計算機組成原理課件

計算機組成原理

白中英主編

科學(xué)出版社

計算機核心專業(yè)課程

2011年7月9日2時12分

天搬硒勤!!

?許德剛

?信息學(xué)院計算機工程系

?TEL:67789848,66677513

?Email:xulaoshi@

?xu_laoshi@

?

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主要參考書

主教材：

?計算機組成原理白中英主編科學(xué)出版社

參考教材：

?1.計算機組織與結(jié)構(gòu)WilliamStallings

高等教育出版社

?2.計算機組成與結(jié)構(gòu)王愛英主編清華

大學(xué)出版社

?3.薛勝軍華中科技大學(xué)出版社計算機組成

原理

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目錄

第一章計算機系統(tǒng)概論

第二章運算方法和運算器

第三章存儲系統(tǒng)

第四章指令系統(tǒng).

第五章中央處理器

第六章總線系統(tǒng)

第七章外圍設(shè)備

第八章輸入輸出系統(tǒng)

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第一章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

□簡介

口計算機的發(fā)展

口計算機體系結(jié)構(gòu)和組織

口計算機的硬件結(jié)構(gòu)

口計算機軟件

口計算機的層次結(jié)構(gòu)

口計算機的功能

口計算機的技術(shù)指標(biāo)

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概述

機械計算機

電子模擬計算機:數(shù)值由連續(xù)的量來表示。

電子數(shù)字計算機：計算機中的數(shù)值由不連續(xù)的數(shù)字來表示。

專用機：經(jīng)濟，有效，快速，適應(yīng)性差

通用機：適應(yīng)性強

巨型機大型機中型機小型機微型機單片機

低簡易性.高

!體積，功耗，性能，價格低

「一

49日2時］2分DegangXu,ZhengzhouInstitueOfTechnology.

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V/lICII202

1642BlaisePascal1822差分機

1833分析機ENIACMARKI

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簡介

■電子數(shù)字計算機是一種能夠自動、快捷，準(zhǔn)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(xué)摩爾理

工學(xué)院的摩切利和埃卡特發(fā)明的。

■計算機應(yīng)用于科學(xué)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(yuǎn)程教育、電

子商務(wù)等多種領(lǐng)域。

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計算機的發(fā)展——一第一臺電子計算機（ENIAC）

5000次加法/秒

體重28噸

占地170M2

18800只電子管

1500個繼電器

7000個電阻

10000個電容

耗電150KW

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最早的計算機模型

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計算機的發(fā)篌

類型時期主要器件重要特征

第一代1946-1957電子管機器語言，匯編語言

速度低，體積大，價格昂貴

可靠性差，用于科學(xué)計算。

第二代1958-1964晶體管算法語言，操作系統(tǒng)

體積縮小，可靠性提高

從科學(xué)計算擴大到數(shù)據(jù)處理。

第三代1965-1971中、小規(guī)模體積小，可靠性大大提高，速度

集成電路達(dá)兒百萬IPS,軟件技術(shù)和外設(shè)

發(fā)展迅速應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。

第四代1972-中、大及超速度提高至GIPS乃至TIPS水平

大規(guī)模集成多機并行處理和計算機網(wǎng)絡(luò)迅速

電路發(fā)展。

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漪/-71■■卜.■尸

_l/T1

r時代機型產(chǎn)地

--ENIAC1946美.賓州大學(xué)

各時代EDSAC1949英?劍橋大學(xué)

1031953

代表機型--IBM70901958IBM

DJS-21,108^X-2,441B中國

..▲IBM360/370系列IBM

CDC6000/7600,STAR-100,CDC

NOVA,PDP-11

DJS-130/200中國

四微型機APPLE,IBM-PC

VAX系列

長城0520,....................

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年代邏輯元件主存輔存語言處理速度代表機種

第一代194619電子管磁芯、磁磁帶機器語言1萬匆秒ENICA

57鼓匯編語言IBM650

IBM709

第二代1958晶體管磁芯、磁磁帶、磁高級語言幾萬次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(dǎo)體存磁帶、磁多道程序百萬次IBM360

1971.和大規(guī)模儲器盤實時處理千萬次DJS-100

集成電路

第四代1972--超大規(guī)模半導(dǎo)體存高速磁盤數(shù)據(jù)庫系千萬次VAM1

集成電路儲器統(tǒng)1億初秒INTEL系

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)列

.1--一.1.TL

ng.X-u,Z~9\hungzknology.

