計算機原理第一章講稿

1、西安工業(yè)大學(xué)西安工業(yè)大學(xué) 計算機學(xué)院計算機學(xué)院 魏玉梅魏玉梅計算機組成原理一、課程安排 授課:72學(xué)時 實驗及課程設(shè)計:1周二、課程內(nèi)容 側(cè)重從硬件組成上闡述一臺計算機的基本工作原理。三、課程特點 內(nèi)容多、涉及面廣、易懂難學(xué)。四、課程目的 通過課程學(xué)習(xí)，使同學(xué)們建立起計算機的整機概念，對計算機硬件各組成部分的工作過程及工作原理有較深入的了解，進(jìn)而掌握計算機各硬件組成部分的基本設(shè)計思路及方法。五、課程學(xué)習(xí)方法 掌握三個“基本”，即基本概念、基本原理及基本設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，融會貫通、靈活應(yīng)用。六、課程地位 是計算機專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，起著承上啟下的作用。 前導(dǎo)課：數(shù)字電路與數(shù)字邏輯、匯編語

2、言程序設(shè)計等。 后繼課：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微機接口、計算機網(wǎng)絡(luò)等。七、教材及參考書 教材：白中英，計算機組成原理，科學(xué)出版社。 參考書：各種有關(guān)計算機組成及原理的中外書籍。 第一章 計算機系統(tǒng)概論 本章內(nèi)容: 1.1 計算機的分類 1.2 計算機發(fā)展簡史 1.3 計算機的硬件 1.4 計算機的軟件 1.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第一章 計算機系統(tǒng)概論1.1 計算機的分類 從總體上，可分為兩類： .電子數(shù)字計算機:數(shù)據(jù)用離散量表示 .電子模擬計算機:數(shù)據(jù)用連續(xù)量表示 電子數(shù)字計算機又可分為： .通用機:適應(yīng)各種用途的計算機。 .專用機:針對某一用途的計算機。通用機又可分為： 超級計算機、大型機、服務(wù)器、工

3、作站、微型機及單片機。 其劃分可依據(jù)性能、價格、體積來進(jìn)行。1.2 計算機的發(fā)展簡史 1946年第一臺計算機ENIAC誕生,它是線路連接編程的計算機。 比ENIAC稍后誕生的EDVAC計算機，首次采用了存儲程序的方法，其后的計算機均采用了這種方法，稱為馮諾依曼 計算機。 馮諾依曼計算機的主要特點： 1.計算機由運算器、控制器、存儲器、 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。 2.采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和程序。 3.存儲程序在存儲器中并按順序執(zhí)行， 由指令計數(shù)器（程序計數(shù)器PC）指出 要執(zhí)行的指令地址。 1.2.1 1.2.1 計算機的五代變化計算機的五代變化 第一代為19461957年，電子管計算機.數(shù)據(jù)處理機

4、開始得到應(yīng)用. 第二代為19581964年，晶體管計算機.工業(yè)控制機開始得到應(yīng)用. 第三代為19651971年，中小規(guī)模集成電路計算機.小型計算機開始出現(xiàn). 第四代為19721990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機.微型計算機開始出現(xiàn). 第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計算機.單片計算機開始出現(xiàn)。1946年至今從器件角度講，計算機的發(fā)展經(jīng)歷了5代： 1.2.2 半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展 20世紀(jì)5060年代，所有計算機存儲器都采用磁芯存儲器 1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半導(dǎo)體存儲器 從1970年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片1KB、4KB、16KB、64KB、2

5、56KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。 其中1K=210,1M=220,1G=2301.2.3 微處理器的發(fā)展 1971年Intel公司開發(fā)出第一個微處理器Intel 4004。 1972年出現(xiàn)第一個8位微處理器Intel 8008。 1974年出現(xiàn)了Intel 8080。這是第一個通用微處理器. 20世紀(jì)70年代末才出現(xiàn)強大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。 Intel于1985年推出了32位微處理器Intel 80386。 現(xiàn)在已推出64位處理器和多核處理器。 1.2.4 計算機體系結(jié)構(gòu)的變化 1.變化 在馮諾依曼計算機的結(jié)構(gòu)上提高性能. 2.發(fā)展趨勢

6、網(wǎng)絡(luò)化 智能化 模塊化 微型化 1.2.5 1.2.5 計算機系統(tǒng)的性能指標(biāo)計算機系統(tǒng)的性能指標(biāo) 吞吐量表征一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）。 響應(yīng)時間表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時間度量，用時間單位來度量，例如微秒（10-6S）、納秒（10-9S）。利用率表示在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，一般用百分比表示。處理機字長指處理機運算器中一次能夠完成二進(jìn)制數(shù)運算的位數(shù)。當(dāng)前處理機的字長有8位、16位、32位、64位。字長越長，表示計算的精度越高?？偩€寬度一般指CPU中運算器與存儲器之間進(jìn)行互連的內(nèi)部總線的二進(jìn)制位數(shù)。 存儲器容量存儲器

