计算机组成原理课件第一章概论

®嗡0哥愈食后

第一章概论

计划学时：3个学时

以评促建以评促改以评促管评建结合重在建设

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学习内容

§1.1简介(Introduction)

§1.2计算机体系结构和组织(Organizationand

Architecture)

§1.3计算机的硬件结构(Hardware)

§1.4计算机软件(Software)

§1.5计算机的层次结构(Layers)

§1.6计算机的功能(Function)

§1.7计算机的技术指标(Technologytarget)

§1.8计算机的发展(History)

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宇习s™

♦掌握存储程序工作方式，计算机的基本组成与各部

件的基本功能，信息的数字化表示方法。

♦初步掌握计算机硬件系统的典型结构，计算机的软

件系统的主要内容。

♦理解用层次结构描述硬件、软件系统的关系。

♦理解应用计算机解题的过程与几个层次。

♦理解计算机的特点，掌握其主要性能指标的含义。

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重点难点

♦计算机采用存储程序工作方式：事先编制程序、

事先存储程序、自动、连续执行程序。

♦计算机采用数字代码表示信息。

♦计算机系统分为硬件和软件系统。

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§1.1阈介Introduction

一、定义

♦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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§1.1周介Introduction

—、层次

♦以电子器件为物质基础：电子数字计算机

（DigitalComputer）

♦不需要人的直接干预：自动化（存储程序为基础）

♦数字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑判断和

处理能力的基础）

♦算逻运算：基本运算操作是算术和逻辑运算

♦快速工具：

■电子器件

■存储程序

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§1.1葡介Introduction

三、特征

(1)内部特征：

(A)高速高集成度开关元件

(B)数字化信息编码

(C)逻辑判断和处理能力

(D)存储程序

卜

小

、

部E

快

中

通

A)性/rJn/1\

-VIurX(17>(A)(D)决定)

准

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7v/ur\|(B)(D)决定)

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urv17(A)(B)(C)(D)决定)

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§1.2计算机体系结构和组织

硬件

经典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。“指令集结构”

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阊病绪愈会后

§1.2计算机体系结构和组织

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§1.2计算机体系结构和组织

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§1.3计算机的硬件结构

一、存储程序控制的概念

♦“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。

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§1.3计算机的硬件结构

♦存储程序控制的概念是1946年由数学家冯诺

依曼提出的。

♦把编好的程序和原始数据预先存入计算机的

主存储器中，使计算机在工作时能够连续、

自动、高速地从存储器中取出一条条指令并

加以执行，从而自动完成预定的任务。

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§1.3计算机的硬件结构

♦归纳如下：

■采用二进制形式表示数据和指令

■采用存储程序方式

■由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设

备五大部件组成计算机硬件系统。

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§1.3计算机的硬件结杓

二、计算机主要部件

包括：

运算器、控制器

高速缓存、主存储器、外存设备

输入设备、输出设备等主要组成部分,这些设

备和部件通过总线和接口连接在一起,构成

一台完整的计算机。

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§1.3计算机的硬件结杓

器

控制器运

入

高速缓存出

接输入设备

主存储器口

和

外存设备总输出

线

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§1.3计算机的硬件结构

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

逻辑数据的与或非拿逻辑运算，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

个道用寄存器来承担。

3.运算器通常也是数据传输的通路。

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§1.3计算机的硬件结杓

控制器运算器

控制器是计算机中控制执行指令的部件：

1.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

2.保证指令按规定序列自动连续地执行。

3.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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§1.3计算机的硬件结构

控制器

高速缓存由高速缓冲存储器，主存储器，

外存储器所组成的多级（层）存储器

主存储器系统，是计算机中用于存储程序和数

据的子系统。这三级存储器所用的

外存设备存储介质的工作原理和特性各不相同。

修作为三个部分分别讲解。

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§1.3计算机的硬件结构

以评促建以评促改以评促管评建结合重在建设

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以评促建以评促改以评促管评建结合重在建设

§1.3计算机的硬件绐杓

控制器运算器

高速缓存

输入设备

主存储器

输出设备

外存设备|

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。

以评促建以评促改以评任W.

§1.3计算机的理件绐杓

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

一起,构成计算机整机系统，协同运行.

