計算機組成原理：第1章 計算機系統(tǒng)概論

1、2021-11-231計算機組成原理2021-11-232課程說明課程必修課，36學時，2學分教材白中英. 計算機組成原理（第4版）. 科學出版社, 2000.參考資料張晨曦等. 計算機體系結構. 北京: 高等教育出版社, 2000.蔣本珊編著. 計算機組成原理M.北京：清華大學出版社，2004. 2021-11-233成績平時成績： 40%，期末考試： 60%。作業(yè)必須手寫，上課之前交上一次作業(yè)實驗 與本課程對應的“計算機組成實踐”課程18學時，0.5學分 實驗報告要求交紙質版紙質版實驗時間按照實驗室安排另行通知2021-11-234主要內容1.計算機系統(tǒng)概論2.運算方法和運算器3.存儲系統(tǒng)

2、4.指令系統(tǒng)5.中央處理器6.總線系統(tǒng)7.外圍設備8.輸入/輸出系統(tǒng)2021-11-235第1章 計算機系統(tǒng)概論n計算機的分類和應用n計算機硬件n計算機軟件n計算機系統(tǒng)的層次結構2021-11-2361.1 計算機的分類和應用n什么是電子數(shù)字計算機？n計算機有些類別？n計算機能干什么？2021-11-237電子計算機概念n機械式計算與電子式計算n模擬計算機與數(shù)字計算機n計算機與計算器n計算機的基本特征l自動、高速、精確n計算機的基本運算l算術運算l邏輯運算2021-11-238計算機分類n按用途分l通用計算機l專用計算機n按規(guī)模分l巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機、單片機2021-11-

3、239計算機的應用n科學計算（運算速度）n信息處理（存儲容量）n測量與控制（自動化）n其它應用lCAD、CAM、CAICAD：計算機輔助設計 Computer Aided Design CAM：計算機輔助制造 Computer Aided Manufacturing CAI：計算機輔助教學 Computing Assisted Instructionl人工智能領域2021-11-23101.2 計算機硬件n計算機的硬件組成n計算機的硬件發(fā)展2021-11-2311計算機的硬件組成 五大部分五大部分:運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備 說明說明:

4、細實線：控制線細實線：控制線 虛線：反饋線虛線：反饋線 粗線：數(shù)據(jù)線粗線：數(shù)據(jù)線控制器輸入設備存儲器輸出設備運算器結果結果數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)取數(shù)取數(shù)存數(shù)存數(shù)輸入命令輸入命令輸出命令輸出命令2021-11-2312計算機的硬件組成（續(xù)）1. I/O設備設備:2. CPU:CPU=控制器（控制器（Controller）+運算器（運算器（ALU+Regs）(1)控制器控制器:功能功能(2) ALU(Arithmetic Logical Unit):算術邏輯部件算術邏輯部件,是直接進行數(shù)據(jù)變換與運算的部件是直接進行數(shù)據(jù)變換與運算的部件. ALU的最基本的最基本操作是加法和邏輯運算操作是加法和邏輯運算.例例:A-

5、B=A+-B補補 ,(3)寄存器組寄存器組:暫存運算中間結果暫存運算中間結果 m*n=m+m+mm/n=m-n-n按時鐘提供統(tǒng)一節(jié)拍按時鐘提供統(tǒng)一節(jié)拍對指令所含操作做時序分配對指令所含操作做時序分配按時序發(fā)出控制信號按時序發(fā)出控制信號,驅動各部件協(xié)調工作驅動各部件協(xié)調工作 通用寄存器組通用寄存器組:存放操作數(shù)存放操作數(shù) 專用寄存器組專用寄存器組:存儲特定信息存儲特定信息2021-11-2313計算機的基本組成（續(xù)）計算機的基本組成（續(xù)） 算術邏輯部件算術邏輯部件(ALU)工作示意圖工作示意圖狀態(tài)標志寄存器通用寄存器累加器ALUBA結果C=A+B標志每位對應一個特征2021-11-2314計算機

