計算機系統(tǒng)概論

計算機組成原理

白中英主編

科學出版社

計算機核心專業(yè)課程

2010年2月27日8時57分

天饞硒勒！!

?許德剛

?信息學院計算機工程系

?TEL:67789848,66677513

?Email:xulaoshi@

?xu_laoshi@

?http://xulaoshi.126.com

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主要參考書

主教材：

?計算機組成原理白中英主編科學出版社

參考教材：

?1.計算機組織與結(jié)構(gòu)WilliamStallings

高等教育出版社

?2.計算機組成與結(jié)構(gòu)王愛英主編清華

大學出版社

?3.薛勝軍華中科技大學出版社計算機組成

原理

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<三目.錄

第一章計算機系統(tǒng)概論

第二章運算方法和運算器

第三章存儲系統(tǒng)

第四章指令系統(tǒng)

第五章中央處理器

第六章總線系統(tǒng)

第七章外圍設備

第八章輸入輸出系統(tǒng)

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第一章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

□簡介

口計算機的發(fā)展

口計算機體系結(jié)構(gòu)和組織

口計算機的硬件結(jié)構(gòu)

口計算機軟件

口計算機的層次結(jié)構(gòu)

口計算機的功能

口計算機的技術(shù)指標

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概述

El算機力契！?

機械計算機

電子模擬計算機:數(shù)值由連續(xù)的量來表示。

電子數(shù)字計算機：計算機中的數(shù)值由不連續(xù)的數(shù)字來表示。

專用機：經(jīng)濟，有效，快速，適應性差

通用機：適應性強

巨型機大型機中型機小型機微型機單片機

低簡易性：高

高體積，功耗，性能，價格低

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計算機發(fā)展史

計算機的發(fā)展

OOO0OOOO

加法器1

CharlesBabbage

1642BlaisePascal1822差分機

1833分析機ENIACMARKI

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—，三

簡介

■電子數(shù)字計算機是一種能夠自動、快捷，準確地

實現(xiàn)信息存放數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理過程控制等多

種功能的電子機器，其基本功能是進行數(shù)字化信

息處理。

■世界上第一臺計算機ENIAC(Electronic

NumericalIntegratorAndCalculator)誕生于

1946年2月15日，是美國賓夕法尼亞大學摩爾理

工學院的摩切利和?？ㄌ匕l(fā)明的。

■計算機應用于科學計算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、

實時控制、人工智能、虛擬現(xiàn)實、遠程教育、電

子商務等多種領(lǐng)域。

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計瞽發(fā)展史

計算機的發(fā)展一一第一臺電子計算機（ENIAC）

5000次加法/秒

體重28噸

占地170M2

18800只電子管

1500個繼電器

7000個電阻

10000個電容

耗電150KW

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計算機的發(fā)篌

類型時期"主要器件重要特征

第一代1946-1957電子管機器語言，匯編語言

速度低，體積大，價格昂貴

可靠性差，用于科學計算。

第二代1958-1964晶體管算法語言，操作系統(tǒng)

體積縮小，可靠性提高

從科學計算擴大到數(shù)據(jù)處理。

第三代1965-1971中、小規(guī)模體積小，可靠性大大提高，速度

集成電路達幾百萬IPS,軟件技術(shù)和外設

發(fā)展迅速應用領(lǐng)域不斷擴大。

第四代1972-中、大及超速度提高至GIPS乃至TIPS水平

大規(guī)模集成多機并行處理和計算機網(wǎng)絡迅速

電路發(fā)展。

InstitueOfTechnology.

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時代機型產(chǎn)地

--ENIAC1946美.賓州大學

各時代EDSAC1949英.劍橋大學

1031953

代表機型IBM70901958IBM

DJS-21,108^-2,441B中國

IBM360/370系列IBM

CDC6000/7600,STAR-100,CDC

NOVA,PDP-11

DJS-130/200中國

四微型機APPLE,IBM-PC

VAX系列

長城0520,....................

