计算机组成原理-第一章-计算机系统概论.ppt

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1、概述,计算机组成原理：主要指计算机硬件的实现方法及工作原理 从三方面掌握本课程内容: 硬件结构: 从物理上 逻辑上掌握计算机各部件的构成和作用 实现方式: 硬件连接方式和内部处理方式(如控制器和运算器的实现方式) 工作原理: 计算机内部各部件工作过程,本课程的重要地位,计算机组成原理是计算机相关专业的核心专业课程，对后续课程(计算机网络，单片机，嵌入式)的学习十分重要，也是考研专业课。 通过本课程的学习主要掌握: 单处理机系统的组成及工作原理，分析说明计算机由哪些功能部件组成，结构，功能，以及他们如何完成各自分配的任务。 学习难点：内容多，结果复杂，数字逻辑是基础 学习方法：分析结构，弄清原理

2、，多做练习,主要内容,计算机系统概述 运算方法和运算器(数据的表示，编码。包括数值，非数值数据，整数，小数，汉字，校验码。 定点运算，浮点运算，逻辑运算） 存储器系统(存储器芯片的结构和功能，存储器的组成与连接，高速存储器，Cache) 指令系统(指令格式，寻址方式，典型指令) CPU(组成和工作原理，控制器的实现) 总线系统(总线的作用，分类，控制和通信) 输入输出系统(控制方式),2020/8/13,4,第一章 计算机系统概论,1.1计算机的分类 1.2计算机发展简史 1.3计算机的硬件 1.4计算机的软件 1.5计算机系统的层次结构,2020/8/13,5,1.1计算机的分类,一、电子计

3、算机从总体上来说分为两大类。 电子模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。 电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。,2020/8/13,6,1.1计算机的分类,数字计算机与模拟计算机的主要区别,2020/8/13,7,1.1计算机的分类,二、数字计算机分类 数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类： 专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。 通用计算机：通用计算机适应性很大，但是

4、牺牲了效率、速度和经济性。,2020/8/13,8,1.1计算机的分类,三、通用计算机分类 通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为： 超级计算机 大型机 服务器 PC机 单片机 多核机,演示,第一台von Neumann系统结构的计算机,IBM/360 集成电路 计算机小型化,超级计算机,IBM Roaddrunner(走鹊) IBM为美国能源部所属的国家核能安全管理部（National Nuclear Security Administration，NNSA）建立的超级电脑 129600个计算核心，最大平均速度1105000GFLOPS

5、,Cray XT5 Jaguar 美洲虎,美国Cray公司建造的一台超级电脑,位于橡树岭国家实验室造价一亿美金,整个系统的内存容量达到300TB，硬盘空间高达10PB 1PB=1024TB 1TB=1024GB 150152个计算核心，最大平均速度1059000GFLOPS,IBM JUGENE-Blue Gene/P(尤金),德国尤利希超级计算机中心所研制 ,294912个计算核心，最大平均速度 825500GFLOPS,SGI Pleiades系统,美宇航局埃姆斯研究中心 51200个计算核心，最大平均速度 487005GFLOPS,天河2号,在德国举行的2015年国际超级计算机大会上发布

6、全球超级计算机500强最新榜单，中国“天河二号”以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度第五次蝉联冠军 ,312万个计算核心, 1.404 PB内存，而外部存储器容量方面更是高达12.4PB. 天河二号逐步在生命科学、材料科学、大气科学、地球物理、宇宙、经济学，以及大型基因组组装、基因测序、污染治理等一系列事关国计民生的大科学、大工程中“大显身手”,1.2 计算机发展简史,1.2.1 计算机的五代变化 1.2.2 半导体存储器的发展 1.2.3 微处理器的发展 1.2.4 计算机的性能指标,2020/8/13,16,2020/8/13,17,1.2计算机发展简史,1.2.1 计算机的五代变化 第

