片上计算机系统01-概论

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1、计算机组成原理 第一章 计算机系统概论 姓 名：杨慧晶 单 位：软件学院 Email：yhj833 课程概论 教学目的、任务： p 掌握计算机系统各部件的组成，最终达到从系统的 角度、整机的角度完整、准确的理解和掌握计算机 系统的理论、组成原理，为学习其它专业基础课和 专业课打下一个良好的基础。 教学内容： p 本课程的教学分理论和实验教学两部分。 理论教学注重基本问题的解决方法、基本系统的分析方 法、设计方法，从而掌握基本的计算机理论与概念。 实验教学注重培养动手能力、分析和解决问题的能力， 从而提高学生的系统设计方面的能力。 课程概论 基本要求： p 掌握数字化信息编码及运算方法，运算器的

2、 逻辑构成与设计； p 熟悉半导体存储器、磁表面存储器基本原理 ，掌握存储体系构成； p 掌握寻址和指令系统； p 熟悉中央处理器组成、时序控制方法，掌握 控制器设计技术； p 熟悉系统总线和I/O系统。 什么是计算机？什么是计算机？ 一种快速高效地完成信一种快速高效地完成信 息处理的息处理的数字化电子设备数字化电子设备。 它能按照编写的程序对 它能按照编写的程序对 原始输入数据进行加工处理原始输入数据进行加工处理 、存储或传送，以便获得所、存储或传送，以便获得所 期望的输出信息，从而利用期望的输出信息，从而利用 这些信息来提高社会生产效这些信息来提高社会生产效 率，改善生活质量。率，改善生活

3、质量。 计算工具的发展历史计算工具的发展历史 早期计算工具的发展早期计算工具的发展 筹算法珠算计算尺筹算法珠算计算尺 近代计算机器的发展近代计算机器的发展 计算器计算机器差分机与分析机计算器计算机器差分机与分析机 现代计算机的发展现代计算机的发展 采用了先进的电子技术，基于大规模和超大采用了先进的电子技术，基于大规模和超大 规模集成电路的计算机器系统规模集成电路的计算机器系统 （CPUCPU出现）出现） 计算机结构和组成概念 指计算机硬件的具体 实现 系统程序员所能见到 的计算机硬件特性 计算机结构 计算机组成 程序员所见到的计算机系统的属性 即概念性的结构与功能特性 计算机 体系结构 计算机

4、 组成 实现计算机体系结构所体现的属性 有无乘法指令 如何实现乘法指令 （指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理） （具体指令的实现） 计算机体系结构和计算机组成 计算机的软硬件概念 由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成 计算机系统 计算机的实体， 如主机、外设等 硬件 软件 计算机的软件 主要用来管理整个计算机系统， 监视服务，使系统资源得到合理 调度，确保高效运行。 系统软件 应用软件 软 件 它是用户根据任务需要所编制的 各种程序。 标准程序库、语言处理程 序、操作系统、服务性程 序数据库管理系统、网络 软件 科学计算程序，数据 处理程序，过程控制 程序，事务管理程序 p 计算机语言

5、经历了由机器语言汇编语言高级语 言的发展过程。 p 机器语言是和计算机的硬件设计同时产生的，是一 组由二进制代码（0和1）组成的指令和数据。 p 由于机器语言烦琐、单调，难于看懂，给使用和记 忆都带来很多困难。所以，人们对它进行了改进， 赋予每条指令一个名称，这种指令码的名称叫“助记 符”。采用这种助记符的语言就是汇编语言。 p 汇编语言虽然比机器语言便于记忆和书写，但还是 有许多不足：如功能有限，编程工作繁重而费时， 依赖处理器，这些都限制了汇编语言的应用范围。 因此，又导致了高级语言的诞生。 p 常用于科学计算和数据处理的高级语言有：C， BASIC，FORTRAN，ALGOL，PASCA

6、L， COBOL，Ada等。常用于人工智能的语言有 LISP和PROLOG等。后期发展出来的面向对象 语言C+, JAVA, .NET等。 p 计算机只能执行机器语言，因此，汇编语言和高 级语言都要先经过编译，将其翻译成机器语言， 然后计算机才能执行。 计算机的解题过程 计算机 高级语 言程序 目标 程序 结果 翻译运行 计算机系统的层次结构 高级语言 虚拟机器 M3 汇编语言 虚拟机器 M2 操作系统 虚拟机器 机器语言 实际机器 M1 微指令系统 微程序机器 M0 用编译程序翻译 成汇编语言程序 用汇编程序翻译 成机器语言程序 用机器语言解释操作系统 用微指令解释机器指令 由硬件直接执行微

7、指令 软 件 硬 件 虚拟机器 M4 虚拟机器 M3 虚拟机器 M2 实际机器 M1 微程序机器 M0 p 不同计算机系统之间的多层次结构的划 分与实现方法是有差别的，一般来说， 相邻级语言的语法结构的差别不要太大 ，这样才便于编译或解释，但最后总是 要翻译成能在机器上执行的机器语言程 序。 算术运算 逻辑运算 存放数据 和程序将信息转换成机 器能识别的形式 将结果转换成 人们熟悉的形式 指挥程序 运行 存储器 输入设备运算器 控制器 输出设备 计算机的硬件 p 运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件，经常 进行的是算术运算和逻辑运算，所以在其内部有一个 算术及逻辑运算部件（ALU）。算术运