6、的基本組成計算機的基本組成(續(xù)續(xù))3.存儲器存儲器(Memory，記憶裝置，記憶裝置)(1)功能:保存程序、原始數(shù)據(jù)及中間結果。(2)特點: 取之不盡，新來舊去。存 寫, 取 讀.采用線性地址存取方式采用線性地址存取方式 地址地址 單元內容單元內容 可按位(b),字節(jié)(B),半字、 字(W),雙字(DW)編址。 以字節(jié)(B)編址居多，即1個 存儲單元存1個字節(jié)的信息。 存儲器容量:即存儲器中存儲單元的數(shù)量。信息m-1信息m信息m+1n-1nn+12021-11-2315計算機的基本組成計算機的基本組成(續(xù)續(xù))(3)存儲器的三大指標存儲器的三大指標容量容量(C)+價格價格(P)+速度速度(S)容

7、量大容量大 速度速度 , 速度速度 成本成本 容量容量采用分級存儲方式來解決上述矛盾采用分級存儲方式來解決上述矛盾主存輔存cacheCPU主存輔存輔助軟硬件主輔存兩級存儲系統(tǒng)主輔存兩級存儲系統(tǒng)cache主輔存三級存儲系統(tǒng)主輔存三級存儲系統(tǒng)輔存主存2021-11-2316計算機工作流程n馮諾依曼型計算機的設計思想： 存儲程序并按地址順序執(zhí)行存儲程序并按地址順序執(zhí)行n工作流程l根據(jù)算法編寫程序l存儲程序l執(zhí)行程序2021-11-2317Von Neumann 型計算機特點n以ALU為中心，I/O與M之間的數(shù)據(jù)傳送經(jīng)過ALU。ALU、M、I/O的聯(lián)系由CPU集中控制。n程序和數(shù)據(jù)放在同一個主存中，無

8、區(qū)分的信息位。n存儲器按地址訪問（線性編址的一維空間）。n指令在存儲器中是順序存儲的。n指令由操作碼和地址碼組成。n數(shù)據(jù)以二進制編碼表示。2021-11-2318控制器的基本任務 按照計算程序所排的指令序列，先從存儲器取出一條指令放到控制器中，對該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別，執(zhí)行這條指令，進行相應的操作。接著從存儲器取出第二條指令，再執(zhí)行第二條指令；依此類推。2021-11-2319程序對計算機的控制程序對計算機的控制n 舉例舉例: a+|b|=n解題步驟解題步驟:nstep1:取a nstep2:取bnstep3:判斷nstep4:執(zhí)行執(zhí)行a+bnstep5:轉轉step7nstep6

9、:執(zhí)行執(zhí)行a-bnstep7:結束結束n 條件轉移類指令條件轉移類指令:對對step3類似的操類似的操作可用條件轉移類指令實現(xiàn)作可用條件轉移類指令實現(xiàn). a+b ,b0 a- b , b0若b0,執(zhí)行step4若b系統(tǒng)程序與應用程序劃分n機器語言=匯編語言=高級語言n批處理=交互式操作系統(tǒng)n文件系統(tǒng)=數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)2021-11-23291.4 計算機系統(tǒng)的層次結構n數(shù)據(jù)流與指令流l指令流=控制器l數(shù)據(jù)流=運算器n計算機層次結構l第一級 微程序設計級l第二級 一般機器級l第三級 操作系統(tǒng)級l第四級 匯編語言級l第五級 高級語言級n軟、硬件的邏輯等價性2021-11-2330計算機的發(fā)展 1946:

10、 ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer): 第一臺真正意義上的數(shù)字電子計算機。開始研制于1943年，完成于1946年。負責人是John W. Mauchly和J. Presper Eckert。重30噸，18000個電子管，功率25千瓦。主要用于計算彈道和氫彈的研制。 參考資料參考資料2021-11-2331計算機的史前文明n機械計算機l算盤（公元前）l計算尺（1621年，William Oughtred）l第一臺機械計算機器Pascaline（1642年）l差分機（1822年）2021-11-2332Pascalinen164

11、2年，Blaise Pascal發(fā)明n功能：加法和減法運算（手搖）n1670年改進，能計算乘除法和平方根2021-11-2333差分機n1822年，Charles Babbage發(fā)明n1890年，Herman Hollerith發(fā)明機械式穿孔卡片制表系統(tǒng)，應用于美國人口統(tǒng)計n1896年，Herman Hollerith組建Tabulating Machine公司（IBM公司前身）2021-11-2334計算機的史前文明（續(xù)）n 重要事件l1848: 英國數(shù)學家George Boole創(chuàng)立二進制代數(shù)學l1906: 美國的Lee De Forest發(fā)明了電子管 l1924年:IBM公司成立l193