7、一代为19461957年，电子管计算机：数据处理 第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控制 第三代为19651971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机 第四代为19721990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机 第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机,2020/8/13,18,1.2计算机发展简史,1.2.2 半导体存储器的发展 20世纪5060年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环 1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器 从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB

8、、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。 其中1K=210,1M=220,1G=230 ,1T=240, 1P=250,2020/8/13,19,1.2计算机发展简史,1.2.3 微处理器的发展 1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。 1974年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而设计的中央处理器。 2

9、0世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便是其中之一。 这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器。 Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。 到现在的64位处理器和多核处理器,Intel 公司的典型微处理器产品,8080 8位 1974年 6000个晶体管 8086 16位 1979年 2.9 万个晶体管 80286 16位 1982年 13.4 万个晶体管 80386 32位 1985年 27.5 万个晶体管 80486 32位 1989年 120.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1993年

10、 310.0 万个晶体管 Pentium Pro 64位（准） 1995年 550.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1997年 750.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1999年 950.0 万个晶体管 Pentium 64位 2000年 4 200.0 万个晶体管 2007 年 芯片上可集成 3 亿 5 千万 个晶体管 2012年 芯片上可集成 8 亿 个晶体管,1.2计算机发展简史,1.2.4 计算机的性能指标 吞吐量表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信 息量，单位是字节/秒（B/S）。 响应时间表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度 量，用时间单位来度

11、量，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。 利用率表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时 间所占的比率，一般用百分比表示。 处理机字长指处理机运算器中一次能够完成二进制数运 算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。字长越长，表示计算的精度越高。,2020/8/13,21,1.2计算机发展简史,1.2.4 计算机的性能指标 总线宽度一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内 部总线二进制位数。,2020/8/13,22,存储器容量存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、 MB、GB、TB来表示存储器容量越大，记忆的二进制数越多,存储器带宽存储器的速度指标，单位时间

12、内从存储器读出的 二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。,主频/时钟周期CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断 产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。例如Pentium系列机为60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。,1.2计算机发展简史,1.2.4 计算机的性能指标 主频的倒数称为时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒 1指令周期=n机器周期=nm时钟周期(顺序 环形脉冲发生器) CPU执行时间表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下 式计算： CPU执行时间 CPU时钟周期数 CPU时

13、钟周期长 CPI表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算： CPI MIPS表示每秒百万条指令数，用下式计算： MIPS ,2020/8/13,23,1.2计算机发展简史,1.2.4 计算机的性能指标 程序执行时间Te为： Te MFLOPS表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算： MFLOPS MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器 速度越快。 MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作 的性能，而不能体现机器的整体性能。GFLOPS (gigaFLOPS) 等于每秒10亿 (=109) 次 TFLOPS (teraFLOPS)

14、 等于每秒1万亿 (=1012) PFLOPS (petaFLOPS) 等于每秒1千万亿 (=1015)该技术指标一般 在超级计算机中使用。,2020/8/13,24,1.2计算机发展简史,1.2.4 计算机的性能指标 例1.1：对于一个给定的程序，IN表示执行程 序中的指令总数，tCPU表示执行该程序所需的CPU 时间，T为时钟周期，f为时钟频率（T的倒数）， NC为CPU时钟周期数。设CPI表示每条指令的平均 时钟周期数，MIPS表示每秒钟执行的百万条指令数 ，请写出如下四种参数的表达式：(1) tCPU(2) CPI(3) MIPS(4) NC,2020/8/13,25,1.2计算机发展

15、简史,2020/8/13,26,1.2.4 计算机的性能指标,1.3计算机的硬件,1.3.1 硬件组成要素 1.3.2 运算器 1.3.3 存储器 1.3.4 控制器 1.3.5 适配器与I/O设备,2020/8/13,28,2020/8/13,29,1.3计算机的硬件,1.3.1 硬件组成要素 通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理。 假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算y=ax+b-c这样一个题目。 解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。,2020/8/13,30,一、手工模仿计算机工作,指令格式,操作码 地址码 假设8种指令 需要 二进制代码 加法 00

