计算机组成原理01

1、第1章 概述三两草计算机组成原理(第二版) 清华大学出版社教学目标教学重点教学过程8/19/20221教学目标了解计算机的发展简史了解计算机的应用领域了解计算机硬件系统和软件系统掌握计算机的性能评价指标8/19/20222教学重点计算机的硬件系统和软件系统计算机的性能评价指标8/19/20223教学过程1.1 计算机的发展与应用1.2 计算机系统的组成1.3 计算机的分类和性能指标1.4 多媒体技术1.5 例题解析8/19/202241.1 计算机的发展和应用1.1.1 计算机的发展简史1.1.2 计算机的特点1.1.3 计算机的应用8/19/202251.1.1 计算机的发展简史 （1/5）

2、1、第一代计算机 （1）1946年第一台计算机ENIAC50年代末 （2）主要特征：电子管作为电子器件 （3）软件处于初始阶段，使用机器语言与符号语言编制程序 （4）特点：体积大，运算速度低，存储容量小， 主要用于科学计算。8/19/202261.1.1 计算机的发展简史 （2/5）2、第二代计算机 （1）50年代末60年代初 （2）主要特征：晶体管作为电子器件 （3）软件开始使用计算机高级语言 （4）特点：体积减小，重量轻、寿命长、耗电少、 运算速度快、存储容量比较大等优点。不仅 用于科学计算，还用于数据处理和事务处理， 并逐渐用于工业控制。 8/19/202271.1.1 计算机的发展简史

3、 （3/5）3、第三代计算机 （1）60年代中期70年代初期 （2）主要特征：中、小规模集成电路作为电子器件 （3）操作系统出现 （4）特点：体积与功耗都得到进一步减小，可靠性和运算速度进一步提高。不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理、自动控制等领域， 出现了管理信息系统，可用于生产管理、交通管理、情报检索等领域。8/19/202281.1.1 计算机的发展简史 （4/5）4、第四代计算机 （1）1971年到1990年。 （2）主要特征：用大规模与超大规模集成电路（LSI，VLSI）作为电子器件 （3）特点：软件越来越丰富，并且功能强大 （4）代表产品：IBM PC80888028680

4、38680486Pentium8/19/202291.1.1 计算机的发展简史 （5/5）5、第五代计算机 （1）1990至今 （2）主要特征：用甚大规模集成电路（ULSI）作为电子器件 （3）主要标志：一个是单片集成电路规模达100万晶体管以上；另一个是超标量技术的成熟和广泛应用。 未来的计算机以超大规模集成电路为基础，未来的计算机将向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。8/19/2022101.1.2 计算机的特点计算机是由硬件和软件组成的复杂设备计算机以电子器件为物质基础计算机由程序控制其操作过程计算机以离散的数字量形式进行工作计算机的基本运算操作是算术和逻辑运算，运算速度和计算精

5、度极高8/19/2022111.1.3 计算机的应用领域1、科学计算2、过程检测与控制 计算机检测系统：利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理。3、信息管理是指利用计算机来加工、管理与操作任何形式的数据资料，如企业管理、物资管理、报表统计、信息情报检索等4、计算机辅助系统 计算机用于辅助设计、辅助制造、辅助教学等方面，统称为计算机辅助系统。8/19/2022121.2 计算机系统的组成计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。计算机硬件（Hardware）是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物

6、理部件组成。计算机软件（Software）主要是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。1983年，IEEE对软件给出了一个较为全面的定义：软件是计算机程序、方法、规范及其相应的文档以及在计算机上运行是所必须的数据。软件是相对于机器硬件而言的。8/19/2022131.2.1 计算机的硬件系统 （1/5）冯诺依曼原理的基本思想： 采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成； “存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制） 指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。 计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。

7、 8/19/2022141.2.1 计算机的硬件系统 （2/5）1、存储器：存储器是用来存放数据和程序的部件。2、运算器：对信息进行运算处理的部件。主要功能是对二进制数码进行算术（加减乘除）和逻辑（与或非）运算。3、控制器：整个计算机的控制核心。主要功能是读取指令、翻译指令、并向计算机各部分发出控制信号，以便执行指令。4、输入设备：将数据和程序转换成计算机能够识别和接受的信息，并顺序地把它们送入存储器中。输入设备有许多种，例如键盘、鼠标、扫描仪、光电输入机等。5、输出设备输出设备将计算机处理的结果以人们能接受的或其它机器能接受的形式送出。输出设备有许多种类，例如显示器、打印机、绘图仪等。8/1

