計算機組成原理課件第一章概論

?嗡0哥愈食后

第一章概論

計劃學時：3個學時

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

學習內(nèi)容

§1.1簡介(Introduction)

§1.2計算機體系結(jié)構(gòu)和組織(Organizationand

Architecture)

§1.3計算機的硬件結(jié)構(gòu)(Hardware)

§1.4計算機軟件(Software)

§1.5計算機的層次結(jié)構(gòu)(Layers)

§1.6計算機的功能(Function)

§1.7計算機的技術(shù)指標(Technologytarget)

§1.8計算機的發(fā)展(History)

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

@

宇習s?

?掌握存儲程序工作方式，計算機的基本組成與各部

件的基本功能，信息的數(shù)字化表示方法。

?初步掌握計算機硬件系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，計算機的軟

件系統(tǒng)的主要內(nèi)容。

?理解用層次結(jié)構(gòu)描述硬件、軟件系統(tǒng)的關(guān)系。

?理解應用計算機解題的過程與幾個層次。

?理解計算機的特點，掌握其主要性能指標的含義。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

重點難點

?計算機采用存儲程序工作方式：事先編制程序、

事先存儲程序、自動、連續(xù)執(zhí)行程序。

?計算機采用數(shù)字代碼表示信息。

?計算機系統(tǒng)分為硬件和軟件系統(tǒng)。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.1閾介Introduction

一、定義

?電子數(shù)字計算機是一種能夠自動、快捷，準確地實

現(xiàn)信息存放數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理過程控制等多種功

能的電子機器，其基本功能是進行數(shù)字化信息處理。

?世界上第一臺計算機ENIAC(Electronic

NumericalIntegratorAndCalculator)誕生于

1946年2月15日，是美國賓夕法尼亞大學摩爾理工

學院的摩切利和埃卡特發(fā)明的。

?計算機應用于科學計算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、實

時控制、人工智能、虛擬現(xiàn)實、遠程教育、電子商

務等多種領(lǐng)域。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

§1.1周介Introduction

—、層次

?以電子器件為物質(zhì)基礎(chǔ)：電子數(shù)字計算機

（DigitalComputer）

?不需要人的直接干預：自動化（存儲程序為基礎(chǔ)）

?數(shù)字化信息：二進制（計算機能夠具有邏輯判斷和

處理能力的基礎(chǔ)）

?算邏運算：基本運算操作是算術(shù)和邏輯運算

?快速工具：

■電子器件

■存儲程序

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.1葡介Introduction

三、特征

(1)內(nèi)部特征：

(A)高速高集成度開關(guān)元件

(B)數(shù)字化信息編碼

(C)邏輯判斷和處理能力

(D)存儲程序

卜

小

、

部E

快

中

通

A)性/rJn/1\

-VIurX(17>(A)(D)決定)

準

中

確

B\性zJn'/

7v/ur\|(B)(D)決定)

邏

蟀

性

czJn/1\中

\^ur\(X7!(A)(C)(D)決定)

通

性

肺

中

DJn「f1A

urv17(A)(B)(C)(D)決定)

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.2計算機體系結(jié)構(gòu)和組織

硬件

經(jīng)典計算機體系結(jié)構(gòu)概念的實質(zhì)是計算機系統(tǒng)中軟

硬件界面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界面之

下的是硬件和固件的功能?！爸噶罴Y(jié)構(gòu)”

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

閶病緒愈會后

§1.2計算機體系結(jié)構(gòu)和組織

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

§1.2計算機體系結(jié)構(gòu)和組織

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.3計算機的硬件結(jié)構(gòu)

一、存儲程序控制的概念

?“存儲程序”是把指令以代碼的形式事先輸

入到計算機的主存儲器中，即用記憶數(shù)據(jù)的

同一裝置存儲執(zhí)行運算的命令，這些指令按

一定的規(guī)則組成程序；

?“程序控制”是當計算機啟動后，程序就會

控制計算機按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自

動完成預定的信息處理任務。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.3計算機的硬件結(jié)構(gòu)

