計(jì)算機(jī)組成原理 課件 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.7計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史1.1計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.2計(jì)算機(jī)硬件的五個(gè)功能部件及其功能1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介

世界上第一臺(tái)真正的全自動(dòng)電子數(shù)字式計(jì)算機(jī)是1946年在美國(guó)的賓夕法尼亞大學(xué)研制成功的

ENIAC(ElectronicNumericalntegratorandComputer)。

1.7計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史

這臺(tái)計(jì)算機(jī)共用了18000多個(gè)電子管，占地170m2，總重量為30噸，耗電140kw，每秒能做5000次加減運(yùn)算。與ENIAC計(jì)算機(jī)研制的同時(shí)，馮?諾依曼與莫爾小組研制EDVAC(Electronic十進(jìn)制預(yù)算用手工搬運(yùn)動(dòng)開關(guān)和拔插電纜來編程DiscreteVariableAutomaticComputer)計(jì)算機(jī)，它采用了存儲(chǔ)程序方案。1.7計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC(1946)1955年退役現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)力：人們的需求電子技術(shù)的發(fā)展第一代：電子管計(jì)算機(jī)第二代：晶體管計(jì)算機(jī)第三代：中、小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)第四代：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)第五代：人工智能計(jì)算機(jī)1.7計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史硬件技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的影響軟件技術(shù)的興起和發(fā)展各種語言機(jī)器語言：面向機(jī)器匯編語言：面向機(jī)器高級(jí)語言：面向問題

FORTRAN科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算PASCAL結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)C++面向?qū)ο驤AVA適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境軟件技術(shù)的興起和發(fā)展系統(tǒng)軟件語言處理程序匯編程序編譯程序解釋程序操作系統(tǒng)DOSUNIXWINDOWSLINUXKYLINLINUX

服務(wù)性程序裝配調(diào)試診斷拍錯(cuò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件網(wǎng)絡(luò)軟件

計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1．運(yùn)算速度快2．運(yùn)算精度高3．存儲(chǔ)容量大4．具有邏輯判斷功能5．自動(dòng)化程度高，通用性強(qiáng)1.7計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用1．科學(xué)計(jì)算2．過程檢測(cè)與控制(工業(yè)控制和實(shí)時(shí)控制)3．信息管理4．計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)補(bǔ)充：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)多媒體技術(shù)人工智能技術(shù)計(jì)算機(jī)有類似人腦的一些超級(jí)智能功能：比如自動(dòng)駕駛技術(shù)，IBM的沃森，谷歌大腦，百度大腦等將來會(huì)逐步改變世界1.7計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史1.1計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理馮.諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖

特征：1、計(jì)算機(jī)有五大部件組成2、指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器中，可按地址尋訪3、指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示4、指令由操作碼行業(yè)地址組成5、存儲(chǔ)程序6、以計(jì)算器為中心1.1計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理馮.諾依曼計(jì)算機(jī)五大模塊功能

算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算把結(jié)果轉(zhuǎn)化成人們熟悉的形式存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)化成機(jī)器能夠識(shí)別的形式指揮控制程序的運(yùn)行1.1計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心功能是執(zhí)行程序首先必須有能力把要運(yùn)行的程序和用到的原始數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)部并存儲(chǔ)起來，接下來應(yīng)該有辦法逐條執(zhí)行這個(gè)程序中的指令以完成數(shù)據(jù)運(yùn)算并得到運(yùn)算結(jié)果，最后還要輸出運(yùn)算結(jié)果供人檢查和使用。1.2計(jì)算機(jī)硬件的五個(gè)功能部件及其功能1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)軟件硬件指令層1.4.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）也稱為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。這是1964年Amdahl在介紹IBM360系列時(shí)提出的，在20世紀(jì)70年代廣泛采用。由于器件技術(shù)迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件、軟件界面在動(dòng)態(tài)變化，因此，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義的理解也不盡一致。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系1.4.2計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成（ComputerOrganization）是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)器級(jí)內(nèi)的數(shù)據(jù)通道和控制信號(hào)的組成及邏輯設(shè)計(jì)，它著眼于機(jī)器級(jí)內(nèi)各事件的時(shí)序方式與控制機(jī)構(gòu)、各部件功能及相互聯(lián)系。計(jì)算機(jī)組成還應(yīng)包括：數(shù)據(jù)通路寬度；根據(jù)速度、造價(jià)、使用狀況設(shè)置專用部件，例如是否設(shè)置乘法器、除法器、浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器、I/O處理器等；部件共享和并行執(zhí)行；控制器結(jié)構(gòu)（組合邏輯、PLA、微程序）、單處理機(jī)或多處理機(jī)、指令預(yù)取技術(shù)和預(yù)估、預(yù)判技術(shù)應(yīng)用等組成方式的選擇；可靠性技術(shù)；芯片的集成度和速度的選擇。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)是三個(gè)不同的概念。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)物理系統(tǒng)的抽象和定義；計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。它們各自有不同的內(nèi)容，但又有緊密的關(guān)系。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系1.5.1計(jì)算機(jī)等級(jí)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按其性能與價(jià)格的綜合指標(biāo)通常分為巨型、大型、中型、小型、微型等若干級(jí)。但是，隨著技術(shù)進(jìn)步，各個(gè)等級(jí)的計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)都在不斷地提高，以致30年前的一臺(tái)大型機(jī)的性能甚至比不上當(dāng)今一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。可見，用于劃分計(jì)算機(jī)等級(jí)的絕對(duì)性能標(biāo)準(zhǔn)是隨著時(shí)間變化的。1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性1.5.2計(jì)算機(jī)系列