16、1 减法 010 乘法 011 除法 100 取数 101 存数 110 打印 111 停机 000,3位,指令和数据在存储器中用二进制代码存储,1 101 1001 2 011 1100 3 001 1010 4 010 1011 5 110 1101 6 111 *(?) 7 000 *(?) 8 9 a 10 b 11 c 12 x 13 y,编程举例,计算 ax2 + bx + c 取x 至运算器中 乘以x 在运算器中 乘以a 运算器中 存ax2 在存储器中 取b 至运算器中 乘以 x 在运算器中 加ax2 在运算器中 加c 在运算器中,= (ax + b)x + c 取x 至运算器中

17、 乘以a 在运算器中 加b 在运算器中 乘以x 在运算器中 加c 在运算器中,计算 ax2 + bx + c 程序清单,2020/8/13,35,1.3计算机的硬件,二、数字计算机基本组成 控制器：人的大脑的操作控制功能 运算器：人的大脑的计算功能 存储器：人的大脑记忆功能 输入设备：交互接口，笔 输出设备：交互接口，纸,2020/8/13,36,1.3计算机的硬件,三、冯诺依曼型计算机 存储程序 按地址自动执行 五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备 以运算器为中心,2020/8/13,37,1.3计算机的硬件,冯诺依曼型计算机,存储器,输出,输入,运算器,控制器,数据信号

18、,控制信号,地址信号,1.3 计算机的硬件,计算机的组成结构,2020/8/13,38,2020/8/13,39,1.3计算机的硬件,1.3.2 运算器 算术运算和逻辑运算 在计算机中参与运算的数是二进制的 运算器的长度一般是8、16、32或64位,2020/8/13,40,1.3计算机的硬件,1.3.3 存储器 存储数据和程序（指令） 容量（存储单元、存储单元地址、容量单位） 分类内存（ROM、RAM）、外存 存储器单位： 1KB 210B 1MB 220B 1GB 230B 1TB 240B,2020/8/13,41,1.3计算机的硬件,1.3.4 控制器 指令和程序:指令的形式（操作和地

19、址码、存储程序的概念、指令中程序和数据的存放、指令系统） 指令和数据存储,2020/8/13,42,1.3计算机的硬件,七、控制器的基本任务 控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期 控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。,2020/8/13,43,1.3计算机的硬件,1.3.5 适配器与I/O设备 输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式 输出设备：把计算机处理的结果变

20、换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式 适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作 总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。 总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也是人们常说的计算机硬件。,2020/8/13,44,1.4计算机的软件,1.4.1 软件的组成与分类 计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机系统中不可少的无形部件。主要有两大类： 系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类：

21、各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等 操作系统 数据库管理系统 应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等,2020/8/13,45,1.4计算机的软件,1.4.2 软件的发展演变 编程语言的发展 手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码 汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编 高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解释程序 系统软件的发展 操作系统 分布式系统软件,2020/8/13,46,1.5计算机系统的层次结构,1.5.1 多级计算

22、机系统 计算机不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计，如图所示。,2020/8/13,47,1.5计算机系统的层次结构,五级计算机层次系统 第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。如果某一个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。 第二级是一般机器级，也称为机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。 第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。

23、第四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。 第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。,2020/8/13,48,1.5计算机系统的层次结构,1.5.2 软件与硬件逻辑等价性 随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统的软、硬件界限已经变得模糊了。因为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。 任何操作可以由软件来实现也可以有硬件来实现（设计计算机系统时，应考虑各个方面的因素：价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期） 实体硬件机功能的扩大 固件的概念（功能上是软件，形态上是硬件）,返回,2020/8/13,49,本章小结,计算机系统的 基本概念 构成：硬件和软件 层次结构 计算机系统的基本工作原理 计算机的基本组成部分 五大部件 冯诺依曼型计算机特点 计算机发展特点,返回,