1、計算機組成原理,白中英 主編 科學(xué)出版社,計算機核心專業(yè)課程,2020年8月25日3時25分,主要參考書,主教材： 計算機組成原理白中英 主編科學(xué)出版社 參考教材： 1計算機組成原理（第2版）唐朔飛 高等教育出版社 2計算機組成與結(jié)構(gòu)王愛英清華大學(xué)出版社 3. 計算機組成原理 薛勝軍 華中科技大學(xué)出版社,2020年8月25日3時25分,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(shè)備 第八章 輸入輸出系統(tǒng),2020年8月25日3時25分,第一部分 概論,1.4 本書結(jié)構(gòu),第二部分 計算機系統(tǒng)硬件

2、結(jié)構(gòu),第三部分 CPU,第四部分 CU,2020年8月25日3時25分,第一章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu),簡介 計算機的發(fā)展 計算機體系結(jié)構(gòu)和組織 計算機的硬件結(jié)構(gòu) 計算機軟件 計算機的層次結(jié)構(gòu) 計算機的功能 計算機的技術(shù)指標(biāo),2020年8月25日3時25分,概 述 計算機分類： 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(yīng)性差 通用機：適應(yīng)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,2020年8月25日3時25分,按用途分類,通用機：通用性強，綜合能力強

3、，解決各種問題,專用機：特殊配置，功能單一，解決特定問題,按綜合性能指標(biāo)分類,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 ” 達每秒130億次,大型機：大型、通用、較快、較強 作“客戶機/服務(wù)器”的服務(wù)器 作“終端/主機”的主機,小型機：規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計試制周期短 工藝先進、使用維護簡單,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(luò)計算機：基于Java技術(shù)的瘦客戶機系統(tǒng),2020年8月25日3時25分,2020年8月25日3時25分,計算機的發(fā)展,Charles Babbag

4、e,1822 差分機,1833 分析機,MARK I,ENIAC,計算機發(fā)展史,2020年8月25日3時25分,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 Numerical Integrator And Calculator）誕生于1946年2月15日，是美國賓夕法尼亞大學(xué)摩爾理工學(xué)院的摩切利和?？ㄌ匕l(fā)明的。 計算機應(yīng)用于科學(xué)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(wù)等多種領(lǐng)域。,2020年8月25日3時25

5、分,計算機的發(fā)展第一臺電子計算機（ENIAC）,計算機發(fā)展史,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,2020年8月25日3時25分,2020年8月25日3時25分,計算機的發(fā)展,2020年8月25日3時25分,各時代 代表機型,2020年8月25日3時25分,計算機總體發(fā)展,2020年8月25日3時25分,微電子與計算機,2020年8月25日3時25分,計算機的應(yīng)用,計算機的應(yīng)用類型 1. 科學(xué)計算2. 過程控制3. CAD/CAM/CAT4. 數(shù)據(jù)處理5. 電子商務(wù)6. 多媒體技術(shù) 7. 人工智

6、能,計算機的主要應(yīng)用領(lǐng)域 1. 工商：電子商務(wù)、CAD/CAM2. 教育：多媒體教育、遠程教育3. 醫(yī)藥：CAT、MRI、遠程醫(yī)療4. 政府：電子政府5. 娛樂：虛擬現(xiàn)實、電影特技 6. 科研：數(shù)據(jù)采集、計算分析7. 家庭：家庭信息化,2020年8月25日3時25分,計算機的技術(shù)指標(biāo),字長：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(biāo)志著計算精度。 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(shè)備的配備和功能強大的操作系統(tǒng)和程序設(shè)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(biāo)。,2020年8月2

7、5日3時25分,計算機的技術(shù)指標(biāo),以性能/價格比為核心 性能的衡量標(biāo)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(shè)計的一些原則,2020年8月25日3時25分,計算機體系結(jié)構(gòu)和組織,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。,指令集（instruction set）,軟件,硬件,2020年8月25日3時25分,電子計算機的設(shè)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

8、程序； “程序控制”是當(dāng)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(yù)定的信息處理任務(wù)。 馮 諾依曼型計算機的設(shè)計思想：存儲程序并按地址順序執(zhí)行。,2020年8月25日3時25分,一.硬件系統(tǒng) 存儲器 運算器 控制器 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 二.軟件系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件：OS，語言處理，服務(wù)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(yīng)用軟件：工程設(shè)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。,2020年8月25日3時25分,運算器：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）。 控制器：控制

