chapter1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論.ppt

計(jì)算機(jī)組成原理 武漢科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,計(jì)算機(jī)組成原理 Principles of Computer Organization,課程代碼： 1301026 課程類別：必修 課程學(xué)分： 4 課程學(xué)時(shí)： 80( 其中：實(shí)驗(yàn) 18 學(xué)時(shí) ) 授課對(duì)象：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 本科生 軟件工程專業(yè)本科生 網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)本科生,教學(xué)內(nèi)容,研究討論計(jì)算機(jī)單處理機(jī)系統(tǒng)的完整硬件系統(tǒng)的基本組成原理與內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制,單處理機(jī)系統(tǒng)：非多機(jī)系統(tǒng) 基本：不一定是最高性能、最合理的組成, 而是最基礎(chǔ)的必要的組成部分 完整：計(jì)算機(jī)整機(jī)、全部的硬件功能部件,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,總 線,外存設(shè)備,主存儲(chǔ)器,高速緩存,控 制 器,運(yùn) 算 器,第3、7、9章,第7章,第4、5章,第2章,第6章,輸入輸出接 口,第8章,計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 第二章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器 第三章 內(nèi)部存儲(chǔ)器 第四章 指令系統(tǒng) 第五章 中央處理機(jī) 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) 第九章 操作系統(tǒng)支持 第十章 安騰高性能處理機(jī)體系結(jié)構(gòu),教 材 目 錄,教學(xué)過程與成績(jī)比例,除課堂教學(xué)外，實(shí)驗(yàn)室配有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱，通過實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，一方面增強(qiáng)對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。 實(shí)驗(yàn)共18學(xué)時(shí)，單獨(dú)作為一門課程，獨(dú)立給定成績(jī)；不計(jì)入理論課的總成績(jī)之中。 理論課成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)構(gòu)成。 平時(shí)成績(jī)包括期中考試、平時(shí)考勤、平時(shí)作業(yè)等，按30%的比例算入總成績(jī)之中。 期末考試成績(jī)占總成績(jī)的70%。,學(xué)習(xí)目標(biāo),計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的主干課程之一 本課程的目的和任務(wù)是：用層次結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)并以信息的加工、處理為主線研究計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理；使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中各大部件的組成原理、邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法及互連構(gòu)成整機(jī)的技術(shù)；培養(yǎng)學(xué)生對(duì)硬件系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、使用和維護(hù)方面的能力，建立牢固的整機(jī)思想,教學(xué)參考書,1. 唐朔飛. 計(jì)算機(jī)組成原理(第2版). 北京: 高等教育出版社, 2008. 2. 白中英. 計(jì)算機(jī)組成原理試題庫(kù)及實(shí)現(xiàn). 北京: 科學(xué)出版社, 1991. 3. 王愛英. 計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)(第3版). 北京: 清華大學(xué)出版社, 2001. 4. 莫正坤等. 計(jì)算機(jī)組成原理. 北京: 高等教育出版社，2005. 5. (加)Hamacher Zvonko Vranesic Safwat Zaky著, 張紅光, 張健民譯. Computer Organization(Fifth Edition). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.,本課程的地位 本課程在計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科中處于承上啟下的地位，要求先修的課程有： 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 數(shù)字邏輯,學(xué)習(xí)指南,學(xué)習(xí)指南,本課程的任務(wù) 討論單機(jī)系統(tǒng)范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)各部件和系統(tǒng)的組成以及內(nèi)部工作機(jī)制。通過學(xué)習(xí)，掌握計(jì)算機(jī)各大部件的組成原理、邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法及其互連構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)。