計算機(jī)組成原理 課件 1 計算機(jī)系統(tǒng)概論

第一章計算機(jī)系統(tǒng)概論1.7計算機(jī)的發(fā)展簡史1.1計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.2計算機(jī)硬件的五個功能部件及其功能1.3計算機(jī)系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)1.4計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)之間的關(guān)系1.5計算機(jī)系統(tǒng)特性1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡介

世界上第一臺真正的全自動電子數(shù)字式計算機(jī)是1946年在美國的賓夕法尼亞大學(xué)研制成功的

ENIAC(ElectronicNumericalntegratorandComputer)。

1.7計算機(jī)的發(fā)展簡史

這臺計算機(jī)共用了18000多個電子管，占地170m2，總重量為30噸，耗電140kw，每秒能做5000次加減運算。與ENIAC計算機(jī)研制的同時，馮?諾依曼與莫爾小組研制EDVAC(Electronic十進(jìn)制預(yù)算用手工搬運動開關(guān)和拔插電纜來編程DiscreteVariableAutomaticComputer)計算機(jī)，它采用了存儲程序方案。1.7計算機(jī)的發(fā)展簡史世界上第一臺電子計算機(jī)ENIAC(1946)1955年退役現(xiàn)代計算機(jī)的驅(qū)動力：人們的需求電子技術(shù)的發(fā)展第一代：電子管計算機(jī)第二代：晶體管計算機(jī)第三代：中、小規(guī)模集成電路計算機(jī)第四代：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機(jī)第五代：人工智能計算機(jī)1.7計算機(jī)的發(fā)展簡史硬件技術(shù)對計算機(jī)更新?lián)Q代的影響軟件技術(shù)的興起和發(fā)展各種語言機(jī)器語言：面向機(jī)器匯編語言：面向機(jī)器高級語言：面向問題

FORTRAN科學(xué)計算和工程計算PASCAL結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計C++面向?qū)ο驤AVA適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境軟件技術(shù)的興起和發(fā)展系統(tǒng)軟件語言處理程序匯編程序編譯程序解釋程序操作系統(tǒng)DOSUNIXWINDOWSLINUXKYLINLINUX

服務(wù)性程序裝配調(diào)試診斷拍錯數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件網(wǎng)絡(luò)軟件

計算機(jī)的特點1．運算速度快2．運算精度高3．存儲容量大4．具有邏輯判斷功能5．自動化程度高，通用性強1.7計算機(jī)的發(fā)展簡史

計算機(jī)的應(yīng)用1．科學(xué)計算2．過程檢測與控制(工業(yè)控制和實時控制)3．信息管理4．計算機(jī)輔助系統(tǒng)補充：虛擬現(xiàn)實技術(shù)多媒體技術(shù)人工智能技術(shù)計算機(jī)有類似人腦的一些超級智能功能：比如自動駕駛技術(shù)，IBM的沃森，谷歌大腦，百度大腦等將來會逐步改變世界1.7計算機(jī)的發(fā)展簡史1.1計算機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理馮.諾依曼計算機(jī)硬件框圖

特征：1、計算機(jī)有五大部件組成2、指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器中，可按地址尋訪3、指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示4、指令由操作碼行業(yè)地址組成5、存儲程序6、以計算器為中心1.1計算機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理馮.諾依曼計算機(jī)五大模塊功能

算術(shù)運算和邏輯運算把結(jié)果轉(zhuǎn)化成人們熟悉的形式存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)化成機(jī)器能夠識別的形式指揮控制程序的運行1.1計算機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理計算機(jī)系統(tǒng)的核心功能是執(zhí)行程序首先必須有能力把要運行的程序和用到的原始數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)內(nèi)部并存儲起來，接下來應(yīng)該有辦法逐條執(zhí)行這個程序中的指令以完成數(shù)據(jù)運算并得到運算結(jié)果，最后還要輸出運算結(jié)果供人檢查和使用。1.2計算機(jī)硬件的五個功能部件及其功能1.3計算機(jī)系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)軟件硬件指令層1.4.1計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）也稱為計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。這是1964年Amdahl在介紹IBM360系列時提出的，在20世紀(jì)70年代廣泛采用。由于器件技術(shù)迅速發(fā)展，計算機(jī)硬件、軟件界面在動態(tài)變化，因此，對計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義的理解也不盡一致。1.4計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)之間的關(guān)系1.4.2計算機(jī)組成與實現(xiàn)計算機(jī)組成（ComputerOrganization）是指計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括機(jī)器級內(nèi)的數(shù)據(jù)通道和控制信號的組成及邏輯設(shè)計，它著眼于機(jī)器級內(nèi)各事件的時序方式與控制機(jī)構(gòu)、各部件功能及相互聯(lián)系。計算機(jī)組成還應(yīng)包括：數(shù)據(jù)通路寬度；根據(jù)速度、造價、使用狀況設(shè)置專用部件，例如是否設(shè)置乘法器、除法器、浮點運算協(xié)處理器、I/O處理器等；部件共享和并行執(zhí)行；控制器結(jié)構(gòu)（組合邏輯、PLA、微程序）、單處理機(jī)或多處理機(jī)、指令預(yù)取技術(shù)和預(yù)估、預(yù)判技術(shù)應(yīng)用等組成方式的選擇；可靠性技術(shù)；芯片的集成度和速度的選擇。1.4計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)之間的關(guān)系