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§1.3计算机的硬件绐构

控制器

第二单元入

高速缓存出

接

主存储器口

和

外存设备总

线

第三单元第四单元

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§1.4计算机物件

♦标准程序库♦服务性程序

♦语言处理程序♦数据库管理程序

♦操作系统♦网络软件应用软件

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§1.5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层工编语言层

第5层高级语言层

□

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§1.5计算机的JS次结杓

♦第一层：硬件级，由机器硬件直接执行微指令。

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§1.5计算机的层次绐构

♦第二层：它由微程序解释机器指令系统。

叵

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§1.5计算机的层次结构

♦第三层：由操作系统程序实现。操作系统是

由机器指令和广义的指令组成。

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§1.5计算机的履次飨杓

♦第四层：汇编语言层，它由汇编程序支持和

执行。

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§1.5计算机的履次飨杓

♦第五层：面向用户的，由各种高级语言程序

支持和执行。

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§1,5计算机系统的麋次结杓

以评促建以评促改以评促管评建结合重在建设以评促建以评促改以评促管理建给合二在建世

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§1.6计算机的功能

♦计算机的功能

■数据处理

■数据存储

■数据移动（I/O）

■控制。

♦基本指令功能类

型

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§1.6计算机的功能

、计算机的工作过程

1.程序的执行：2.指令的执行：

(A)编写程序三个阶段：取指令、分析指令、执行指

(B)翻译成机器指令令

(C)将程序和数据写入存储器(A)开始时，将第一条指令地址->PC

(D)将第一条指令地址放入PC(B)(PC)->MAR,发“读”命令，使

(E)执行所有指令(MDR)->IR

(F)结束(C)翻译IR的操作性质

(D)取操作数

(E)将操作数运算器，运行之

(F)送结果

(a)R

(b)内存

(G)(PC)+1->PC

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§1.6计算机的功能

ALU

4+5

以评促建以评促改以评促管评建结合重在建设以砰促建以t

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§1.7计算机的技术指裤

♦字长：参与运算的基本尾数，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

精度。

♦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。

(1)早期方法是每秒执行加法指令的次数，

(2)现在通常用等效速度。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，即用加权平均法求得。它的单位是每秒百万指

令(MIPS)o

对比：Mflops

(3)还有利用所谓“标准程序”在不同的机器上运行所得到的实测速度。

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§1.7计算机的技术指稀

♦平均无故障运行时间：一般的微机微几千个小时。

MTBF-MeanTimeBetweenFalures

平均无故障时间是指两次故障之间能正常工作时间的平均值。假设九表

示单位时间内失效的元件数与元件总数的比例即失效率，贝|MTBF=1/3

例如九=0.02%/h,则

MTBF=l/k=5000h

♦可维护性——可用平均修复时间（MTRF）表示，它是指从故障发生到机

器修复平均所需要的时间。

MTBR—MeanTimeBetweenRepairs（字典缩略）

MTTR—MeanTimeToRepair（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。

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§1.7计算机的技术指标

♦兼容性——兼容是广泛的概念，是指设备或

程序可以用于多种系统中的性能。

♦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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§1.7计算机的技术指标

♦必须紧紧以性能/价格比为核心

♦性能的衡量标准

♦价格的因素

♦性能价格设计的一些原则

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§1.8计算机的发屣

第一代计算机：

(1).1946年第一台计算机ENIAC-50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。

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§1.8计算机的发展

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).软件方面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。

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§1.8计算机的发展

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).操作系统的出现

(4).特点：体积与功耗都得到了进一步的减小，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

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§1.8计算机的发屣

第四代计算机

(1)70年代初-今

(2)主要特征：大规模与超大规模集成电路作为电子器件

(3)软件越来越丰富，并且功能强大

(4)特点：计算机在各种性能上都得到了大幅度提高。

1971年以来，作为第四代计算机重要产品的微型计算机得到了

飞速的发展，对计算机的普及起到了决定性的作用。以微机为

例，IBMPC8088—80286—80386—80486—Pentium

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§1.8计算机的发屣

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。

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§1.8计算机的发屣

年代逻辑元件主存辅存语言处理速度代表机种

第一代1946——19电子管磁芯、磁磁带机器语言1万次/秒ENICA、

57鼓汇编语言IBM650

1BM709

第二代1958——晶体管磁芯、磁磁带、磁高级语言几万次一IBM7094

1964鼓盘编译语言几百万次DTS-121

操作系统/秒X-2

第三代1965——集成电路半导体存磁带、磁多道程序百万次一IBM360

1974和大规模储器盘实时处理千万次DJS-100

集成电路

第四代1974-超大规模半导体存高速磁盘数据库系千万次-VAX-11

集成电路储器统1亿次/秒INTEL系

网络结构列

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§1.8计算机的发底

CharlesBabbage

1833分析机

工仔；八

以评促建以评促改以评促管评建结合重在建设□耍-ffr7仕7-

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§1.8计算机的发展

£5000次加法/秒

@体重28吨

f占地170M2

f18800只电子管

f1500个继电器

f耗电150KW

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§1.8计算机的发屣

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>Pentiumlll>Merced

•CISC

■PowerPC系列微处理器的发展概况

•601、603、604、620

•RISC

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§1.8计算机的发屣

♦计算机应用的发展趋势

■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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§1.8计算机的发展

♦处理器性能的发展趋势

■Moor定律

■工作站性能大约每年提高50%（Spec基准程序测

量结果），也即每18个月提高两倍。

■估计在开销性能上的改善大约每年70%。

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§1.8计算机的发屣

♦计算机实现技术的发展趋势

容量速度（延迟）

逻辑2x3年