第一章计算机系统概论.ppt
计算机组成原理于哲舟,第一章 概论,计算机的基本概念系统硬件组成（主要部件、系统结构）计算机的性能指标,本 章 主 要 内 容,1.1 计算机概况,计算机的分类电子模拟计算机电子数字计算机专用计算机通用计算机超级计算机大型机服务器工作站微型机单片机,1.1计算机概况,计算机的应用科学计算自动控制测量和测试信息处理商务处理管理应用教育和卫生家用电器人工智能,1.1.1 冯 诺依曼思想（Von Neumann）,计算机的本质是信息处理的机器；信息处理的过程：1、原始信息的输入；输入设备2、信息存储；存储设备3、信息加工、处理；运算器4、加工后的结果信息的输出；输出设备5、对14过程的控制。控制器,1.1.1 冯 诺依曼思想（Von Neumann）,用二进制代码表示程序和数据计算机采用存储程序的工作方式计算机硬件由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备组成,输入设备,主存储器,输出设备,运算器,控制器,外存储器,存储器,外设,CPU,主机,数据,控制,地址或指令,1.1.2 计算机的硬件,运算器进行处理和算术运算和逻辑运算的部件。,1.1.2 计算机的硬件,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,存储器用来存放程序和数据的部件。计算机能够实现“存储程序控制”的基础。,1.1.2 计算机的硬件,M,地址01234567,存储单元,存储器用来存放程序和数据的部件。计算机能够实现“存储程序控制”的基础。,中央处理器,高速缓冲存储器,内存储器,外存储器,三级存储系统,1.1.2 计算机的硬件,控制器 1）功能：产生控制命令(微命令)，控制全机操作。2）组成：,微命令序列,控制器整个计算机的指挥中心，按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。计算程序 例：计算a+b-c=？解题步骤取数a，暂存 完成a+b，暂存完成a+b-c，暂存存储最终结果停止,1.1.2 计算机的硬件,计算a+b-c的程序,计算机的工作过程,例:计算a+b-c=?,输入设备把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去,并且将它们转换成计算机所能识别和接受的信息方式。键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。打印机、显示器等。,1.1.2 计算机的硬件,大、中型机的典型结构,第一台（电子管）电子计算机,ENIAC-Electronic Numerical Integrator And Computer重量：30吨；大约18000个电子管；占地：15000平方英尺；耗电140千瓦；速度：5000次加法/秒；10进制；插线和开关方式编程；20个存储单元,冯 诺依曼（Von Neumann）,第一台电子计算机ENIAC的两位实际研制者是莫契利-Mauchly和埃克特-Eckert，在美国军方的资助下，在1946年完成。为什么现在的计算机称为冯 诺依曼机呢？作为ENIAC 项目顾问提出了一个新的计算机体系结构方案。并在1945年公布于众。,莫契利：发明ENIAC的美国科学家John W.Mauchly。,埃克特发明ENIAC的美国科学家Eckert,计算机发展史上的重要里程碑,存储程序概念的提出 1945，冯诺依曼（John Von Naumann）“存储程序控制计算机结构”(即诺依曼机）五大部件采用二进制程序和原始数据先存入存储器，然后再启动计算机工作。奠定了现代计算机的体系结构,计算机的发展是伴随着微电子器件的发展而发展的。电子管(真空管)20世纪初1904，英国人，弗莱明，真空二极管。1906，德福雷斯特，真空三极管。体积大功耗高寿命短可靠性差,计算机的发展史,电子管计算机（194650年代后期）存储器：延迟线、磁芯无高级语言，甚至没有汇编器服务领域：科学计算、军事、尖端科技。,计算机的发展史,1906年发明电子管；1946年制造了电子管计算机,1946年2月14日，标志现代计算机诞生的ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)在费城公诸于世。ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑。ENIAC由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发，,使用了18000个电子管，占地1800平方英尺，耗电180千瓦，其运算速度为每秒5000次。它通过不同部分之间的重新接线编程，还拥有并行计算能力。它使用于1946到1955年，被公认为第一台成功的高速电子数字计算机。,计算机的发展史,晶体管计算机（1958年60年代中期）运算速度每秒几十万次磁芯存储器内存容量10万单元以上服务领域：军事、尖端技术、气象、工程设计、数据处理、科学研究等。,1947年发明晶体管；特点体积小功耗低可靠性高,计算机的发展是伴随着微电子器件的发展而发展的。集成电路芯片(Integrated Circuits)（1959年）基尔比“第一块集成电路的发明家”诺依斯“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。特点速度快功耗低可靠性高,计算机的发展史,计算机的发展史,中、小规模集成电路计算机（1965年70年代前期）功耗、体积、价格等进一步下降速度及可靠性相应的提高范围进一步扩大大规模、超大规模集成电路计算机（1971年80年代后期）半导体存储器大容量、高集成度、高速度 70年代初，出现了微型计算机计算机进入了几乎所有的行业,计算机的发展史,计算机的发展是伴随着微电子器件的发展而发展的。集成电路芯片(Integrated Circuits)（1959年）按晶体管集成度SSI(小规模集成电路)100个以下MSI(中规模集成电路)1003000LSI(大规模集成电路)30003万VLSI(超大规模集成电路)10万1亿ULSI(甚大规模集成电路)1亿以上,计算机的发展史,甚大规模集成电路计算机（1986年）20世纪90年代初，计算机进入第五代。主要标志集成度：单片集成百万晶体管以上超标量技术的成熟与应用极大规模集成电路计算机集成度：单片集成1亿10亿晶体管,计算机的发展史（1种观点）,巨型化 运算速度更高、存储容量更大、功能更强。,微型化 微型计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中。笔记本型、掌上型等受到人们的欢迎。,网络化 计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。计算机网络在现代企业的管理中发挥着越来越重要的作用。,智能化 可以模拟人的感觉行为和思维过程的机理，进行“看”、“听”、“说”、“想”、做”，具有逻辑推理、学习与证明的能力。,计算机的发展趋势,1965，Intel公司的创办人摩尔发现：“在相等面积(制作成本)上，CPU上的晶体管数量以每18个月倍增的趋势增加，执行性能的提升大体也符合这个趋势。”,摩尔定律,第四代计算机（1970-1990）全面使用大规模集成电路克雷公司的Cray系列 ILLIAC-IV计算机IBM公司的370系列等日本富士通公司的M系列,计算机发展史上的重要里程碑,微型计算机的出现 1971，Intel公司推出了微处理器芯片。1981年8月12日，IBM在纽约宣布IBM PC个人电脑出世。,计算机发展史上的重要里程碑（对我国影响较大的系列机-IBM PC）,1983春季:IBM XT机发布，增加了10兆的硬盘。IBM XT was released.It had a 10Mb hard disk,1.2计算机系统的组织1.以总线为基础的系统结构 总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。,总 线,总 线,功能 内总线 局部总线 系统总线 外总线,信息 地址总线 数据总线 控制总线,时序 同步总线 异步总线,格式 并行总线 串行总线,方向 单向总线 双向总线,（1）以CPU为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,I/O 总线,M 总线,（2）单总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,（3）以M为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,M 总线,（4）多级总线结构,CPU,RAM,ROM,公共接口,总线控制逻辑,M扩展板,I/O接口板,局部总线,系统总线,2.