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計算機組成原理,任課教師：趙靜,第一章 計算機系統(tǒng)概論 第二章 運算方法和運算器 第三章 存儲系統(tǒng) 第四章 指令系統(tǒng) 第五章 中央處理器 第六章 總線系統(tǒng) 第七章 外圍設(shè)備 第八章 輸入輸出系統(tǒng),目錄,第一章 計算機系統(tǒng)概論,計算機系統(tǒng)不同于一般的電子設(shè)備，它是一個由硬件、軟件組成的復(fù)雜的自動化設(shè)備。,◎ 1.1 計算機的分類和應(yīng)用 ◎ 1.2 計算機的硬件 ◎ 1.3 計算機的軟件 ◎ 1.4 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),1.1.1 計算機的分類,計算機從總體上來說分為兩大類: 模擬計算機和數(shù)字計算機。,,各自主要特點： 模擬計算機由模擬運算器件構(gòu)成，其變量由連續(xù)量（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續(xù)的 數(shù)字計算機則是由邏輯電子器件構(gòu)成，其變量為開關(guān)量（離散的數(shù)字量），采用數(shù)字式按位運算，運算模式是離散式的,1.1 計算機的分類和應(yīng)用,數(shù)字計算機與模擬計算計的主要區(qū)別,,數(shù)字計算機,,專用計算機,通用計算機,,超級計算機,大型機,服務(wù)器,工作站,微型機,單片機,,低,高,體積 功耗 性能 數(shù)據(jù)存儲量 指令系統(tǒng) 價格,1.1.2 計算機的應(yīng)用,計算機的應(yīng)用范圍幾乎涉及人類社會的所有領(lǐng)域。本書歸納成六個主要方面來敘述： 科學(xué)計算 自動控制 測量和測試 信息處理 教育和衛(wèi)生 家用電器 人工智能,1.2 計算機的硬件,J. Von Neumann（馮.諾伊曼） 1913，生于匈牙利，瑞士化學(xué)學(xué)士，匈牙利數(shù)學(xué)博士，后移居美國；40年代初，參與曼哈頓計劃；44年參觀ENIAC； 45年發(fā)表“關(guān)于離散變量自動電子計算機的草案” 計算機的基本結(jié)構(gòu)； 采用二進制； 數(shù)據(jù)和程序都放在內(nèi)存中。 馮.諾伊曼結(jié)構(gòu),主 機,1.2.1 計算機的硬件系統(tǒng)組成,打算盤，求解 y = ax + b – c 一個算盤 計算，暫存結(jié)果 一張紙 記錄步驟、數(shù)據(jù) 一支筆 將步驟、數(shù)據(jù)抄至紙上； 算盤上數(shù)據(jù)，抄至紙上。 人腦和手 控制算盤、完成步驟,運算器,存儲器,IO設(shè)備,控制器,1. 運算器,算術(shù)運算、邏輯運算 采用二進制數(shù)（容易實現(xiàn)） 算術(shù)邏輯單元（ALU） + 專用或通用寄存器 計算機的運算器長度： 8位、16位、32位或64位,2. 存儲器,功能：保存或“記憶”數(shù)據(jù)和運算過程 存儲的是0或1表示的二進制代碼 存儲單元： 在存儲器中保存一個n位二進制數(shù)的n個觸發(fā)器，組成一個存儲單元 存儲器地址：存儲器是由許多存儲單元組成，每個存儲單元的編號，稱為地址 存儲容量：存儲器所有存儲單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB、GB”等表示 內(nèi)存儲器（主存）和外存儲器(輔存）,(1) 程序 每一個基本操作就叫做一條指令,而解算某一問題的一串指令序列,叫做該問題的計算程序,簡稱為程序。 (2) 指令的形式,表示參加運算的數(shù)據(jù)從存儲器的哪個單元?。贿\算的結(jié)果應(yīng)存到哪個單元,指出指令所進行的操作，如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等,3. 控制器,控制計算機的各個部件有條不紊地進行工作,3. 控制器,“存儲程序”：是把指令序列事先輸入到存儲器中 “程序控制”：當(dāng)計算機啟動后，程序就會控制計算機按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動完成預(yù)定的信息處理任務(wù) 馮諾依曼型計算機的設(shè)計思想： 存儲程序并按地址順序執(zhí)行 指令系統(tǒng)：一臺計算機中所有機器指令的集合。 （3）控制器的基本任務(wù) ＊控制取指令和指令譯碼，這段時間稱為取指周期； ＊控制指令執(zhí)行過程，這段時間稱為執(zhí)行周期； ＊取指周期和執(zhí)行周期交替發(fā)生； ＊每取一條指令，指令計數(shù)器加1。,（4）指令流和數(shù)據(jù)流 計算機中的信息單位：位（bit）、字節(jié)（Byte）、字（Word）。