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計算機意體發(fā)展

年彳弋邏輯元件主存輔存語言處理速度代表機種

第一代了94619電子管磁芯、磁磁帶機器語言1萬初秒ENICA

57鼓匯編語言IBM650

IBM709

第二代1958晶體管磁芯、磁磁帶、磁高級語言幾萬次IBM7094

編譯語言幾百萬次DTS-121

19641鼓盤

操作系統(tǒng)/秒X-2

磁1

第三代1965集成電路半導體存多道程序百萬次IBM360

盤

1971和大規(guī)模儲器實時處理千萬次DJS-100

集成電路,

第四代1972--超大規(guī)模半導體存高速磁盤數(shù)據(jù)庫系千萬次VAM1

集成電路儲器統(tǒng)1億匆秒INTEL系

網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)列

八DegJngXu,ZheiidzhiiuInstituteOfTeelnulogy.

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年份型號管數(shù)年份型號管數(shù)

1971400423001993PENTIUM310萬

1972800835001995P-PRO550萬

19748080,60001997P-MMX450萬

19788086290001997P-II750萬

198280286.13萬1998Celeron750萬

1985386DX27.5萬1999P-III950萬

1989486DX120萬1999.10P-III-COP2800萬

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?第五代計算機

?通信、存儲、信息處理和人工智能相結(jié)

合的超巨能計算機。

?第六代計算機

■利用光電子元件、超導電子元件或生物

電子元件作為計算機的核心元件。

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一.分類通用機：通用性強，綜合能力強，解決各種問題

按用途分類

專用機：特殊配置，功能單一，解決特定問題

巨型機：速度最快、處理能力最強

已達十幾萬億次浮點運算

“銀河nr,達每秒130億次

大型機：大型、通用、較快、較強

作“客戶機/服務器”的服務器

作“終端/主機”的主機

小型機：規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡單，設計試制周期短

按綜合性能

工藝先進、使用維護簡單

指標分類

工作站：介于PC與小型機之間

高分辨率、大容量內(nèi)外存，圖形功能較強

微型計算機：小、巧、輕、使用方便、價格便宜

中央處理器：一個芯片

網(wǎng)絡計算機：基于Java技術(shù)的瘦客戶機系統(tǒng)

高

體積

能

功

簡

據(jù)

數(shù)

易

令

指

徼型機性

格

價

小型機

大型機

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二.計算機的應用

計算機的主要應用領(lǐng)域計算機的應用類型

1.工商：電子商務、CAD/CAM1.科學計算

2.教育：多媒體教育、遠程教育2.過程控制

3.醫(yī)藥：CAT、MRL遠程醫(yī)療3.CAD/CAM/CAT

4.政府：電子政府4.數(shù)據(jù)處理.

5.娛樂：虛擬現(xiàn)實、電影特技5.電子商務

6.科研：數(shù)據(jù)采集、計算分析6.多媒體技術(shù)

7.家庭：家庭信息化7.人工智能

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計算機體系結(jié)構(gòu)和組織

硬件

計算機體系結(jié)構(gòu)概念的實質(zhì)是計算機系統(tǒng)中軟硬件界

面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界面之下的是硬

件和固件的功能。

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電子計算機的設計思想

?存儲程序控制

?“存儲程序”是把指令以代碼的形式事先輸入

到計算機的主存儲器中，即用記憶數(shù)據(jù)的同一

裝置存儲執(zhí)行運算的命令，這些指令按一定的

規(guī)則組成程序；

?“程序控制”是當計算機啟動后，程序就會控

制計算機按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動完

成預定的信息處理任務。

?馮諾依曼型計算機的設計思想：存儲程序并

檜地址順序軌行。

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一.硬件系統(tǒng)

控制器輸入設備輸出設備

系統(tǒng)總線

二.軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件：OS,語言處理，服務程序，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

用來提高使用效率，發(fā)揮和擴大計算機功能和用途的

程序。

應用軟件：工程設計，數(shù)據(jù)處理，自動控制，企業(yè)管理

用戶用來解決某些問題而編制的程序。

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?運算球計算機中進行算術(shù)運算和邏輯運算的部件。

