計算機組成原理課件第1章課件

主講教師：莊春興江南南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院計算機組成原理Email:cx_zhuang@163.com1本課程在計算機課程體系中的位置硬件類軟件類CPU及整機設(shè)計（計算機組成原理）BIOS與接口驅(qū)動程序設(shè)計模擬電路、數(shù)字邏輯電路設(shè)計嵌入式系統(tǒng)SOC芯片設(shè)計計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外圍接口電路設(shè)計操作系統(tǒng)編譯系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)C++JAVA離散數(shù)學(xué)計算機系統(tǒng)綜合設(shè)計電子商務(wù)多媒體技術(shù)…算法設(shè)計、數(shù)值分析、信號與系統(tǒng)、計算機理論課程、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程匯編語言軟件工程C#…2課程的性質(zhì)、目的及任務(wù)本課程為計算機相關(guān)專業(yè)的學(xué)位課程，計算機系統(tǒng)知識中關(guān)于軟件和硬件分界面相關(guān)知識比較集中的一門課程主要研究計算機系統(tǒng)的邏輯實現(xiàn)過程和方法。本課程還討論計算機組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所涉領(lǐng)域的基本功能以及獲取最大性能所需求的技術(shù)，最后本課程將依據(jù)當(dāng)前的發(fā)展介紹一些最新的計算機組成技術(shù)。

3教材白中英戴志濤，計算機組成原理，科學(xué)出版社2013參考書王愛英,計算機組成與結(jié)構(gòu)·第3版,清華大學(xué)出版社，2001白中英,計算機組織與體系結(jié)構(gòu)（第4版立體化教材），清華大學(xué)出版社，20084第一章計算機系統(tǒng)概論第二章運算方法和運算器第三章多層次的存儲器

第四章指令系統(tǒng)第五章中央處理器

第六章總線系統(tǒng)第七章外存與I/O設(shè)備第八章輸入輸出系統(tǒng)第九章并行組織與結(jié)構(gòu)

第十章課程教學(xué)實驗設(shè)計目錄5第一章計算機系統(tǒng)概論1.1計算機的分類1.2計算機發(fā)展簡史1.3計算機的硬件1.4計算機的軟件1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)61.1計算機的分類一、計算機從總體上來說分為兩大類:

模擬計算機和數(shù)字計算機。各自主要特點：模擬計算機由模擬運算器件構(gòu)成，其變量由連續(xù)量（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續(xù)的數(shù)字計算機則是由邏輯電子器件構(gòu)成，其變量為開關(guān)量（離散的數(shù)字量），采用數(shù)字式按位運算，運算模式是離散式的7數(shù)字計算機與模擬計算計的主要區(qū)別比較內(nèi)容數(shù)字計算機模擬計算機數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0和1電壓、電流等計算方式數(shù)字計算電量組合和測量值控制方式程序控制模擬信號組合控制精度、抗干擾性高、好低、差數(shù)據(jù)存儲量大小、幾乎無邏輯判斷能力強無8二、數(shù)字計算機分類數(shù)字計算機根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應(yīng)性來劃分，可以劃分為兩類：專用計算機：專用機是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但是它的適應(yīng)性很差。通用計算機：通用計算機適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。9三、通用計算機分類101.2計算機發(fā)展簡史1.2.1計算機的五代變化

1.2.2半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展

1.2.3微處理器的發(fā)展

1.2.4計算機的性能指標

111.2計算機發(fā)展簡史1.2.1計算機的五代變化第一代為1946—1957年，電子管計算機：數(shù)據(jù)處理第二代為1958—1964年，晶體管計算機：工業(yè)控制第三代為1965—1971年，中小規(guī)模集成電路計算機：小型計算機第四代為1972—1990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機：微型計算機第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計算機：單片機121.2.2半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展20世紀50～60年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán)1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半導(dǎo)體存儲器從1970年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。其中1K=210,1M=220,1G=230131.2.3微處理器的發(fā)展1971年Intel公司開發(fā)出Intel4004。4位微處理器1972年出現(xiàn)的Intel8008，這是第一個8位微處理器，它比4004復(fù)雜一倍。1974年出現(xiàn)了Intel8080。這是第一個通用微處理器，而4004和8008是為特殊用途而設(shè)計的。20世紀70年代末才出現(xiàn)強大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。這一發(fā)展趨勢中的另一階段是在1981年，貝爾實驗室和HP公司開發(fā)出了32位單片微處理器。Intel于1985年推出了32位微處理器Intel80386。到現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器141.2.4計算機的性能指標

