計算機組成原理第1章課件白中英編-科學出版社.ppt

計算機組成原理,任課教師：趙靜,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 外圍設備 第八章 輸入輸出系統(tǒng),目錄,第一章 計算機系統(tǒng)概論,計算機系統(tǒng)不同于一般的電子設備，它是一個由硬件、軟件組成的復雜的自動化設備。, 1.1 計算機的分類和應用 1.2 計算機的硬件 1.3 計算機的軟件 1.4 計算機系統(tǒng)的層次結構,1.1.1 計算機的分類,計算機從總體上來說分為兩大類: 模擬計算機和數字計算機。,各自主要特點： 模擬計算機由模擬運算器件構成，其變量由連續(xù)量（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續(xù)的 數字計算機則是由邏輯電子器件構成，其變量為開關量（離散的數字量），采用數字式按位運算，運算模式是離散式的,1.1 計算機的分類和應用,數字計算機與模擬計算計的主要區(qū)別,數字計算機,專用計算機,通用計算機,超級計算機,大型機,服務器,工作站,微型機,單片機,低,高,體積 功耗 性能 數據存儲量 指令系統(tǒng) 價格,1.1.2 計算機的應用,計算機的應用范圍幾乎涉及人類社會的所有領域。本書歸納成六個主要方面來敘述： 科學計算 自動控制 測量和測試 信息處理 教育和衛(wèi)生 家用電器 人工智能,1.2 計算機的硬件,J. Von Neumann（馮.諾伊曼） 1913，生于匈牙利，瑞士化學學士，匈牙利數學博士，后移居美國；40年代初，參與曼哈頓計劃；44年參觀ENIAC； 45年發(fā)表“關于離散變量自動電子計算機的草案” 計算機的基本結構； 采用二進制； 數據和程序都放在內存中。 馮.諾伊曼結構,主 機,1.2.1 計算機的硬件系統(tǒng)組成,打算盤，求解 y = ax + b c 一個算盤 計算，暫存結果 一張紙 記錄步驟、數據 一支筆 將步驟、數據抄至紙上； 算盤上數據，抄至紙上。 人腦和手 控制算盤、完成步驟,運算器,存儲器,IO設備,控制器,1. 運算器,算術運算、邏輯運算 采用二進制數（容易實現） 算術邏輯單元（ALU） + 專用或通用寄存器 計算機的運算器長度： 8位、16位、32位或64位,2. 存儲器,功能：保存或“記憶”數據和運算過程 存儲的是0或1表示的二進制代碼 存儲單元： 在存儲器中保存一個n位二進制數的n個觸發(fā)器，組成一個存儲單元 存儲器地址：存儲器是由許多存儲單元組成，每個存儲單元的編號，稱為地址 存儲容量：存儲器所有存儲單元的總數。通常用單位“KB、MB、GB”等表示 內存儲器（主存）和外存儲器(輔存）,(1) 程序 每一個基本操作就叫做一條指令,而解算某一問題的一串指令序列,叫做該問題的計算程序,簡稱為程序。 (2) 指令的形式,表示參加運算的數據從存儲器的哪個單元?。贿\算的結果應存到哪個單元,指出指令所進行的操作，如加、減、乘、除、取數、存數等,3. 控制器,控制計算機的各個部件有條不紊地進行工作,3. 控制器,“存儲程序”：是把指令序列事先輸入到存儲器中 “程序控制”：當計算機啟動后，程序就會控制計算機按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動完成預定的信息處理任務 馮諾依曼型計算機的設計思想： 存儲程序并按地址順序執(zhí)行 指令系統(tǒng)：一臺計算機中所有機器指令的集合。 （3）控制器的基本任務 控制取指令和指令譯碼，這段時間稱為取指周期； 控制指令執(zhí)行過程，這段時間稱為執(zhí)行周期； 取指周期和執(zhí)行周期交替發(fā)生； 每取一條指令，指令計數器加1。,（4）指令流和數據流 計算機中的信息單位：位（bit）、字節(jié)（Byte）、字（Word）。例：10010110 字長：組成一個字的二進制位數。一個“字”至少由一個以上的字節(jié)組成。 計算機字既可以代表指令,也可以代表數據。如果某字代表要處理的數據,則稱為數據字；如果某字為一條指令,則稱為指令字。 指令和數據統(tǒng)統(tǒng)放在內存中,從形式上看,它們都是二進制數碼。一般來講，在取指周期中從內存讀出的信息是指令流,它流向控制器；而執(zhí)行周期中從內存讀出的信息流是數據流,它由內存流向運算器。,3. 控制器,指 令 區(qū),數 據 區(qū),操作的編碼,4. 適配器與輸入輸出設備,輸入設備把人們所熟悉的某種形式的信息變換為機器內部所能接收和識別的二進制信息形式。 輸出設備把計算機處理的結果變換為人或其它機器所能接收和識別的信息形式。 I/O設備通常統(tǒng)稱為外圍設備。 適配器(I/O接口)相當與一個轉換器,它可以保證外圍設備用計算機所要求的形式發(fā)送或接受信息。 系統(tǒng)總線構成計算機系統(tǒng)的信息鏈接,是多個系統(tǒng)部件之間進行數據傳送的公共通路。,硬件系統(tǒng)五大組成部分框圖,常用的輸入設備有：鼠標器、鍵盤、掃描儀、數字化儀、數碼攝像機、條形碼閱讀器、數碼相機、A/D轉換器等,計算機中用于存取程序和數據的部件。分為內存和外存兩類,顯示器、打印機、音箱、繪圖儀等,指揮和控制計算機各個部件進行工作的“神經中樞”,負責對信息進行加工和運算，內設若干寄存器，用于暫存操作數和中間結果。,1.2.2 計算機系統(tǒng)結構的過去和未來,世界上第一臺電子數字計算機ENIAC 誕生于1946年，是在美國賓夕法尼亞大學制成的。