為后繼課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。,學(xué)習(xí)指南,本課程的重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各基本部件的原理及實(shí)現(xiàn) 本課程的難點(diǎn)：各部件互連構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)，即整機(jī)概念的建立 本課程的深廣度：主要討論計(jì)算機(jī)組成中具有共性的問題，要處理好抽象概念與具體實(shí)例的關(guān)系,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,本章內(nèi)容 1.1 計(jì)算機(jī)的分類 1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史 1.3 計(jì)算機(jī)的硬件 1.4 計(jì)算機(jī)的軟件 1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),1.1 計(jì)算機(jī)的分類,按信號(hào)量分,2.數(shù)字機(jī)與模擬機(jī)的主要區(qū)別,模擬機(jī)：用連續(xù)量表示數(shù)據(jù)，計(jì)算過程也是連續(xù)的 數(shù)字機(jī)：用離散的數(shù)字量表示數(shù)據(jù)，按位不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算,1.如何分類？分類的依據(jù)及結(jié)果,，按用途分,，按規(guī)模分,超級(jí)計(jì)算機(jī),單片機(jī),大型機(jī),服務(wù)器,工作站,微型機(jī),體積 功耗 性能 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量 指令系統(tǒng) 價(jià)格,低,高,簡(jiǎn)易性,高,低,1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史,1.2.1 計(jì)算機(jī)的五代變化,摩爾定律,1.2.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展 5060年代，由微小的鐵磁體環(huán)(磁芯)構(gòu)成 1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)了第1片半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 1974年，每位半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的價(jià)格低于磁芯存儲(chǔ)器 此后半導(dǎo)體存儲(chǔ)器經(jīng)歷了11代：?jiǎn)蝹€(gè)芯片容量 1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB和現(xiàn)在的1GB 其中：1B=8bit；1K=210；1M=220；1G=230,1.2.3 微處理器的發(fā)展 20世紀(jì)70年代： 4004 8008 8080 8086 8088 20世紀(jì)80年代： 80286 386TMDX 386TMSX 486TMDX 20世紀(jì)90年代： 486TMSX Pentium Pentium Pro Pentium II 最近的處理器： Pentium III Pentium 4 Itanium Itanium 2,吞吐量：計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能處理的信息量 響應(yīng)時(shí)間：從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間 利用率：給定時(shí)間間隔內(nèi)系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占比率 處理機(jī)字長(zhǎng)：處理機(jī)運(yùn)算器一次能完成二進(jìn)制運(yùn)算的位數(shù) 總線寬度：運(yùn)算器與存儲(chǔ)器間互連的內(nèi)部總線二進(jìn)制位數(shù) 存儲(chǔ)器容量：存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)目 存儲(chǔ)器帶寬：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從存儲(chǔ)器讀出的二進(jìn)制數(shù)信息量 主頻/時(shí)鐘周期：主時(shí)鐘的頻率為CPU的主頻；主頻的倒數(shù)為CPU時(shí)鐘周期,1.2.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo),CPU執(zhí)行時(shí)間：CPU執(zhí)行一段程序所占CPU時(shí)間 CPU執(zhí)行時(shí)間=CPU時(shí)鐘周期數(shù)CPU時(shí)鐘周期 CPI：每條指令周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需平均時(shí)鐘周期數(shù) CPI=執(zhí)行某段程序所需時(shí)鐘周期數(shù)程序包含指令條數(shù) MIPS：每秒百萬(wàn)指令數(shù)單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù) MIPS=指令數(shù)(程序執(zhí)行時(shí)間106) MFLOPS：每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作次數(shù) MFLOPS=程序中浮點(diǎn)操作次數(shù)(程序執(zhí)行時(shí)間106),1.2.