计算机系统概论

计算机组成原理

白中英主编

科学出版社

计算机核心专业课程

2010年2月27日8时57分

天馋硒勒！!

・许德刚

•信息学院计算机工程系

•TEL:67789848,66677513

•Email:xulaoshi@

•xu_laoshi@

•http://xulaoshi.126.com

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主要参考书

主教材：

•计算机组成原理白中英主编科学出版社

参考教材：

•1.计算机组织与结构WilliamStallings

高等教育出版社

•2.计算机组成与结构王爱英主编清华

大学出版社

•3.薛胜军华中科技大学出版社计算机组成

原理

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<三目.录

第一章计算机系统概论

第二章运算方法和运算器

第三章存储系统

第四章指令系统

第五章中央处理器

第六章总线系统

第七章外围设备

第八章输入输出系统

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第一章计算机系统结构

□简介

口计算机的发展

口计算机体系结构和组织

口计算机的硬件结构

口计算机软件

口计算机的层次结构

口计算机的功能

口计算机的技术指标

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概述

El算机力契！।

机械计算机

电子模拟计算机:数值由连续的量来表示。

电子数字计算机：计算机中的数值由不连续的数字来表示。

专用机：经济，有效，快速，适应性差

通用机：适应性强

巨型机大型机中型机小型机微型机单片机

低简易性：高

高体积，功耗，性能，价格低

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计算机发展史

计算机的发展

OOO0OOOO

加法器1

CharlesBabbage

1642BlaisePascal1822差分机

1833分析机ENIACMARKI

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—，三

简介

■电子数字计算机是一种能够自动、快捷，准确地

实现信息存放数值计算、数据处理过程控制等多

种功能的电子机器，其基本功能是进行数字化信

息处理。

■世界上第一台计算机ENIAC(Electronic

NumericalIntegratorAndCalculator)诞生于

1946年2月15日，是美国宾夕法尼亚大学摩尔理

工学院的摩切利和埃卡特发明的。

■计算机应用于科学计算、数据处理、工业控制、

实时控制、人工智能、虚拟现实、远程教育、电

子商务等多种领域。

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计瞽发展史

计算机的发展一一第一台电子计算机（ENIAC）

5000次加法/秒

体重28吨

占地170M2

18800只电子管

1500个继电器

7000个电阻

10000个电容

耗电150KW

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计算机的发篌

类型时期"主要器件重要特征

第一代1946-1957电子管机器语言，汇编语言

速度低，体积大，价格昂贵

可靠性差，用于科学计算。

第二代1958-1964晶体管算法语言，操作系统

体积缩小，可靠性提高

从科学计算扩大到数据处理。

第三代1965-1971中、小规模体积小，可靠性大大提高，速度

集成电路达几百万IPS,软件技术和外设

发展迅速应用领域不断扩大。

第四代1972-中、大及超速度提高至GIPS乃至TIPS水平

大规模集成多机并行处理和计算机网络迅速

电路发展。

InstitueOfTechnology.

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时代机型产地

--ENIAC1946美.宾州大学

各时代EDSAC1949英.剑桥大学

1031953

代表机型IBM70901958IBM

DJS-21,108^-2,441B中国

IBM360/370系列IBM

CDC6000/7600,STAR-100,CDC

NOVA,PDP-11

DJS-130/200中国

四微型机APPLE,IBM-PC

VAX系列

长城0520,....................

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计算机意体发展

年彳弋逻辑元件主存辅存语言处理速度代表机种

第一代了94619电子管磁芯、磁磁带机器语言1万初秒ENICA

57鼓汇编语言IBM650

IBM709

第二代1958晶体管磁芯、磁磁带、磁高级语言几万次IBM7094

编译语言几百万次DTS-121

19641鼓盘

操作系统/秒X-2

磁1

第三代1965集成电路半导体存多道程序百万次IBM360

盘

1971和大规模储器实时处理千万次DJS-100

集成电路,

第四代1972--超大规模半导体存高速磁盘数据库系千万次VAM1

集成电路储器统1亿匆秒INTEL系

网络结构列

八DegJngXu,ZheiidzhiiuInstituteOfTeelnulogy.