吞吐量表征一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）。

響應(yīng)時間表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時間度量，用時間單位來度量，例如微秒（10-6S）、納秒（10-9S）。

利用率表示在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，一般用百分比表示。

處理機字長指處理機運算器中一次能夠完成二進制數(shù)運算的位數(shù)。當(dāng)前處理機的字長有8位、16位、32位、64位。

字長越長，表示計算的精度越高。

151.2.4計算機的性能指標

總線寬度一般指CPU中運算器與存儲器之間進行互連的內(nèi)部總線二進制位數(shù)。

存儲器容量存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。

其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1個字節(jié)）。

存儲器容量越大，記憶的二進制數(shù)越多。

存儲器帶寬存儲器的速度指標，單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。

主頻/時鐘周期CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機為60MHz～266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。

161.2.4計算機的性能指標主頻的倒數(shù)稱為CPU時鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。CPU執(zhí)行時間表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間，可用下式計算：

CPU執(zhí)行時間＝CPU時鐘周期數(shù)×CPU時鐘周期長

CPI表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。用下式計算：

MIPS表示每秒百萬條指令數(shù)，用下式計算：

171.3計算機的硬件1.3.1硬件組成要素1.3.2運算器1.3.3存儲器1.3.4控制器1.3.5適配器與I/O設(shè)備181.3.1硬件組成要素數(shù)字計算機基本組成與手工計算比較

控制器：人的大腦的操作控制功能運算器：人的大腦的計算功能存儲器：人的大腦記憶功能輸入設(shè)備：交互接口，筆輸出設(shè)備：交互接口，紙19馮·諾依曼型計算機存儲程序按地址自動執(zhí)行五大部件：控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以運算器為中心20計算機的組成結(jié)構(gòu)211.3.2運算器算術(shù)運算和邏輯運算二進制運算器的長度一般是8、16、32或64位221.3.3存儲器存儲數(shù)據(jù)和程序（指令）容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存存儲器單位：1KB＝210B1MB＝220B1GB＝230B1TB＝240B231.3.4控制器指令和程序:指令的形式（操作和地址碼、存儲程序的概念、指令中程序和數(shù)據(jù)的存放、指令系統(tǒng)）指令和數(shù)據(jù)存儲24控制器的基本任務(wù)控制器的基本任務(wù)：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。取指周期和執(zhí)行周期控制器完全可以區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字。一般來講，取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器。251.3.5適配器與I/O設(shè)備輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器設(shè)備所能接收和識別的信息形式適配器：它使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機進行聯(lián)系，以便使主機和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作總線：構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。

總之，現(xiàn)代電子計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。這也是人們常說的計算機硬件。261.4計算機的軟件1.4.1軟件的組成與分類 系統(tǒng)軟件：用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途。它包括以下四類：①各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯程序、練習(xí)程序等②語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等③操作系統(tǒng)④數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序，如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學(xué)計算程序等271.4.2軟件的發(fā)展演變編程語言的發(fā)展手編程序：機器語言程序，手工編譯二進制碼匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編高級程序：算法語言/高級語言，機器編譯程序/解釋程序系統(tǒng)軟件的發(fā)展操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)軟件28291.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.5.1多級組成的計算機系統(tǒng)計算機是一個十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體。它通常由五個以上不同的級組成，每一級都能進行程序設(shè)計30五級計算機層次系統(tǒng)第一級是微程序設(shè)計級。這是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級上運行應(yīng)用程序。第二級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。這一級也是硬件級。第三級是操作系統(tǒng)級，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。第四級是匯編語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫時，則機器必須要有這一級的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。第五級是高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。311.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.5.2軟件與硬件的邏輯等價性隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)的軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因為任何