變換成計算機能接受并識別的2）輸出設備將計算機輸出的處理結果信息，轉換成人類或其他設備能夠接受和識別的信息形式理想的輸出設備應該是“會寫”和“會講”的激光打印機、繪圖儀、CRT/LCD顯示器等，以及輸出語言的設備（如語音合成產品）2）輸出設備將計算機輸出的處理結果信息，轉換成人類或其他設備3）適配器外圍設備通過適配器（Adapter）部件與主機相連接作用相當于轉換器，保證外圍設備按照計算機系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息使主機和外圍設備并行協(xié)調地工作3）適配器外圍設備通過適配器（Adapter）部件與主機相連5．總線計算機系統(tǒng)通過總線（Bus）將CPU、主存儲器及I/O設備連接起來總線是構成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路按照信號類型，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5．總線計算機系統(tǒng)通過總線（Bus）將CPU、主存儲器及I/1.2.2計算機軟件計算機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．程序設計語言3．操作系統(tǒng)4．數(shù)據(jù)庫1.2.2計算機軟件計算機軟件是程序的有序集合1．軟件系統(tǒng)一臺計算機中全部程序的集合，統(tǒng)稱為這臺計算機的軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎上，為有效使用計算機而配置的計算機軟件按其功能可分為應用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類應用軟件是為解決某種應用問題而編制的程序系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的管理、調度、監(jiān)視和服務等功能1．軟件系統(tǒng)一臺計算機中全部程序的集合，統(tǒng)稱為這臺計算機的軟2．程序設計語言1）機器語言2）匯編語言3）算法語言2．程序設計語言1）機器語言1）機器語言早期人們直接用機器語言（即機器指令代碼）編寫程序，計算機完全可以“識別”并執(zhí)行，所以又叫做目的程序但是用機器語言編寫程序需要耗費大量的人力和時間，且容易出錯1）機器語言早期人們直接用機器語言（即機器指令代碼）編寫程序2）匯編語言指令助記符：用約定的文字、符號和數(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）：把匯編語言程序轉換為計算機可理解的、用機器語言表示的目的程序機器語言及匯編語言，對特定類型計算機而言是唯一的2）匯編語言指令助記符：用約定的文字、符號和數(shù)字按規(guī)定格式表3）算法語言算法語言按實際需要規(guī)定好的一套基本符號，以及由這套基本符號構成程序的規(guī)則接近數(shù)學語言，直觀通用，與具體機器無關能夠便利地表達程序員的設計思想，減少程序錯誤源程序（Source）用算法語言編寫的程序，不能由機器直接識別和執(zhí)行必須“翻譯”為機器語言后才能由機器識別和執(zhí)行3）算法語言算法語言源程序“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，然后在運行系統(tǒng)中執(zhí)行目的程序，得出計算結果編譯程序和運行系統(tǒng)合稱為編譯系統(tǒng) ⑵解釋程序（Interpreter）進行解釋執(zhí)行，即逐個解釋并立即執(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算結果源程序“翻譯”方法3．操作系統(tǒng)管理計算機資源（如處理器、存儲器、外圍設備和各種編譯、應用程序）自動調度用戶的作業(yè)程序使多個用戶能有效地共用一套計算機系統(tǒng)3．操作系統(tǒng)管理計算機資源（如處理器、存儲器、外圍設備和各種4．數(shù)據(jù)庫大量數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來，形成數(shù)據(jù)庫（Database，DB）數(shù)據(jù)庫就是實現(xiàn)有組織、動態(tài)地存儲大量相關數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計算機軟、硬件資源所組成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件一起，組成了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DatabaseManagementSystem，DBMS）4．數(shù)據(jù)庫大量數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來，形成數(shù)據(jù)庫（D1.2.3計算機固件隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展和軟件硬化的趨勢任何操作，既可由軟件實現(xiàn)，也可由硬件實現(xiàn)任何指令的執(zhí)行,既可由硬件完成，也可由軟件完成計算機系統(tǒng)的軟件與硬件可互相轉化，互為補充軟件固化把復雜、常用的程序用ROM制作成固件(Firmware)就其功能而言是軟件，但從形態(tài)來說又是硬件本來軟件實現(xiàn)的某些功能，可通過硬件直接解釋執(zhí)行1.2.3計算機固件隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展和軟件硬化本講到此結束，謝謝！本講到此結束，謝謝！計算機組成與系統(tǒng)結構

