計算機組成原理  主編： 石磊  教授  鄭州大學信息工程學院計算機系   教材   石磊 ， 計算機組成原理 第 3版 , 清華大學出版社 ， 2011 參考書   白中英 ， 計算機組成原理 第 4版 ， 科學出版社 ，2010 薛勝軍 ,計算機組成與結(jié)構(gòu) 第 3版 ,華中科技大學出版社 ， 2010 王誠 ， 計算機組成與設計 第 3版 , 清華大學出版社 ， 2008 第一章  概述   第二章  計算機中的數(shù)據(jù)表示   第三章  運算方法和運算器   第四章  存儲器及存儲系統(tǒng)   第五章  指令系統(tǒng)   第六章  中央處理器   第七章  總線系統(tǒng)   第八章  輸入輸出系統(tǒng)   第九章  計算機外部設備   第十章  計算機系統(tǒng)及發(fā)展  目錄   一 、 課程性質(zhì)與任務 （ 課程在專業(yè)教學計劃中的地位與課程教學目標 ）   “計算機組成原理”屬于專業(yè)基礎課，必修課。面向應用、突出實踐、偏向硬件和理論。   計算機組成原理是計算機教學中的一門核心課程，是學習計算機課程所要必修的主干課。通過教學，使學生對計算機的各主要部分（運算期、控制器、存儲器、輸入輸出設備）的構(gòu)成及工作原理有一個深刻的、系統(tǒng)的認識和理解，同時對計算機的發(fā)展趨勢也有一個較為深入的了解。   主要講解簡單、單臺計算機的完整組成原理和內(nèi)部運行機制，包括運算器部件、控制器部件、存儲器子系統(tǒng)、輸入 /輸出子系統(tǒng)與輸入 /輸出系統(tǒng)設備，圍繞各自的功能、組成、設計、實現(xiàn)、使用等知識進行介紹；此外，該課程的工程性、實踐性、技術(shù)性比較強，還強調(diào)培養(yǎng)學生的動手動腦能力、開創(chuàng)與創(chuàng)新意識、實驗技能，這些要求更多的是通過作業(yè)、教學實驗等環(huán)節(jié)完成，要求學生有意識地主動加強這些方面的練習與鍛煉。   二 、 課程的基本要求 （ 課程教學應使學生達到的基本要求 ）   計算機系統(tǒng)概述、計算機中的數(shù)據(jù)表示、運算方法和運算器、指令系統(tǒng)、隨機邏輯和微程序控制原理、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、計算機外設簡介，要求學生掌握計算機的組成和工作原理。   通過學習，使學生了解計算機的組成原理及工作原理，以建立整機概念。本課程設有實驗，以加深對課程內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學生的動手能力。   三 、 課程與其他課程的聯(lián)系與分工   先修課：數(shù)字電路、模擬電路、匯編語言程序設計   后續(xù)課：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微型原理，關(guān)系密切的還有操作系統(tǒng)等課程。   四 、 課程總學時中各環(huán)節(jié)的學時分配 （ 講授 、 實驗 、 上機 、 實踐等 ）   授課學時（參考）： 72，實驗學時（參考）： 18 教學大綱   第一章  概述   第二章  計算機中的數(shù)據(jù)表示   第三章  運算方法和運算器   第四章  存儲器及存儲系統(tǒng)   第五章  指令系統(tǒng)   第六章  中央處理器   第七章  總線系統(tǒng)   第八章  輸入輸出系統(tǒng)   第九章  計算機外部設備   第十章  計算機系統(tǒng)及發(fā)展  目錄  1960年：  計算可能有一天將被組織為 公共事業(yè) 。  麥卡錫  “be as a “ of  1969  “As of in as up we   1984  “is 2008 U. C. “is of to as a to 2008 “is 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  第一章  概述   什么是計算機 ？   計算機 （ 是一種以電子器件為基礎的 ， 不需人的直接干預 ， 能夠?qū)Ω鞣N數(shù)字化信息 ， 進行算術(shù)和邏輯運算的快速工具 。   系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  算機的發(fā)展與應用  計算機從總體上來說分為兩大類 : 模擬計算機 和 數(shù)字計算機 。  各自主要特點 ：  模擬計算機由模擬運算器件構(gòu)成 ， 其變量由連續(xù)量（ 如：電壓 、 電流等 ） 來表示 ， 運算過程也是連續(xù)的  數(shù)字計算機則是由邏輯電子器件構(gòu)成 ， 其變量為開關(guān)量 （ 離散的數(shù)字量 ） ， 采用數(shù)字式按位運算 ， 運算模式是離散式的 。  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  數(shù)字計算機與模擬計算計的主要區(qū)別  比較內(nèi)容  數(shù)字計算機  模擬計算機  數(shù)據(jù)表示方式  數(shù)字 0和 1 電壓、電流等  計算方式  數(shù)字計算  電量組合和測量值  控制方式  程序控制  模擬信號組合控制  精度、抗干擾性  高、好  低、差  數(shù)據(jù)存儲量  大  小、幾乎無  邏輯判斷能力  強  無  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  1、 第一代計算機  （ 1） 1946年第一臺計算機 50年代末  （ 2） 主要特征：電子管作為電子器件  （ 3） 軟件處于初始階段 ， 使用機器語言與符號語言編制程序  （ 4） 特點：體積大 ， 運算速度低 ， 存儲容量小 ，  主要用于科學計算 。  