采用通道或IOP的大型系统结构（1）带通道的系统,I/O控制器,主机,I/O,通道,（2）带IOP的系统,CPU,M,接口,I/O,IOP,LM,接口,I/O,系统总线,I/O总线,3.模型机系统结构,系 统 总 线,CPU,M,公共接口,接口,接口,I/O,I/O,第三节 计算机系统性能指标,1.基本字长 指操作数的基本位数。它影响计算精度、指令功能。2.存储容量（1）主存容量 指存储单元个数位数。,决定地址位数,表明编址单位,表示为:字数字长(按字编址)或 字节数(按字节编址),（2）外存容量 常表示为字节数。外存容量与地址码位数无关。,3.运算速度（1）定点/浮点四则运算时间（2）每秒平均执行的指令条数（MIPS）（3）CPU时钟频率（MHz）,总线位数总线时钟频率 8,5.处理功能（1）指令系统功能(寻址方式、指令 类型)（2）系统软件配置,总线带宽=,4.数据传输率,（B/S）,计算机系统性能指标（常用名词）,1、CPI-Clock cycle Per Instruction 2、MIPS-Million Instructions executed Per Second,每秒平均执行的（百万条）指令数3、MFLOPS-Million Floationg-point Operations per Second,每秒百万个浮点操作 吞吐量响应时间CPU时钟周期CPU执行时间主频,CPU性能公式,在前面我们利用 Amdahl定律比较两种改进FPSQR操作的效果时，需要知道FPSQR硬件方法和改进FP操作的时间，有时候要直接测出这些时间比较困难。这里我们介绍CPU性能公式方法，即把CPU的执行时间分解成三个独立的部分。如果我们能知道某种方案对这三部分是如何影响的，那么就能知道采用这种方案时整个系统的性能了。我们知道大多数计算机的时钟速度是固定的，它的运行周期称为时钟周期。时钟可以用时钟周期的长度（如2ns）或其频率（如500MHZ）来表示。一个程序所花的CPU时间可以用两种方式来表示：或CPU时间=CPU时钟周期数*时钟周期长除了用时钟周期数来表示一个程序的执行时间外，还可以用指令的条数（IC）来表示一个程序的执行时间。如果我们知道了执行的指令条数和所用的时钟周期数目，就可以算出每条指令的平均时钟周期数CPI：代换可得：CPU时间=IC*CPI*时钟周期长度 上式表明，CPU的性能取决于三个要素：时钟频率；每条令所花的时钟周期数；指令条数IC。时钟频率-取决于硬件技术和组织CPI-取决于系统结构组织和指令集指令数目-取决于系统结构的指令集和编译技术有些时候，在CPU的设计中要用到下面一个计算CPU时钟周期总数的方法：其中Ii表示i指令在程序中执行的次数，CPIi表示i指令所需的平均时钟周期数，这个式子可用来表示CPU时间为：其中n为指令种类数。CPI表示为：其中，Ii/IC表示i指令在程序中所占的比例。,1.3 计算机的软件,软件的组成与分类 服务性程序 系统软件 语言处理程序软件 操作系统 数据库管理系统 应用软件,1.3 计算机的软件,计算机语言机器语言：由0/1代码组成，计算机能够直接识别。汇编语言：由助记符组成。高级语言,汇编语言源程序,汇编,机器语言目标程序,高级语言源程序,编译,机器语言目标程序,解释,边解释边执行,多层次结构,1.4 计算机系统的层次结构,实际机器,虚拟机器,系统软件,应用软件,多级层次结构中的各级虚拟机层次体现出各自不同的功能。第3级（操作系统级）：由操作系统程序实现。第4级（汇编语言级）：由汇编程序支持和执行第5级（高级语言级）：由高级语言的翻译程序支持和执行。高层用户不必关心下层具体的工作和实现，只需通过该级语言来了解和使用计算机即可。例：高级语言级的用户可以不了解机器的具体组成，不必熟悉指令系统，直接用所指定的语言编程即可。虚拟计算机是由软件实现的计算机。,虚拟机的概念,软件与硬件的逻辑等价性,一个完整的计算机系统包含硬件系统和软件系统两大部分。计算机系统=硬件+软件硬件和软件是相辅相成的，不可分割的整体。硬件和软件互相渗透、互相融合。硬件软化软件硬化固件：1967年，美国人A.Opler提出。存储在能永久保存信息的器件中的程序，是具有软件功能的硬件。,不同对象观察到的计算机硬件系统,一般用户,不同对象观察到的计算机硬件系统,专业用户,不同对象观察到的计算机硬件系统,计算机设计者,end chpter 1,
