ch计算机系统概论实用实用教案

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1、一、课程性质与任务“计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。计算机组成原理是计算机教学中的一门核心(hxn)课程，是学习计算机课程所要必修的主干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算期、控制器、存储器、输入输出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。课程(kchng)概述第1页/共45页第一页，共46页。二、课程的基本要求计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设讲解，围绕各自的功能、组成、设计、实现、使用等知

2、识进行介绍要求学生掌握计算机的组成和工作原理。强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识。通过学习基本组成结构和操作理论，以建立整机概念。本课程设有实验(shyn)，以加深对课程内容的理解，培养学生的思考研究能力。三、先修课程与后续课程先修课：数字电路、模拟电路后续课：计算机系统结构、微型计算机系统与设计，关系密切的还有操作系统等课程。课程(kchng)概述第2页/共45页第二页，共46页。四、学时分配授课学时：40，实验学时：8理论(lln)教学安排概述（4学时）信息表示和数据运算（6学时）存储系统（8学时）指令系统（4学时）CPU系统（10学时）总线技术（2学时）输入/输出系统（6学时）课

3、程(kchng)概述第3页/共45页第三页，共46页。五、考核(koh)要求及方法：平时成绩：25%，作业及考勤实验成绩：25%，实验过程及报告期末成绩：50%，闭卷考试旷课一次，平时成绩或实验成绩减4迟到一次，平时成绩或实验成绩减2课程(kchng)概述第4页/共45页第四页，共46页。第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论第二章第二章 运算方法运算方法(fngf)(fngf)和运算器和运算器第三章第三章 存储系统存储系统第四章第四章 指令系统指令系统 第五章第五章 中央处理器中央处理器 第六章第六章 总线系统总线系统 第七章第七章 外围设备外围设备 第八章第八章 输入输出系统输入输出系

4、统目录(ml)第5页/共45页第五页，共46页。第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论(giln)(giln)1.概念计算机（Computer）是一种以电子器件为基础(jch)的，自动的、高速的、精确的、具有记忆能力、算术逻辑运算能力的数字化信息处理电子设备。 第6页/共45页第六页，共46页。（1 1）内部特征：）内部特征：（A A） 高速高速(os)(os)高集成度逻辑开关器件高集成度逻辑开关器件（B B） 数字化信息编码数字化信息编码（C C） 逻辑判断和处理能力逻辑判断和处理能力（DD） 存储程序存储程序（2 2）外部特征：）外部特征：（A A） 快速性（由（快速性（由（1 1）中

5、（）中（A A）（）（DD）决定）决定）（B B） 准确性（由（准确性（由（1 1）中（）中（B B）（）（DD）决定）决定）（C C） 逻辑性（由（逻辑性（由（1 1）中（）中（A A）（）（C C）（）（DD）决定）决定）（DD） 智能性（由（智能性（由（1 1）中（）中（A A）（）（B B）（）（C C）（）（DD）决定）决定） 2、特征(tzhng) ：第7页/共45页第七页，共46页。1.1计算机的分类(fnli) 一、计算机从总体上来说分为两大类: 模拟(mn)计算机和数字计算机。各自主要特点：模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连

6、续的数字计算机则是由逻辑电子器件(din z q jin)构成，其变量为开关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算模式是离散式的第8页/共45页第八页，共46页。模拟(mn)计算机第9页/共45页第九页，共46页。数字(shz)计算机与模拟计算计的主要区别比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0和1电压、电流等计算方式数字计算电量组合和测量值控制方式程序控制模拟信号组合控制精度、抗干扰性高、好低、差数据存储量大小、几乎无逻辑判断能力强无第10页/共45页第十页，共46页。1.1计算机的分类(fnli)二、按用途分：通用计算机和专用计算机通用计算机：根据体积、简易性、功率损耗(snh