算機的發(fā)展簡史      （ 1/5）  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  2、 第二代計算機  （ 1） 50年代末 60年代初  （ 2） 主要特征：晶體管作為電子器件  （ 3） 軟件開始使用計算機高級語言  （ 4） 特點：體積減小 ， 重量輕 、 壽命長 、 耗電少 、  運算速度快 、 存儲容量比較大等優(yōu)點 。 不僅                        用于科學計算 ， 還用于數(shù)據(jù)處理和事務處理 ，                        并逐漸用于工業(yè)控制 。  算機的發(fā)展簡史      （ 2/5）  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  算機的發(fā)展簡史      （ 3/5）  3、 第三代計算機  （ 1） 60年代中期 70年代初期  （ 2） 主要特征：中 、 小規(guī)模集成電路作為電子器件  （ 3） 操作系統(tǒng)出現(xiàn)  （ 4） 特點：體積與功耗都得到進一步減小 ， 可靠性和運算速度進一步提高 。 不僅用于科學計算 ，還用于文字處理 、 企業(yè)管理 、 自動控制等領域 ，  出現(xiàn)了管理信息系統(tǒng) ， 可用于生產(chǎn)管理 、交通管理 、 情報檢索等領域 。  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  4、 第四代計算機  （ 1） 1971年到 1990年 。  （ 2） 主要特征：用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路（ 作為電子器件  （ 3） 特點：軟件越來越豐富 ， 并且功能強大  （ 4 ） 代 表 產(chǎn) 品 ： 02868038680486 計算機的發(fā)展簡史      （ 4/5）  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  算機的發(fā)展簡史      （ 5/5）  5、 第五代計算機    （ 1） 1990至今  （ 2） 主要特征：用甚大規(guī)模集成電路 （ 作為電子器件  （ 3） 主要標志：一個是單片集成電路規(guī)模達 100萬晶體管以上；另一個是超標量技術(shù)的成熟和廣泛應用 。   未來的計算機  以超大規(guī)模集成電路為基礎 ， 未來的計算機將向巨型化 、 微型化 、 網(wǎng)絡化與智能化的方向發(fā)展 。  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  算機的特點   計算機是由硬件和軟件組成的復雜設備   計算機以電子器件為物質(zhì)基礎   計算機由程序控制其操作過程   計算機以離散的數(shù)字量形式進行工作   計算機的基本運算操作是算術(shù)和邏輯運算 ， 運算速度和計算精度極高  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  算機的應用領域  1、 科學計算  2、 過程檢測與控制  計算機檢測系統(tǒng)：利用計算機對工業(yè)生產(chǎn)過程中的某些信號自動進行檢測 ， 把檢測到的數(shù)據(jù)存入計算機 ， 再根據(jù)需要對這些數(shù)據(jù)進行處理 。  3、 信息管理  是指利用計算機來加工 、 管理與操作任何形式的數(shù)據(jù)資料 ， 如企業(yè)管理 、 物資管理 、 報表統(tǒng)計 、 信息情報檢索等 。  4、 計算機輔助系統(tǒng)  計算機用于輔助設計 、 輔助制造 、 輔助教學等方面 ， 統(tǒng)稱為計算機輔助系統(tǒng) 。  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  算機系統(tǒng)的組成   計算機系統(tǒng)由計算機硬件和計算機軟件組成 。   計算機硬件 （ 是指構(gòu)成計算機的所有實體部件的集合 ， 通常這些部件由電路 （ 電子元件 ） 、 機械等物理部件組成 。   計算機軟件 （ 主要是一系列按照特定順序組織的計算機數(shù)據(jù)和指令的集合 。 1983年 ， 件是計算機程序 、方法 、 規(guī)范及其相應的文檔以及在計算機上運行是所必須的數(shù)據(jù) 。 軟件是相對于機器硬件而言的 。  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  算機的硬件系統(tǒng)  1、 存儲器：存儲器是用來存放數(shù)據(jù)和程序的部件 。  2、 運算器：對信息進行運算處理的部件 。 主要功能是對二進制數(shù)碼進行算術(shù) （ 加減乘除 ） 和邏輯 （ 與或非 ） 運算 。  3、 控制器：整個計算機的控制核心 。 主要功能是讀取指令 、 翻譯指令 、 并向計算機各部分發(fā)出控制信號 ， 以便執(zhí)行指令 。  