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1、计算机组成原理,唐为方 主编 中国水利水电出版社,计算机核心专业课程,2019年5月25日4时18分,,主要参考书,主教材： 计算机组成原理 唐为方 主编 中国水利水电出版社 参考教材： 1计算机组成原理与系统结构 史士英编著 国防工业出版社 2计算机组成与结构 王爱英 主编 清华大学出版社 3.计算机组成原理 白中英 主编 科学出版社,2019年5月25日4时18分,,主要参考资料,211.64.120.84 山东省精品课程,2019年5月25日4时18分,,主要教学考核信息,本课程总学时为60，其中讲授52，实验8学时。 本课程学分为4分。 本课程的重点是第二章 运算方法与运算器，难点是第
2、三章 存储系统以及第五章 控制器的结构。 本课程为考试课。总成绩包含平时成绩和期末考试两部分。平时成绩包括作业、测验和考勤等，占总成绩的40%；期末采用闭卷考试形式，占总成绩的60%，合计为100分。,2019年5月25日4时18分,,目 录,第一章 计算机系统概论 第二章 运算方法和运算器 第三章 存储系统 第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统,2019年5月25日4时18分,,第一章 计算机系统结构,简介 计算机的发展 计算机体系结构和组织 计算机的硬件结构 计算机软件 计算机的层次结构 计算机的功能 计算机的技术指标,2019年5
3、月25日4时18分,,概 述 计算机分类： 机械计算机 电子模拟计算机：数值由连续的量来表示。 电子数字计算机：计算机中的数值由不连续的数字来表示。 专用机：经济，有效，快速，适应性差 通用机：适应性强 巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 单片机 低 简易性 高 高 体积，功耗，性能，价格 低,2019年5月25日4时18分,,计算机的发展,Charles Babbage,1822 差分机,1833 分析机,MARK I,ENIAC,计算机发展史,2019年5月25日4时18分,,简 介,电子数字计算机是一种能够自动、快捷，准确地实现信息存放数值计算、数据处理过程控制等多种功能的电子机器，
4、其基本功能是进行数字化信息处理。 世界上第一台计算机ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Calculator,电子数字积分计算机 ）诞生于1946年2月15日，是美国宾夕法尼亚大学摩尔理工学院的摩切利和埃卡特发明的。 计算机应用于科学计算、数据处理、工业控制、实时控制、人工智能、虚拟现实、远程教育、电子商务等多种领域。,2019年5月25日4时18分,,计算机的发展第一台电子计算机（ENIAC）,计算机发展史,5000次加法/秒 体重28吨 占地170M2 18800只电子管 1500个继电器 7000个电阻 10000个电容 耗电150KW,
5、2019年5月25日4时18分,,2019年5月25日4时18分,,计算机的发展,2019年5月25日4时18分,,各时代 代表机型,2019年5月25日4时18分,,计算机总体发展,2019年5月25日4时18分,,微电子与计算机,2019年5月25日4时18分,,第五代计算机 通信、存储、信息处理和人工智能相结合的超巨能计算机。 第六代计算机 利用光电子元件、超导电子元件或生物电子元件作为计算机的核心元件。,一. 分类,按用途分类,通用机：通用性强，综合能力强，解决各种问题,专用机：特殊配置，功能单一，解决特定问题,按综合性能指标分类,巨型机：速度最快、处理能力最强 已达十几万亿次浮点运算
6、 “银河 ” 达每秒130亿次,大型机：大型、通用、较快、较强 作“客户机/服务器”的服务器 作“终端/主机”的主机,小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短 工艺先进、使用维护简单,工作站：介于PC与小型机之间 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强,微型计算机：小、巧、轻、使用方便、价格便宜 中央处理器：一个芯片,网络计算机：基于Java技术的瘦客户机系统,2019年5月25日4时18分,,2019年5月25日4时18分,,二. 计算机的应用,计算机的应用类型 1. 科学计算 2. 过程控制 3. CAD/CAM/CAT 4. 数据处理 5. 电子商务 6. 多媒体技术 7. 人工智能,计算
7、机的主要应用领域 1. 工商：电子商务、CAD/CAM 2. 教育：多媒体教育、远程教育 3. 医药：CAT、MRI、远程医疗 4. 政府：电子政府 5. 娱乐：虚拟现实、电影特技 6. 科研：数据采集、计算分析 7. 家庭：家庭信息化,2019年5月25日4时18分,,计算机体系结构和组织,计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。,指令集（instruction set）,软件,硬件,2019年5月25日4时18分,,电子计算机的设计思想,存储程序控制 “存储程序”是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记
