計算機組成原理課件

第一章計算機系統(tǒng)概論1.1計算機的分類1.2計算機發(fā)展簡史1.3計算機的硬件1.4計算機的軟件1.5計算機系統(tǒng)的層次結構2/6/202311.1計算機的分類一、電子計算機從總體上分為兩大類。電子模擬計算機?！澳M”就是相似的意思。模擬計算機的特點是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算過程也是連續(xù)的。電子數(shù)字計算機。它是在算盤的基礎上發(fā)展起來的，是用數(shù)字來表示數(shù)量的大小。數(shù)字計算機的主要特點是按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算。2/6/202321.1計算機的分類數(shù)字計算機模擬計算機數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0/1電壓計算方式數(shù)字計數(shù)電壓組合和測量值控制方式程序控制盤上連線精度高低數(shù)據(jù)存儲量大小邏輯判斷能力強無數(shù)字計算機與模擬計算機的主要區(qū)別2/6/202331.1計算機的分類二、數(shù)字計算機分類

數(shù)字計算機根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應性來劃分，可以劃分為兩類：專用計算機專用機是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機；針對某一任務設計（測試、控制），適應性差。通用計算機通用計算機適應性很大，但是犧牲了效率、速度（服務器、PC機）。2/6/202341.1計算機的分類三、通用計算機分類

通用計算機根據(jù)體積、簡易性、功率損耗、性能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機器價格等可以分為：超級計算機大型機服務器工作站微型機單片機2/6/202351.1計算機的分類四、計算機的應用

計算機之所以迅速發(fā)展,其生命力在于它的廣泛應用并協(xié)助人類取得了輝煌的成就。計算機的應用范圍幾乎涉及人類社會的所有領域?？茖W計算自動控制和測量信息處理教育和衛(wèi)生家用電器人工智能2/6/202361.2計算機發(fā)展簡史一、計算機的五代變化第一代為1946—1957年，電子管計算機：數(shù)據(jù)處理第二代為1958—1964年，晶體管計算機：工業(yè)控制第三代為1965—1971年，中小規(guī)模集成電路計算機：小型計算機第四代為1972—1990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機：微型計算機第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計算機：單片機2/6/20237

第一臺電子計算機（ENIAC）5000次加法/秒體重28噸占地170M218,800只電子管1500個繼電器耗電150KW2/6/202381.2計算機發(fā)展簡史二、半導體存儲器的發(fā)展20世紀50～60年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán)做成1970年，仙童半導體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半導體存儲器從1970年起，半導體存儲器經(jīng)歷了12代：單個芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB、TB。其中1K=210,1M=220,1G=230,1T=2402/6/202391.2計算機發(fā)展簡史三、微處理器的發(fā)展第1代：4位和低檔8位微機4004→8008→8080第2代：中高檔8位微機Z80、I8085、M6800，Apple-II微機第3代：16位微機8086→8088→80286，IBMPC系列機2/6/2023101.2計算機發(fā)展簡史三、微處理器的發(fā)展第4代：32位微機80386→80486→Pentium→PentiumII→PentiumIII→Pentium432位PC機、Macintosh機、PS/2機第5代：64位微機Itanium、64位RISC微處理器芯片微機服務器、工程工作站、圖形工作站2/6/202311IBMPC系列機8088CPUIBMPC機IBMPC/AT機IBMPC/XT機2/6/202312英特爾微處理器芯片80386PentiumPentium4返回2/6/2023131.2計算機發(fā)展簡史四、計算機的性能指標

吞吐量：表征一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）響應時間：表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應之間的時間度量，用時間單位來度量，例如微秒（10-6S）、納秒（10-9S）。利用率：表示在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，一般用百分比表示。處理機字長：指處理機運算器中一次能夠完成二進制數(shù)運算的位數(shù)。當前處理機的字長有8位、16位、32位、64位。字長越長，表示計算的精度越高?？偩€寬度：一般指CPU中運算器與存儲器之間進行互連的內(nèi)部總線二進制位數(shù)。2/6/2023141.2計算機發(fā)展簡史四、計算機的性能指標

