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1、计算机组成原理,For Students of Lab 2010,(Computer Organization Principles) 主讲教师 蒋永国(jiangyg) (信息学院南楼,B313室) 实验教师 徐惠敏(yziping),计算机硬件系统组成(章节分配),运 算 器,控 制 器,主存储器,输入设备,输出设备,总线和I/O接口,高速缓存,虚拟存储器 (磁盘设备),第一部分(2,3章),第二部分 (5,6章),第三部分(4,7,8章),第四部分(9,10章),第1章 计算机系统概论(目录部分),1.1 计算机的语言 1.2 计算机的硬件 1.3 计算机系统的层次结构 1.4 电子计算
2、机的发展简史 1.5 计算机的应用 1.6 计算机网络 1.7 习题与作业,第1章 计算机系统概论(计算机的语言),计算机语言分为低级语言(机器语言、汇编语言)和高级语言两类。 也可分为机器语言、通用的编程语言(汇编语言、高级语言),第1章 计算机系统概论(计算机的语言),计算机的语言 自然语言：人类相互交流信息所用的语言。 高级语言：和自然语言接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为计算机的高级语言 。 BASIC, PASCAL, C , JAVA. 机器语言：由二进制代码表示的指令组成，计算机能直接执行的语言，这种语言被称为机器语言. 1000101111000011 汇编语言：符号式
3、(助记符mnemonic symbol）程序设计语言。 MOV AX , BX,第1章 计算机系统概论(计算机的语言),需要进一步说明的地方： 机器语言:计算机所能识别的语言只有机器语言，即由0和1构成的代码。但通常人们编程时，不采用机器语言，因为它非常难于记忆和识别。 汇编语言:实质和机器语言是相同的，都是对硬件操作，只不过指令采用英文缩写的标识符，更容易识别和记忆。 高级语言:指更接近于人们日常使用的书面语言、用来编制程序的语言,高级语言主要是相对于汇编语言而言，它并不是特指某一种具体的语言，而是包括了很多编程语言，如目前流行的VB、VC、Delphi等，这些语言的语法、命令格式都各不相同
4、。(经过编译和解释两种方式“翻译”成目标代码(机器语言),才能被计算机识别),第1章 计算机系统概论(计算机的语言),1、指令是对计算机进行程序控制的最小单位。 所有的指令的集合称为计算机的指令系统。,2、指令格式,3、工作原理 不断的取指令和执行指令，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。,例如：ADD AX,BX,BASIC语言语句：LET d = b*b - 4*a*c,机器语言： 1. MUL B B ; b2 送B 2. MUL A E ; 4a 送入A 3. MUL A C ;4ac 送A 4. SUB B A ;b2 4ac送B 5. MOV D B ; b2 4ac从B
5、送到D A a B b C c D d E 4,将指令存放在相邻的存储单元中：,n MUL n+7 n+7 ; b2 送B n+1 MUL n+6 n+10 ; 4a 送入A n+2 MUL n+6 n+8 ;4ac 送A n+3 SUB n+7 n+6 ;b2 4ac送B n+4 MOV n+9 n+7 ; b2 4ac从B 送到D n+5 HLT ;停机指令 n+6 a n+7 b n+8 c n+9 d n+10 4,计算机的硬件（Hardware）组成 (计算机的硬件系统是指构成计算机的所有物理部件的集合。通常这些部件是由电子磁性、光元器件、机械等物理部件组成) 算盘 运算器 纸 存储
6、器 笔 输入/输出设备 大脑 控制器,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),CPU(中央处理器),第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),运算器,存储器,I/O 设备,地址总线,数据总线,控制总线,控制器,CPU,I/O 接口,I/O 设备,I/O 接口,组成计算机的基本部件有中央处理器CPU（运算器和控制器）、存储器和输入、输出设备。,运算控制部件 （CPU),存储器,输入/输出,输入/输出,地址总线AB,数据总线DB,控制总线CB, ,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),图1.1 以总线连接的计算机框图,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线分类:,一个功能部件内部的总线，CP
7、U内,单机系统各功能部件间的总线,连接不同系统的总线,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 1.面向CPU的双总线结构,优点：简单，对总线传输速率要求低,缺点：I/O设备与内存交换信息需经CPU，CPU效率低,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 2.单总线结构,优点：设备扩充、增删方便、灵活,缺点：分时使用总线,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 3.面向存储器的双总线结构,优点：存取速度提高，减轻了系统总线负担,缺点：硬件成本高，总线控制逻辑复杂,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 4.PC机常用总线结构, 按相对于CPU或其它芯
8、片的位置可分为 片内总线: 在CPU内部，寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线。 片外总线:是CPU与内存RAM、ROM和输入/输出设备接口之间进行通讯的通路。,按总线的功能可分为 地址总线(ABus), 数据总线(DBus), 控制总线(CBus) 按总线的层次结构可分为 CPU总线:包括地址线(CAB)、数据线(CDB)和控制线(CCB)，它用来连接CPU和控制芯片。 存贮总线:包括地址线(MAB)、数据线(MDB)和控制线(MCB)，用来连接存储控制器和DRAM。 系统总线: 也称为I/O通道总线，包括地址线(SAB)、数据线(SDB)和控制线(SCB)，用来与