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年份型号管数年份型号管数

1971400423001993PENTIUM310万

1972800835001995P-PRO550万

19748080,60001997P-MMX450万

19788086290001997P-II750万

198280286.13万1998Celeron750万

1985386DX27.5万1999P-III950万

1989486DX120万1999.10P-III-COP2800万

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・第五代计算机

•通信、存储、信息处理和人工智能相结

合的超巨能计算机。

•第六代计算机

■利用光电子元件、超导电子元件或生物

电子元件作为计算机的核心元件。

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一.分类通用机：通用性强，综合能力强，解决各种问题

按用途分类

专用机：特殊配置，功能单一，解决特定问题

巨型机：速度最快、处理能力最强

已达十几万亿次浮点运算

“银河nr,达每秒130亿次

大型机：大型、通用、较快、较强

作“客户机/服务器”的服务器

作“终端/主机”的主机

小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短

按综合性能

工艺先进、使用维护简单

指标分类

工作站：介于PC与小型机之间

高分辨率、大容量内外存，图形功能较强

微型计算机：小、巧、轻、使用方便、价格便宜

中央处理器：一个芯片

网络计算机：基于Java技术的瘦客户机系统

高

体积

能

功

简

据

数

易

令

指

徼型机性

格

价

小型机

大型机

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二.计算机的应用

计算机的主要应用领域计算机的应用类型

1.工商：电子商务、CAD/CAM1.科学计算

2.教育：多媒体教育、远程教育2.过程控制

3.医药：CAT、MRL远程医疗3.CAD/CAM/CAT

4.政府：电子政府4.数据处理.

5.娱乐：虚拟现实、电影特技5.电子商务

6.科研：数据采集、计算分析6.多媒体技术

7.家庭：家庭信息化7.人工智能

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计算机体系结构和组织

硬件

计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软硬件界

面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬

件和固件的功能。

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电子计算机的设计思想

•存储程序控制

•“存储程序”是把指令以代码的形式事先输入

到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同一

装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的

规则组成程序；

・“程序控制”是当计算机启动后，程序就会控

制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完

成预定的信息处理任务。

•冯诺依曼型计算机的设计思想：存储程序并

桧地址顺序轨行。

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一.硬件系统

控制器输入设备输出设备

系统总线

二.软件系统

系统软件：OS,语言处理，服务程序，数据库管理系统

用来提高使用效率，发挥和扩大计算机功能和用途的

程序。

应用软件：工程设计，数据处理，自动控制，企业管理

用户用来解决某些问题而编制的程序。

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•运算球计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件。

•存储器：存放程序和数据的部件(R/W)。

•控制矍二控制计算机有条不紊地执行程序的部件。

程序控制

•尬△逡鱼」能将人们所熟悉的信息形式变换为计算机

内部能接收和识别的二进制信息的设备。

•尬出逡备」把计算机处理的结果变换为人或其它设备

所能接收和识别的信息形式的设备。

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计算机系统结构-一计笄机的硬件结构

输第一单元

入

输

出输入设备

接

口

和输出设备

外存设备总

第三单元线第四单元

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计算机系统结构计算机的硬件结构

运算器

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7/,

计算机系统结构计算机的硬件结构

|2

运算器部件是计算机中进行数据加工的部件,

其主要功能包括:

1.执行数值数据的算术加减乘除等运算,

执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，

由一个被称为ALU的线路完成。

2.暂时存放参加运算的数据和中间结果,

由多个通用寄存器来承担。

3.运算器通常也是数据传输的通路O

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计算机硬件系统

控制器

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计算机系统结构-一计算机的硬件结构

控制器I

控制器是计算机中控制执行指令的部件：

一.正确执行每条指令

1.首先是取来一条指令，

2.接着分析这条指令，

3.再按指令格式和功能执行这条指令

二.保证指令按规定序列自动连续地执行。

三.对各种异常情况和请求及时响应和处理。

说到底，控制器要向计算机各功能部件提供

每一时刻协同运行所需要的控制信号

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计算机系统结构-一计算机的硬件结构

控制器

高速缓存

主存储器

外存设备

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计算机系统结构-一计算机的硬件结构

控制器

—__-_.由高速缓冲存储器，主存储器，

高速缓存I外存储器所组成的多级（层）存储器

另存储器（系统，是计算机中用于存储程序和数

王行憧奇（据的子系统。这三级存储器所用的

外存设备[J存储介质的工作原理和特性各不相同。

将作为三个部分分别讲解

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计算机系统结构计算机的硬件结构

控制器

高速缓存

输入设备

主存储器

外存设备

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计算机系统结构计算机的硬件结构

控制器运算器

高速缓存

—I输入设备

主存储器输入设遂.计算机中送入程序和数

据的有一定独立功能的设备，通过接

外存设备口和总线与计算机主机连通，用于

人一机交互联系，如计算机键盘和鼠标

等，

Degang

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计算机系统结构-一计算机的硬件结构

控制器运算器

高速缓存

输入设备

主存储器

外存设备输出设备

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计算机系统结构计笄机的硬件结构

控制器运算器

高速缓存

输入设备

主存储器

外存设备输出设备

输出设备是计算机中用于送出计算机

内部信息的设备,例如打印机,显示器等。

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计算机系统结构-一计算机的硬件结构

控制器运算器

高速缓存

输入设备

主存储器

外存设备输出设备

这些部件和设备通过总线和接口连接在

2010年!起，构成计算机整机系统，协同运行.