?存儲程序控制的概念是1946年由數(shù)學家馮諾

依曼提出的。

?把編好的程序和原始數(shù)據(jù)預先存入計算機的

主存儲器中，使計算機在工作時能夠連續(xù)、

自動、高速地從存儲器中取出一條條指令并

加以執(zhí)行，從而自動完成預定的任務。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

。喻時卒a今后現(xiàn)代教育技術(shù)與信息中心

§1.3計算機的硬件結(jié)構(gòu)

?歸納如下：

■采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令

■采用存儲程序方式

■由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設

備五大部件組成計算機硬件系統(tǒng)。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

§1.3計算機的硬件結(jié)杓

二、計算機主要部件

包括：

運算器、控制器

高速緩存、主存儲器、外存設備

輸入設備、輸出設備等主要組成部分,這些設

備和部件通過總線和接口連接在一起,構(gòu)成

一臺完整的計算機。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

§1.3計算機的硬件結(jié)杓

器

控制器運

入

高速緩存出

接輸入設備

主存儲器口

和

外存設備總輸出

線

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

。喻時卒a今后現(xiàn)代教育技術(shù)與信息中心

§1.3計算機的硬件結(jié)構(gòu)

運算器部件是計算機中進行數(shù)據(jù)加工的部件,

其主要功能包括：

1.執(zhí)行數(shù)值數(shù)據(jù)的算術(shù)加減乘除等運算，執(zhí)行

邏輯數(shù)據(jù)的與或非拿邏輯運算，由一個被稱為

ALU的線路完成。

2.暫時存放參加運算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，由多

個道用寄存器來承擔。

3.運算器通常也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐贰?/p>

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

。喻時卒a今后現(xiàn)代教育技術(shù)與信息中心

§1.3計算機的硬件結(jié)杓

控制器運算器

控制器是計算機中控制執(zhí)行指令的部件：

1.正確執(zhí)行每條指令

(1).首先是取來一條指令，

(2).接著分析這條指令，

(3).再按指令格式和功能執(zhí)行這條指令

2.保證指令按規(guī)定序列自動連續(xù)地執(zhí)行。

3.對各種異常情況和請求及時響應和處理。

說到底，控制器要向計算機各功能部件提供每

一時刻協(xié)同運行所需要的控制信號。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.3計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器

高速緩存由高速緩沖存儲器，主存儲器，

外存儲器所組成的多級（層）存儲器

主存儲器系統(tǒng)，是計算機中用于存儲程序和數(shù)

據(jù)的子系統(tǒng)。這三級存儲器所用的

外存設備存儲介質(zhì)的工作原理和特性各不相同。

修作為三個部分分別講解。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.3計算機的硬件結(jié)構(gòu)

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

§1.3計算機的硬件紿杓

控制器運算器

高速緩存

輸入設備

主存儲器

輸出設備

外存設備|

輸出設備是計算機中用于送出計算

機內(nèi)部信息的設備，例如打印機，顯示器

等。

以評促建以評促改以評任W.

§1.3計算機的理件紿杓

控制器運算器

高速緩存

輸入設備

主存儲器

外存設備|輸出設備

這些部件和設備通過總線和接口連接在

一起,構(gòu)成計算機整機系統(tǒng)，協(xié)同運行.

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.3計算機的硬件紿構(gòu)

控制器

第二單元入

高速緩存出

接

主存儲器口

和

外存設備總

線

第三單元第四單元

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.4計算機物件

?標準程序庫?服務性程序

?語言處理程序?數(shù)據(jù)庫管理程序

?操作系統(tǒng)?網(wǎng)絡軟件應用軟件

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

。喻時卒a今后現(xiàn)代教育技術(shù)與信息中心

§1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

第1層微程序設計層

第2層一般機器層

第3層操作系統(tǒng)層

第4層工編語言層

第5層高級語言層

□

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

。喻時卒a今后現(xiàn)代教育技術(shù)與信息中心

§1.5計算機的JS次結(jié)杓

?第一層：硬件級，由機器硬件直接執(zhí)行微指令。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

。喻時卒a今后現(xiàn)代教育技術(shù)與信息中心

§1.5計算機的層次紿構(gòu)

?第二層：它由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。

叵

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.5計算機的層次結(jié)構(gòu)