4、 輸入設備：將數(shù)據(jù)和程序轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別和接受的信息 ， 并順序地把它們送入存儲器中 。 輸入設備有許多種 ， 例如鍵盤 、 鼠標 、 掃描儀 、 光電輸入機等 。  5、 輸出設備：輸出設備將計算機處理的結(jié)果以人們能接受的或其它機器能接受的形式送出 。 輸出設備有許多種類 ， 例如顯示器 、 打印機 、 繪圖儀等 。  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  算機的硬件系統(tǒng)  存儲器  數(shù)據(jù)流  控制流  運算器  外存儲器  輸  出  設  備  內(nèi)存儲器  輸  入  設  備  控制器  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  1. 運算器   算術(shù)運算   邏輯運算   采用二進制數(shù) （ 容易實現(xiàn) ）   位數(shù)越多 ， 計算精度越高   計算機的運算器長度：   8位 、 16位 、 32位或 64位  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  2. 存儲器   功能：保存或 “ 記憶 ” 數(shù)據(jù)和運算過程   存儲的是 0或 1表示的二進制代碼   主存采用半導體器件來作為存儲器   一個半導體觸發(fā)器記憶一個二進制位   存儲單元 ：  在存儲器中保存一個  組成一個存儲單元   存儲器地址 ：存儲器是由許多存儲單元組成 ， 每個存儲單元的編號 ， 稱為地址   存儲容量 ：存儲器所有存儲單元的總數(shù) 。 通常用單位“ 等表示   內(nèi)存儲器 （ 主存 ） 和外存儲器 (輔存 ）  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  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(jié)果應存到哪個單元  3. 控制器   控制計算機的各個部件有條不紊地進行工作   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   指令  操作碼  加法  減法  乘法  除法  取數(shù)  存數(shù)  打印  停機  001 010 011 100 101 110 111 000 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  電子計算機的設計思想  存儲程序，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  存儲程序并按地址順序執(zhí)行  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  馮 諾依曼計算機的基本思想   采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令由操作碼和地址碼組成；   將程序和數(shù)據(jù)存放在存儲器中，使計算機在工作時從存儲器取出指令加以執(zhí)行，自動完成計算任務。這就是“存儲程序”和“程序控制”（簡稱存儲程序控制）的概念；   指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。   計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入和輸出設備五大基本部件組成，規(guī)定了 5部分的基本功能  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  控制器的基本任務    按照計算程序所排的指令序列 ， 先從存儲器取出一條指令放到控制器中 ， 對該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別 ， 然后根據(jù)指令性質(zhì) ， 執(zhí)行這條指令 ， 進行相應的操作 。 接著從存儲器取出第二條指令 ， 再執(zhí)行第二條指令 ， 依次類推   取指令的一段時間叫做 取指周期   執(zhí)行指令的一段時間叫做 執(zhí)行周期   執(zhí)行完成指令的時間 ， 稱為 指令周期  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  指令字和數(shù)據(jù)字，指令流和數(shù)據(jù)流   某字為一條指令 ， 則稱為 指令字   某字代表要處理的數(shù)據(jù) ， 稱為 數(shù)據(jù)字   在取指周期中從內(nèi)存讀出的信息是 指令流 ， 它流向控制器   而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出的信息流是 數(shù)據(jù)流 ， 它由內(nèi)存流向運算器   時間上 ：在取指周期中 ， 令 ；而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出或?qū)懭氲男畔⒁欢ㄊ?數(shù)據(jù) 。   空間上 ： 指令 一定流向控制器；而 數(shù)據(jù) 則是在內(nèi)存（ 或寄存器 ） 與運算器之間流動  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  算機的硬件系統(tǒng)  總線 （ ：是計算機中用于傳送信息的公用通道 ， 是為多個部件服務的一組信息傳送連接線 。  