计算机组成原理 课件 1 计算机系统概论

第一章计算机系统概论1.7计算机的发展简史1.1计算机的基本结构和工作原理1.2计算机硬件的五个功能部件及其功能1.3计算机系统的基本组成及其层次结构1.4计算机系统结构、组成和实现之间的关系1.5计算机系统特性1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介

世界上第一台真正的全自动电子数字式计算机是1946年在美国的宾夕法尼亚大学研制成功的

ENIAC(ElectronicNumericalntegratorandComputer)。

1.7计算机的发展简史

这台计算机共用了18000多个电子管，占地170m2，总重量为30吨，耗电140kw，每秒能做5000次加减运算。与ENIAC计算机研制的同时，冯▪诺依曼与莫尔小组研制EDVAC(Electronic十进制预算用手工搬运动开关和拔插电缆来编程DiscreteVariableAutomaticComputer)计算机，它采用了存储程序方案。1.7计算机的发展简史世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)1955年退役现代计算机的驱动力：人们的需求电子技术的发展第一代：电子管计算机第二代：晶体管计算机第三代：中、小规模集成电路计算机第四代：大规模、超大规模集成电路计算机第五代：人工智能计算机1.7计算机的发展简史硬件技术对计算机更新换代的影响软件技术的兴起和发展各种语言机器语言：面向机器汇编语言：面向机器高级语言：面向问题

FORTRAN科学计算和工程计算PASCAL结构化程序设计C++面向对象JAVA适应网络环境软件技术的兴起和发展系统软件语言处理程序汇编程序编译程序解释程序操作系统DOSUNIXWINDOWSLINUXKYLINLINUX

服务性程序装配调试诊断拍错数据库管理系统数据库和数据库管理软件网络软件

计算机的特点1．运算速度快2．运算精度高3．存储容量大4．具有逻辑判断功能5．自动化程度高，通用性强1.7计算机的发展简史

计算机的应用1．科学计算2．过程检测与控制(工业控制和实时控制)3．信息管理4．计算机辅助系统补充：虚拟现实技术多媒体技术人工智能技术计算机有类似人脑的一些超级智能功能：比如自动驾驶技术，IBM的沃森，谷歌大脑，百度大脑等将来会逐步改变世界1.7计算机的发展简史1.1计算机基本结构和工作原理冯.诺依曼计算机硬件框图

特征：1、计算机有五大部件组成2、指令和数据以同等地位存于存储器中，可按地址寻访3、指令和数据用二进制表示4、指令由操作码行业地址组成5、存储程序6、以计算器为中心1.1计算机基本结构和工作原理冯.诺依曼计算机五大模块功能

算术运算和逻辑运算把结果转化成人们熟悉的形式存放数据和程序将信息转化成机器能够识别的形式指挥控制程序的运行1.1计算机基本结构和工作原理计算机系统的核心功能是执行程序首先必须有能力把要运行的程序和用到的原始数据输入到计算机内部并存储起来，接下来应该有办法逐条执行这个程序中的指令以完成数据运算并得到运算结果，最后还要输出运算结果供人检查和使用。1.2计算机硬件的五个功能部件及其功能1.3计算机系统的基本组成及其层次结构软件硬件指令层1.4.1计算机系统结构的定义计算机系统结构（ComputerArchitecture）也称为计算机体系结构。这是1964年Amdahl在介绍IBM360系列时提出的，在20世纪70年代广泛采用。由于器件技术迅速发展，计算机硬件、软件界面在动态变化，因此，对计算机系统结构定义的理解也不尽一致。1.4计算机系统结构、组成和实现之间的关系1.4.2计算机组成与实现计算机组成（ComputerOrganization）是指计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据通道和控制信号的组成及逻辑设计，它着眼于机器级内各事件的时序方式与控制机构、各部件功能及相互联系。计算机组成还应包括：数据通路宽度；根据速度、造价、使用状况设置专用部件，例如是否设置乘法器、除法器、浮点运算协处理器、I/O处理器等；部件共享和并行执行；控制器结构（组合逻辑、PLA、微程序）、单处理机或多处理机、指令预取技术和预估、预判技术应用等组成方式的选择；可靠性技术；芯片的集成度和速度的选择。1.4计算机系统结构、组成和实现之间的关系