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)是三個不同的概念。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計算機(jī)物理系統(tǒng)的抽象和定義；計算機(jī)組成是計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)；計算機(jī)實現(xiàn)是計算機(jī)組成的物理實現(xiàn)。它們各自有不同的內(nèi)容，但又有緊密的關(guān)系。1.4計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)之間的關(guān)系1.5.1計算機(jī)等級

計算機(jī)系統(tǒng)按其性能與價格的綜合指標(biāo)通常分為巨型、大型、中型、小型、微型等若干級。但是，隨著技術(shù)進(jìn)步，各個等級的計算機(jī)性能指標(biāo)都在不斷地提高，以致30年前的一臺大型機(jī)的性能甚至比不上當(dāng)今一臺微型計算機(jī)。可見，用于劃分計算機(jī)等級的絕對性能標(biāo)準(zhǔn)是隨著時間變化的。1.5計算機(jī)系統(tǒng)特性1.5.2計算機(jī)系列

系列機(jī)概念指的是先設(shè)計好一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而后就按這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計它的系統(tǒng)軟件，按器件狀況和硬件技術(shù)研究這種結(jié)構(gòu)的各種實現(xiàn)方法，并按照速度、價格等不同要求，分別提供不同速度、不同配置的各檔機(jī)器。1.5計算機(jī)系統(tǒng)特性1.5.3計算機(jī)的主要性能指標(biāo)

1.機(jī)器字長CUP一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)

與CPU中的寄存器位數(shù)有關(guān)

主頻

核數(shù)，每個核支持的線程數(shù)

2.運算速度

CPI執(zhí)行一條指令所需要時鐘周期數(shù)

MIPS每秒執(zhí)行百萬條指令

MFLOPS每秒執(zhí)行多少百萬次浮點預(yù)算1.5計算機(jī)系統(tǒng)特性1.5計算機(jī)系統(tǒng)特性4.數(shù)據(jù)通路寬度

系統(tǒng)連接地址總線（AB）數(shù)據(jù)總線（DB）定義：傳輸或代碼的一組通訊線。其條數(shù)與處理器字長相等數(shù)據(jù)在CPU與存儲器或I/O接口間的傳送是雙向的定義：是傳送地址信息的一組通訊線，是微處理器用來尋址存儲器單元（或I/O的端口）總線是用來傳送各種控制信號的。輸出控制信號，輸入控制信號控制總線（CB）1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡介1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡介系統(tǒng)鏈接數(shù)據(jù)總線（DB）地址總線（AB）控制總線（CB）傳輸數(shù)據(jù)或代碼傳送地址傳送控制信號的1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡介典型微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1、累加器（A）和算數(shù)邏輯單元（ALU）2、控制器（CU）3、內(nèi)部寄存器陣列（PC）4、內(nèi)部總線和總線緩沖器指令寄存器（IR）指令譯碼器（ID）可編程邏輯陣列（PLA）程序計數(shù)器（PC）地址寄存器（AR）數(shù)據(jù)緩沖寄存器(DR）標(biāo)志寄存器(FLAGS)1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡介1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡介1、讀操作2、寫操作1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡介簡單程序的編制和執(zhí)行指令的執(zhí)行過程取指令分析指令執(zhí)行指令1.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡介簡單程序的編制和執(zhí)行題目：要求計算機(jī)執(zhí)行5CH加2EH，結(jié)果存到20H單元助記符MOVAX,5CHADDAX,2EHMOV[20H],AXHALT;停機(jī)二進(jìn)制碼000111100101110011000110001011100011001000100000011101101.6典型微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理簡介存儲單元內(nèi)容

0011111001011100110001100010111000110010001000000111011001001100MOVAX5CHADDAX2EHMOV[20H],AX20HHALT存結(jié)果地址

二進(jìn)制十六進(jìn)制

00010000000000200H10000000000001000H10000000000011001H10000000000101002H10000000000111003H10000000001001004H10000000001011005H10000000001101006H10000000001111007H10000000010001008H10000000010011009H1000000001010100AH操作控制器（OC）指令譯碼器（ID）數(shù)據(jù)寄存器（MDR）標(biāo)志寄存器（FR）程序計數(shù)器（PC）寄存器組累加器（ACC）指令寄存器（IR）地址寄存器（MAR）地址譯碼器:B0H5CH04H2EH70H0AH10HA2H00H02HF4H0200H1000H1001H1002H1003H1004H1005H1006H1007H1008H1009H100AH...內(nèi)存儲器CPUALU+1......控制信號

讀控制寫控制內(nèi)總線地址PC=1000H操作控制器（OC）指令譯碼器（ID）數(shù)據(jù)寄存器（MDR）標(biāo)志寄存器（FR）程序計數(shù)器（PC）寄存器組累加器（ACC）指令寄存器（IR）地址寄存器（MAR）地址譯碼器:B