總線的分類：  （ 1） 按傳送信息的屬性分：  數(shù)據(jù)總線 （ 在各部件之間傳送數(shù)據(jù)信息  地址總線 （ 傳送各部件相互訪問的地址信息  控制總線 （ 傳送控制各部件操作的控制信息  （ 2） 按信息傳送的方向分：  單向總線  雙向總線  （ 3） 按連接對象和完成的功能分：  I/O 用于外設與主機的信息交換 。  用于 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  按總線連接方式 ， 計算機組成結(jié)構(gòu)分為三類  1、 單總線結(jié)構(gòu)  ：把各功能部件連接在單總線上 ， 所有部件間的信息交換都經(jīng)由單總線進行 。  （ 1） 元化總線：  2） 總線： 、 雙總線結(jié)構(gòu)  （ 1） 兩種總線：存儲總線和 I/（ 2） 三種形式：  （ A） 以 （ B） 以存儲器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)  （ C） 采用通道或輸入輸出處理機處理輸入輸出  3、 多總線結(jié)構(gòu)：  在高速外設與主存儲器之間可以增設直接存儲器訪問方式的高速 I/  。  算機的硬件系統(tǒng)  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念   第一臺電子計算機（  5000次加法 /秒  體重 28噸  占地 1708,800只電子管  1500個繼電器  耗電 150統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  2004)曙光 4000A 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  2006)統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  2008)統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  2008)曙光 5000A 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  2009) 統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  2010) 天河一號  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  摩爾定律  早在 1964年 ， 英特爾公司創(chuàng)始人戈登 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 。  計算機組成原理  38 什么是微型計算機   微型計算機 （  采用微處理器為核心構(gòu)造的計算機   微處理器 （  一塊大規(guī)模集成電路芯片  微型機的運算和控制核心  中央處理單元 （   相對來說 ， 微機性能 、 價格 、 體積較小  工作學習中使用的個人微機  生產(chǎn)生活中運用的各種智能化電子設備  計算機組成原理  39 微處理器的基本性能指標   字長  微處理器每個時間單位處理的二進制數(shù)據(jù)位數(shù)  例如一次進行運算 、 傳輸?shù)奈粩?shù)   時鐘頻率  微處理器的處理速度  反映微處理器的基本時間單位   集成度  表明微處理器的生產(chǎn)工藝水平  常用芯片上集成的晶體管數(shù)量來表達  計算機組成原理  40 通用微處理器   4位微處理器  1971年 ， 004， 第一個微處理器   8位微處理器  080/8085 16位微處理器  086/8088  16位個人計算機 （   32位微處理器  80386， 80486，  32位   64位微處理器  計算機組成原理  41 專用微處理器   單片機 （ 微控制器 ， 嵌入式控制器 ，  8系列  愛特梅爾 （ 公司的  與  ，  基于   數(shù)字信號處理器 （  專注于數(shù)字信號的高速處理  美國德州儀器 主要應用于通信 、 消費類電子產(chǎn)品和計算機   主要應用形式：嵌入式系統(tǒng)   芯片級結(jié)構(gòu) ， 模塊級結(jié)構(gòu)  計算機組成原理  42 8086 16位結(jié)構(gòu)的微處理器：數(shù)據(jù)總線為 16位   主存容量 1址總線為 20位   時鐘頻率 5 準 16位微處理器 8088：外部數(shù)據(jù)總線為 8位   C/088  處理器總線 （  微處理器的對外引腳 （  數(shù)據(jù) 、 地址和控制三組信號  電源和地線  計算機組成原理  43 處理器總線   數(shù)據(jù)總線 （  處理器與存儲器或外設交換信息的通道  個數(shù) （ 條數(shù) ） 是一次能夠傳送數(shù)據(jù)的二進制位數(shù)   地址總線 （  指定存儲器或外設的具體單元  個數(shù)反映訪問的主存儲器容量或外設范圍   控制總線 （  控制處理器數(shù)據(jù)傳送等操作  一個信號兩種狀態(tài)（高或低）兩種編碼（ 1或 0）  N： 2N 計算機組成原理  44 80286 16位數(shù)據(jù)總線 ， 24位地址總線 （ 16   實方式 （  