计算机组成原理-概述.ppt

《计算机组成原理-概述.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理-概述.ppt（69页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、计算机组成原理,主 编：徐福培 任课教师：张朋办公室：A3-303Tel:15335198029 87190048(办）Email:,开头的话告别酷热难熬的夏天回到花香鸟语的校园计算机世界无穷奥秘等待我们去探索国家呼唤创新性人才，呼唤自主知识产权怎么办时刻牢记:国家的期盼,任重而道远我们要有克服一切困难的决心我们要有战胜一切敌人的气概金城金城,金戈铁马,众志成城,为什么要学习这门课？相当于问：医生为什么要学人体解剖？基本素质,课程性质与地位：专业主干课，基础必修课，承上启下,课程目的与任务：建立计算机硬件系统的完整概念，以单机系统为研究对象，阐述计算机系统的硬件组成以及各部件的工作原理。通过本

2、课程学习，可以掌握设计计算机系统的基本原理和方法，为培养学生对计算机系统的分析、设计、开发和使用能力打下基础。,课程主要内容,1、计算机系统概论,2、逻辑电路设计基础,3、信息编码和数据表示,4、计算机算法和算法逻辑实现,5、存储器,6、计算机指令构成和寻址方式,7、处理机设计,8、流水线处理机,9、存储系统,11、输入输出系统,10、输入输出设备,怎样学好这门课？多思考，勤练习。,很重要的计算机类专业技术基础课，不太难。一课不拉，凡缺课在下次课前及时补上，否则将受自然规则的惩罚。笔记本-记课堂内容教材中找不到的；参考书-拓展知识面，好的解题方法。期末考试成绩70%。平时成绩30%。包括：作业

3、-按时交作业者，10分/题；不按时者，5分/题。鼓励多做习题，多做多得。课堂提问-基本答对者，10分/次；基本不会者，0分；旷课者，-10分；交头接耳者，-10分。鼓励抢答，参与竞争。上课时手机请拨到静音。,学习，改变命运学习，成就未来,第一章 概 述,本章学习导读：（1）什么是电子计算机？（2）它由哪几部分组成？（3）其特点又是什么？（4）在它的发展历程中经历了哪几代？,计算机是一种能对数字化信息进行自动高速运算的通用处理装置。,11 计算机的定义和特性,信息 运算 处理,1.1.1 什么是计算机,1.1.2 计算机的特性,计算机的特性可以归纳为高速、通用、准确、智能四大特性。,尽管各种计算

4、机的规模、性能和价格相差很大，但它们的组成和工作原理都是类似的。,1.1.3 计算机的功能,计算机的基本功能主要包括以下4个：数据处理 数据存储 数据传送 控制,指令,12 计算机的发展,1.2.1 电子计算机的诞生,第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年在美国诞生。,每秒5000次加法运算；每秒50次乘法运算；平方和立方计算；Sin和Cos函数数值运算；其它更复杂的计算。,第一台电子计算机,世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的”ENIAC”占地上百平方米重量几千吨功

5、耗几十千瓦 意义？,ENIAC,ENIAC,ENIAC,计算机发展历程时间 技术水平 典型机和主存储器 执行速度 次/秒4657 第一代 ENIAC 5000 电子管 延迟线或磁鼓 5664 第二代 IBM7600 20万 晶体管 磁芯6571 第三代 IBM360 100万1000万 MSI,SSI 半导体 IBMPC8088-72至今 第四代 Pentium 1000万1亿 LSI,VLSI 半导体 P4主频3.4GHz,通用微处理器,4位微处理器1971年，Intel 4004，第一个微处理器8位微处理器M6800、Z80和Intel 8080/8085Apple公司苹果机16位微处理器

6、Intel 8086/8088 16位个人计算机（PC：Personal Computer）32位微处理器80386，80486，PentiumPentium 432位PC机，APPLE公司的Macintosh机64位微处理器,专用微处理器,单片机（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列爱特梅尔（Atml）公司的AT89系列（与MCS-51兼容），AT91系列（基于ARM内核）Microchip Technology公司的PIC系列数字信号处理器（DSP）专注于数字信号的高速处理美国德州仪器TI公司TMS320各代产品主要应用于通信、消费