例：10010110 字長：組成一個字的二進制位數(shù)。一個“字”至少由一個以上的字節(jié)組成。 計算機字既可以代表指令,也可以代表數(shù)據(jù)。如果某字代表要處理的數(shù)據(jù),則稱為數(shù)據(jù)字；如果某字為一條指令,則稱為指令字。 指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)放在內(nèi)存中,從形式上看,它們都是二進制數(shù)碼。一般來講，在取指周期中從內(nèi)存讀出的信息是指令流,它流向控制器；而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流,它由內(nèi)存流向運算器。,3. 控制器,指 令 區(qū),數(shù) 據(jù) 區(qū),操作的編碼,4. 適配器與輸入輸出設(shè)備,輸入設(shè)備把人們所熟悉的某種形式的信息變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式。 輸出設(shè)備把計算機處理的結(jié)果變換為人或其它機器所能接收和識別的信息形式。 I/O設(shè)備通常統(tǒng)稱為外圍設(shè)備。 適配器(I/O接口)相當(dāng)與一個轉(zhuǎn)換器,它可以保證外圍設(shè)備用計算機所要求的形式發(fā)送或接受信息。 系統(tǒng)總線構(gòu)成計算機系統(tǒng)的信息鏈接,是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。,硬件系統(tǒng)五大組成部分框圖,,,,,,常用的輸入設(shè)備有：鼠標(biāo)器、鍵盤、掃描儀、數(shù)字化儀、數(shù)碼攝像機、條形碼閱讀器、數(shù)碼相機、A/D轉(zhuǎn)換器等,,計算機中用于存取程序和數(shù)據(jù)的部件。分為內(nèi)存和外存兩類,,顯示器、打印機、音箱、繪圖儀等,,,指揮和控制計算機各個部件進行工作的“神經(jīng)中樞”,負責(zé)對信息進行加工和運算，內(nèi)設(shè)若干寄存器，用于暫存操作數(shù)和中間結(jié)果。,1.2.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過去和未來,世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC 誕生于1946年，是在美國賓夕法尼亞大學(xué)制成的。計算機的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代的變化： 1946年開始，第一代電子管計算機 1958年開始，第二代晶體管計算機 1965年開始，第三代中小規(guī)模集成電路計算機 1971年開始，第四代大規(guī)模集成電路計算機 1986年開始，第五代巨大規(guī)模集成電路計算機,,第一臺電子計算機（ENIAC）,5000次加法/秒 體重28噸 占地170M2 18,800只電子管 1500個繼電器 耗電150KW,計算機發(fā)展史,計算機的發(fā)展史,計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。都是由元件構(gòu)成的有形物體，因而稱為硬件或硬設(shè)備。硬件是計算機系統(tǒng)中實際物理裝置的總稱。 軟件是指在硬件上運行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔。 硬件是軟件的工作基礎(chǔ)，軟件是硬件功能的擴充和完善。兩者相互依存，相互促進。軟件與硬件的結(jié)合，構(gòu)成完整的計算機系統(tǒng)。,計算機系統(tǒng)＝硬件系統(tǒng)＋軟件系統(tǒng),1.3 計算機的軟件,1.3.1軟件的組成和分類,下面以系統(tǒng)程序為例,簡要說明軟件的發(fā)展演變過程： 1. 目的程序 2. 匯編程序 3. 源程序 4. 操作系統(tǒng) 5. 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),1.3.2軟件的發(fā)展演變,,手編程序：直接用機器語言編寫,,用一些約定的文字、符號和數(shù)字按規(guī)定的格式來表示各種不同的指令, 再用這些指令來編寫程序,3. 源程序,算法語言：按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則。 源程序：用算法語言編寫的程序。 通常采用下面兩種方法把源程序翻譯為機器語言 ： 編譯系統(tǒng)：用編譯程序?qū)⒃闯绦蚓幾g成機器語言形式的目的程序，然后在目標(biāo)系統(tǒng)運行。 解釋系統(tǒng)：逐個解釋并立即執(zhí)行源程序的語句，它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是直接逐一解釋語句并得出計算結(jié)果。