7、中所有存儲單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1個字節(jié)）。存儲器容量越大，記憶的二進(jìn)制數(shù)越多。 存儲器帶寬存儲器的速度指標(biāo)，單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進(jìn)制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。 主頻/時鐘周期CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機為60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。主頻的倒數(shù)稱為CPU時鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。 CPU執(zhí)行時間表示C

8、PU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間，可用下式計算： CPU執(zhí)行時間=CPU時鐘周期數(shù)CPU時鐘周期長 =(ICCPI）/時鐘頻率 其中：IC為程序中的指令條數(shù)，CPI為每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。 CPI 表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)?？捎孟率接嬎悖篊PI= 執(zhí)行某段程序所需的CPU時鐘周期數(shù)該程序包含的指令條數(shù) = ）n1iICIi(CPIi MIPS表示每秒百萬條指令數(shù)，可用下式計算： MIPS = MFLOPS表示每秒百萬次浮點操作次數(shù)，可用下式計算： MFLOPS MIPS是單位時間內(nèi)的執(zhí)行指令數(shù)，所以MIPS值越高說明機器速度越快。MFLOPS是基于操作而

9、非指令的，只能用來衡量機器浮點操作的性能，而不能體現(xiàn)機器的整體性能。 TFLOPS表示每秒萬億次浮點操作次數(shù)，該技術(shù)指標(biāo)一般在超級計算機中使用。610程序執(zhí)行時間指令條數(shù)610程序執(zhí)行時間程序中浮點操作次數(shù)610CPI時鐘頻率1.3 計算機的硬件1.3.1.計算機的硬件組成存存儲儲器器控控制制器器運運算算器器適適配配器器輸輸出出設(shè)設(shè)備備輸輸入入設(shè)設(shè)備備系系統(tǒng)統(tǒng)總總線線C CP PU U主主機機.存儲器:存放程序和數(shù)據(jù)。.運算器:進(jìn)行算術(shù)與邏輯運算。.控制器:計算機的指揮中心,指揮各部件協(xié) 同工作,以實現(xiàn)程序的自動執(zhí)行。.適配器與輸入/輸出設(shè)備 適配器是一個轉(zhuǎn)換器(接口),它保證輸入/輸出設(shè)備用

10、主機所要求信息形式和速度收發(fā)信息。 輸入設(shè)備把外界的信息形式轉(zhuǎn)換為主機能識別的信息形式并送入主機。 輸出設(shè)備把主機的信息形式轉(zhuǎn)換為外界可接受的信息形式并送到外界。.系統(tǒng)總線:是計算機各硬件組成部分的公共數(shù)據(jù) 通路。 1.4 計算機的軟件 硬件:構(gòu)成計算機的有形實體。 軟件：程序、數(shù)據(jù)及文檔。 軟件可分為兩大類： 1.系統(tǒng)軟件 幫助用戶使用計算機的。如：診斷程序等服務(wù)性程序；匯編程序、編譯程序等語言處理性程序；操作系統(tǒng)（OS）；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）等。 2.應(yīng)用軟件 為解決某一實際問題而編寫的程序。1.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 1.5.1 多級組成的計算機系統(tǒng) 計算機是十分復(fù)雜的軟、硬件組

11、合而成的系統(tǒng)，要完整地描述計算機系統(tǒng)可采用計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，該層次結(jié)構(gòu)目前有5級。高級語言級匯編語言級操作系統(tǒng)級一般機器級微程序設(shè)計級硬件執(zhí)行微程序操作系統(tǒng)匯編程序編譯程序 在層次結(jié)構(gòu)中，上層是在下層的基礎(chǔ)上實在層次結(jié)構(gòu)中，上層是在下層的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，使用這一層提供的功能時，不必關(guān)心現(xiàn)的，使用這一層提供的功能時，不必關(guān)心下一層的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。下一層的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。 下層是實現(xiàn)上層的基礎(chǔ)，在實現(xiàn)這一層的下層是實現(xiàn)上層的基礎(chǔ)，在實現(xiàn)這一層的功能時，可能尚無法了解其上一層的目標(biāo)和功能時，可能尚無法了解其上一層的目標(biāo)和將要解決的問題，也不必理解其更下一層實將要解決的問題，也不必理解其更下一層實現(xiàn)中的有關(guān)細(xì)節(jié)問題，只要使用下一層所提現(xiàn)中的有關(guān)細(xì)節(jié)問題，只要使用下一層所提供的功能來完成本層次的功能處理即可。供的功能來完成本層次的功能處理即可。 采用這種層次結(jié)構(gòu)，可以完整地描述計算采用這種層次結(jié)構(gòu)，可以完整地描述計算機系統(tǒng)，有利于計算機系統(tǒng)的設(shè)計。機系統(tǒng)，有利于計算機系統(tǒng)的設(shè)計。 采用層次結(jié)構(gòu)可以簡化處理問題的難度，采用層次結(jié)構(gòu)可以簡化處理問題的難度，在某一段時間，在處理某