计算机系统结构、组成和实现是三个不同的概念。系统结构是计算机物理系统的抽象和定义；计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。它们各自有不同的内容，但又有紧密的关系。1.4计算机系统结构、组成和实现之间的关系1.5.1计算机等级

计算机系统按其性能与价格的综合指标通常分为巨型、大型、中型、小型、微型等若干级。但是，随着技术进步，各个等级的计算机性能指标都在不断地提高，以致30年前的一台大型机的性能甚至比不上当今一台微型计算机。可见，用于划分计算机等级的绝对性能标准是随着时间变化的。1.5计算机系统特性1.5.2计算机系列

系列机概念指的是先设计好一种系统结构，而后就按这种系统结构设计它的系统软件，按器件状况和硬件技术研究这种结构的各种实现方法，并按照速度、价格等不同要求，分别提供不同速度、不同配置的各档机器。1.5计算机系统特性1.5.3计算机的主要性能指标

1.机器字长CUP一次能处理数据的位数

与CPU中的寄存器位数有关

主频

核数，每个核支持的线程数

2.运算速度

CPI执行一条指令所需要时钟周期数

MIPS每秒执行百万条指令

MFLOPS每秒执行多少百万次浮点预算1.5计算机系统特性1.5计算机系统特性4.数据通路宽度

系统连接地址总线（AB）数据总线（DB）定义：传输或代码的一组通讯线。其条数与处理器字长相等数据在CPU与存储器或I/O接口间的传送是双向的定义：是传送地址信息的一组通讯线，是微处理器用来寻址存储器单元（或I/O的端口）总线是用来传送各种控制信号的。输出控制信号，输入控制信号控制总线（CB）1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介系统链接数据总线（DB）地址总线（AB）控制总线（CB）传输数据或代码传送地址传送控制信号的1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介典型微处理器的内部结构1、累加器（A）和算数逻辑单元（ALU）2、控制器（CU）3、内部寄存器阵列（PC）4、内部总线和总线缓冲器指令寄存器（IR）指令译码器（ID）可编程逻辑阵列（PLA）程序计数器（PC）地址寄存器（AR）数据缓冲寄存器(DR）标志寄存器(FLAGS)1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介1、读操作2、写操作1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介简单程序的编制和执行指令的执行过程取指令分析指令执行指令1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介简单程序的编制和执行题目：要求计算机执行5CH加2EH，结果存到20H单元助记符MOVAX,5CHADDAX,2EHMOV[20H],AXHALT;停机二进制码000111100101110011000110001011100011001000100000011101101.6典型微处理器系统结构及工作原理简介存储单元内容

0011111001011100110001100010111000110010001000000111011001001100MOVAX5CHADDAX2EHMOV[20H],AX20HHALT存结果地址

二进制十六进制

00010000000000200H10000000000001000H10000000000011001H10000000000101002H10000000000111003H10000000001001004H10000000001011005H10000000001101006H10000000001111007H10000000010001008H10000000010011009H1000000001010100AH操作控制器（OC）指令译码器（ID）数据寄存器（MDR）标志寄存器（FR）程序计数器（PC）寄存器组累加器（ACC）指令寄存器（IR）地址寄存器（MAR）地址译码器:B0H5CH04H2EH70H0AH10HA2H00H02HF4H0200H1000H1001H1002H1003H1004H1005H1006H1007H1008H1009H100AH...内存储器CPUALU+1......控制信号

读控制写控制内总线地址PC=1000H操作控制器（OC）指令译码器（ID）数据寄存器（MDR）标志寄存器（FR）程序计数器（PC）寄存器组累加器（ACC）指令寄存器（IR）地址寄存器（MAR）地址译码器:B