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计算机的硬件结构

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计算机基本工作原理

1.指令:让计算机完成某个操作发出的命令。（用二进制

代码来表示）

2.程序|操作码|操作数

有序的指令集合。

3.指令的执行

取指周期：|内存］一指合一,CPU

执行周期：|CPU译码产屿|有关部件动足

4.程序的执行

全曹出5娶指令而ga热何蠲z念前曲eOfTechnology.

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2、计算机软件

软件=程序+数据+文档操作系统

语言处理程序

——系统软〜一诊断程序

——反病毒程序

实用程序------卸载程序

软件分匕——备份程序

办公软件包一文件压缩程序

数据库管理系统

——应用软〜网络软件

实时控制软件

图形图像处理软件

其它应用软件

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(1)操作系统

管理和控制计算机系统的所有资源(包

括硬件和软件)

-----裸机+操作系统=虚拟机

目的---------不需了解软硬件细节，提高工作效率

-----统一管理和调度资源，提高使用效

率和经济效益

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■Ij■—.

⑵实用程序

操作系统自己带一些

J第三方开发

—诊断程序：SCANDISK

—反病毒程序：KV300、金山毒霸

—卸载程序：Windows中的添加/删除程序

一备份程序：Windows2000中的备份程序

—文件压缩程序:ARJWinZip

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缸h.〃铲讨

(3)语言处理程序

-----机器语言

-----汇编语言

面向过程：BASIC>Pascal

-----高级语言」、FORTRAN>C等

面向对象：C++、Java、Visual

-----面向问题的语言Basic等

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计算机的技术指标

■字长:一参与运算的基本位数,它决定了寄存器、加

法器、存储单元和数据总线的位数。它标志着计算

精展。

■主存容量：存储器可以容纳的二进制信息量。

■运算速度：单位时间内执行指令的平均条数。

■软、硬件配置：外部设备的配备和功能强大的操作

系统和程序设计语言。

・性能价格比：性能和价格之比是衡量计算机的综合

指标。

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计算机的技术指标

•以性能/价格比为核心

•性能的衡量标准

-时间、基准程序、硬件测量工具

•价格的因素

-集成电路的工艺、产品的生产过程、销售过程

・性能价格设计的一些原则

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vt"算机的发展一Pentium和PowerPC发展概述

•Pentium系列微处理器的发展概况

-8080、8086>80286>80386、80486、

Pentium>PentiumPro>PentiumII>

PentiumIII>PentiumIV、Merced>Prescott

-CISC

•PowerPC系列微处理器的发展概况

-601>603、604、620

-RISC

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计算机的发展一一发展趋势

・计算机应用的发梭趋势

-程序及数据所使用存储器容量的不断增大：程

序所需的存储器容量平均每年递增1.5〜2%,

也就是说计算机的地址位以每年1/2〜1位的速

度递增。；

-编译器的重要性日益突出。编译器已逐渐成为

用户与计算机的主要界面。

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摩东定律

早在1964年，英特尔公司创始人戈登•摩尔(Gordon

Moore)在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路

的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名

的摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远

的定律，摩尔定律被集成电路近40年的发展历史准确无

误地验证着。

摩尔定律有另外一种表述方法，即每过禅年计算机

系统性能将会增加100倍，通讯带宽也会提高100倍，而

花费的资金不会增加。我们完全有理由相信,这种趋势

在今后20年还会持续下去，我们还没有达到物理上造成

计算机性能停滞不前的任何限制。

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计算机的发展发展趋势

•计算机系统设计技术的发展趋势

资源共享资源重复时间重叠

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/

计算机的发展发展趋势（资源共享）

多道程序分时系统4局域网

多终端、远程终端通信处理机，广域

甲

智能终端多机系统

分布处理系统元计算系统

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计算机的发展——发展趋势（资源重复）

部件冗余同构型多处理机

1

/紧密耦\合系统

多操作部件，多存储体/

1

并行处理机/多处理机

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计算机的发展发展趋势（时间重叠）

先行控制异构型多处理机

I/.

指令（操作）流水线/数据库处理机

松散需合系统

向量1处理机/

外围处理机

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计算机系统的层次结构

第1层微程序设计层

第2层一般机器层

第3层操作系统层

第4层汇编语言层

第5层高级语言层

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计算机的层次结构

•第一层