與 8086工作方式一樣   保護方式 （  提供存儲管理 、 保護機制和多任務管理的硬件支持   C/0286 210 B 1024 B 1220 B 1024 230 B 1024 0： 220 24： 224 32： 232 計算機組成原理  45 80386 32位結(jié)構(gòu)  數(shù)據(jù)總線 32位 ， 地址總線 32位 ， 可尋址 4 虛擬 8086方式 （ 086  保護方式下的 8086工作方式   系統(tǒng)管理方式 （  低功耗節(jié)能狀態(tài)  英特爾 32位結(jié)構(gòu)：  80386， 80486， 計算機組成原理  46 80486 80486 80386 80387 8 浮點處理單元 8086/8088 ： 8087 ， 80286 ： 80287 ， 80386 ：80387 高速緩沖存儲器 微處理器與主存之間速度很快但容量較小的存儲器  用于提高整個存儲器系統(tǒng)的存取速度   復雜指令集計算機  例如：指令流水線  指令執(zhí)行劃分成多個步驟在多個部件中獨立地進行  多條指令可以在不同的執(zhí)行階段同時進行  計算機組成原理  47  俗稱的 80586微處理器 ， 奔騰微處理器   32位結(jié)構(gòu) ， 連接主存的外部數(shù)據(jù)總線卻是 64位   超標量 （ 技術(shù)  具有可以并行工作的 2條整數(shù)處理流水線 ， 可以達到每個時鐘周期執(zhí)行 2條指令   雙路高速緩沖結(jié)構(gòu)  88計算機組成原理  48  原稱 中文名稱為 “ 高能奔騰 ”   兩個芯片組成  級 （ 8  二級 （ 25612 擴展的超標量技術(shù)  12級指令流水線  能同時執(zhí)行 3條指令   動態(tài)執(zhí)行技術(shù)  分支預測 、 數(shù)據(jù)流分析和推測執(zhí)行  計算機組成原理  49 I 多媒體擴展指令 （   整數(shù)運算多媒體指令  對圖像 、 音頻 、 視頻和通信方面的程序進行優(yōu)化  提升微機對多媒體的處理能力   多能奔騰 ） ： I： 算機組成原理  50  數(shù)據(jù)流     浮點單精度多媒體運算指令  提高浮點 3  D 令   I   單指令多數(shù)據(jù) 表示一條指令具有同時處理多組數(shù)據(jù)的能力  計算機組成原理  51      指令級并行  進一步發(fā)掘指令之間可以同時執(zhí)行的能力   超線程  線程級并行  發(fā)掘程序中的并行性  一個物理處理器形成兩個邏輯處理器   增強浮點雙精度多媒體運算能力   增強和完善 計算機組成原理  52 0 賽揚 ） 微處理器  面向低端 （ 低價位 ） 至強 ） 微處理器  面向高端服務器 、 工作站   雙核微處理器  單芯片多處理器 ：單芯片雙 核心   64位微處理器  8核心：兼容 4位微處理器  擴展 64位技術(shù) ） ：  4位擴展  計算機組成原理  53 微型計算機結(jié)構(gòu)  1. 微處理器  2. 存儲器  3. I/ 微機的核心 、 控制中心 ， 中央處理器  大規(guī)模集成電路  集成  控制器  運算器 （ 整數(shù)運算器 ）  寄存器 （ 高速存儲單元 ）   高性能微處理器內(nèi)部還有  浮點處理單元甚至多媒體數(shù)據(jù)運算單元  存儲管理單元 、 代碼保護機制    計算機組成原理  55 存儲器   存儲器 （ 是存放程序和數(shù)據(jù)的部件   高性能微機的存儲系統(tǒng)  微處理器內(nèi)部的寄存器 （  高速緩沖存儲器 （  主板上的主存儲器  以外設形式出現(xiàn)的輔助存儲器   主存儲器 （ 主存 、 內(nèi)存 ）  半導體存儲器芯片組成  相對造價高 、 速度快 、 但容量小   輔助存儲器 （ 簡稱輔存或外存 ）  磁盤 、 光盤存儲器等構(gòu)成  相對造價低 、 容量大 、 信息可長期保存 ， 但速度慢  算機組成原理  56 I/ I/ ：用戶與微機交互  輸入 （ 設備 ， 如標準輸入設備：鍵盤  輸出 （ 設備 ， 如標準輸出設備：顯示器   I/ ：外設和主機間的橋梁  完成信號變換 、 數(shù)據(jù)緩沖 、 聯(lián)絡控制等工作  較簡單的 I/較復雜的 I/ 接口卡  計算機組成原理  57 系統(tǒng)總線   總線 （ ：傳遞信息的一組公用導線 、 信息通道   系統(tǒng)總線 （ ：微機系統(tǒng)中信息交換的主要公共通道   地址總線：單向輸出主存單元或 I/ 數(shù)據(jù)總線：讀 （ 操作數(shù)據(jù)輸入微處理器；寫（ 操作數(shù)據(jù)輸出到外界 （ 主存或外設 ）   控制總線：有些控制信號或狀態(tài)信號輸出；有些請求或聯(lián)絡信號輸入   微機系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu) ， 總線連接使得微機組合靈活 、擴展方便  計算機組成原理  58 個人微機   8位時代：  中華學習機   16位時代： 1981年 ， 088， 1982年 ， C/ 1984年 ， C/ C/ 32位時代： 32位 64位時代：  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念   計算機是由運算器 、 存儲器 、 控制器 、 適配器 、總線和輸入 /輸出設備組成的 。 都是由元件構(gòu)成的有形物體 ， 因而稱為 硬件 或硬設備 。 