8、算是按照算术 规则进行的运算，如加、减、乘、除、求绝对值、求 负值等。逻辑运算是指非算术性质的运算，如比较大 小、移位、逻辑乘、逻辑加等。在计算机中，一些复 杂的运算往往被分解成一系列算术运算和逻辑运算。 p 控制器主要用来实现计算机本身运行过程的自动化， 即实现程序的自动执行。 p 由于电路集成度的提高，现在已把运算器和控制器集 成在一个芯片中，称为中央处理器又叫CPU p 存储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存储 和交流中心。存储器又分为主存储器和辅助存储器，当 前在计算机上运行的程序和数据是存放在主存储器中的 。 p 输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程序（输入数据 和程序

9、）。输入的信息有数字符、字母和控制符，这些字符通 常用ASCII码表示，它用7位二进制码来表示一个字符，因此有 27即128个，最高一位（第8位）可用于奇偶校验或作其他用处 ，如果第8位也用作字符编码，则有28即256个，第128255称 为扩展ASCII码。在计算机中，一般把8位二进制码称为一个字 节。最常用的输入设备是键盘。 p 输出设备用来输出计算机的处理结果，可以是数字、字 母、表格、图形等。最常用的输出设备是显示器和打印 机。 p 在计算机中，各部件间来往的信号可分 为三种类型：即地址、数据和控制信号 ，通常这些信号是通过总线传送的。因 此计算机中的总线有地址总线、数据总 线和控制总

10、线三类。 冯诺依曼计算机硬件框图 存储器 输入设备运算器 控制器 输出设备 计算机的基本组成 1. 计算机由五大部件组成 3. 指令和数据用二进制表示 4. 指令由操作码和地址码组成 7. 以运算器为中心 2. 指令序列构成的程序存放在存储器中，计 算机的运行受程序控制 一、冯诺依曼计算机的特点 5. 数据和程序存储在同一个存储器中 6. 指令和数据都可以送到运算器中参与运算 计算机硬件框图 1. 以存储器为中心的计算机硬件框图 程序 存储器输出设备输入设备 运算器 控制器 数据 结果 计算 2.现代计算机硬件框图 ALU CPU 主机 I/O 设备 CU 主 存 ALU 主存 辅存 CPU

11、主机 I/O设备 硬件 CU 存储器 输入设备 运算器 输出设备 控制器 计算机硬件框图 第一代第一代 电子管计算机电子管计算机 1946194619571957 第二代第二代 晶体管计算机晶体管计算机 195819581964 1964 第三代第三代 中、小规模集成电路计算机中、小规模集成电路计算机 196519651971 1971 中小规模集成电路中小规模集成电路 197219721977 1977 大规模集成电路大规模集成电路 未来代未来代 光子计算机光子计算机利用光子取代电子进行运算和存储利用光子取代电子进行运算和存储 DNADNA生物计算机生物计算机通过控制通过控制DNADNA分子

12、间的生化反应分子间的生化反应 量子计算机量子计算机利用原子所具有的量子特性利用原子所具有的量子特性 神经计算机神经计算机用人意识脑电波直接控制用人意识脑电波直接控制 第四代第四代 大、超大规模集成电路计算机大、超大规模集成电路计算机 19781978现在现在 超大规模集成电路超大规模集成电路 计算机的发展史 19461946美美 历史上第一台电子计算机历史上第一台电子计算机ENIACENIAC （ Numerical Integrator And Calculator ComputerNumerical Integrator And Calculator Computer） ENIAC:ENI

13、AC: 1800018000电子管电子管 15001500继电器继电器 占地占地1 1万平米万平米 重重3030余吨余吨 耗耗150150千瓦千瓦 Pentium:Pentium: 几百万晶体管几百万晶体管 2525平方厘米平方厘米 小于小于1515瓦瓦 （1 1）1971400419714004全球第一块微处理器全球第一块微处理器 4 4位带宽位带宽 工作频率为工作频率为108kHz108kHz 集成了集成了23002300多个晶体管多个晶体管 寻址空间只有寻址空间只有640B640B 主要用来处理算术运算主要用来处理算术运算 微处理器的发展史微处理器的发展史 （2 2）1974808019

14、748080新一代新一代8 8位微处理器位微处理器 8 8位位 时钟频率为时钟频率为2MHz2MHz 集成了集成了60006000个晶体管个晶体管 80808080是一个划时代的产品是一个划时代的产品 （3 3）1978808619788086第一代第一代1616位的微处理机位的微处理机 16bit16bit 10MHz 10MHz 29000 29000个晶体管个晶体管 1MB1MB寻址空间寻址空间 1979808819798088简化版本，减低成本简化版本，减低成本 4MHz4MHz主频主频 8 8位数据线位数据线1616位地址线的的准位地址线的的准1616位位CPUCPU 引入实模式的工

15、作方式引入实模式的工作方式 8088CPU 过渡产品，未推向市场 （4 4）198280286198280286第二代微处理机第二代微处理机 1616位的位的CPUCPU 主频达到了主频达到了20MHz 20MHz 集成集成1313万多个晶体管万多个晶体管 寻址寻址16MB16MB 虚拟地址空间达到虚拟地址空间达到1GB1GB 两种两种CPUCPU工作方式：实模式、保护模式工作方式：实模式、保护模式 （5 5）198580386198580386第三代微处理机第三代微处理机 全全3232位，数据总线和地址总线均为位，数据总线和地址总线均为3232位位 时钟频率达到时钟频率达到33MHz33MHz 集成集成27.527.5万个晶体管万个晶体管 具有具有4GB4GB的物理寻址能力的物理寻址能力