7、类电子产品和计算机主要应用形式：嵌入式系统IP级结构，芯片级结构，模块级结构,8086,16位结构的微处理器：数据总线为16位主存容量1MB：地址总线为20位时钟频率5MHz（IBM PC使用4.77MHz）准16位微处理器8088：外部数据总线为8位IBM PC和PC/XT机使用Intel 8088 CPU处理器总线（Bus）微处理器的对外引脚（Pin）数据、地址和控制三组信号电源和地线,处理器总线,数据总线（DB：Data Bus）处理器与存储器或外设交换信息的通道个数（条数）是一次能够传送数据的二进制位数 地址总线（AB：Address Bus）指定存储器或外设的具体单元个数反映访问的主

8、存储器容量或外设范围控制总线（CB：Control Bus）控制处理器数据传送等操作,一个信号两种状态（高或低）两种编码（1或0）,N：2N,地址就是号码,80286,16位数据总线，24位地址总线（16MB主存）实方式（Real Mode）与8086工作方式一样保护方式（Protected Mode）提供存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支持IBM PC/AT机使用Intel 80286 CPU,1KB210 B1024 B1MB220 B1024 KB1GB230 B1024 MB,20：22024：22432：232,80386,32位结构数据总线32位，地址总线32位，可寻址4GB主

9、存虚拟8086方式（Virtual 8086 Mode）保护方式下的8086工作方式系统管理方式（System Management Mode）低功耗节能状态,英特尔32位结构：IA-32（Intel Architecture-32）IA-32微处理器：80386，80486，Pentium系列,80486,8048680386803878KB Cache浮点处理单元FPU8086/8088：8087，80286：80287，80386：80387高速缓冲存储器Cache微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器用于提高整个存储器系统的存取速度复杂指令集计算机CISC融合精简指令集计算机RI

10、SC的技术特点，例如：指令流水线指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行多条指令可以在不同的执行阶段同时进行,Pentium,俗称的80586微处理器，奔腾微处理器32位结构，连接主存的外部数据总线却是64位超标量（Superscalar）技术具有可以并行工作的2条整数处理流水线，可以达到每个时钟周期执行2条指令双路高速缓冲结构8KB代码高速缓冲存储器8KB数据高速缓冲存储器,Pentium Pro,原称P6，中文名称为“高能奔腾”两个芯片组成CPU一级（L1）Cache（8KB代码和8KB数据）二级（L2）Cache（256KB或512KB）扩展的超标量技术12级指令流水线能同时执行3条

11、指令动态执行技术分支预测、数据流分析和推测执行,Pentium II,多媒体扩展指令（MMX指令）MMX（MutliMedia eXtension）整数运算多媒体指令对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化提升微机对多媒体的处理能力Pentium MMX（多能奔腾）：MMX指令应用于Pentium处理器Pentium II：MMX指令应用于Pentium Pro,Pentium III,数据流SIMD扩展指令（SSE指令）SSE（Streaming SIMD Extensions）浮点单精度多媒体运算指令提高浮点3D数据的处理能力。SSE指令类似于AMD公司发布的3D Now!指令Penti

12、um III：SSE指令应用于Pentium II 单指令多数据SIMDSingle Instruction Multiple Data表示一条指令具有同时处理多组数据的能力,Pentium 4,NetBurst的微结构（Microarchitecture）指令级并行ILP（Instruction-Level Parallel）进一步发掘指令之间可以同时执行的能力超线程HT（Hyper Threading）线程级并行TLP（Thread-Level Parallel）发掘程序中的并行性一个物理处理器形成两个逻辑处理器SSE2指令增强浮点双精度多媒体运算能力SSE3指令增强和完善MMX，SSE和

13、SSE2指令,Intel 80 x86微处理器,Celeron（赛扬）微处理器面向低端（低价位）PC机Xeon（至强）微处理器面向高端服务器、工作站AMD微处理器AMD公司生产的IA-32微处理器兼容芯片Intel公司最主要的竞争对手双核微处理器单芯片多处理器SMP技术Intel的Pentium D：单芯片双Pentium 4核心64位微处理器AMD的K8核心：兼容IA-32的64位微处理器Intel的EM64T（扩展64位技术）：IA-32的64位扩展,1982当时我国普遍应用的计算机上的光电阅读机,HP 笔记本计算机,摩尔定律（Intel公司创始人之一摩尔1965年提出）：“由于硅技术的发