8、9/2022151.2.1 计算机的硬件系统 （3/5）存储器数据流控制流运算器外存储器输出设备内存储器输入设备控制器8/19/2022161.2.1 计算机的硬件系统 （4/5）总线（Bus）：是计算机中用于传送信息的公用通道，是为多个部件服务的一组信息传送连接线。总线的分类： （1）按传送信息的属性分： 数据总线（DB）在各部件之间传送数据信息 地址总线（AB）传送各部件相互访问的地址信息 控制总线（CB）传送控制各部件操作的控制信息（2）按信息传送的方向分： 单向总线双向总线（3）按连接对象和完成的功能分： I/O BUS 用于外设与主机的信息交换。MEMORY BUS用于CPU与主存储

9、器的信息交换8/19/2022171.2.1 计算机的硬件系统 （5/5）按总线连接方式，计算机组成结构分为三类1、单总线结构 ：把各功能部件连接在单总线上，所有部件间的信息交换都经由单总线进行。 （1）Unified-Bus：一元化总线：PDP-11 （2）Single-Bus：单总线：IBM-PC2、双总线结构（1）两种总线：存储总线和I/O总线（2）三种形式： （A）以CPU为中心的双总线结构 （B）以存储器为中心的双总线结构 （C）采用通道或输入输出处理机处理输入输出3、多总线结构： 在高速外设与主存储器之间可以增设直接存储器访问方式的高速I/O总线（DMA总线）。8/19/20221

10、8软件（Software）：指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。软件的分类：（1）系统软件：指管理、监控和维护计算机资源的软件。 操作系统：DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX 语言处理程序：机器语言、汇编语言和高级语言 数据库管理系统：数据库和管理数据库的软件 服务程序：例如编辑程序、诊断程序、排错程序等 （2）应用软件：除了系统软件以外的所有软件，是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序。 1.2.2 计算机的软件系统软件程序+数据+文档8/19/2022191

11、.2.3 计算机系统的层次结构 （1/3）硬件和软件的逻辑等价 1、含义： （1）任何一个由软件完成的操作可以由硬件实现 （2）任何一条由硬件执行的指令能用软件完成2、固件（Firmware）：是一种界于传统的软件和硬件之间的实体，功能上类似软件，但形态上又是硬件。微程序是计算机硬件和软件相结合的重要形式。8/19/2022201.2.3 计算机系统的层次结构 （2/3）计算机系统的层次结构第5层编译程序高级语言层第4层汇编程序汇编语言层第3层操作系统操作系统层第2层微程序机器语言层第1层微指令直接由硬件执行微程序设计层8/19/2022211.2.3 计算机系统的层次结构 （3/3）1、系列

12、机： 一组同属一个系统结构，在性能上由低档到高档形成一个系列的计算机，组成一个计算机系列（family）。系列机中的每个机型都具有：相同的基本指令系统，相同的数据结构，相同的基本输入输出操作，支持相同的基本系统软件等。2、兼容性：包括软件兼容、硬件兼容、系统兼容等。 （1）软件兼容是指一个软件不经修改就能在不同机型上正确运行。 （2）软件兼容存在以下两种情况： 软件的向上兼容性指某档机原开发的软件可以不加修改便能在它的高档机上正确运行使用。 软件的向下兼容性指某档机的软件可以不加修改便能在它的低档机上正确运行使用。8/19/2022221.3 计算机的性能指标 （1/3）计算机的分类根据计算机

13、的应用范围，将计算机分为专用计算机：为特定应用问题而设计的计算机，具有经济、有效和快速等特点，但它的使用面较窄通用计算机：使用面广，通用性强，操作相对简单，是我们经常使用的计算机系统。根据计算机的规模，将计算机分为巨型机：主要用于科学计算，运算速度最快、性能极高，结构复杂、体积庞大、价格昂贵。 大型机中型机小型机微型机：体积小、功耗低、价格低、结构简单、易操作8/19/2022231.3 计算机的性能指标 （2/3） 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

14、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） 8/19/2022241.3 计算机的性能指标（3/3）可靠性常用平均无故障时间（MTBF）衡量。平均无故障时间(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

15、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。8/19/2022251.4 多媒体技术 多媒体技术的特点 媒体也称信息的表现形式或传播形式，是信息的载体。信息化社会中，信息可以用文字、声音、图形、图象等媒体表示，它包含信息的存储和信息的传递两个方面。信息可以以多种媒体的形式传输，多媒体技术是指能够同时获取、处理 、编辑、存储和展示两个以上不同信息类型媒体的技术。多媒体系统的关键技术 1、视频和音频数据的压缩和解压缩技术。 2、专用芯片研制。3、研制大容量存储器。4、适用于多媒体技术的软件的研制与开发。8/19/202226 本章小结计算机从开始出现到目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。