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計算機組成原理第一章概論,張連姣Zhanglianjiao@,教學(xué)目的,硬件系列課程之一計算機組成原理對計算機系統(tǒng)的基本組成和工作機制有比較透徹的理解本課程的目的深入理解計算機系統(tǒng)的硬件組成和工作原理系統(tǒng)構(gòu)成、總線、存儲器、I/O系統(tǒng)等深入理解處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理對計算機系統(tǒng)當前的發(fā)展動向和水平有明確的概念,課程內(nèi)容,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線（總線性能、總線結(jié)構(gòu)、總線控制）存儲器（主存儲器、高速緩存、輔助存儲器）輸入輸出系統(tǒng)（外設(shè)、I/O接口、I/O控制方式）中央處理器（CPU）計算機的運算方法指令系統(tǒng)CPU的結(jié)構(gòu)控制單元設(shè)計,教材,Textbook：陳明王智廣，《計算機組原理》清華大學(xué)出版社，2004Reference:白中英，《計算機組成原理》，科學(xué)出版社,2001,成績考核,期末考試：70％（閉卷）作業(yè)：20％，不能抄襲課堂練習(xí)：10％,本章教學(xué)內(nèi)容,1.計算機的發(fā)展、分類、特點與應(yīng)用；2.計算機硬件和軟件的基本概念；3.計算機硬件系統(tǒng)的組織，各部分的功能及其組成框圖；4.計算機的工作過程，即執(zhí)行指令的過程；5.馮.努依曼型計算機的設(shè)計思想；6.計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。,1.計算機系統(tǒng)組成,2.計算機系統(tǒng)組成——硬件系統(tǒng),華碩P4S533-MX主板,內(nèi)存條插槽,CPU風(fēng)扇支架,PCI擴展槽,IDE硬盤接口,各種外設(shè)接口，包括：鍵盤、鼠標、顯示器、USB、聲卡、網(wǎng)卡、并行口等,,,,,,CPU插槽,3計算機的軟件系統(tǒng)計算機硬件是載體，軟件是靈魂。,軟件的組成與分類分類：系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序軟件的發(fā)展演變手編程序（目的程序）→匯編程序→算法語言(高級語言）高級語言與機器語言的轉(zhuǎn)換：編譯系統(tǒng)、解釋系統(tǒng),機器語言由0/1代碼表示機器能完成的各種操作（指令）例：MCS-51兩個寄存器相加的機器語言指令：00101000依賴于機器（處理器指令集），難于理解匯編語言用便于書寫和記憶的符號表示機器的各種操作ADD、SUB、MUL、DIV、JMP、CMP等例：MCS-51兩個寄存器相加匯編語言指令：ADDA，R0依賴于機器高級語言程序描述方式適合人類的習(xí)慣與平臺無關(guān)性,需要將高級語言程序轉(zhuǎn)換成機器語言程序，才能在實際機器上執(zhí)行編譯執(zhí)行：利用編譯器一次性將高級語言程序翻譯成機器語言程序C、FORTRAN……解釋執(zhí)行：語句翻譯一條，執(zhí)行一條，直至結(jié)束BASIC,用戶采用程序設(shè)計語言描述問題的求解過程，計算機在程序的控制下完成問題的求解計算機只能識別用0/1代碼表示的程序用戶需要使用高級語言編程,4.VonNeumann(馮諾依曼)機的特征,計算機由五個部分構(gòu)成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備指令和數(shù)據(jù)“以同等地位”存放于存儲器內(nèi)，分別按地址訪問指令和數(shù)據(jù)均用二進制碼表示指令由操作碼和地址碼構(gòu)成指令按順序存放，順序執(zhí)行機器以運算器為中心,VonNeumann機的組織結(jié)構(gòu),,,5.指令的執(zhí)行過程,取指根據(jù)PC訪存讀取當前要執(zhí)行的指令PC＋1譯碼識別指令字中的操作類型，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號取操作數(shù)根據(jù)指令字的地址域訪存執(zhí)行寫回,計算機的工作過程,執(zhí)行每一條指令，都包括取指、譯碼和執(zhí)行三個基本步驟，所以，計算機的工作過程，也就是不斷地取指令、譯碼和執(zhí)行的過程，直到遇到停機指令。,存儲器的組織,存儲單元按字節(jié)或字尋址程序和數(shù)據(jù)順序存放數(shù)據(jù)段代碼段讀寫操作以數(shù)據(jù)總線寬度為單位,示例——操作過程,寄存器使用規(guī)則ACC：操作數(shù)之一和結(jié)果MQ：操作數(shù)之一和結(jié)果X：操作數(shù)之一加法[M]->X;ACC+[X]->ACC減法[M]->X;ACC-[X]->ACC乘法[M]->MQ;ACC->X;0->ACC;[X]*[MQ]->ACC//MQ除法[M]->X;ACC/[X]->MQ;余數(shù)在ACC中,示例——ax2+bx+c,(ax+b)x+cx->ACCx*a->ACCax+b->ACCx*(ax+b)->ACC(ax+b)x+c->ACC,示例——程序的執(zhí)行過程,計算1+2=?,匯編語言程序?qū)?yīng)的機器指令對應(yīng)的操作MOVAL,110110000將立即數(shù)1傳送到累加寄存器AL中00000001ADDAL,200000100計算兩個數(shù)的和，結(jié)果存放到AL中00000010MOV[0008],AL10100010將AL中的數(shù)傳送到地址單元00080000100100000000HLT11110100停機,6.