12、7: 英國劍橋大學的Alan M. Turing (1912-1954)出版了他的論文 ，并提出了被后人稱之為“圖靈機”的數(shù)學模型l1938: Claude E. Shannon 發(fā)表了用繼電器進行邏輯表示的論文 2021-11-2335計算機的史前文明（續(xù)二）n電子計算機l1935: IBM推出IBM 601機。 這是一臺能在一秒鐘算出乘法的穿孔卡片計算機 l1937: BELL試驗室的George Stibitz展示了用繼電器表示二進制的裝置。盡管僅僅是個展示品，但卻是第一臺二進制電子計算機l1939 1月1日: 加利福尼亞的David Hewlet和William Packard 在他們

13、的車庫里造出了Hewlett-Packard計算機。名字是兩人用投硬幣的方式?jīng)Q定的。包括兩人名字的一部分2021-11-2336計算機的史前文明（續(xù)三）l1939年11月: 美國John V. Atanasoff和他的學生Clifford Berry 完成了一臺16位的加法器，這是第一臺真空管計算機l1941年12月: 德國Zuse制作完成了Z3計算機的研制。這是第一臺可編程的電子計算機?？商幚?位指數(shù)、14位小數(shù)。使用了大量的真空管。每秒種能作3到4次加法運算。一次乘法需要3到5秒。l1943年1月: Mark I，自動順序控制計算機在美國研制成功。整個機器有51英尺長，重5噸，75萬個零部

14、件，使用了3304個繼電器，60個開關作為機械只讀存儲器。程序存儲在紙帶上，數(shù)據(jù)可以來自紙帶或卡片閱讀器。被用來為美國海軍計算彈道火力表 2021-11-2337ENIAC以后的計算機n晶體管時代l1947: Bell實驗室的William B. Shockley、 John Bardeen和Walter H. Brattain.發(fā)明了晶體管 l1949: EDVAC (electronic discrete variable computer)：第一臺使用磁帶的計算機l1950: 軟磁盤由東京帝國大學的Yoshiro Nakamats發(fā)明l1951: UNIVAC-1：第一臺商用計算機系統(tǒng)。

15、設計者：J. Presper Eckert 和John Mauchly。被美國人口普查部門用于人口普查，標志著計算機的應用進入了一個新的、商業(yè)應用的時代2021-11-2338ENIAC以后的計算機（續(xù)）n集成電路時代l1958年9月12日: 在Robert Noyce（INTEL公司的創(chuàng)始人）的領導下，發(fā)明了集成電路l1963: PDP-8：DEC公司推出第一臺小型計算機 l1970: 第一塊RAM芯片由INTEL推出，容量1K l1971年11月15日: Marcian E. Hoff在INTEL公司開發(fā)成功第一塊微處理器4004，含2300個晶體管l1976: Zilog推出Z80處理器

16、。8位微處理器l1976: 6502, 8 位微處理器發(fā)布，專為Apple II計算機使用l1979: Motorola公司發(fā)布68000微處理器。主要供應Apple公司的Macintosh2021-11-2339 ENIAC以后的計算機（續(xù)二）n個人計算機lAltair 8800（1975年）lApple（1976年）lIBM PC（1980年）2021-11-2340Altair 8800n1975年，第一臺個人計算機n8088CPUn256Byte內存n面板開關輸入n面板小紅燈輸出2021-11-2341Applel1976年，帶顯示器和內置鍵盤的計算機l參與商務應用（Visicalc程

17、序，進行電子賬務表格計算）2021-11-2342IBM PCn1980年n價格低廉l直接采購部件n技術開放l兼容機的發(fā)展2021-11-23431、按照Neumann原理，現(xiàn)代計算機應具備哪些功能？2、 Neumann計算機應包含哪幾部分？它們的作用各是什么？3、計算機的存儲器采用分級方式是為了（ ） A 減少主機箱的體積 B 解決容量、價格、速度三者之間的矛盾 C 保存大量數(shù)據(jù)方便 D操作方便4、運算器由許多部件組成，但核心部件應該是（ ） A 數(shù)據(jù)總線 B 數(shù)據(jù)選擇器 C 算術/邏輯運算單元 D累加器補充習題補充習題2021-11-23445、存儲器是計算機系統(tǒng)中的記憶設備，它主要用來（ ） A 存放程序 B 存放數(shù)據(jù) C 存放微程序 D存放程序和數(shù)據(jù)6、計算機的主存容量與什么有關？7、完整的計算機系統(tǒng)包括（ ）