7、o)、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为：超级计算机大型机服务器工作站微型机单片机第11页/共45页第十一页，共46页。通用(tngyng)计算机类别第12页/共45页第十二页，共46页。1.2计算机发展(fzhn)简史一、计算机的五代变化(binhu)第一代为19461957年，电子管计算机：数据处理第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控制第三代为19651971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机第四代为19721990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机第13页/共45页第十三页，共46页。

8、类型时期主要器件重 要 特 征第1代1946-1958电子管机器语言，汇编语言。速度低，体积大，价格昂贵，可靠性差，用于科学计算。速度达几千次到几万次第2代1958-1964晶体管算法语言，操作系统。体积缩小，可靠性提高。从科学计算到数据处理。每秒几万次到几十万次第3代1964-1971中小规模集成电路体积小，可靠性大大提高，速度达几百万次，软件技术和外设发展迅速应用领域不断扩大。第4代1971-1986大/超大规模集成电路速度提高至几千万亿次出现微型计算机第5代1986-巨大规模集成电路速度提高至几亿次乃至上百亿次。出现单片机计算机的发展史第14页/共45页第十四页，共46页。第一台电子计算

9、机（ENIACENIAC）5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170M218,800只电子管只电子管1500个继电器个继电器耗电耗电150KW第15页/共45页第十五页，共46页。Top500 (2006)Top500 (2006)IBM Blue GeneIBM Blue Gene计算机发展史计算机发展史第16页/共45页第十六页，共46页。超级计算机、大型机、服务器、工作站、微型机和单片机，它们的结构规模和性能指标依次递减随着超大规模集成电路(jchng-dinl)的迅速发展,今天的小型机可能是明天的微型机,而今天的微型机可能是明天的单片机第17页/共45页第十七页，共46页

10、。摩尔定律v早 在 19641964年 ， 英 特 尔 公 司 创 始 人 戈 登 . .摩 尔（Gordon Gordon MooreMoore）在一篇很短的论文里断言：每1818个月，集成电路的性能将提高(t (t go)go)一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路近4040年的发展历史准确无误地验证着第18页/共45页第十八页，共46页。1.3计算机的硬件系统(xtng)组成运 算 器控 制 器主存储器输入设备输出设备总线 和 输入输出接口高速缓存虚拟存储器(磁盘设备)（第二章第二章）（第五章第五章）（第第三三章章）

11、（第六章第六章）（ 第第七七、八八章章）中央处理单元CPU第19页/共45页第十九页，共46页。1.运算器算术运算(ynsun)：加、减、乘、除逻辑运算(ynsun)：与、或、非采用二进制数（容易实现）位数越多，计算精度越高计算机的运算(ynsun)器长度：8位、16位、32位或64位操作对象：数据（存储器或寄存器）第20页/共45页第二十页，共46页。2.存储器功能：存储数据和指令容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）分类(fnli)内存（主存ROM、RAM）、外存(辅存）单片机主存：EPROM、EEPROM、RAM、FlashFlash存储器：可读可写（优盘）主存采用半导体器件来作为存储

12、器存储的是0或1表示的二进制代码第21页/共45页第二十一页，共46页。2.存储器存储单元：在存储器中保存一个(y)n位二进制数的n个开关器件，组成一个(y)存储单元存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB、GB”等表示存储器单位：210byte1K210K1M210M1G210G1T第22页/共45页第二十二页，共46页。表示参加运算的数据从存储器的哪个(n ge)单元取运算的结果应存到哪个(n ge)单元3.控制器控制计算机的各个部件有序地进行工作(gngzu)指令有两部分：操作的性质和操作的地址操作码地

13、址码指出指令(zhlng)所进行的操作加、减、乘、除、取数、存数等 指令操作码加法减法乘法除法取数存数打印停机001010011100101110111000第23页/共45页第二十三页，共46页。1. 冯诺依曼型体系结构存储(cn ch)程序并按地址顺序执行归纳为：存储(cn ch)程序，程序控制2. 哈佛体系结构 哈佛结构处理器有两个明显的特点：(1)使用两个独立的存储(cn ch)器模块，分别存储(cn ch)指令和数 据，每个存储(cn ch)模块都不允许指令和数据并存； (2)使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储(cn ch)器之间的专用通信路径4计算机的设计(shj)思想第