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)(續(xù)),1.3 計(jì)算機(jī)的硬件,1.3.1 硬件組成的要素-用算盤計(jì)算y=ax+b-c的步驟,算盤計(jì)算中用到了： 1)算盤:對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算 2)紙:存儲(chǔ)解題的原始信息包括解題步驟和原始數(shù)據(jù) 3)筆:把原始數(shù)據(jù)和解題步驟記錄到紙上，并把運(yùn)算結(jié)果寫出 4) 人本身(主要是腦和手):控制解題過程 計(jì)算機(jī)與算盤類似的相應(yīng)部件 1) 運(yùn)算器:相當(dāng)于算盤功能的部件 2) 存儲(chǔ)器:相當(dāng)于紙那樣具有“記憶”功能的部件 3) 輸入設(shè)備輸出設(shè)備:相當(dāng)于筆，把原始解題信息送到計(jì)算機(jī)或把運(yùn)算結(jié)果顯示出來的設(shè)備 4) 控制器:相當(dāng)于人的大腦,能夠自動(dòng)控制整個(gè)計(jì)算過程,運(yùn)算器,控制器,主存儲(chǔ)器,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,輔助存儲(chǔ)器,CPU,控制,數(shù)據(jù),地址或指令,主機(jī),外設(shè),存儲(chǔ)器,1.3.2 運(yùn)算器 功能：進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算；由電子線路構(gòu)成的算盤 數(shù)制：二進(jìn)制,采用二進(jìn)制的原因有三點(diǎn):,字長(zhǎng)(即位數(shù)):通常有8、16、32、64位,運(yùn)算規(guī)律簡(jiǎn)單 比較容易實(shí)現(xiàn) 節(jié)省元件狀態(tài)數(shù),1.3.3 存儲(chǔ)器 有內(nèi)存(半導(dǎo)體存儲(chǔ)器)與外存(磁盤、光盤等)之分 功能：保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟 存儲(chǔ)介質(zhì)：內(nèi)存為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，由觸發(fā)器構(gòu)成，一個(gè)觸發(fā)器存放1bit 存儲(chǔ)單元:保存一個(gè)數(shù)據(jù)的多個(gè)觸發(fā)器,稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元 8個(gè)bit構(gòu)成一個(gè)字節(jié)(Byte) (1n)個(gè)字節(jié)構(gòu)成一個(gè)字(Word)，n取決于計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng) 存儲(chǔ)單元的標(biāo)識(shí)：?jiǎn)卧刂?，每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào) 存儲(chǔ)容量:存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)。常用單位有KB，MB，GB，TB等 存儲(chǔ)內(nèi)容：程序、數(shù)據(jù)，均用二進(jìn)制代碼表示,1.3.4 控制器 - 發(fā)號(hào)施令的部件，控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件有條不紊地進(jìn)行工作 具體任務(wù)：從內(nèi)存中取出解題步驟加以分析，然后執(zhí)行某種操作 (1) 程序?yàn)榻鉀Q某一實(shí)際問題而設(shè)計(jì)的指令序列 每一個(gè)基本操作叫做一條指令，如加、減、乘、除等；解算某一問題的一串指令序列，叫做該問題的計(jì)算程序，簡(jiǎn)稱為程序,指令的構(gòu)成：操作的性質(zhì)和操作的地址即操作碼和地址碼 操作碼:指出指令所進(jìn)行的操作 地址碼:表示運(yùn)算數(shù)據(jù)的來源及運(yùn)算結(jié)果的去向,(2) 指令的形式,存儲(chǔ)程序與程序控制 存儲(chǔ)程序：把構(gòu)成程序的指令序列以代碼的形式事先輸入到計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器中，即用記憶數(shù)據(jù)的同 一裝置存儲(chǔ)執(zhí)行運(yùn)算的命令 程序控制：當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后，程序就會(huì)控制計(jì)算機(jī)按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動(dòng)完成預(yù)定的信息處理任務(wù),馮.諾依曼型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想：存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行,(3) 控制器的基本任務(wù) 逐條從內(nèi)存中取出指令取指周期 然后執(zhí)行指令執(zhí)行周期 中央處理器CPU、中央處理機(jī) (4) 指令流和數(shù)據(jù)流 數(shù)據(jù)字：要處理的一個(gè)數(shù)據(jù) 指令字：要執(zhí)行的一條指令 計(jì)算機(jī)對(duì)內(nèi)存中指令和數(shù)據(jù)信息的區(qū)分 取指周期中從內(nèi)存讀出的信息是指令流, 流向控制器；執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出(或向內(nèi)存寫入)的信息流是數(shù)據(jù)流,由內(nèi)存流向運(yùn)算器(或從運(yùn)算器流入內(nèi)存) 指令流是單向的，數(shù)據(jù)流是雙向的,1.3.5 