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凰園署周潺僧規(guī)

年份型號管數(shù)年份型號管數(shù)

1971400423001993PENTIUM310萬

1972800835001995P-PRO550萬

1974808060001997P-MMX450萬

19788086290001997P-II750萬

19828028613萬1998Celeron750萬

1985386DX27.5萬1999P-III950萬

1989486DX120萬1999.10P-III-COP2800萬

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?第五代計算機

?通信、存儲、信息處理和人工智能相結(jié)

合的超巨能計算機。

?第六代計算機

?利用光電子元件、超導(dǎo)電子元件或生物

電子元件作為計算機的核心元件。

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二分類

通用機：通用性強，綜合能力強，解決各種問題

按用途分類

專用機：特殊配置，功能單一，解決特定問題

巨型機：速度最快、處理能力最強

已達(dá)十幾萬億次浮點運算

“銀河in”達(dá)每秒130億次

大型機：大型、通用、較快、較強

作“客戶機/服務(wù)器”的服務(wù)器

作“終端/主機”的主機

小型機：規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計試制周期短

按綜合性能

工藝先進、使用維護簡單

指標(biāo)分類

工作站：介于PC與小型機之間

高分辨率、大容量內(nèi)外存，圖形功能較強

微型計算機：小、巧、輕、使用方便、價格便宜

中央處理器：一個芯片

網(wǎng)絡(luò)計算機：基于Java技術(shù)的瘦客戶機系統(tǒng)

低高

體積弱

功能-易

數(shù)據(jù)存儲量/

箱令系院/微型機\性

價格

/I小型機

大型機

巨型機悔

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.計算機的應(yīng)用

計算機的主要應(yīng)用領(lǐng)域計算機的應(yīng)用類型

1.工商：電子商務(wù)、CAD/CAM1.科學(xué)計算

2.教育：多媒體教育、遠(yuǎn)程教育2.過程控制

3.醫(yī)藥：CAT、MRL遠(yuǎn)程醫(yī)療3.CAD/CAM/CAT

4.政府：電子政府4.數(shù)據(jù)處理

5.娛樂：虛擬現(xiàn)實、電影特技5.電子商務(wù)

6.科研：數(shù)據(jù)采集、計算分析6.多媒體技術(shù)

7.家庭：家庭信息化7.人工智能

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計算機體系結(jié)構(gòu)和組織

硬件

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。

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電子計算機的設(shè)計思想

?存儲程序控制

?“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(dāng)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(yù)定的信息處理任務(wù)。

?馮諾依曼駕計算機的設(shè)計思想：存儲程序并

按地址順序執(zhí)行。

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一.硬件系統(tǒng)

存儲黑運留器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備

系統(tǒng)總線

運

算

器

二.軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件：OS,語言處理，服務(wù)程序，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

用來提高使用效率，發(fā)揮和擴大計算機功能和用途的

程序。

應(yīng)用軟件：工程設(shè)計，數(shù)據(jù)處理，自動控制，企業(yè)管理

用戶用來解決某些問題而編制的程序。

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?運算器：計算機中進行算術(shù)運算和邏輯運算的部件。

?存儲器：存放程序和數(shù)據(jù)的部件(R/W)。

■控制器：控制計算機有條不紊地執(zhí)行程序的部件。

程序控制

■輸入設(shè)備：能將人們所熟悉的信息形式變換為計算機

內(nèi)部能接收和識別的二進制信息的設(shè)備。

?輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其它設(shè)備

所能接收和識別的信息形式的設(shè)備。

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器運算器

輸?shù)谝粏卧?/p>

入

高速緩存輸

出輸入

主存儲器接

口

和輸出

外存設(shè)備總

第三單元線第四單元

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

運算器

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(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)的與或非等邏輯運算，

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，

由多個通用寄存器來承擔(dān)。

3.運算器通常也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐贰?/p>

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計算機硬件系統(tǒng)

控制器

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器I

控制器是計算機中控制執(zhí)行指令的部件：

一.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

二.保證指令按規(guī)定序列自動連續(xù)地執(zhí)行。

三.對各種異常情況和請求及時響應(yīng)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

/\u/auo///uuiii

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器

高速緩存

主存儲器

外存設(shè)備

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器

由高速緩沖存儲器，主存儲器，

高速緩存外存儲器所組成的多級（層）存儲器

，系統(tǒng)，是計算機中用于存儲程序和數(shù)

主存儲器

據(jù)的子系統(tǒng)。這三級存儲器所用的

外存設(shè)備存儲介質(zhì)的工作原理和特性各不相同。

將作為三個部分分別講解

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu)

|3

控制器運vT器

高速緩存

輸入

主存儲器

外存設(shè)備

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器運算器

高速緩存

一.|輸入設(shè)備

主存儲器輸入設(shè)霰口計算機中送入程序和數(shù)

據(jù)的有一定獨立功能的設(shè)備，通過接

外存設(shè)備口和總線與計算機主機連通，用于

人一機交互聯(lián)系，如計算機鍵盤和鼠標(biāo)

等。

Degang

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器運算器

高速緩存

輸入

主存儲器

外存設(shè)備輸出

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器

高速緩存

輸入

主存儲器

外存設(shè)備輸出

輸出設(shè)備是計算機中用于送出計算機

內(nèi)部信息的設(shè)備，例如打印機,顯示器等。

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計算機的硬件結(jié)構(gòu)

控制器

高速緩存

輸入

主存儲器

外存設(shè)備輸出

這些部件和設(shè)備通過總線和接口連接在

初牽一起，構(gòu)成計算機整機系統(tǒng)，協(xié)同運行.