計算機的發(fā)展大致經歷了五代的變化： 1946年開始，第一代電子管計算機 1958年開始，第二代晶體管計算機 1965年開始，第三代中小規(guī)模集成電路計算機 1971年開始，第四代大規(guī)模集成電路計算機 1986年開始，第五代巨大規(guī)模集成電路計算機,第一臺電子計算機（ENIAC）,5000次加法/秒 體重28噸 占地170M2 18,800只電子管 1500個繼電器 耗電150KW,計算機發(fā)展史,計算機的發(fā)展史,計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設備組成的。都是由元件構成的有形物體，因而稱為硬件或硬設備。硬件是計算機系統(tǒng)中實際物理裝置的總稱。 軟件是指在硬件上運行的程序和相關的數據及文檔。 硬件是軟件的工作基礎，軟件是硬件功能的擴充和完善。兩者相互依存，相互促進。軟件與硬件的結合，構成完整的計算機系統(tǒng)。,計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng),1.3 計算機的軟件,1.3.1軟件的組成和分類,下面以系統(tǒng)程序為例,簡要說明軟件的發(fā)展演變過程： 1. 目的程序 2. 匯編程序 3. 源程序 4. 操作系統(tǒng) 5. 數據庫管理系統(tǒng),1.3.2軟件的發(fā)展演變,手編程序：直接用機器語言編寫,用一些約定的文字、符號和數字按規(guī)定的格式來表示各種不同的指令, 再用這些指令來編寫程序,3. 源程序,算法語言：按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構成程序的規(guī)則。 源程序：用算法語言編寫的程序。 通常采用下面兩種方法把源程序翻譯為機器語言 ： 編譯系統(tǒng)：用編譯程序將源程序編譯成機器語言形式的目的程序，然后在目標系統(tǒng)運行。 解釋系統(tǒng)：逐個解釋并立即執(zhí)行源程序的語句，它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是直接逐一解釋語句并得出計算結果。,4. 操作系統(tǒng) 用來管理計算機資源(如處理器、內存、外部設備和各種編譯、應用程序)和自動調度用戶的作業(yè)程序,而使多個用戶能有效地共用一套計算機系統(tǒng)。 根據使用環(huán)境要求,操作系統(tǒng)大致分為批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、網絡操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)等多種。 5. 數據庫管理系統(tǒng) 數據庫：實現有組織地、動態(tài)地存儲大量相關數據,方便多用戶訪問的計算機軟、硬件資源組成的系統(tǒng)。 數據庫管理系統(tǒng)：數據庫和數據庫管理軟件一起,組成了數據庫管理系統(tǒng)。,1.4.1 多級組成的計算機系統(tǒng),1.4 計算機系統(tǒng)的層次結構,機器語言級，由微程序解釋機器指令系統(tǒng),硬件級,混合級,面向用戶，為方便用戶編寫應用程序而設置。由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行,1.4.2 軟件與硬件的邏輯等價性,隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)軟、硬件界限已經變得模糊了。 任何操作可以由軟件來實現，也可以由硬件來實現；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。 就目前而言，一些計算機的特點是，把原來在一般機器級通過編制程序實現的操作，如整數乘除法指令、浮點運算指令、處理字符串指令等等，改為直接由硬件完成。 現在已經可以把許多復雜的、常用的程序制作成固件。就它的功能來說，是軟件；但從形態(tài)來說，又是硬件。傳統(tǒng)的軟件部分，今后完全有可能“固化”甚至“硬化”。, 本章小結,計算機的類型：模擬和數字；專用和通用；巨型機、大型機、小型機、微型機、單片機。 計算機的應用領域。 計算機從開始出現到目前經歷了一個快速發(fā)展的過程。按計算機所使用的微電子器件的發(fā)展可將電子計算機分成五代。 計算機系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)組成。 計算機的硬件系統(tǒng)由有形的電子器件等構成的，它包括運算器、存儲器、控制器、適配器、輸入輸出設備。 計算機的軟件系統(tǒng)是計算機不同于一般電子設備的本質所在。計算機的軟件一般分為系統(tǒng)程序和應用程序兩大類。 計算機的層次結構通常由微程序設計級、 一般機器級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級、高級語言級組成。,習題1,1.計算機系統(tǒng)應包括（ ）。 A）運算器、存儲器、控制器 B）主機與外部設備 C）硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng) D）系統(tǒng)軟件與應用軟件 2.計算機的存儲器系統(tǒng)是指（ ）。 A）RAM存儲器 B） ROM存儲器 C）主存儲器 D）主存儲器和外存儲器 3.計算機硬件能直接執(zhí)行的只能是（ ） 。 A符號語言 B機器語言 C匯編語言 D機器語言和匯編語言 4.馮諾依曼結構計算機的基本特點是 （ ）。 A）多指令流單數據流 B）存儲程序并按地址順序執(zhí)行 C）堆棧操作 D）存儲器按內部選擇地址 5. 下面( )組設備包括:輸入設備,輸出設備和存儲設備. A) 顯示器,CPU和ROM B) 磁盤,鼠標和鍵盤 C) 鼠標,繪圖儀和光盤 D) 磁帶,打印機和調制解調器,C,D,B,B,C,