?第三層：由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。操作系統(tǒng)是

由機器指令和廣義的指令組成。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

。喻時卒a今后現(xiàn)代教育技術(shù)與信息中心

§1.5計算機的履次饗杓

?第四層：匯編語言層，它由匯編程序支持和

執(zhí)行。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

。喻時卒a今后現(xiàn)代教育技術(shù)與信息中心

§1.5計算機的履次饗杓

?第五層：面向用戶的，由各種高級語言程序

支持和執(zhí)行。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

§1,5計算機系統(tǒng)的麋次結(jié)杓

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設以評促建以評促改以評促管理建給合二在建世

?嗡0哥愈食后

§1.6計算機的功能

?計算機的功能

■數(shù)據(jù)處理

■數(shù)據(jù)存儲

■數(shù)據(jù)移動（I/O）

■控制。

?基本指令功能類

型

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.6計算機的功能

、計算機的工作過程

1.程序的執(zhí)行：2.指令的執(zhí)行：

(A)編寫程序三個階段：取指令、分析指令、執(zhí)行指

(B)翻譯成機器指令令

(C)將程序和數(shù)據(jù)寫入存儲器(A)開始時，將第一條指令地址->PC

(D)將第一條指令地址放入PC(B)(PC)->MAR,發(fā)“讀”命令，使

(E)執(zhí)行所有指令(MDR)->IR

(F)結(jié)束(C)翻譯IR的操作性質(zhì)

(D)取操作數(shù)

(E)將操作數(shù)運算器，運行之

(F)送結(jié)果

(a)R

(b)內(nèi)存

(G)(PC)+1->PC

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.6計算機的功能

ALU

4+5

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設以砰促建以t

。喻時卒a今后現(xiàn)代教育技術(shù)與信息中心

§1.7計算機的技術(shù)指褲

?字長：參與運算的基本尾數(shù)，它決定了寄存器、加

法器、存儲單元和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。它標志著計算

精度。

?主存容量：存儲器可以容納的二進制信息量。

?運算速度：單位時間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)。

(1)早期方法是每秒執(zhí)行加法指令的次數(shù)，

(2)現(xiàn)在通常用等效速度。等效速度由各種指令平均執(zhí)行時間以及對應的

執(zhí)令運行比例計算得出，即用加權(quán)平均法求得。它的單位是每秒百萬指

令(MIPS)o

對比：Mflops

(3)還有利用所謂“標準程序”在不同的機器上運行所得到的實測速度。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.7計算機的技術(shù)指稀

?平均無故障運行時間：一般的微機微幾千個小時。

MTBF-MeanTimeBetweenFalures

平均無故障時間是指兩次故障之間能正常工作時間的平均值。假設九表

示單位時間內(nèi)失效的元件數(shù)與元件總數(shù)的比例即失效率，貝|MTBF=1/3

例如九=0.02%/h,則

MTBF=l/k=5000h

?可維護性——可用平均修復時間（MTRF）表示，它是指從故障發(fā)生到機

器修復平均所需要的時間。

MTBR—MeanTimeBetweenRepairs（字典縮略）

MTTR—MeanTimeToRepair（微軟計算機辭典）

?可用性——是指計算機的使用效率。

A=MTBF/（MTBF+MTRF）

?可靠性R、可維護性S和可用性A,稱為RAS技術(shù)。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.7計算機的技術(shù)指標

?兼容性——兼容是廣泛的概念，是指設備或

程序可以用于多種系統(tǒng)中的性能。

?軟、硬件配置：外部設備的配備和功能強大

的操作系統(tǒng)和程序設計語言。

?性能價格比：性能和價格之比是衡量計算機

的綜合指標。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.7計算機的技術(shù)指標

?必須緊緊以性能/價格比為核心

?性能的衡量標準

?價格的因素

?性能價格設計的一些原則

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.8計算機的發(fā)屣

第一代計算機：

(1).1946年第一臺計算機ENIAC-50年代末

(2).主要特征：電子管作為電子器件

(3)軟.件處于初始階段，使用機器語言與符

號語言編制程序

(4).特點：體積大，運算速度低，存儲容量

小，主要用于科學計算。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

§1.8計算機的發(fā)展

第二代計算機

(1),50年代末-60年代初

(2).主要特征：晶體管作為電子器件

(3).軟件方面開始使用計算機高級語言

(4).特點：體積減小，重量輕、壽命長、耗電少、

運算速度快、存儲容量比較大等優(yōu)點。不僅

用于科學計算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務處理，

并逐漸用于工業(yè)控制。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

§1.8計算機的發(fā)展

第三代計算機

(1).60年代中期-70年代初期

(2).主要特征：中、小規(guī)模集成電路作為電子器件

(3).操作系統(tǒng)的出現(xiàn)