陳澤宇副教授計算機組成與系統(tǒng)結構陳澤宇副教授第1章計算機系統(tǒng)概論第2章運算方法和運算器第3章存儲系統(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章并行計算機系統(tǒng)第1章計算機系統(tǒng)概論1.2計算機的基本組成1.2.1計算機硬件1.2.2計算機軟件1.2.3計算機固件1.2計算機的基本組成1.2.1計算機硬件計算機由硬件（Hardware）和軟件（Software）組成硬件是基礎是軟件活動的舞臺，由物理元器件構成的有形實體軟件是靈魂使硬件最大限度發(fā)揮作用，是由計算機程序構成的無形的東西，需要存儲在有形的硬件中可以實現(xiàn)更高層次的邏輯功能兩者缺一不可計算機由硬件（Hardware）和軟件（Software）組1.2.1計算機硬件1．控制器2．運算器3．存儲器4．輸入輸出設備5．總線1.2.1計算機硬件1．控制器計算機硬件是組成計算機的所有電子器件和機電裝置的總稱馮·諾伊曼體系結構主要特點：使用二進制數(shù)和存儲程序設計思想：存儲程序并按地址順序執(zhí)行程序及操作數(shù)據(jù)一同存儲哈佛體系結構（HarvardArchitecture）源自HarvardMarkI計算機，程序與操作數(shù)據(jù)分開存儲現(xiàn)代馮·諾伊曼計算機在設計中展示出了某些哈佛體系結構的特性，如高速緩存Cache計算機硬件是組成計算機的所有電子器件和機電裝置的總稱馮·諾伊曼計算機具有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）馮·諾伊曼計算機具有5大部件計算機系統(tǒng)工作時，輸入設備將程序與數(shù)據(jù)存入存儲器控制器從存儲器中逐條取出指令，將其解釋成控制命令，去控制各部件的動作數(shù)據(jù)在運算器中加工處理，處理后的結果通過輸出設備輸出計算機系統(tǒng)工作時，1．控制器控制器是計算機的管理機構和指揮中心按照預先確定的操作步驟，協(xié)調控制計算機各部件有條不紊地自動工作控制器工作的實質就是解釋程序逐條讀取、分析、執(zhí)行指令，控制各部件動作程序計數(shù)器（ProgramCounter）是一個特殊的寄存器記錄著將要讀取的下一條指令在存儲器中的位置1．控制器控制器是計算機的管理機構和指揮中心2．運算器用于信息加工的部件，對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算FLASH演示算術邏輯單元（ArithmeticLogicUnit，ALU）具體完成算術與邏輯運算的單元，運算器的核心寄存器存放參與運算的操作數(shù)累加器特殊的寄存器，存放中間結果和最后結果2．運算器用于信息加工的部件，對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算算術運算加法、減法、乘法、除法，甚至三角函數(shù)、平方根整數(shù)、有限精度實數(shù)任何計算機都可以通過編程來執(zhí)行任何的算術運算可通過編程把復雜運算分解成計算機可執(zhí)行的簡單步驟如ALU硬件不支持，則可用軟件實現(xiàn)，但需花較多時間超標量計算機包含多個ALU，可同時處理多條指令圖形處理器和具有并行特性的計算機的ALU，可執(zhí)行矢量和矩陣算術運算算術運算3．存儲器存儲器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)程序和數(shù)據(jù)都用二進制數(shù)表示，統(tǒng)稱為信息向存儲器存入或從存儲器取出信息，都稱為訪問存儲器存儲器由一系列存儲單元組成每個存儲單元的編號稱為地址要按給定的地址來尋找所選擇的存儲單元3．存儲器存儲器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)信息單位位（bit，簡寫成b）計算機的最小信息單位，包含1位二進制信息（0或1）字節(jié)（Byte，簡寫成B）由8位二進制信息組成字（Word）計算機一次所能處理的二進制位數(shù)，至少一個字節(jié)通常把組成一個字的二進制位數(shù)稱為字長微型機字長可以少至8位，多至32位，甚至達到64位信息單位存儲容量存儲器中所有存儲單元的總數(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存儲器分類按照在計算機中的作用，可分為主存儲器、寄存器、閃速存儲器、高速緩沖存儲器、輔助存儲器存儲容量4．輸入輸出設備I/O設備或外圍設備(Peripheral，簡稱外設)1）輸入設備2）輸出設備3）適配器4．輸入輸出設備I/O設備或外圍設備(Peripheral，1）輸入設備將人們熟悉的信息形式，變換成計算機能接受并識別的二進制信息形式理想的輸入設備應該是“會看”和“會聽”的鍵盤、鼠標、掃描儀等，以及用于文字識別、圖像識別、語音識別的設備1）輸入設備將人們熟悉的信息形式，變換成計算機能接受并識別的2）輸出設備將計算機輸出的處理結果信息，轉換成人類或其他設備能夠接受和識別的信息形式理想的輸出設備應該是“會寫”和“會講”的激光打印機、繪圖儀、CRT/LCD顯示器等，以及輸出語言的設備（如語音合成產品）2）輸出設備將計算機輸出的處理結果信息，轉換成人類或其他設備3）適配器外圍設備通過適配器（Adapter）部件與主機相連接作用相當于轉換器，保證外圍設備按照計算機系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息使主機和外圍設備并行協(xié)調地工作3）適配器外圍設備通過適配器（Adapter）部件與主機相連5．總線計算機系統(tǒng)通過總線（Bus）將CPU、主存儲器及I/O設備連接起來總線是構成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路按照信號類型，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5．總線計算機系統(tǒng)通過總線（Bus）將CPU、主存儲器及I/1.2.2計算機軟件計算機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．程序設計語言3．操作系統(tǒng)4．數(shù)據(jù)庫1.2.2計算機軟件計算機軟件是程序的有序集合1．軟件系統(tǒng)一臺計算機中全部程序的集合，統(tǒng)稱為這臺計算機的軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎上，為有效使用計算機而配置的計算機軟件按其功能可分為應用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類應用軟件是為解決某種應用問題而編制的程序系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的管理、調度、監(jiān)視和服務等功能1．軟件系統(tǒng)一臺計算機中全部程序的集合，統(tǒng)稱為這臺計算機的軟2．程序設計語言1）機器語言2）匯編語言3）算法語言2．程序設計語言1）機器語言1）機器語言早期人們直接用機器語言（即機器指令代碼）編寫程序，計算機完全可以“識別”并執(zhí)行，所以又叫做目的程序但是用機器語言編寫程序需要耗費大量的人力和時間，且容易出錯1）機器語言早期人們直接用機器語言（即機器指令代碼）編寫程序2）匯編語言指令助記符：用約定的文字、符號和數(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）：把匯編語言程序轉換為計算機可理解的、用機器語言表示的目的程序機器語言及匯編語言，對特定類型計算機而言是唯一的2）匯編語言指令助記符：用約定的文字、符號和數(shù)字按規(guī)定格式表3）算法語言算法語言按實際需要規(guī)定好的一套基本符號，以及由這套基本符號構