?存儲器：存放程序和數(shù)據(jù)的部件(R/W)。

?控制矍二控制計算機有條不紊地執(zhí)行程序的部件。

程序控制

?尬△逡魚」能將人們所熟悉的信息形式變換為計算機

內(nèi)部能接收和識別的二進制信息的設備。

?尬出逡備」把計算機處理的結(jié)果變換為人或其它設備

所能接收和識別的信息形式的設備。

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計笄機的硬件結(jié)構(gòu)

輸?shù)谝粏卧?/p>

入

輸

出輸入設備

接

口

和輸出設備

外存設備總

第三單元線第四單元

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu)

運算器

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7/,

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu)

|2

運算器部件是計算機中進行數(shù)據(jù)加工的部件,

其主要功能包括:

1.執(zhí)行數(shù)值數(shù)據(jù)的算術(shù)加減乘除等運算,

執(zhí)行邏輯數(shù)據(jù)的與或非等邏輯運算，

由一個被稱為ALU的線路完成。

2.暫時存放參加運算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果,

由多個通用寄存器來承擔。

3.運算器通常也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐稯

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計算機硬件系統(tǒng)

控制器

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器I

控制器是計算機中控制執(zhí)行指令的部件：

一.正確執(zhí)行每條指令

1.首先是取來一條指令，

2.接著分析這條指令，

3.再按指令格式和功能執(zhí)行這條指令

二.保證指令按規(guī)定序列自動連續(xù)地執(zhí)行。

三.對各種異常情況和請求及時響應和處理。

說到底，控制器要向計算機各功能部件提供

每一時刻協(xié)同運行所需要的控制信號

/\uiauomuu///

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器

高速緩存

主存儲器

外存設備

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器

—__-_.由高速緩沖存儲器，主存儲器，

高速緩存I外存儲器所組成的多級（層）存儲器

另存儲器（系統(tǒng)，是計算機中用于存儲程序和數(shù)

王行憧奇（據(jù)的子系統(tǒng)。這三級存儲器所用的

外存設備[J存儲介質(zhì)的工作原理和特性各不相同。

將作為三個部分分別講解

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器

高速緩存

輸入設備

主存儲器

外存設備

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器運算器

高速緩存

—I輸入設備

主存儲器輸入設遂.計算機中送入程序和數(shù)

據(jù)的有一定獨立功能的設備，通過接

外存設備口和總線與計算機主機連通，用于

人一機交互聯(lián)系，如計算機鍵盤和鼠標

等，

Degang

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器運算器

高速緩存

輸入設備

主存儲器

外存設備輸出設備

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計笄機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器運算器

高速緩存

輸入設備

主存儲器

外存設備輸出設備

輸出設備是計算機中用于送出計算機

內(nèi)部信息的設備,例如打印機,顯示器等。

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器運算器

高速緩存

輸入設備

主存儲器

外存設備輸出設備

這些部件和設備通過總線和接口連接在

2010年!起，構(gòu)成計算機整機系統(tǒng)，協(xié)同運行.

/\uiauoiitUUIII

計算機的硬件結(jié)構(gòu)

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計算機基本工作原理

1.指令:讓計算機完成某個操作發(fā)出的命令。（用二進制

代碼來表示）

2.程序|操作碼|操作數(shù)

有序的指令集合。

3.指令的執(zhí)行

取指周期：|內(nèi)存］一指合一,CPU

執(zhí)行周期：|CPU譯碼產(chǎn)嶼|有關(guān)部件動足

4.程序的執(zhí)行

全曹出5娶指令而ga熱何蠲z念前曲eOfTechnology.

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2、計算機軟件

軟件=程序+數(shù)據(jù)+文檔操作系統(tǒng)

語言處理程序

——系統(tǒng)軟?一診斷程序

——反病毒程序

實用程序------卸載程序

軟件分匕——備份程序

辦公軟件包一文件壓縮程序

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

——應用軟?網(wǎng)絡軟件

實時控制軟件

圖形圖像處理軟件

其它應用軟件

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(1)操作系統(tǒng)

管理和控制計算機系統(tǒng)的所有資源(包

括硬件和軟件)

-----裸機+操作系統(tǒng)=虛擬機

目的---------不需了解軟硬件細節(jié)，提高工作效率

-----統(tǒng)一管理和調(diào)度資源，提高使用效

率和經(jīng)濟效益

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■Ij■—.

