计算机组成原理课件

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

2011年7月9日2时12分

天搬硒勤!!

・许德刚

•信息学院计算机工程系

・TEL:67789848,66677513

•Email:xulaoshi@

•xu_laoshi@

•

DegangXu,ZhengzhouInstitueOfTechnology.

2011年7月9日2时12分

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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

2011年7月9日2时12分DegangXu,ZhengzhouInstitueOfTechnology.

Xulaoshi@tom.com

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

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

!体积，功耗，性能，价格低

「一

49日2时］2分DegangXu,ZhengzhouInstitueOfTechnology.

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V/lICII202

1642BlaisePascal1822差分机

1833分析机ENIACMARKI

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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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计算机的发展——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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最早的计算机模型

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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

集成电路达儿百万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。

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漪/-71■■卜.■尸

_l/T1

r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^X-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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年代逻辑元件主存辅存语言处理速度代表机种

第一代194619电子管磁芯、磁磁带机器语言1万匆秒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

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IBM360

1971.和大规模储器盘实时处理千万次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1亿初秒INTEL系

网络结构列

.1--一.1.TL

ng.X-u,Z~9\hungzknology.

2011年7月9日2时12分”眇iuInstitueOfTeel

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凰园署周潺僧规

年份型号管数年份型号管数

1971400423001993PENTIUM310万

1972800835001995P-PRO550万

1974808060001997P-MMX450万

19788086290001997P-II750万

19828028613万1998Celeron750万

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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二分类

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in”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

低高

体积弱

功能-易

数据存储量/

箱令系院/微型机\性

价格

/I小型机

大型机

巨型机悔

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.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。

•冯诺依曼驾计算机的设计思想：存储程序并

按地址顺序执行。

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一.硬件系统

存储黑运留器控制器输入设备输出设备

系统总线

运

算

器

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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・运算器：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)。

■控制器：控制计算机有条不紊地执行程序的部件。

程序控制

■输入设备：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。

•输出设备：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-一计算机的硬件结构

控制器运算器

输第一单元

入

高速缓存输

出输入

主存储器接

口

和输出

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-一计算机的硬件结构

运算器

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计算机系统结构-一计算机的硬件结构

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。

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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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计算机系统结构二一计算机的硬件结构

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，

高速缓存外存储器所组成的多级（层）存储器

，系统，是计算机中用于存储程序和数

主存储器

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。

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

|3

控制器运vT器

高速缓存

输入

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

控制器运算器

高速缓存

一.|输入设备

主存储器输入设霰口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

主存储器

外存设备输出

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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

输入

主存储器

外存设备输出

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

高速缓存

输入

主存储器

外存设备输出

这些部件和设备通过总线和接口连接在

初牵一起，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：

执行周期：

4.程序的执行

CPU不断地取指令池

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2、计算机软件

软件=程序+数堀+文档操作系统

语言处理程序

-----系统软件一——诊断程序

——反病毒程序

实用程序------卸载程序

软件分类一•——备份程序

办公软件包文件压缩程序

数据库管理系统

应用软件一网络软件

实时控制软件

图形图像处理软件

其它应用软件

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⑴操作系统

一管理和控制计算机系统的所有资源（包

括硬件和软件）

-----裸机+操作系统二虚拟机

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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(2)实用程序

操作系统自己带一些

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

备份程序：Windows2000中的备份程序

文件压缩程序:ARJWinZip

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(3)语言处理程序

机器语言

汇编语言

面向过程：BASIC>Pascal

、FORTRAN>C等

面向对象:C++、Java、Visual

-----面向问题的语言Basic等

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计算机的技术才旨标

字长

运基了器

法器:参与算的本位数,它决定寄存、加

元据的。

精度、存储单和数总线位数它标志着计算

O

主量储以的

■存容：存器可容纳二进制信息量。

■时行的数

运算速度：单位间内执指令平均条。

、外配功大

■软硬件配置：部设备的备和能强的操作

统计

系和程序设语言。

价：价衡算综

・性能格比性能和格之比是量计机的合

指标。

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DegangXu,ZhengouInefTchnoogy

zhstituOe.

2年2

0117月9日2时1分

X

uoshitm.com

la@o

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—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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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10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

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计算机的发展发展趋势（资源共享）

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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

多操作部件1，多存储体//紧密耦合系统

并行处理机/1

多处理机

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