適配器與輸入輸出設(shè)備 輸入設(shè)備：把人們熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式 輸出設(shè)備：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器所能接收和識(shí)別的信息形式 計(jì)算機(jī)的輸入/輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備 (3)適配器 輸入輸出設(shè)備通過適配器部件與主機(jī)相連接 適配器保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)所要求的形式發(fā)送或接收信息,系統(tǒng)總線多個(gè)系統(tǒng)部件間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路 傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息,1.4 計(jì)算機(jī)的軟件,1.4.1軟件的組成和分類,計(jì)算機(jī)軟件一般分為兩大類：,系統(tǒng)程序 應(yīng)用程序,系統(tǒng)程序用來簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)和使用方法,提高計(jì)算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途 包括四類各種服務(wù)性程序、語(yǔ)言處理程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 應(yīng)用程序是用戶利用計(jì)算機(jī)解決某些問題所編制的程序,1. 目的程序 直接用機(jī)器語(yǔ)言編寫程序手編程序 機(jī)器語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)唯一可直接識(shí)別和執(zhí)行的語(yǔ)言 優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)可“識(shí)別”并能執(zhí)行 缺點(diǎn)：編程繁瑣；耗費(fèi)人力和時(shí)間多；易出錯(cuò)；出錯(cuò)后難查找 2. 匯編程序 機(jī)器指令符號(hào)化 匯編語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言源程序、匯編程序 缺點(diǎn)：和數(shù)學(xué)語(yǔ)言差異很大；依賴具體的機(jī)器 3. 算法語(yǔ)言 接近自然語(yǔ)言和數(shù)學(xué)公式的語(yǔ)言；與具體機(jī)器無關(guān) 編譯系統(tǒng)(編譯程序和運(yùn)行系統(tǒng))或解釋程序,1.4.2軟件的發(fā)展演變(以系統(tǒng)程序?yàn)槔?,4. 操作系統(tǒng)(OS) 作用：管理計(jì)算機(jī)資源，為用戶提供使用計(jì)算機(jī)的操作接口 分類：批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等多種 5. 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS) 數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件構(gòu)成 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)有組織地、動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)大量相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計(jì)算機(jī)軟、硬件資源組成的系統(tǒng),1.5.1 多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1. 微程序設(shè)計(jì)級(jí)或邏輯電路級(jí) 實(shí)在的硬件級(jí)，由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微命令 2. 一般機(jī)器級(jí)(機(jī)器語(yǔ)言級(jí)) 由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)，也是硬件級(jí) 3. 操作系統(tǒng)級(jí)(混合級(jí)) 由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)器指令和廣義指令 廣義指令操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令 4. 匯編語(yǔ)言級(jí) 由匯編程序支持和執(zhí)行 5. 高級(jí)語(yǔ)言級(jí) 由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序支持和執(zhí)行,1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),1.5.2 軟件與硬件的邏輯等效性 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件界限模糊 影響硬件方案和軟件方案選擇的因素器件價(jià)格、速度、可靠性、存儲(chǔ)容量、變更周期等 硬件始終放在最低級(jí) 目前一些計(jì)算機(jī)把一般機(jī)器級(jí)實(shí)現(xiàn)的操作，改為直接由硬件完成,硬件軟化：原來由硬件實(shí)現(xiàn)的操作改由軟件實(shí)現(xiàn)可增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和適應(yīng)性 軟件硬化：原來由軟件實(shí)現(xiàn)的操作改由硬件實(shí)現(xiàn)可顯著降低時(shí)間上的開銷 固件是指存儲(chǔ)在能永久保存信息的器件(如ROM)中的程序，是具有軟件