9、扩充插槽上的各扩充板卡相连接。系统总线有多种标准，以适用于各种系统。 外部总线： 用来连接外设控制芯片，如主机板上的I/O控制器和键盘控制器。包括地址线(XAB)、数据线(XDB)和控制线(XCB)。,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 4.PC机常用总线结构,注意: CPU总线、存储总线、外部总线在系统板上，不同的系统采用不同的芯片集。这些总线不完全相同，也不存在互换性问题。 系统总线是与I/O扩充插槽相连的，I/O插槽中可插入各式各样的扩充板卡，作为各种外设的适配器与外设连接。系统总线必须有统一的标准，以便按照这些标准设计各类适配卡。 我们要讨论的总线就是系统总线，各种总线
10、标准也主要是指系统总线的标准(PC机上的系统总线又可分为ISA、EISA、VESA、PCI、AGP等多种标准)。,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 4.PC机常用总线结构,按总线在微机系统中的位置可分为： 机内总线:上面介绍的各类都是机内总线。 机外总线(Peripheral Bus 外设总线):指与外部设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。 说明:目前PC机上流行的接口标准：IDE、SCSI、USB和IEEE1394，前两种主要是与硬盘、光驱等IDE设备接口，后面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备。,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 4.PC机
11、常用总线结构,(5)局部总线 在以Windows为代表的图形用户接口(GUI)进入PC机之后，要求有高速的图形描绘能力和I/O处理能力。 这不仅要求图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度提出了挑战。实际上当时外设的速度已有了很大的提高，如硬磁盘与控制器之间的数据传输率已达10MB/s以上，图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到69MB/s。通常认为I/O总线的速度应为外设速度的35倍。 因此原有的ISA、EISA已远远不能适应要求，而成为整个系统的主要瓶颈。,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 4.PC机常用总线结构,(5)局部总线 局部总线是PC体系结构的重大发展。它打破了
12、数据I/O的瓶颈，使高性能CPU的功能得以充分发挥。 从结构上看，所谓局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层。这样可将一些高速外设，如图形卡、硬盘控制器等从ISA总线上卸下而通过局部总线直接挂接到CPU总线上，使之与高速的CPU总线相匹配。 局部总线可分为三种： 专用局部总线:如NEC、Dell、HP等,为自己系统开发的专用总线,用于图形处理、网络传输等.它们是非标准的,不能通用，也不被广大兼容机采用。 VL 总线(VESA Local Bus) PCI 总线 VL 总线和PCI 总线都是通用总线，但VL 总线只是适用于486的一种过渡标准，目前已经淘汰。586以上档次的
13、微机普遍采用PCI 总线。,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 4.PC机常用总线结构,CPU(微处理器)介绍,微处理器主流厂家 大型机IBM、SUN 微机Intel、AMD 嵌入式ARM、MIPS 中国芯：龙芯,MIPS公司: Microprocessor without interlocked piped stages ARM公司: Advanced RISC Machine,微处理器发展简史,微处理器 IBM Intel AMD (Advanced Micro Devices)(超微),微处理器的发展 (机械时代),第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,
14、第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展(进入机电时代),第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),”晶体管之父”的肖克利（W.Shockl
15、ey）博士,诺宜斯（N. Noyce）、摩尔（R.Moore）、布兰克（J.Blank）、克莱尔（E.Kliner）、赫尔尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、罗伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）八叛逆,仙童半导体公司FairChild,集成电路之父杰克基尔比,微处理器的发展-英特尔Intel(Integrated/Electronics) 的元老,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),摩尔,诺宜斯,葛洛夫,Intel微处理器发展历史4004,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),1971年11月Intel面世了微处理器4004。 这款芯片的架构为4bit。 4004 是英特尔推出的第一款微处理器。 这一突破性的发明最先应用于 Busicom 计算器，为无生命体和个人计算机的智能嵌入铺平了道路。 晶体管数量：2,300 速度：108 KHz Intel的第一款微处理器是给日本人做计算器用的,Intel微处理器发展历史8008,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),1972 年：8008 微处理器诞生 8008 的性能是 4004 的两倍。1974 年，Radio Electronics发表的一篇文章指出一款名为 Mark-8 的设备采用了 8008。 Mark-8