硬件是計算機系統(tǒng)中實際物理裝置的總稱   計算程序 ， 因為它是無形的東西 ， 稱為 軟件 或軟設備 。 軟件是指在硬件上運行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔   硬件是軟件的工作基礎 ， 軟件是硬件功能的擴充和完善 。 兩者相互依存 ， 相互促進 。 軟件與硬件的結(jié)合 ， 構(gòu)成完整的 計算機系統(tǒng)  計算機系統(tǒng) 硬件 系統(tǒng) 軟件 系統(tǒng)  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念   軟件 （ ：指能使計算機工作的程序和程序運行時所需要的數(shù)據(jù) ， 以及與這些程序和數(shù)據(jù)有關(guān)的文字說明和圖表資料 ， 其中文字說明和圖表資料又稱為文檔 。   軟件的分類：  （ 1） 系統(tǒng)軟件：指管理 、 監(jiān)控和維護計算機資源的軟件 。    操作系統(tǒng)：   語言處理程序：機器語言 、 匯編語言和高級語言    數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫和管理數(shù)據(jù)庫的軟件    服務程序：例如編輯程序 、 診斷程序 、 排錯程序等   （ 2） 應用軟件：除了系統(tǒng)軟件以外的所有軟件 ， 是用戶利用計算機及其提供的系統(tǒng)軟件為解決各種實際問題而編制的計算機程序 。   算機的軟件系統(tǒng)  軟件程序 +數(shù)據(jù) +文檔  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  計算機軟件程序數(shù)據(jù)文檔  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)  瀏覽器  實時控制軟件  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  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  目的程序   早期計算機中 ， 人們直接用 機器語言 編寫程序 ，計算機完全可以 “ 識別 ” 并能執(zhí)行 ， 所以又叫做目的程序   用機器語言編寫程序很繁瑣 ， 又耗費大量的人力和時間 ， 容易出錯 ， 出錯后尋找錯誤也相當費事 ， 大大限制了計算機的使用  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  匯編程序   為了編寫程序方便翻譯和提高機器的使用效率 ， 人們發(fā)明了 匯編語言   借助于匯編程序 ， 計算機本身自動地把符號語言表示的程序 （ 稱為 匯編源程序 ） 翻譯成用機器語言表示的目的程序  用約定的文字、符號和數(shù)字（ 助記符 ）  按規(guī)定  的格式來表示各種不同的指令  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  高級語言   為了進一步實現(xiàn)程序自動化和便于程序交流 ， 使不熟悉具體計算機的人也能很方便地使用計算機 ， 人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學語言的 算法語言 （ 高級程序設計語言 ）   算法語言是指按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則 。 比較接近數(shù)學語言 ， 直觀通用 ， 與具體機器無關(guān) ， 只要稍加學習就能掌握 ， 便于推廣使用計算機  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  編譯程序   用程序設計語言編寫的程序稱為 源程序 ， 這種源程序不能由機器直接識別和執(zhí)行 ， 必須給計算機配備一個即懂算法語言又懂機器語言的 “ 翻譯 ” ，才能把源程序翻譯為機器語言   通常采用下面兩種方法：   編譯系統(tǒng)：  用 編譯程序 將源程序編譯成機器語言形式的目的程序 ， 然后在目標系統(tǒng)運行   解釋系統(tǒng)  ： 逐個解釋并立即執(zhí)行源程序的語句 ，它不是編出目的程序后再執(zhí)行 ， 而是直接逐一解釋語句并得出計算結(jié)果  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  軟件與硬件的邏輯等價性   隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢 ，計算機系統(tǒng)軟 、 硬件界限已經(jīng)變得模糊了   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   對于某一功能采用硬件方案還是軟件方案 ， 取決于 器件價格 、 速度 、 可靠性 、 存儲容量 、 變更周期 等  軟件的特點     易于實現(xiàn)各種邏輯和運算功能，但是常受到速度指標和軟件容量的制約；  硬件的特點     可以高速實現(xiàn)邏輯和運算功能，但是難以實現(xiàn)復雜功能或計算，受到控制復雜性指標的制約。  