(4).特點：體積與功耗都得到了進一步的減小，可

靠性和運算速度進一步提高。不僅用于科學計算，

還用于文字處理、企業(yè)管理、自動控制等領(lǐng)域，

出現(xiàn)了管理信息系統(tǒng)，可用于生產(chǎn)管理、交通管理、

情報檢索

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.8計算機的發(fā)屣

第四代計算機

(1)70年代初-今

(2)主要特征：大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路作為電子器件

(3)軟件越來越豐富，并且功能強大

(4)特點：計算機在各種性能上都得到了大幅度提高。

1971年以來，作為第四代計算機重要產(chǎn)品的微型計算機得到了

飛速的發(fā)展，對計算機的普及起到了決定性的作用。以微機為

例，IBMPC8088—80286—80386—80486—Pentium

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.8計算機的發(fā)屣

未來的計算機

以超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，未來的計算機將

向巨型化、微型化、網(wǎng)絡化與智能化的方向發(fā)展。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

閶俞q愈會后

§1.8計算機的發(fā)屣

年代邏輯元件主存輔存語言處理速度代表機種

第一代1946——19電子管磁芯、磁磁帶機器語言1萬次/秒ENICA、

57鼓匯編語言IBM650

1BM709

第二代1958——晶體管磁芯、磁磁帶、磁高級語言幾萬次一IBM7094

1964鼓盤編譯語言幾百萬次DTS-121

操作系統(tǒng)/秒X-2

第三代1965——集成電路半導體存磁帶、磁多道程序百萬次一IBM360

1974和大規(guī)模儲器盤實時處理千萬次DJS-100

集成電路

第四代1974-超大規(guī)模半導體存高速磁盤數(shù)據(jù)庫系千萬次-VAX-11

集成電路儲器統(tǒng)1億次/秒INTEL系

網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)列

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.8計算機的發(fā)底

CharlesBabbage

1833分析機

工仔；八

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設□耍-ffr7仕7-

?嗡0哥愈食后

§1.8計算機的發(fā)展

￡5000次加法/秒

@體重28噸

f占地170M2

f18800只電子管

f1500個繼電器

f耗電150KW

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.8計算機的發(fā)屣

108

107

106

105

104

103

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.8計算機的發(fā)屣

。喻時卒a今后現(xiàn)代教育技術(shù)與信息中心

§1.8計算機的發(fā)屣

Pentium和PowerPC發(fā)展概述

■Pentium系列微處理器的發(fā)展概況

?8080、8086、80286、80386、80486、Pentium、

PentiumPro>PentiumII>Pentiumlll>Merced

?CISC

■PowerPC系列微處理器的發(fā)展概況

?601、603、604、620

?RISC

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.8計算機的發(fā)屣

?計算機應用的發(fā)展趨勢

■程序及數(shù)據(jù)所使用存儲器容量的不斷增大：程序

所需的存儲器容量平均每年遞增1.5~2%,也就

是說計算機的地址位以每年1/2~1位的速度遞增。

■編譯器的重要性日益突出。編譯器已逐漸成為用

戶與計算機的主要界面。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.8計算機的發(fā)展

?處理器性能的發(fā)展趨勢

■Moor定律

■工作站性能大約每年提高50%（Spec基準程序測

量結(jié)果），也即每18個月提高兩倍。

■估計在開銷性能上的改善大約每年70%。

以評促建以評促改以評促管評建結(jié)合重在建設

?嗡0哥愈食后

§1.8計算機的發(fā)屣

?計算機實現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢

容量速度（延遲）

邏輯2x3年