存儲器容量：存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。存儲器帶寬：存儲器的速度指標，單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示主頻：CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機為60MHz～266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。時鐘周期：主頻的倒數(shù)稱為CPU時鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。2/6/202315運算器控制器主存儲器輸入設備輸出設備總線和輸入輸出接口高速緩存虛擬存儲器(磁盤設備)（第二章）（第五章）（第三章）（第六章）（第七、八章）中央處理單元CPU1.3計算機的硬件2/6/2023161.3計算機的硬件1.3.1硬件組成要素一、硬件組成要素 通過一個例子我們來了解數(shù)字計算機的主要組成和工作原理。假設給一個算盤、一張帶有橫格的紙和一支筆，要求我們計算y=ax+b-c這樣一個題目。解題步驟和數(shù)據(jù)記錄在橫格紙上，請看過程。2/6/202317手工模仿計算機工作（1）2/6/2023181.3計算機的硬件二、數(shù)字計算機基本組成控制器：操作控制功能，人的大腦運算器：計算功能，算盤存儲器：保存或記憶功能，紙輸入設備：交互接口，筆輸出設備：交互接口，紙2/6/2023191.3計算機的硬件三、馮·諾依曼型計算機

存儲程序按地址自動執(zhí)行五大部件：包括控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備以運算器為中心2/6/2023201.3計算機的硬件馮·諾依曼型計算機2/6/2023211.3計算機的硬件1.3.2運算器算術運算和邏輯運算在計算機中參與運算的數(shù)是二進制的運算器的長度一般是8、16、32或64位2/6/2023221.3計算機的硬件1.3.3存儲器存儲數(shù)據(jù)和程序（指令）容量（存儲單元、存儲單元地址、存儲容量）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存存儲器單位：210byte＝1K210K＝1M210M＝1G210G＝1T2/6/2023231.3計算機的硬件1.3.4控制器1、計算程序指令：一個基本操作計算程序：整個解題步驟2/6/202324表示參加運算的數(shù)據(jù)從存儲器的哪個單元取運算的結果應存到哪個單元2、指令的格式指令有兩部分：操作的性質(zhì)和操作的地址操作碼地址碼指出指令所進行的操作加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等1.3計算機的硬件2/6/2023251.3計算機的硬件1.3.4控制器3、控制器的基本任務：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。取指周期，執(zhí)行周期2/6/2023261.3計算機的硬件4、指令流和數(shù)據(jù)流指令字，數(shù)據(jù)字控制器完全如何區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字?時間上和空間上：

取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；而在執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器。2/6/2023271.3計算機的硬件1.3.5適配器與I/O設備輸入設備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式輸出設備：把計算機處理的結果變換為人或其他機器設備所能接收和識別的信息形式適配器：它使得被連接的外圍設備通過系統(tǒng)總線與主機進行聯(lián)系，以便使主機和外圍設備并行協(xié)調(diào)地工作總線：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。

2/6/2023281.4計算機的軟件軟件分類操作系統(tǒng) 語言處理程序服務性程序應用軟件辦公軟件包數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)工程設計自動控制軟件診斷、排錯程序反病毒程序備份程序文件壓縮程序卸載程序圖形圖像處理軟件其它應用軟件系統(tǒng)軟件1.4.1軟件的組成和分類系統(tǒng)軟件，應用軟件

2/6/2023291.4計算機的軟件1.4.2軟件的發(fā)展演變編程語言的發(fā)展手編程序：機器語言程序，手工編譯二進制碼匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編高級程序：算法語言/高級語言，機器編譯程序/解釋程序系統(tǒng)軟件的發(fā)展操作系統(tǒng)：批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：FOXPRO、SQL、ORACLE2/6/2023301.5計算機系統(tǒng)的層次結構1.5.1多級計算機系統(tǒng)

計算機是一個十分復雜的硬、軟件結合而成的整體。它通常由五個以上不同的級組成，每一級都能進行程序設計，如圖所示。2/6/2023311.5計算機系統(tǒng)的層次結構1.5.2軟件與硬件邏輯等價性任何操作可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。設計計算機系統(tǒng)時，應考慮各個方面的因素：價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期固件的概念（功能上是軟件，形態(tài)上