/\uiauomUUIII

計算機的硬件結(jié)構(gòu)

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,,

計算機基本工作原理

1.指令:讓計算機完成某個操作發(fā)出的命令。（用二進制

代碼來表示）

2.程序操作碼操作數(shù)

有序的指令集合。

3.指令的執(zhí)行

取指周期：

執(zhí)行周期：

4.程序的執(zhí)行

CPU不斷地取指令池

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2、計算機軟件

軟件=程序+數(shù)堀+文檔操作系統(tǒng)

語言處理程序

-----系統(tǒng)軟件一——診斷程序

——反病毒程序

實用程序------卸載程序

軟件分類一?——備份程序

辦公軟件包文件壓縮程序

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

應(yīng)用軟件一網(wǎng)絡(luò)軟件

實時控制軟件

圖形圖像處理軟件

其它應(yīng)用軟件

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⑴操作系統(tǒng)

一管理和控制計算機系統(tǒng)的所有資源（包

括硬件和軟件）

-----裸機+操作系統(tǒng)二虛擬機

目的---------不需了解軟硬件細(xì)節(jié)，提高工作效率

-----統(tǒng)一管理和調(diào)度資源，提高使用效

率和經(jīng)濟效益

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(2)實用程序

操作系統(tǒng)自己帶一些

第三方開發(fā)

診斷程序：SCANDISK

反病毒程序：KV300、金山毒霸

卸載程序：Windows中的添加/刪除程序

備份程序：Windows2000中的備份程序

文件壓縮程序:ARJWinZip

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(3)語言處理程序

機器語言

匯編語言

面向過程：BASIC>Pascal

、FORTRAN>C等

面向?qū)ο?C++、Java、Visual

-----面向問題的語言Basic等

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計算機的技術(shù)才旨標(biāo)

字長

運基了器

法器:參與算的本位數(shù),它決定寄存、加

元據(jù)的。

精度、存儲單和數(shù)總線位數(shù)它標(biāo)志著計算

O

主量儲以的

■存容：存器可容納二進制信息量。

■時行的數(shù)

運算速度：單位間內(nèi)執(zhí)指令平均條。

、外配功大

■軟硬件配置：部設(shè)備的備和能強的操作

統(tǒng)計

系和程序設(shè)語言。

價：價衡算綜

?性能格比性能和格之比是量計機的合

指標(biāo)。

l

DegangXu,ZhengouInefTchnoogy

zhstituOe.

2年2

0117月9日2時1分

X

uoshitm.com

la@o

計算機的技術(shù)指標(biāo)

?以性能/價格比為核心

?性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)

-時間、基準(zhǔn)程序、硬件測量工具

?價格的因素

-集成電路的工藝、產(chǎn)品的生產(chǎn)過程、銷售過程

?性能價格設(shè)計的一些原則

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vt"算機的發(fā)展—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>

PentiumIII>PentiumIV>Merced>Prescott

-CISC

?PowerPC系列微處理器的發(fā)展概況

—601、603、604、620

-RISC

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計算機的發(fā)展一一發(fā)展趨勢

?計算機應(yīng)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。

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摩東定律

早在1964年,英特爾公司創(chuàng)始人戈登?摩爾(Gordon

Moore)在一篇很短的論文里斷言：每18個月，集成電路

的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。這就是著名

的摩爾定律。作為迄今為止半導(dǎo)體發(fā)展史上意義最深遠(yuǎn)

的定律，摩爾定律被集成電路近40年的發(fā)展歷史準(zhǔn)確無

誤地驗證著。

摩爾定律有另外一種表述方法，即每過10年計算機

系統(tǒng)性能將會增加100倍，通訊帶寬也會提高100倍，而

花費的資金不會增加。我們完全有理由相信,這種趨勢

在今后20年還會持續(xù)下去，我們還沒有達(dá)到物理上造成

計算機性能停滯不前的任何限制。

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計算機的發(fā)展發(fā)展趨勢

?計算機系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展趨勢

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計算機的發(fā)展發(fā)展趨勢（資源共享）

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計算機的發(fā)展發(fā)展趨勢（資源重復(fù)）

部件冗余同構(gòu)型多處理機

多操作部件1，多存儲體//緊密耦合系統(tǒng)

并行處理機/1

多處理機

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