9、計算機有條不紊地執(zhí)行程序的部件。 程序控制 輸入設(shè)備：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(shè)備。 輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其它設(shè)備所能接收和識別的信息形式的設(shè)備。,2020年8月25日3時25分,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,輸入輸出接口和總線,外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,第三單元,第四單元,第二單元,第一單元,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu),2020年8月25日3時25分,運 算 器,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu),2020年8月25日3時25分,運 算 器,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu),運算器部件是計算機中進行數(shù)據(jù)加工的部件，其

10、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(dān)。 3. 運算器通常也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?。,2020年8月25日3時25分,控 制 器,運 算 器,計算機硬件系統(tǒng),2020年8月25日3時25分,控 制 器,運 算 器,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu),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

11、種異常情況和請求及時響應(yīng)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,2020年8月25日3時25分,外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu),2020年8月25日3時25分,外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu),由高速緩沖存儲器，主存儲器， 外存儲器所組成的多級（層）存儲器 系統(tǒng)，是計算機中用于存儲程序和數(shù) 據(jù)的子系統(tǒng)。 這三級存儲器所用的 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。,2020年8月25日3時25分,輸入設(shè)備,外存設(shè)備,主存儲器,

12、高速緩存,控 制 器,運 算 器,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu),2020年8月25日3時25分,輸入設(shè)備是向計算機中送入程序和數(shù)據(jù)的有一定獨立功能的設(shè)備，通過接口和總線與計算機主機連通，用于人機交互聯(lián)系,如計算機鍵盤和鼠標(biāo)等。,輸入設(shè)備,外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu),2020年8月25日3時25分,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu),2020年8月25日3時25分,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu)

13、,輸出設(shè)備是計算機中用于送出計算機內(nèi)部信息的設(shè)備,例如打印機, 顯示器等。,2020年8月25日3時25分,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu),這些部件和設(shè)備通過總線和接口連接在 一起, 構(gòu)成計算機整機系統(tǒng) ,協(xié)同運行.,2020年8月25日3時25分,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,輸入出接口和總線,外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,第三單元,第四單元,第二單元,第一單元,計算機的硬件結(jié)構(gòu),2020年8月25日3時25分,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）,3.

14、指令的執(zhí)行,有序的指令集合。,2. 程序,內(nèi)存,指令,取指周期：,執(zhí)行周期：,控制信號,有關(guān)部件動作,CPU譯碼,CPU,4. 程序的執(zhí)行 CPU不斷地取指令，執(zhí)行指令。,操作碼,操作數(shù),2020年8月25日3時25分,2、計算機軟件 軟件 = 程序 + 數(shù)據(jù)+文檔,2020年8月25日3時25分,(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,統(tǒng)一管理和調(diào)度資源，提高使用效率和經(jīng)濟效益,不需了解軟硬件細節(jié)，提高工作效率,目的,2020年8月25日3時25分,(2) 實用程序,診斷程序：SCANDISK,反病毒程序：KV 300、金山毒霸,備份程序：

15、Windows 2000中的備份程序,文件壓縮程序:ARJ WinZip,卸載程序：Windows中的添加/刪除程序,操作系統(tǒng)自己帶一些,第三方開發(fā),2020年8月25日3時25分,(3) 語言處理程序,源程序,可執(zhí)行程序,目標(biāo)程序,編輯程序,匯編或編譯程序,聯(lián)接程序,機器語言,高級語言,匯編語言,面向過程：BASIC、Pascal、 FORTRAN、C等,面向?qū)ο螅篊+ 、 Java、Visual Basic等,面向問題的語言,2020年8月25日3時25分,計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),第1層 微程序設(shè)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,2020年

16、8月25日3時25分,計算機的層次結(jié)構(gòu),第一層：微程序設(shè)計級 硬件級，由機器硬件直接執(zhí)行微指令。 它由機器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級上運行應(yīng)用程序。,2020年8月25日3時25分,計算機的層次結(jié)構(gòu),第二層：一般機器級，也稱機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。 這一級也是硬件級。,2020年8月25日3時25分,計算機的層次結(jié)構(gòu),第三層： 操作系統(tǒng)級，也稱為機器語言級，由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。操作系統(tǒng)是由機器指令和廣義的指令組成。 廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。,2020年8月25日3時25分,計算機的層次結(jié)構(gòu),第四層：匯編語言層，它由匯編程序支持和執(zhí)行。 它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫時，則機器必須要有這