⑵實用程序

操作系統(tǒng)自己帶一些

J第三方開發(fā)

—診斷程序：SCANDISK

—反病毒程序：KV300、金山毒霸

—卸載程序：Windows中的添加/刪除程序

一備份程序：Windows2000中的備份程序

—文件壓縮程序:ARJWinZip

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缸h.〃鏟討

(3)語言處理程序

-----機器語言

-----匯編語言

面向過程：BASIC>Pascal

-----高級語言」、FORTRAN>C等

面向?qū)ο螅篊++、Java、Visual

-----面向問題的語言Basic等

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計算機的技術(shù)指標

■字長:一參與運算的基本位數(shù),它決定了寄存器、加

法器、存儲單元和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。它標志著計算

精展。

■主存容量：存儲器可以容納的二進制信息量。

■運算速度：單位時間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)。

■軟、硬件配置：外部設備的配備和功能強大的操作

系統(tǒng)和程序設計語言。

?性能價格比：性能和價格之比是衡量計算機的綜合

指標。

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計算機的技術(shù)指標

?以性能/價格比為核心

?性能的衡量標準

-時間、基準程序、硬件測量工具

?價格的因素

-集成電路的工藝、產(chǎn)品的生產(chǎn)過程、銷售過程

?性能價格設計的一些原則

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vt"算機的發(fā)展一Pentium和PowerPC發(fā)展概述

?Pentium系列微處理器的發(fā)展概況

-8080、8086>80286>80386、80486、

Pentium>PentiumPro>PentiumII>

PentiumIII>PentiumIV、Merced>Prescott

-CISC

?PowerPC系列微處理器的發(fā)展概況

-601>603、604、620

-RISC

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計算機的發(fā)展一一發(fā)展趨勢

?計算機應用的發(fā)梭趨勢

-程序及數(shù)據(jù)所使用存儲器容量的不斷增大：程

序所需的存儲器容量平均每年遞增1.5?2%,

也就是說計算機的地址位以每年1/2?1位的速

度遞增。；

-編譯器的重要性日益突出。編譯器已逐漸成為

用戶與計算機的主要界面。

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摩東定律

早在1964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登?摩爾(Gordon

Moore)在一篇很短的論文里斷言：每18個月，集成電路

的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。這就是著名

的摩爾定律。作為迄今為止半導體發(fā)展史上意義最深遠

的定律，摩爾定律被集成電路近40年的發(fā)展歷史準確無

誤地驗證著。

摩爾定律有另外一種表述方法，即每過禪年計算機

系統(tǒng)性能將會增加100倍，通訊帶寬也會提高100倍，而

花費的資金不會增加。我們完全有理由相信,這種趨勢

在今后20年還會持續(xù)下去，我們還沒有達到物理上造成

計算機性能停滯不前的任何限制。

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計算機的發(fā)展發(fā)展趨勢

?計算機系統(tǒng)設計技術(shù)的發(fā)展趨勢

資源共享資源重復時間重疊

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/

計算機的發(fā)展發(fā)展趨勢（資源共享）

多道程序分時系統(tǒng)4局域網(wǎng)

多終端、遠程終端通信處理機，廣域

甲

智能終端多機系統(tǒng)

分布處理系統(tǒng)元計算系統(tǒng)

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計算機的發(fā)展——發(fā)展趨勢（資源重復）

部件冗余同構(gòu)型多處理機

1

/緊密耦\合系統(tǒng)

多操作部件，多存儲體/

1

并行處理機/多處理機

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計算機的發(fā)展發(fā)展趨勢（時間重疊）

先行控制異構(gòu)型多處理機

I/.

指令（操作）流水線/數(shù)據(jù)庫處理機

松散需合系統(tǒng)

向量1處理機/

外圍處理機

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計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

第1層微程序設計層

第2層一般機器層

第3層操作系統(tǒng)層

第4層匯編語言層

第5層高級語言層

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計算機的層次結(jié)構(gòu)

?第一層