8、忆数据的同 一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成程序； “程序控制”是当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务。 冯 诺依曼型计算机的设计思想：存储程序并按地址顺序执行。,2019年5月25日4时18分,,一.硬件系统 存储器 运算器 控制器 输入设备 输出设备 二.软件系统 系统软件：OS，语言处理，服务程序，数据库管理系统 用来提高使用效率，发挥和扩大计算机功能和用途的程序。 应用软件：工程设计，数据处理，自动控制，企业管理 用户用来解决某些问题而编制的程序。,2019年5月25日4时18分,,运算器：计算机中进行算术运算和逻辑运
9、算的部件。 存储器：存放程序和数据的部件（R/W）。 控制器：控制计算机有条不紊地执行程序的部件。 程序控制 输入设备：能将人们所熟悉的信息形式变换为计算机内部能接收和识别的二进制信息的设备。 输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其它设备所能接收和识别的信息形式的设备。,2019年5月25日4时18分,,输入设备,输出设备,输入输出接口和总线,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,第三单元,第四单元,第二单元,第一单元,计算机系统结构计算机的硬件结构,2019年5月25日4时18分,,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,2019年5月25日4时18分,,运 算 器,计
10、算机系统结构计算机的硬件结构,运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能包括： 1. 执行数值数据的算术加减乘除等运算， 执行逻辑数据的与或非等逻辑运算， 由一个被称为 ALU 的线路完成。 2. 暂时存放参加运算的数据和中间结果， 由多个通用寄存器来承担。 3. 运算器通常也是数据传输的通路 。,2019年5月25日4时18分,,控 制 器,运 算 器,计算机硬件系统,2019年5月25日4时18分,,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,控制器是计算机中控制执行指令的部件： 一. 正确执行每条指令 1. 首先是取来一条指令， 2. 接着分析这条指令， 3. 再按指
11、令格式和功能执行这条指令 二. 保证指令按规定序列自动连续地执行。 三. 对各种异常情况和请求及时响应和处理。 说到底，控制器要向计算机各功能部件提供 每一时刻协同运行所需要的控制信号,2019年5月25日4时18分,,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,2019年5月25日4时18分,,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,由高速缓冲存储器，主存储器， 外存储器所组成的多级（层）存储器 系统，是计算机中用于存储程序和数 据的子系统。 这三级存储器所用的 存储介质的工作原理和特性各不相同。 将作为
12、三个部分分别讲解。,2019年5月25日4时18分,,输入设备,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,2019年5月25日4时18分,,输入设备是向计算机中送入程序和数据的有一定独立功能的设备，通过 接口 和 总线与计算机主机连通，用于人机交互联系,如计算机键盘和鼠标等。,输入设备,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,2019年5月25日4时18分,,输入设备,输出设备,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,2019年5月25日4时18分,,输入设备
13、,输出设备,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息的设备,例如打印机, 显示器等。,2019年5月25日4时18分,,输入设备,输出设备,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,这些部件和设备通过总线和接口连接在 一起, 构成计算机整机系统 ,协同运行.,2019年5月25日4时18分,,输入设备,输出设备,输入出接口和总线,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,第三单元,第四单元,第二单元,第一单元,计算机的硬件结构,2019年5月25日4时18分,,计算机基本工作原理,1. 指令:让计算机完成某个操作发出的命令。（用二进制代码来表示）,3. 指令的执行,有序的指令集合。,2. 程序,内存,指令,取指周期：,执行周期：,控制信号,有关部件动作,CPU译码,CPU,4. 程序的执行 CPU不断地取指令，执行指令。,操作码,操作数,2019年5月25日4时18分,,2、计算机软件 软件 = 程序 + 数据+文档,2019年5月25日4时18分,,(1) 操作系统 管理和控制计算机系统的所有资源(包括硬件和软件),裸机+操作系统=虚拟机,统一管理和调度资