,4. 操作系統(tǒng) 用來管理計算機資源(如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序)和自動調(diào)度用戶的作業(yè)程序,而使多個用戶能有效地共用一套計算機系統(tǒng)。 根據(jù)使用環(huán)境要求,操作系統(tǒng)大致分為批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)等多種。 5. 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫：實現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量相關(guān)數(shù)據(jù),方便多用戶訪問的計算機軟、硬件資源組成的系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件一起,組成了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。,,1.4.1 多級組成的計算機系統(tǒng),1.4 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),機器語言級，由微程序解釋機器指令系統(tǒng),,硬件級,混合級,面向用戶，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置。由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行,1.4.2 軟件與硬件的邏輯等價性,隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。 任何操作可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。 就目前而言，一些計算機的特點是，把原來在一般機器級通過編制程序?qū)崿F(xiàn)的操作，如整數(shù)乘除法指令、浮點運算指令、處理字符串指令等等，改為直接由硬件完成。 現(xiàn)在已經(jīng)可以把許多復(fù)雜的、常用的程序制作成固件。就它的功能來說，是軟件；但從形態(tài)來說，又是硬件。傳統(tǒng)的軟件部分，今后完全有可能“固化”甚至“硬化”。,? 本章小結(jié),計算機的類型：模擬和數(shù)字；專用和通用；巨型機、大型機、小型機、微型機、單片機。 計算機的應(yīng)用領(lǐng)域。 計算機從開始出現(xiàn)到目前經(jīng)歷了一個快速發(fā)展的過程。按計算機所使用的微電子器件的發(fā)展可將電子計算機分成五代。 計算機系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)組成。 計算機的硬件系統(tǒng)由有形的電子器件等構(gòu)成的，它包括運算器、存儲器、控制器、適配器、輸入輸出設(shè)備。 計算機的軟件系統(tǒng)是計算機不同于一般電子設(shè)備的本質(zhì)所在。計算機的軟件一般分為系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序兩大類。 計算機的層次結(jié)構(gòu)通常由微程序設(shè)計級、 一般機器級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級、高級語言級組成。,習(xí)題1,1.計算機系統(tǒng)應(yīng)包括（ ）。 A）運算器、存儲器、控制器 B）主機與外部設(shè)備 C）硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng) D）系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件 2.計算機的存儲器系統(tǒng)是指（ ）。 A）RAM存儲器 B） ROM存儲器 C）主存儲器 D）主存儲器和外存儲器 3.計算機硬件能直接執(zhí)行的只能是（ ） 。 A．符號語言 B．機器語言 C．匯編語言 D．機器語言和匯編語言 4.馮．諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的基本特點是 （ ）。 A）多指令流單數(shù)據(jù)流 B）存儲程序并按地址順序執(zhí)行 C）堆棧操作 D）存儲器按內(nèi)部選擇地址 5. 下面( )組設(shè)備包括:輸入設(shè)備,輸出設(shè)備和存儲設(shè)備. A) 顯示器,CPU和ROM B) 磁盤,鼠標(biāo)和鍵盤 C) 鼠標(biāo),繪圖儀和光盤 D) 磁帶,打印機和調(diào)制解調(diào)器,C,D,B,B,C,