引言一、本課程在計算機系統(tǒng)中的位置程序設計基礎及語言編譯原理匯編語言程序設計操作系統(tǒng)數據結構基礎數據庫原理、應用軟件體系結構應用系統(tǒng)應用語言級機器高級語言級機器匯編語言級機器操作系統(tǒng)級機器傳統(tǒng)機器級機器微程序機器級機器電子線路級機器外部設備接口技術組成原理模擬與數字邏輯電路系統(tǒng)結構嵌入式系統(tǒng)離散結構、算法設計基礎軟件工程人工智能信號與系統(tǒng)、控制技術計算機網絡技術類數字信號、圖像處理1一、課程目標1、結構與原理掌握建立計算機系統(tǒng)的整機概念；掌握計算機各部件的組成原理與技術；了解計算機系統(tǒng)組成與結構的新技術2、分析與計算能力掌握對組成與結構進行性能分析的方法；通過量化計算，加深對組成原理的理解與掌握3、應用與設計能力通過實驗，培養(yǎng)邏輯設計及理論指導實踐的能力課程內容組織及要求2二、課程內容組織第1章

計算機系統(tǒng)概論

計算機的模型、硬件組成，計算機的工作過程、性能指標第3章

存儲系統(tǒng)層次結構，RAM組成，主存、Cache、虛存的組成原理計算機軟件(指令串及數據)CUALU存儲器…系統(tǒng)總線I/O設備1I/O接口1I/O設備2I/O接口2I/O設備nI/O接口n第2章

數據的表示和運算

數據的編碼及表示，定點及浮點運算方法，ALU結構與組成3第4章

指令系統(tǒng)指令功能與指令格式，操作數存放及尋址方式，CISC/RISC第6章

總線

概述，操作步驟，仲裁/定時方式，互連結構第5章

中央處理器

CPU的功能與結構、工作流程，指令執(zhí)行過程，數據通路組織，CU的結構及組成，微程序控制器技術，指令流水技術計算機軟件(指令串及數據)CUALU存儲器…系統(tǒng)總線I/O設備1I/O接口1I/O設備2I/O接口2I/O設備nI/O接口n第7章

I/O系統(tǒng)

組成，I/O設備，I/O接口，I/O方式(4種)41、學習方法建立整機概念，將所學知識點融合在一起；從邏輯設計出發(fā)，分析多種方案的利與弊；

通過量化分析，加深對原理的掌握與理解。四、本課程學習方法3、作業(yè)自己做！準備一個作業(yè)本，每堂課帶來！2、學習效率本課程在計算機科學中處于承上啟下的地位，具有內容多、難度大的特點。

5第1章計算機系統(tǒng)概論6什么是計算機◆計算機：按照內部存儲的指令序列，對數字化信息進行自動高速處理、存儲、傳送、控制的裝置。

信息：有用的數據，有多種不同類型，其表現手段可以采用數字化形式或模擬量形式；

運算：包括算術運算和邏輯運算，要求自動與高速；

指令：指示計算機硬件完成某種功能的明確的命令；§1.1計算機系統(tǒng)簡介7

處理：對信息進行搜索、識別、變換，甚至聯想、思考和推理等等。8計算機的功能

數據處理

數據存儲

數據傳送

控制◆計算機的基本功能主要包括

9◆數據處理功能

運算功能：算術運算功能和邏輯運算，應用于數值計算和非數值計算兩個方面；

處理對象：數值、字符、圖形、圖像、聲音和視頻等。◆數據存儲功能

主存儲器：保存指令和數據；

輔助存儲器：以文件的形式保存大量數據信息。10◆數據傳送功能

內部數據流動：CPU和主存以及CPU內部寄存器與運算器之間的數據流動；

外部數據傳送：輸入/輸出（I/O）和計算機通信。◆控制功能

控制器：產生各種基本操作信號并按某種時序發(fā)出以完成相應功能；

指令編碼、指令系統(tǒng)：一臺計算機的所有指令集合。111.1.1計算機系統(tǒng)的軟硬件*計算機系統(tǒng)的組成：具有特定功能的信息(程序)。如系統(tǒng)程序、應用程序計算機系統(tǒng)表示應用需求計算機的物理實體；如主機、外設等計算機硬件—計算機軟件—12功能的實現方式—*計算機系統(tǒng)功能的實現方式：解題過程—解題結果③③運行*計算機系統(tǒng)組成的特性：軟件功能靠硬件實現，硬件性能靠軟件反映①硬件具備數據的存儲、傳送及處理和過程控制功能②軟件表示應用的數據處理及過程控制需求

└→程序(指令序列，硬件用不同指令表示不同功能)③執(zhí)行軟件實現應用的數據處理及過程控制功能用戶輸入設備輸出設備處理設備存儲設備目標程序(機器語言)源程序(高級語言)①②①編輯②編譯13二、計算機系統(tǒng)的層次結構直接執(zhí)行機器指令機器語言級機器M1用機器語言編程匯編語言級機器M3用匯編語言編程用匯編程序翻譯成機器語言程序高級語言級機器M4用高級語言編程用編譯程序翻譯成匯編語言程序