14、24页/共45页第二十四页，共46页。冯诺依曼型计算机存储器输出(shch)输入(shr)运算器控制器数据信号控制(kngzh)信号地址信号第25页/共45页第二十五页，共46页。哈佛体系结构计算机第26页/共45页第二十六页，共46页。冯诺依曼型计算机要点(yodin)冯诺依曼型计算机存储程序按地址自动执行五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备(shchshbi)以运算器为中心第27页/共45页第二十七页，共46页。v存储程序，程序控制存储程序，程序控制v“存储程序存储程序”，是把指令以代码的形式事，是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用和记先输入到计算机的

15、主存储器中，即用和记录数据的同录数据的同 一装置存储指令，这些指令一装置存储指令，这些指令按一定的规则组成程序按一定的规则组成程序v“程序控制程序控制”，是控制器依据存储程序控，是控制器依据存储程序控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成动完成(wn chng)预定的信息处理任务预定的信息处理任务第28页/共45页第二十八页，共46页。5控制器的基本(jbn)任务按照(nzho)计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执

16、行第二条指令，依次类推取指令的一段时间叫做取指周期执行指令的一段时间叫做执行周期执行完成指令的时间，称为指令周期第29页/共45页第二十九页，共46页。位、字节(z ji)(z ji)、字，指令流和数据流 最小存储单位“位”，一般按8位组成“字节”计算机能够处理的位数为多个字节字，位数为字长代表指令的字是指令字；代表数据的字是数据字在取指周期中从内存读出的信息(xnx)是指令流，它流向控制器而执行周期中从内存读出的信息(xnx)流是数据流，它由内存流向运算器时间上：在取指周期中，CPU从内存读出的信息(xnx)一定是指令；而执行周期中从内存读出或写入的信息(xnx)一定是数据。空间上：指令一定

17、流向控制器；而数据则是在内存（或寄存器）与运算器之间流动第30页/共45页第三十页，共46页。1.3.5适配器与输入输出设备(shbi)输入设备把人们所熟悉的某种形式的信息变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式输出设备把计算机处理的结果变换为人或其它机器所能接收和识别的信息形式I/O设备通常统称为外围设备适配器(I/O接口)相当与一个转换器,它可以保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息系统(xtng)总线构成计算机系统(xtng)的信息链接,是多个系统(xtng)部件之间进行数据传送的公共通路第31页/共45页第三十一页，共46页。计算机的基本(jbn)性能指标吞吐量：表征一台计

18、算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）。响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定(gdng)频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz主频的倒数称为CPU时钟周期（T）第32页/共45页第三十二页，共46页。计算机的基本(jbn)性能指标（二）CPU执行时间：表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间CPI：表示每条指令周期数，即执行一条(ytio)指令所需的平均时钟周期数。MIPS：表示每秒百万条指令数MFLOPS：表示每秒百万次浮点操作次数第33页/共4

19、5页第三十三页，共46页。计算机系统概念(ginin)计算(jsun)机是由元器件构成的有形物体，因而称为硬件或硬设备。硬件是计算(jsun)机系统中实际物理装置的总称计算(jsun)程序，称为软件或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档（软件程序数据文档）硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件的结合，构成完整的计算(jsun)机系统计算机系统硬件(yn jin)系统软件系统第34页/共45页第三十四页，共46页。1.4.1 软件(run jin)分类软件分类操作系统 语言处理程序服务性程序应用软件办公软件包数据库管理系统浏览器实时控