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) （ 1/3）  硬件和軟件的邏輯等價   1、 含義：  （ 1） 任何一個由軟件完成的操作可以由硬件實現(xiàn)  （ 2） 任何一條由硬件執(zhí)行的指令能用軟件完成  2、 固件 （ ：  是一種界于傳統(tǒng)的軟件和硬件之間的實體 ， 功能上類似軟件 ， 但形態(tài)上又是硬件 。  微程序是計算機硬件和軟件相結(jié)合的重要形式 。  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)  第 5層  編譯程序  高級語言層  第 4層  匯編程序  匯編語言層  第 3層  操作系統(tǒng)  操作系統(tǒng)層  第 2層  微程序  機器語言層  第 1層  微指令直接由硬件執(zhí)行  微程序設計層  計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)（ 2/3）  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  1、 系列機：  一組同屬一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ， 在性能上由低檔到高檔形成一個系列的計算機 ， 組成一個計算機系列 （ 。 系列機中的每個機型都具有：相同的基本指令系統(tǒng) ， 相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ， 相同的基本輸入輸出操作 ， 支持相同的基本系統(tǒng)軟件等 。  2、 兼容性：包括軟件兼容 、 硬件兼容 、 系統(tǒng)兼容等 。  （ 1） 軟件兼容是指一個軟件不經(jīng)修改就能在不同機型上正確運行 。  （ 2） 軟件兼容存在以下兩種情況：  軟件的向上兼容性 指某檔機原開發(fā)的軟件可以不加修改便能在它的高檔機上正確運行使用 。  軟件的向下兼容性 指某檔機的軟件可以不加修改便能在它的低檔機上正確運行使用 。  計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)（ 3/3）  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  系列機和兼容機   系列機描述   在一個廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的體系結(jié)構(gòu) ， 具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器   兼容機描述   不同廠家生產(chǎn)的具有相同體系結(jié)構(gòu)的計算機   C/系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  軟件兼容   軟件兼容： 同一個軟件可以不加修改地運行于體系結(jié)構(gòu)相同的各檔機器 ， 結(jié)果一樣 ，運行時間不同 。  當前機器  時間  機  器  檔  次  向上兼容  向下兼容  向前兼容  向后兼容  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  模擬和仿真   模擬 （   用一臺機器的指令系統(tǒng) ， 去解釋另一臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的機器的指令系統(tǒng) ， 以實現(xiàn)軟件的移植   實現(xiàn)容易 、 速度較慢   仿真 （   直接用微程序去解釋另一臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的機器的指令系統(tǒng) ， 以實現(xiàn)軟件的移植   微程序編寫困難 、 實現(xiàn)速度較快  模擬與仿真可實現(xiàn)不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器之間的軟件移植  對于使用頻率較高的指令，盡可能用仿真方法以提高運算速度，而對使用頻率低且難于用仿真實現(xiàn)的指令則用模擬方法加以實現(xiàn)  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  微程序機器級  高級語言級  匯編語言級  操作系統(tǒng)級  傳統(tǒng)機器級  高級語言級  操作系統(tǒng)級  傳統(tǒng)機器級  模擬和仿真  模擬  仿真  宿主機  虛擬機  目標機  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)   計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ( 計算機系統(tǒng)的軟件與硬件的界面指令系統(tǒng)   程序員所看到的計算機屬性外特性   計算機組成 (組織   計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)   計算機實現(xiàn) ( 計算機組成的物理實現(xiàn)   計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ， 組成 ， 實現(xiàn)是三個完全不同的概念 ， 相互間有著十分密切的依賴關(guān)系和相互的影響 。 