14、展，每18个月，集成电路的集成度将翻一番，速度将提高一倍，而其价格将降低一半。”重要意义：不断改进技术，提高质量，降低成本；为计算机硬件发展与使用的普及创造了条件；促进了软件业的发展。面临的难题：传统工艺难以适应；“门”越来越窄而难以关闭；搀质的使用接近极限；传统材料难以适应。,1.4.6 新一代计算机,新器件，非冯诺依曼结构,知识处理已成为新一代计算机的公认标志。新一代计算机与前四代计算机的本质区别是：计算机的主要功能将从信息处理上升为知识处理，使计算机具有人类的某些智能，所以又称为人工智能计算机。,从80年代开始，日本、美国和欧洲纷纷进行第五代计算机的研制工作，目前第五代计算机有以下几个研

15、究方向：,（2）生物计算机运用生物工程技术，蛋白分子作芯片，可以使计算机体积更小，存储量更大，智能化更强；,（1）神经网络计算机模拟人的大脑思维，可同时并行处理大量实时变化的数据，并引出结论；,小知识：生物计算机一旦研制成功，其运算速度是目前传统计算机根本无法比拟的，它几十小时的运算量就相当于目前全球所有计算机运算量的总和。生物计算机的存储量也大得惊人。科学家采用有机的蛋白质分子构成的生物芯片代替由无机材料制作的硅芯片，其大小仅为现在所用的硅芯片的十万分之一，而集成度却极大地提高，如用血红素制成的生物芯片，1平方毫米能容纳10亿个门电路，其开关时间达到10微微秒。此外生物芯片具备的低阻抗、低能

16、耗的性质使他们摆脱了传统半导体元件散热的困扰。,生物计算机的元件密度比人的神经密度还要高100万倍，而且其传递信息的速度也比人脑进行思维的速度快100万倍。它快捷，又准确，可以直接接受人脑的指挥，成为人脑的外延或扩充部分，它以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量，而不需要外界的任何其他能量。（3）光计算机用光作为信息载体，通过对光的处理来完成对信息的处理，可提高运算速度、降低耗能。,13 计算机的组成与结构 计算机的体系结构：指涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所见到的计算机系统的软件属性，是计算机的外特性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。如指令系统格式，寻址方式等。计算机 组成:是在依

17、据计算机体系结构确定并且分配了硬件子系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体硬件组成、它们之间的连接关系、实现机器指令级的各种功能和特性。如CPU，存储器等。两台计算机可以有不同组成而具有相同结构，则目标代码可通用。,1.3.1 计算机系统的层次结构,计算机系统层次结构,本课讨论的范围涉及第0、1、2共3层，主要内容如下：1.高速的算术、逻辑运算方法及ALU的逻辑设计；2.高速的指令执行过程及指令部件的设计与实现，是采用组合逻辑技术、或微程序设计技术，还是 PLA技术；是复杂指令集计算机（CISC），还是 精简指令集计算机（RISC）；3.提高存储器容量与速度的方法，以及如何解

18、决“CPU-Cache-MM-外存”之间的匹配问题；4.高效率的输入/输出方法、组织，以及它们之间的 互联技术；5.计算机五大部件（运算器、控制器、存储器、输入 和输出）之间的相互作用、高效接口（总线）；,1.3.2 计算机硬件(Hardware),计算机硬件是指构成计算机的元器件、部件、设备、以及它们的设计与实现技术。,冯诺依曼计算机的主要特点：,1）计算机由运算器、存储器、控制器和输入/输出五个 部件组成。,主要部件基本功能,1 输入设备 Input devices：从计算机外部输入信息,2 存储器 Memory Unit：存放数据、指令等,4 控制器 Control Unit(CU)：分

19、析指令，控制指令的执行，协调其它部件工作,3 运算器 Arithmetic and Logic Unit(ALU)：执行算术、逻辑运算,5 输出设备 Output devices：将加工后的信息输出,2）使用二进制数形式表示指令和数据；,3）存储程序工作方式；存储程序的基本思想是：计算机要自动完成解题任务，就必须事先设计好用于描述计算机解题过程的程序，如同数据一样，程序采用二进制数形式存储在机器中，计算机在工作时自动高速的从机器中逐条取出指令加以执行。,4）五部件以运算器为中心进行组织；但随着计算机的发展，现代计算机一般都采用总线连接，形成以存储器为中心的系统。,1，采用二进制形式表示数据和指