或機器語言程序操作系統(tǒng)級機器M2使用操作系統(tǒng)命令用機器語言解釋操作系統(tǒng)命令微程序級機器M0使用微指令系統(tǒng)用微程序解釋機器指令直接執(zhí)行微指令虛擬機器實際機器14三、計算機結構與組成*計算機系統(tǒng)結構：機器語言程序員所看到的計算機屬性概念性結構和功能特性←┘數字電路級機器指令系統(tǒng)、數據表示、尋址方式,存儲系統(tǒng)，I/O系統(tǒng)、信息保護等機器語言級機器M1微程序級機器M0硬件軟件匯編語言級機器M3高級語言級機器M4操作系統(tǒng)級機器M2軟硬件交界面*計算機組成：實現計算機系統(tǒng)結構時所體現的計算機屬性指令功能邏輯實現、部件組成、控制機構、排隊及緩沖技術等器件技術、組裝技術等*計算機實現：實現計算機組成時所體現的計算機屬性15*相互關系：計算機系統(tǒng)結構—確定軟硬件功能分配及其界面特性；計算機組成—邏輯實現系統(tǒng)結構的內容；計算機實現—物理實現計算機組成的內容舉例系統(tǒng)結構計算機組成計算機實現乘法功能是否有乘法指令乘法器還是加法+移位器件、電路主存系統(tǒng)最大容量、編址方式速度保證、單體/多體MEM總線帶寬信號線數、時鐘、傳輸方式16§1.2計算機系統(tǒng)基本組成一、馮·諾依曼模型計算機*結構與組成：

由運算器、存儲器、控制器、輸入及輸出設備組成，

以運算器為中心；輸入設備存儲器運算器控制器輸出設備注：數據信息指令信息控制信息

狀態(tài)信息*數據表示與運算：

指令及數據均用二進制方式表示，運算亦采用二進制方式17*指令組成：

由操作碼及地址碼組成；010

01000

10000例：若加法運算的操作碼用010表示，第01000號與第10000號兩個存儲單元內容相加的操作可表示為：表示操作的性質表示操作數在存儲器中的位置*存儲程序原理—程序存儲方式：

指令及數據預先存放(以等同地位)在存儲器中；*存儲器結構：

由定長單元構成的一維空間，存儲器按地址訪問；操作碼

地址碼1地址碼218*存儲程序原理—程序控制機制：按程序邏輯順序、自動地、逐條地取出指令并執(zhí)行。物理順序(指令地址)指令內容程序邏輯順序A+0

int

nCount=0；⑴A+1

int

nSum=0；⑵A+2LP:nSum+=nCount；⑶⑹⑼A+3

nCount++；⑷⑺⑽A+4if(nCount<3)

gotoLP；⑸⑻⑾A+5

COUT>>nSum；⑿19

馮·諾依曼計算機模型。2）存儲器以二進制形式存儲指令和數據；3）存儲程序工作方式；4）五部件以運算器為中心進行組織。1）計算機由運算器、存儲器、控制器和輸入/輸出五個部件組成；20二、計算機硬件的基本組成1、計算機硬件的結構現代計算機均在馮·諾依曼模型基礎上進行改進*采用以存儲器為中心的結構：使數據傳送與數據處理并行，有利于提高系統(tǒng)性能存儲器輸出設備輸入設備結果程序數據控制器運算器直接存儲器訪問(DMA)技術緩沖器緩沖器緩沖技術821*由多種存儲器構成存儲系統(tǒng)：解決速度-容量-價格間的矛盾，有利于提高性能/價格主存(內存)輔存(外存)計算機硬件運算器控制器存儲器輸入設備輸出設備CPU主機I/O設備(外設)I/O設備主存儲器MM控制單元CUCPU算術邏輯單元ALU主機包含輔存(如DISK等)22*采用總線互連形式：實現部件操作標準化，有利于提高系統(tǒng)的可擴展性CPU主存I/O接口1…MEM總線I/O設備1I/O接口nI/O設備n總線橋I/O接口I/O設備…I/O接口I/O設備I/O總線非標準格式標準格式按地址訪問min{所連I/O設備速度}232、計算機部件的基本組成(1)存儲器*功能：存儲程序和數據、通過讀/寫操作接收/提供信息地址……存儲陣列I/O電路地址譯碼器……數據命令*組成：*完成操作的過程：讀操作—①接收地址及命令，內部操作；②輸出數據寫操作—①接收地址及命令；②接收數據，內部操作24(2)運算器*功能：實現算術運算及邏輯運算，并暫存運算結果*組成：寄存器組(堆)Func存儲器ALU寄存器型運算器ACFunc存儲器ALU累加器型運算器TEMP*(AC)+[Y]→AC的運算過程：

