计算机组成原理课件第一章.ppt

1、第一章 概论,计划学时: 3个学时,学习内容,1.1 简介(Introduction) 1.2 计算机体系结构和组织(Organization and 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(Technology target) 1.8 计算机的发展(History),学习目标,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

2、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。,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。,1.1 简介 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 Numerical Integrator And Calculator）

3、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。,1.1 简介 Introduction,二、层次 以电子器件为物质基础：电子数字计算机 (Digital Computer) 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,1.1 简介 Introduction,三、特征 （1）内部特征： （A） 高速高集成度开关元件 （B）

4、 数字化信息编码 （C） 逻辑判断和处理能力 （D） 存储程序 （2）外部特征： （A） 快速性（由（1）中（A）（D）决定） （B） 准确性（由（1）中（B）（D）决定） （C） 逻辑性（由（1）中（A）（C）（D）决定） （D） 通用性（由（1）中（A）（B）（C）（D）决定）,1.2 计算机体系结构和组织,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”,指令集（instruction set）,软件,硬件,COMPUTER,I/O,MEMORY,System Bus,CPU,CPU,Register,AL

5、U,Internal CPU Interconnection,Control Unit,1.2 计算机体系结构和组织,1.2 计算机体系结构和组织,Processor,Main Memory,Cache/Bridge,SCSI,Fax,LAN,Video,Graphic,FireWire,Serial,Moden,Expansion Bus Interface,System bus,High_Speed Bus,Expansion Bus,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，

6、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。,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。,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。,1.3 计算机的硬件结构,二、计算机主要部件 包括： 运算器、控制器

7、 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。,输入设备,输出设备,入出接口和总线,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,1.3 计算机的硬件结构,运 算 器,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 。,控 制 器,运 算 器,1.3 计算机的硬件结构

8、,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。,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,1.3 计算机的硬件结构,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 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 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。,输入设备,外

9、存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,1.3 计算机的硬件结构,输入设备是向计算机中送入程序和数据的有一定独立功能的设备，通过接口和总线与计算机主机连通，用于人机交互联系,如计算机键盘和鼠标等。,输入设备,输出设备,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,1.3 计算机的硬件结构,输入设备,输出设备,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,1.3 计算机的硬件结构,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。,输入设备,输出设备,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,1.3 计算机的硬件结构,这些部件和设备通

10、过总线和接口连接在 一起,构成计算机整机系统 ,协同运行.,输入设备,输出设备,入出接口和总线,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,第三单元,第四单元,第二单元,第一单元,1.3 计算机的硬件结构,1.4 计算机软件,标准程序库 语言处理程序 操作系统,服务性程序 数据库管理程序 网络软件应用软件,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 汇编语言层 第5层 高级语言层,1.5 计算机的层次结构,第一层：硬件级，由机器硬件直接执行微指令。,1.5 计算机的层次结构,第二层：它由微程序解释机器指令系统。,1.5 计算机的

11、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。,1.5 计算机的层次结构,第四层：汇编语言层，它由汇编程序支持和执行。,1.5 计算机的层次结构,第五层：面向用户的，由各种高级语言程序支持和执行。,Application Programs,Utilities,Operation System,Computer Hardware,End User,Programmer,Operating System Designer,1.5 计算机系统的层次结构,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,1.6 计算机的

12、功能,一、计算机的工作过程,1. 程序的执行： （A）编写程序 （B）翻译成机器指令 （C）将程序和数据写入存储器 （D）将第一条指令地址放入PC （E）执行所有指令 （F）结束,2. 指令的执行： 三个阶段：取指令、分析指令、执行指令 （A） 开始时，将第一条指令地址-PC （B）（PC）-MAR，发“读”命令，使（MDR）-IR （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,1.6 计算机的功能,1.7 计算机的技术指标,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

13、。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）。 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。,1.7 计算机的技术指标,平均无故障运行时间：一般的微机微几千个小时。 MTBFMean Time Between Falures 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。假设表示单位时间内失效 的元件数

14、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。 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。,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。

15、性能价格比：性能和价格之比是衡量计算机的综合指标。,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,1.8 计算机的发展,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。,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

16、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。,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,1.8 计算机的发展,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

17、（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，IBM PC8088802868038680486Pentium,1.8 计算机的发展,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。,1.8 计算机的发展,1.8 计算机的发展,Charles Babbage,1822 差分机,1833 分析机,MARK I,ENIAC,电子计算机时代,1.8 计算机的发展,5000次加法/秒 体重28吨 占地170M2 18800只电子管

18、1500个继电器 耗电150KW,1.8 计算机的发展,1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005,108,107,105,104,103,106,4004,8086,80286,80386,486,Pentium,Pentium Pro,Pentium ,1.8 计算机的发展,1980 1985 1990 1995,1,20,50,100,200,10,2,5,Dynamic RAM speed,Processor speed,Dynamic RAM density,Evolution of DRAM and Processor Characteristi

19、cs,1.8 计算机的发展,Pentium和Power PC发展概述 Pentium系列微处理器的发展概况 8080、8086、80286、80386、80486、 Pentium、Pentium Pro、Pentium II、 Pentium III、Merced CISC Power PC系列微处理器的发展概况 601、603、604、620 RISC,1.8 计算机的发展,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1.52%，也就是说计算机的地址位以每年1/21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。,1.8 计算机的发展,处理器性能的发展趋势