20、令。指令由操作码和地址码组成；2,存储程序,程序控制，并按地址顺序执行，这是冯诺依曼型计算机的工作原理，也是计算机自动化工作的关键。3，计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成，规定了5部分的基本功能。早期以运算器为中心，现代以存储器为中心。,冯诺依曼计算机的基本思想,1.3.3 计算机软件(Software)1.软件的作用一般来说，计算机的工作总是由存储程序来控制的。软件的具体作用为：在计算机系统中起着指挥和管理的作用。是计算机用户和硬件的接口界面。是计算机体系结构设计的主要依据。软件程序+数据+文档,2.软件的发展过程,三个阶段：,1)从第一台计算机上的第一个程序出现

21、到实用的高级语言出现为第一阶段（1946-1956年）。机器语言。,2)从实用的高级程序设计语言出现到软件工程出现以前为第二阶段（1956-1968年）。高级语言。,3)软件工程出现以后迄今一直为第三阶段（1965）。,3.软件的分类,系统软件：操作系统、编译程序、网络软件等。,支撑软件：数据库、各类接口软件和工具组。,应用软件：用户为解决某个问题而编制的程序。,计算机系统的基本构成,计算机系统,计算机软件,计算机系统的基本构成,计算机系统,计算机硬件,操作系统语言处理程序诊断程序各种标准程序库。,MISOFFICEOUTLOOK。,14 计算机的分类与应用,1.4.1 计算机的分类,按计算机

22、所处理对象的表示形式不同可以分成模拟计算机与数字计算机两类。,计算机按其用途来分可以分成专用机和通用机两类。其中，通用计算机按其规模、性能和价格来分，又可分为巨型机、大型机、小型机、工作站、微型机等多种类型。,模拟计算机和数字计算机。各自主要特点：模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的。数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算模式是离散式的。,数字计算机与模拟计算计的主要区别,也称为超级计算机，它是一个国家科技水平、经济实力和军事威力的象征。巨型机速度最快，性能最强，技术最复杂，具有巨大的数值

23、计算和信息处理能力，是每个时代计算机高精尖技术的集中代表。,（1）巨型机（Super Computer),目前巨型计算机一般字长64位，每秒平均执行上百亿次浮点运算，主存容量14百万字以上，。目前世界上最快速的计算机都采用大规模并行处理技术MPP（Massively Parallel Processing），每台现代巨型机都拥有数百至上万个处理器。1983年我国自行研制出了第一台银河巨型机。此后，我国自行研制的银河型巨型机每秒运算可达到120亿次。现在，我国正在研制更高性能的巨型机。,图1-5 第一台银河巨型机,图1-6 银河巨型机,大型计算机（Large Scale Computer/Mai

24、nframe）是计算机家族中通用性最强，功能也很强的计算机。一般字长3264位，每秒执行数百万到数千万条指令，主存容量几十万到几百字，有较多的外设和通信接口，有很强的I/O处理能力和丰富的系统软件及应用软件。,（2）大型计算机,图1-7 IBM大型机,小型计算机（Minicomputer）是性能较好、价格便宜、应用领域十分广泛的计算机。一般字长32位，速度每秒几十万到几百万次，内存容量几万到几十万字，配有一定数量的外设与通信接口，支持多种高级语言和汇编语言编写的程序，有功能较强的操作系统。,（3）小型计算机,HP的小型机,微型计算机（Microcomputer）简称微型机或微机，是以微处理器为

25、中央处理器而组成的计算机系统。,（4）微型计算机,它是性能价格比最高、应用领域最广的一种计算机。近年来，微型机的发展最快、市场占有率最高，其许多性能达到甚至超过了小型机的水平。微型计算机正不断向微型化、网络化、高性能、多用途发展。,微型计算机的分类方法很多。按字长可分为8位、16位、32位、64位微型机计算机;按组装形式可分为非便携式和便携式微型计算机，前者如台式机（如图1-8所示），后者是一种可移动的微型机，如笔记本和掌上计算机（如图1-9所示）。,图1-8台式机,图1-9笔记本,2007.7.2,58,按使用方式，一般将计算机分为工作站和服务器，这也是目前广泛采用的实用的分类方法。这种分类