廣義的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)即包括經(jīng)典的指令集結(jié)構(gòu) ， 也包括計算機組成和實現(xiàn)技術(shù)的研究  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)   一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成   一種組成可以有多種物理實現(xiàn)  是否設置  乘方 /開方指令  邏輯設計 1 (硬聯(lián)電路 ) 實現(xiàn)方案 1 (1,邏輯設計 3 (微程序 ) 邏輯設計 2 ( 實現(xiàn)方案 2 (2,實現(xiàn)方案 3 (3,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  計算機組成  計算機實現(xiàn)  是  否  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  算機的工作特點和性能指標      算機的工作特點   運算速度快   計算精度高   存儲容量大   具有邏輯判斷功能   自動化程度高 ， 通用性強   系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念   主頻 很大程度上決定計算機的運行速度 ， 單位兆赫茲 。   字長 決定了計算機的運算精度 、 指令字長度 、 存儲單元長度等 ， 可以是 8/16/32/64位 。   運算速度 早期方法是每秒執(zhí)行加法指令的次數(shù)   用等效速度衡量 。 等效速度由各種指令平均執(zhí)行時間以及對應的執(zhí)令運行比例計算得出 。 單位是每秒百萬指令   利用 “ 標準程序 ” 在不同的機器上運行得到的實測速度 。   存儲容量 字數(shù) 字長  1K： 1024B（ 210）    1M： 1024K（ 220）  1G： 1024M（ 230）    1T： 1024G（ 240）  1P： 1024T（ 250）   算機的性能指標      系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念   可靠性 常用平均無故障時間 （ 衡量 。  平均無故障時間 (是指兩次故障之間能正常工作時間的平均值 。 假設 表示單位時間內(nèi)失效的元件數(shù)與元件總數(shù)的比例即失效率 ， 則 。 例如 =h， 則 可維護性 可用平均修復時間 （ 表示 ， 指從故障發(fā)生到機器修復平均所需要的時間 。  字典縮略 ）  o 微軟計算機辭典 ）   可用性 是指計算機的使用效率 。  A=可靠性 R、 可維護性 ， 稱為 兼容性 指設備或程序可以用于多種系統(tǒng)中的性能 。      系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念   根據(jù)計算機的應用范圍 ， 將計算機分為   專用計算機：為特定應用問題而設計的計算機 ， 具有經(jīng)濟 、 有效和快速等特點 ， 但它的使用面較窄   通用計算機：使用面廣 ， 通用性強 ， 操作相對簡單 ， 是我們經(jīng)常使用的計算機系統(tǒng) 。   根據(jù)計算機的規(guī)模 ， 將計算機分為   巨型機：主要用于科學計算 ， 運算速度最快 、 性能極高 ，結(jié)構(gòu)復雜 、 體積龐大 、 價格昂貴 。   大型機   中型機   小型機   微型機：體積小 、 功耗低 、 價格低 、 結(jié)構(gòu)簡單 、 易操作  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  媒體技術(shù)   媒體也稱為信息的表現(xiàn)形式或傳播形式 ， 是信息的載體 。 信息化社會中 ， 信息的表現(xiàn)形式是多種多樣的 ， 信息可以用文字 、 聲音 、 圖形和圖像等媒體表示 ， 它包含信息的存儲和信息的傳遞兩個方面 。 信息可以以多種媒體傳輸 ， 多媒體技術(shù)是指能夠同時獲取 、 處理 、 編輯 、 存儲和展示兩個以上不同信息類型媒體的技術(shù) 。   在 20世紀 50年代 ， 計算機用于處理數(shù)字 ， 應用領域限制在解決復雜的數(shù)學問題 。 到了 20世紀 60年代 ， 計算機與字符處理 、文本處理相結(jié)合 ， 產(chǎn)生 計算機與照相和圖片相結(jié)合 ，產(chǎn)生了靜態(tài)圖像處理 。 計算機與聲音 ， 活動圖像相結(jié)合 ， 形成了多媒體技術(shù)應用新領域 。   系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  媒體技術(shù)     多媒體技術(shù)實際上是一種界面技術(shù) 。 它能使人機界面更生動 、 更形象 、 更友好 ， 可以表達更豐富的信息 。 多媒體技術(shù)要解決的主要問題包括以下幾個方面：  （ 1） 信息的處理能力  多媒體技術(shù)使計算機具有綜合處理文字 、 圖形 、 圖像 、 音頻和視頻信息的能力 。 按計算機對這些信息處理的 難 易 程 度 排 列 （ 從 易 到 難 ） 如 下 ： 轉(zhuǎn) 換（ 、 集成 （ 、 管理與控制（ 和傳輸 (   系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  基本概念  媒體技術(shù)   （ 2） 數(shù)據(jù)的壓縮與解壓  由于多媒體系統(tǒng)增加了聲音 、 圖像 、