系列機(jī)概念指的是先設(shè)計(jì)好一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而后就按這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)它的系統(tǒng)軟件，按器件狀況和硬件技術(shù)研究這種結(jié)構(gòu)的各種實(shí)現(xiàn)方法，并按照速度、價(jià)格等不同要求，分別提供不同速度、不同配置的各檔機(jī)器。1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性1.5.3計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)

1.機(jī)器字長(zhǎng)CUP一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)

與CPU中的寄存器位數(shù)有關(guān)

主頻

核數(shù)，每個(gè)核支持的線程數(shù)

2.運(yùn)算速度

CPI執(zhí)行一條指令所需要時(shí)鐘周期數(shù)

MIPS每秒執(zhí)行百萬條指令

MFLOPS每秒執(zhí)行多少百萬次浮點(diǎn)預(yù)算1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性4.數(shù)據(jù)通路寬度

系統(tǒng)連接地址總線（AB）數(shù)據(jù)總線（DB）定義：傳輸或代碼的一組通訊線。其條數(shù)與處理器字長(zhǎng)相等數(shù)據(jù)在CPU與存儲(chǔ)器或I/O接口間的傳送是雙向的定義：是傳送地址信息的一組通訊線，是微處理器用來尋址存儲(chǔ)器單元（或I/O的端口）總線是用來傳送各種控制信號(hào)的。輸出控制信號(hào)，輸入控制信號(hào)控制總線（CB）1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介系統(tǒng)鏈接數(shù)據(jù)總線（DB）地址總線（AB）控制總線（CB）傳輸數(shù)據(jù)或代碼傳送地址傳送控制信號(hào)的1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介典型微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1、累加器（A）和算數(shù)邏輯單元（ALU）2、控制器（CU）3、內(nèi)部寄存器陣列（PC）4、內(nèi)部總線和總線緩沖器指令寄存器（IR）指令譯碼器（ID）可編程邏輯陣列（PLA）程序計(jì)數(shù)器（PC）地址寄存器（AR）數(shù)據(jù)緩沖寄存器(DR）標(biāo)志寄存器(FLAGS)1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介1、讀操作2、寫操作1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介簡(jiǎn)單程序的編制和執(zhí)行指令的執(zhí)行過程取指令分析指令執(zhí)行指令1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介簡(jiǎn)單程序的編制和執(zhí)行題目：要求計(jì)算機(jī)執(zhí)行5CH加2EH，結(jié)果存到20H單元助記符MOVAX,5CHADDAX,2EHMOV[20H],AXHALT;停機(jī)二進(jìn)制碼000111100101110011000110001011100011001000100000011101101.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介存儲(chǔ)單元內(nèi)容

0011111001011100110001100010111000110010001000000111011001001100MOVAX5CHADDAX2EHMOV[20H],AX20HHALT存結(jié)果地址

二進(jìn)制十六進(jìn)制

00010000000000200H10000000000001000H10000000000011001H10000000000101002H10000000000111003H10000000001001004H10000000001011005H10000000001101006H10000000001111007H10000000010001008H10000000010011009H1000000001010100AH操作控制器（OC）指令譯碼器（ID）數(shù)據(jù)寄存器（MDR）標(biāo)志寄存器（FR）程序計(jì)數(shù)器（PC）寄存器組累加器（ACC）指令寄存器（IR）地址寄存器（MAR）地址譯碼器:B0H5CH04H2EH70H0AH10HA2H00H02HF4H0200H1000H1001H1002H1003H1004H1005H1006H1007H1008H1009H100AH...內(nèi)存儲(chǔ)器CPUALU+1......控制信號(hào)

讀控制寫控制內(nèi)總線地址PC=1000H操作控制器（OC）指令譯碼器（ID）數(shù)據(jù)寄存器（MDR）標(biāo)志寄存器（FR）程序計(jì)數(shù)器（PC）寄存器組累加器（ACC）指令寄存器（IR）地址寄存器（MAR）地址譯碼器:B