26、方法是以网络和分布式计算环境为背景的。,4.按使用的方式,工作站,服务器,2007.7.2,59,工作站（Workstation）是以个人计算环境和分布式网络计算环境为基础，为面向特定应用领域的人员提供一个具有友好人机界面的高效率工作平台。工作站在进行信息处理时，可以通过网络与服务器和其他工作站或计算机互通信息和共享资源。工作站的多功能是指它的高速运算功能，适应多媒体的应用功能和知识处理功能。,（1）工作站,2007.7.2,60,服务器（Server）是网络环境或在具有客户服务器结构的分布计算环境中，为客户的请求提供服务的结点计算机。实现资源共享，服务器提供大量公用的服务，如数据库服务、WW

27、W服务、文件服务、打印服务等。在设计上，要求服务器具有更好的数据交换性能、极高的可用度、良好的安全性、很强的扩展能力，网络和分布式计算环境中的工作站多充当信息中心。,（2）服务器,2007.7.2,61,图1-10 工作站,图1-11服务器,现代计算机发展方向：巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化,越来越小:微型计算机,微控制器,越来越大:小中大巨,计算机应用-无孔不入,科学计算 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算,过程控制 机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制,辅助设计/分析/制造/教学 机械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAI,数据处理 数据库管理，企业信息管理，

28、统计汇总、办公自动化,智能模拟 人工智能、专家系统、自学习,主频很大程度上决定计算机的运行速度，单位兆赫兹。字长决定了计算机的运算精度、指令字长度、存储单元长度等，可以是8/16/32/64位。运算速度早期方法是每秒执行加法指令的次数用等效速度衡量。等效速度由各种指令平均执行时间以及对应的执令运行比例计算得出。单位是每秒百万指令利用“标准程序”在不同的机器上运行得到的实测速度。存储容量字数字长 1K：1024B（210）1M：1024K（220）1G：1024M（230）1T：1024G（240）1P：1024T（250）,计算机的性能指标,可靠性常用平均无故障时间（MTBF）衡量。平均无故障

29、时间(MTBF）是指两次故障之间能正常工作时间的平均值。假设表示单位时间内失效的元件数与元件总数的比例即失效率，则MTBF=1/。例如=0.02%/h，则MTBF=1/=5000h可维护性可用平均修复时间（MTRF）表示，指从故障发生到机器修复平均所需要的时间。MTBRMean Time Between Repairs（字典缩略）MTTRMean Time To Repair（微软计算机辞典）可用性是指计算机的使用效率。A=MTBF/(MTBF+MTRF)可靠性R、可维护性S和可用性A，称为RAS技术兼容性指设备或程序可以用于多种系统中的性能。,计算机的性能指标,本章小结,计算机从开始出现到目

30、前经历了一个快速发展的过程。按计算机所使用的微电子器件的发展可以将电子计算机分成五代。计算机系统由软件系统与硬件系统组成。计算机的硬件系统由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、输入输出设备及总线系统组成。而总线分为数据总线、地址总线、控制总线，其结构有单总线结构、双总线结构及多总线结构。计算机的软件系统是计算机系统结构的重要组成部分，也是计算机不同于一般电子设备的本质所在。计算机的软件一般分为系统软件、支撑软件和应用软件三大类。计算机主要性能指标有：主频、字长、运算速度、存储容量、可靠性、兼容性等。按照计算机的规模可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机、单板机、单片机等

31、。,（1）完整的计算机系统应包括。D A，外设和主机 B，运算器、存储器和控制器 C，主机和实用程 D，配套的硬件设备和软件系统（2）计算机系统中的存储器系统是指。D A，RAM存储器 B，ROM存储器 C，主存储器 D，主存储器和外存储器（3）冯。诺依曼机工作方式基本特点是。BA，多指令流单数据流B，按地址访问并顺序执行指令C，堆栈操作 D，存储器按内部选择地址,（4）邮局信件自动分拣，使用的计算机技术是。C A，机器翻译 B，自然语言理解 C，模式识别 D，机器证明（5）下列说法不正确的是。DA 任何可以由软件实现的操作也可以由硬件来实现。B，固件就功能而言类似于软件，而从形态来说又类似于硬件。C，在计算机系统的层次结构中，微程序级属于硬件级，其它4级都是软件级。D，面向高级语言的机器是完全可以实现的。,1,计算机的算逻单元、控制单元及存储器合称为：CA，CPU B，ALU C，主机 D，微处理器2,冯.诺依曼结构计算机体系主要特点是 A 和 B。A，使用二进制数 B，存储程序,程序控制3,什么是存储程序原理？4,说明计算机的层次结构及其特点。5,说明计算机的发展历程。6，冯.诺依曼结构计算机体系有哪些特点？,