(0)(AC)為被加數AC存儲器ALUTEMPACFuncTEMP

(1)加數[Y]→TEMP(2)(AC)＋(TEMP)(3)ALU結果→AC△約定：(X)表示寄存器X中內容，[Y]表示存儲單元Y中內容25(3)控制器*功能：指揮及控制各部件協調地工作，以實現程序執(zhí)行過程

*程序執(zhí)行過程：

①循環(huán)的指令執(zhí)行過程(取指令及執(zhí)行指令)；②下條指令地址由當前指令產生(按程序邏輯順序)取指令取指階段分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行階段1026(4)輸入/輸出設備*功能：實現外部-內部信息的輸入/輸出及格式轉換；*種類：鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、磁盤等；*連接：通過I/O接口(又稱適配器或控制器)與總線連接，

I/O接口實現信息傳送時的緩沖、中轉等功能主存…系統(tǒng)總線主存控制器CPU用戶交互接口鍵盤、鼠標等磁盤適配器磁盤通信接口串口等總線接口BIU27三、計算機軟件的基本組成1、計算機軟件分類軟件分為系統(tǒng)軟件及應用軟件兩大類。語言處理程序數據庫管理系統(tǒng)服務性程序網絡管理程序操作系統(tǒng)科學計算信息管理自動控制人工智能虛擬現實實際機器軟硬件交界面系統(tǒng)軟件應用軟件虛擬機器應用語言環(huán)境高級語言環(huán)境匯編語言環(huán)境操作系統(tǒng)環(huán)境應用語言程序高級語言程序匯編語言程序操作系統(tǒng)命令串28四、計算機工作過程

計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程。圖1.4CPU組成以及和存儲器的連接

考查指令ADDNUM，R0的執(zhí)行過程。29程序執(zhí)行過程

*程序執(zhí)行的實現方法：--控制器指揮與控制①取指—(PC)→[MM]→IR，(PC)+“1”→PC；

②分析—(IR)→ID→CU；

③執(zhí)行—實現指令約定操作(指令轉移時重寫PC)；

④循環(huán)—若無中斷執(zhí)行的要求，轉①17*程序執(zhí)行的初始條件：

(a)程序及數據已存放在主存儲器MM中；

(b)PC內容已經為即將執(zhí)行的程序首條指令地址30§1.3計算機系統(tǒng)的性能指標一、計算機系統(tǒng)的性能指標*系統(tǒng)性能：指在計算機硬件上運行的計算機軟件的性能1、硬件性能參數*機器字長：指CPU一次能處理的二進制位數。

└→指ALU一次能處理的

n位CPU—指機器字長為n個二進制位的CPU；例如，Core2CPU為64位CPU對系統(tǒng)性能的影響—機器字長越長，數據處理性能越好；

(∵應用數據長度＞機器字長時，需分次運算)

對其它硬件的影響—直接影響ALU、REG長度，間接影響存儲字長、數據總線位數31*機器主頻：指CPU內部主時鐘脈沖的頻率，常用f

表示。

主頻單位—1GHz=1×103MHz=1×106KHz=1×109Hz；

*存儲容量：指存儲器可存儲二進制信息的總位數。主存容量—容量S

=存儲單元個數×存儲字長；

輔存容量—容量S

=存儲塊個數×存儲塊長度；最大主存容量—CPU能夠訪問的主存最大容量，它決定了CPU的地址和數據引腳數量時鐘周期—CPU內部基本操作的時長，常用TC表示；

f

與TC關系—倒數關系，即f

=1/TC容量單位—1GB=1×210MB=1×220KB=1×230B=8×230bit；

32特點—反映了多任務計算機系統(tǒng)的軟硬件總體性能△MIPS(每秒百萬次指令)表示—因工作量無統(tǒng)一定義，通常用MIPS及MFLOPS代替*吞吐量：又稱吞吐率，指單位時間內能處理的工作量，即吞吐量

=n個任務的總工作量÷n個任務的總時間

△MFLOPS(每秒百萬次浮點運算)*其他：RAS(可靠性/可用性/可維護)，兼容性等32

*響應時間：指一個任務從任務輸入到結果輸出的總時間，2、系統(tǒng)性能指標時間是唯一標準，主要有響應時間和吞吐量兩個指標。33§1.4計算機系統(tǒng)發(fā)展歷程一、計算機硬件的發(fā)展歷史第一代第二代第三代第四代第五代年代1946~19571958~19641965~19711972~19901991~元器件電子管晶體管SSI、MSILSI、VLSIULSI主存磁心半導體輔存紙帶、磁帶磁盤光盤字長4/88/16/3232/64速度(次/s)40,000200,0001,000,00010,000,000100,000,0001、計算機的產生與發(fā)展*發(fā)展趨勢：向大型機、微型機兩個方向發(fā)展*研究重點：器件技術、并行化結構342、微型計算機的產生與發(fā)展微處理器字長主頻地址線數數據線數其他年代80808實模式19748086164.77MHz201619788088164.77MHz208197980286166MHz2416保護模式1982803863212.5MHz3232虛擬8086模式、虛擬存儲器、Cache19