20、制软件诊断、排错程序反病毒程序备份程序文件压缩程序卸载程序图形图像处理软件其它应用软件系统软件1.4计算机软件第35页/共45页第三十五页，共46页。目的(md)程序早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以“识别”并能执行，所以又叫做目的程序用机器语言编写程序很繁琐，又耗费大量的人力和时间，容易出错(chcu)，出错(chcu)后寻找错误也相当费事，大大限制了计算机的使用第36页/共45页第三十六页，共46页。汇编程序(hubinchnx)（Assembler)为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率，人们发明了汇编语言借助于汇编程序，计算机本身自动地把符号语言表示的程序（称为

21、(chnwi)汇编源程序）翻译成用机器语言表示的目的程序用约定的文字、符号和数字（助记符）按规定 的格式来表示各种不同(b tn)的指令第37页/共45页第三十七页，共46页。高级(goj)语言为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言（高级程序设计语言）算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则。比较接近数学语言，直观(zhgun)通用，与具体机器无关，只要稍加学习就能掌握，便于推广使用计算机有BASIC,FORTRAN,C,C+,Java第38页/共45页第三十八页，共46页

22、。编译程序(binychnx)用程序设计语言编写的程序称为源程序，这种源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计算机配备(pibi)一个即懂算法语言又懂机器语言的“翻译”，才能把源程序翻译为机器语言通常采用下面两种方法：编译系统：用编译程序将源程序编译成机器语言形式的目的程序，然后在目标系统运行解释系统：逐个解释并立即执行源程序的语句，它不是编出目的程序后再执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果第39页/共45页第三十九页，共46页。计算机的层次结构用 户 级高 级 语 言 级汇 编 语 言 级系 统 软 件 级 机 器 级控 制 级数 字 逻 辑 级 应用软件 系统软件 软硬件界面物理机虚拟

23、机硬件固件硬件直接执行Level 0 (门电路、电子线路)Level 1 (微程序或硬布线)Level 2 (指令集结构ISA)Level 3 (操作系统、库代码)Level 4 (汇编语言代码)Level 5 (C+，Java，等)Level 6 (可执行程序)第40页/共45页第四十页，共46页。软硬件界面(jimin)（Interface）assemblercomplierOperating SystemlibraryISAS/WH/WApplicationS/W：Software 软件(run jin)H/W：Hardware 硬件ISA：Instruction Set Archite

24、cture 指令集结构(jigu)第41页/共45页第四十一页，共46页。软件(runjin)与硬件的逻辑等价性随着大规模集成电路(jchng-dinl)技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等软件的特点 易于实现各种( zhn)逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约；硬件的特点 可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。第42页/共45页

25、第四十二页，共46页。本章(bnzhn)小结计算机从开始出现到目前经历了一个快速发展的过程。按计算机所使用的微电子器件的发展可以将电子计算机分成五代。计算机系统由软件系统与硬件系统组成。计算机的硬件系统由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、输入输出设备及总线(znxin)系统组成。计算机的软件系统是计算机系统结构的重要组成部分，也是计算机不同于一般电子设备的本质所在。计算机的软件一般分为系统程序和应用程序两大类。计算机主要性能指标第43页/共45页第四十三页，共46页。习题习题(xt)1(xt)14. 冯诺依曼计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些组成部分(z chn b f

26、n)？ 5. 什么是存储容量、单元地址、数据字、指令字？7. 计算机如何区分指令还是数据？11. 第44页/共45页第四十四页，共46页。感谢您的欣赏(xnshng)！第45页/共45页第四十五页，共46页。内容(nirng)总结一、课程性质与任务。三、先修课程与后续课程。后续课：计算机系统结构、微型(wixng)计算机系统与设计，关系密切的还有操作系统等课程。速度提高至几亿次乃至上百亿次。存储单元： 在存储器中保存一个n位二进制数的n个开关器件，组成一个存储单元。执行指令的一段时间叫做执行周期。计算机能够处理的位数为多个字节字，位数为字长。而执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。有BASIC,FORTRAN,C,C+,Java第四十六页，共46页。