第一章 概 述,課程的內(nèi)容： 1介紹單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成 （內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制） 2計(jì)算機(jī)自動(dòng)工作的原理 3在對(duì)工作原理了解的基礎(chǔ)上，講述有關(guān)計(jì)算機(jī)設(shè) 計(jì)的基本概念、方法，最終設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)。,內(nèi) 容 提 要,一、數(shù)字邏輯和有限狀態(tài)機(jī)（第一章與第二章） 二、計(jì)算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第三章 指令集結(jié)構(gòu) 第四章 存儲(chǔ)器系統(tǒng) 第五章 寄存器傳送語(yǔ)言 第六章 CPU設(shè)計(jì) 第七章 微序列控制單元設(shè)計(jì) 第八章 運(yùn)算方法 第九章 存儲(chǔ)層次 第十章 輸入輸出結(jié)構(gòu) 三、高級(jí)專題（RISC計(jì)算機(jī)和并行處理）,第一章 概 述,1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 1.3 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和性能指標(biāo) 1.4 計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用,計(jì)算機(jī)到目前為止已經(jīng)發(fā)展了五代。 第一代(19461959)：電子管計(jì)算機(jī) 第一臺(tái)存儲(chǔ)程序電子計(jì)算機(jī)EDVAC：1950年 由馮諾依曼和莫爾學(xué)院合作研制 馮.諾依曼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵：存儲(chǔ)程序 第二代(19591964)：晶體管計(jì)算機(jī) 第三代(19651974)：集成電路計(jì)算機(jī) 第四代(19751990)：大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 第五代(1990 )：高性能微處理器、高密度電路,1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史,1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件硬件/固件 硬件：構(gòu)成計(jì)算機(jī)的設(shè)備實(shí)體。 軟件：各類程序和文件。,1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 一、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入 設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成。,1.運(yùn)算器 功能：對(duì)信息進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算。 組成： (1) 算術(shù)邏輯部件ALU：完成各種 運(yùn)算功能。 核心部件：加法器 (2) 寄存器組：存放數(shù)據(jù)。,2. 存儲(chǔ)器M 功能：存放程序和數(shù)據(jù)。 （1） 一般分為三級(jí) CPU能按存儲(chǔ)單元地址直接訪 問(wèn)主存；輔存的作用是擴(kuò)大存儲(chǔ) 系統(tǒng)的容量；高速緩沖存儲(chǔ)器 (Cache)的作用是解決CPU與主存 之間速度不匹配的矛盾，提高存 儲(chǔ)系統(tǒng)的速度。,（2）主存的組成,CPU 來(lái)的地址,存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成的。 每個(gè)存儲(chǔ)單元都有編號(hào)，稱為地址。 存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)稱為存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。 3. 控制器CU 功能：根據(jù)人們預(yù)先確定的算法和操作步驟(程序)，控制 與協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部件的自動(dòng)工作。,4. I/O部件 輸入設(shè)備：將參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)和程序送入主機(jī)，并將它 轉(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的信號(hào)。 如鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤等。 輸出設(shè)備：將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果以能為人們接受的或能 為其它機(jī)器所接受的形式輸出。 如打印機(jī)、CRT、繪圖儀、磁盤等。 I/O控制部件: 管理I/O設(shè)備的工作。,二、馮.諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī) 1. 存儲(chǔ)程序概念 美國(guó)數(shù)學(xué)家馮諾依曼于1946年6月首先提出來(lái)的。它奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 計(jì)算機(jī)解題之前，要事先編制好程序，并與所需要的數(shù)據(jù)一起預(yù)先存入主存當(dāng)中。當(dāng)程序開始執(zhí)行后，由控制器按照該程序自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中取出指令并執(zhí)行，直到獲得所要求的結(jié)果為止。 2. 早期的馮諾依曼計(jì)算機(jī) 以運(yùn)算器為中心的，其它部件都通過(guò)運(yùn)算器完成信息的傳遞。,3. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組組織結(jié)構(gòu) 以存儲(chǔ)器為中心。,1.2.2 總線 如何把五大基本部件互連起來(lái)構(gòu)成計(jì)算機(jī)的硬 件系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織問(wèn)題。 現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)普遍采用總線結(jié)構(gòu) 總線：一組為多個(gè)功能部件分時(shí)共享的公共信 息傳送線路。,共享總線的各個(gè)部件必須分時(shí)使用總線發(fā)送信 息，保證總線上的信息在任何時(shí)候都唯一。 總線上的各個(gè)部件可同時(shí)接收總線上的信息。,1.總線的分類 按總線所在位置分 (1) CPU內(nèi)部總線 (2) 部件內(nèi)總線 (3) 系統(tǒng)總線 (4) 外總線 按總線上信息傳送的方向分 (1) 單向總線 (2) 雙向總線 按總線上傳送的信息類型分,(1) 地址總線 當(dāng)CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備時(shí)，它指明將 要訪問(wèn)的存儲(chǔ)器單元或I/O設(shè)備的地址。n根線 聯(lián)合傳送一個(gè)n位的地址值。 (2) 數(shù)據(jù)總線 當(dāng)CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備時(shí)，它用來(lái)傳 送數(shù)據(jù)。各條線合起來(lái)傳輸一個(gè)單獨(dú)的多位值。 (3) 控制總線 它是一組獨(dú)立的控制信號(hào)的集合。一組 單向信號(hào)的集合。,2. 總線的連接方式 單總線結(jié)構(gòu)(微、小型機(jī)的典型結(jié)構(gòu)）, 雙總線結(jié)構(gòu),1.2.3 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng) 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義： 軟件：計(jì)算機(jī)程序及運(yùn)用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所必需的手 續(xù)、規(guī)則、文件的總稱。因此，一般認(rèn)為軟 件是由程序與文檔兩部分組成，主要指程序。 軟件的作用： 用作計(jì)算機(jī)用戶與硬件之間的接口界面； 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中起指揮管理作用； 作為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。 一臺(tái)計(jì)算機(jī)中全部程序的集合，統(tǒng)稱為這臺(tái)計(jì)算機(jī) 的軟件系統(tǒng)。,軟件系統(tǒng),系統(tǒng)軟件,應(yīng)用軟件,軟件系統(tǒng),系統(tǒng)軟件,應(yīng)用軟件,操作系統(tǒng),語(yǔ)言處理程序,數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),人機(jī)交互軟件系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng),各種服務(wù)性支撐軟件,分布式軟件系統(tǒng),操作系統(tǒng),語(yǔ)言處理程序,數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),人機(jī)交互軟件系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng),各種服務(wù)性支撐軟件,分布式軟件系統(tǒng),科學(xué)計(jì)算程序,數(shù)據(jù)處理程序,過(guò)程控制程序,事務(wù)處理程序,工程設(shè)計(jì)程序,科學(xué)計(jì)算程序,數(shù)據(jù)處理程序,過(guò)程控制程序,事務(wù)處理程序,工程設(shè)計(jì)程序,軟件又分為應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件兩大類。,1.3 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和性能指標(biāo),1.3.1 計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn) 1. 能自動(dòng)連續(xù)地工作。 2. 運(yùn)算速度快。 3. 運(yùn)算精度高。 4. 具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)能力和邏輯判斷能力。 5. 通用性強(qiáng)。 1.3.2 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo),基本字長(zhǎng) 指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)。 字長(zhǎng)是硬件組織的基本單位，它決定著寄存器、ALU、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，因而直接影響著硬件成本。 運(yùn)算精度主要取決于機(jī)器字長(zhǎng)，字長(zhǎng)越長(zhǎng)精度越高。 2. 運(yùn)算速度 (1) 主頻 (MHz) 一秒鐘內(nèi)發(fā)出的電子脈沖數(shù)。 (2) 每秒平均運(yùn)行指令條數(shù) (MIPS） (3) 典型浮點(diǎn)四則運(yùn)算時(shí)間（MFLOPS) 3. 主存容量: 主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的最大信息量。 4. 系統(tǒng)配置: 外設(shè)配置情況和系統(tǒng)軟件配置情況。,1.4 計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用,1.4.1 計(jì)算機(jī)的分類 1. 按應(yīng)用特點(diǎn)分類 專用機(jī)