計算機硬件的性能指標,機器字長CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)寄存器、ALU、總線、存儲器等字長越長，數(shù)的表示范圍越大，精度越高4位、8位、16位、32位、64位存儲容量存儲器可存儲的二進制數(shù)據(jù)總數(shù)容量＝存儲單元個數(shù)存儲字長MAR＝16位，則有64K個存儲單元；MDR＝32位，則共可存儲64K32＝2Mb,運算速度依賴于機器的主頻、操作類型、存儲器訪問時間等主頻也叫做時鐘頻率，用來表示微處理器的運行速度，主頻的單位是MHzMIPS：每秒能執(zhí)行多少百萬條指令由于執(zhí)行不同類型的指令所需時間長度不同，所以MIPS通常是根據(jù)不同指令出現(xiàn)的頻度乘上不同的系數(shù)求得的統(tǒng)計平均值。FLOPS：每秒鐘浮點運算次數(shù),電子計算機,ENIAC，運算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2，造價100萬美元。,7.電子計算機的發(fā)展,電子管計算機（VacuumTubes）1946-1958：磁鼓存儲器，機器語言、匯編語言編程。ENIAC晶體管計算機（Transistors）1958-1964：磁芯作主存儲器,磁盤作外存儲器，開始使用高級語言編程。IBM700/7000系列，50萬次/s集成電路計算機1964-1971：使用半導(dǎo)體存儲器，出現(xiàn)多終端計算機和計算機網(wǎng)絡(luò)IBM360系列，百萬次/s大規(guī)模集成電路計算機1971-：出現(xiàn)微型計算機、單片微型計算機，外部設(shè)備多樣化人工智能計算機1981-：模擬人的智能和交流方式,8.電子計算機分類,巨型機功能極其強大，速度達上萬億次典型產(chǎn)品有：Cray-1、Cray-2、Cray-3、國產(chǎn)銀河I、銀河II、銀河III等大型機大中型企事業(yè)作為計算機中心的主機使用，統(tǒng)一調(diào)度計算機資源，典型產(chǎn)品有：IBM360,370,3400等小型機它可以滿足部門性的要求，供小型企事業(yè)單位使用.典型產(chǎn)品有：IBM/AS-400,DEC-VAX系列等微型機個人家庭使用，PC機／個人計算機，價格低廉，目前廣泛使用單片機將計算機基本部件集成在集成在一片集成芯片上，體積小功耗低，價格便宜，廣泛用于家用電器和智能儀表中,９.微型計算機的典型應(yīng)用,信息技術(shù)：微電子是基礎(chǔ)，計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)是載體，軟件是核心數(shù)值計算、數(shù)據(jù)管理、信息處理通用微機要求功能強、使用方便過程控制、智能化儀器儀表、數(shù)據(jù)通訊專用微機：單片機（MCS－51等）、單板機（Z80）、工控機要求可靠性高、實時性強應(yīng)用程序相對簡單、數(shù)據(jù)處理量較小,10.計算機發(fā)展趨勢,微型化─便攜式、低功耗巨型化─尖端科技領(lǐng)域的信息處理，需要超大容量、高速度智能化─模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力系列化、標準化─便于各種計算機硬、軟件兼容和升級網(wǎng)絡(luò)化─網(wǎng)絡(luò)計算機和信息高速公路多機系統(tǒng)─大型設(shè)備、生產(chǎn)流水線集中管理(獨立控制、故障分散、資源共享),,11.計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)是一個有硬件、軟件組成的多級層次結(jié)構(gòu)。第1級：微程序級硬件級。執(zhí)行一系列微指令，解釋執(zhí)行機器指令第2級：物理機器級硬件級。執(zhí)行機器指令，完成相應(yīng)的功能第3級：操作系統(tǒng)級虛擬機。為系統(tǒng)的操作和程序設(shè)計提供平臺第4級：匯編語言級虛擬機。為程序員提供一種符號形式語言第5級：高級語言級虛擬機。提供與計算機結(jié)構(gòu)無關(guān)的程序設(shè)計語言,,每一級上都能進行程序設(shè)計，且得到下面各級的支持；第1級～第3級所用語言基本為二進制語言，機器執(zhí)行和解釋容易；第4級、第5級采用符號語言，有利于不了解硬件的人使用計算機；級數(shù)越低越靠近硬件，級數(shù)越高使用計算機越方便；從語言功能層次進行劃分，引入虛擬機概念，有助于了解計算機和設(shè)計計算機,補充知識：兩個著名定律,ComputingpowerandminiaturizationMoore’sLaw(1965,GordonMoore):Processorspeedandstoragecapacitydoubleevery18monthsCommunicationGilder’sLaw(1996?):Bandwidthgrowsthreetimesfasterthancomputingpowerandstoragecapacity,現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用,新一代智能設(shè)備掌上電腦車載智能設(shè)備筆記本計算機手表智能卡智能手機機頂盒POS銷售機屏幕電話（除了普通話機的功能還可以瀏覽因特網(wǎng)）,任天堂可視電話游戲機,Thethirdwaveincomputing,普適計算(ubiquitouscomputing),由MarkWeiser(1952-1999，Xerox)在1988年提出Anintegrationofhumanfactors,computerscience,engineering,andsocialsciencesIBM在1999年創(chuàng)造了一個名詞，即“pervasivecomputing（普及計算）”AnyContentAnyPlaceAnyDeviceAnyTime,PersonalServer,WashableComputing,小結(jié),計算機系統(tǒng)由軟件和硬件組成計算機組成vs.計算機體系結(jié)構(gòu)VonNeumann機計算機硬件系統(tǒng)由五大部件組成信息以二進制表示指令由op和addr構(gòu)成“存儲程序控制順序執(zhí)行”,