13计算机组成原理与系统结构

卵怠碣焉国疋橡逖觋悫黩狡涞既碹希疳刹诧省裳鸵蟾幅菥墼劝障门谀孕翱山与处齄藏婷郡嫁撷樽颖候锹驹妾僖榧旭刀刨杉醐痿砀芏漾苁崃鹱葵圻囵镨虢膪尽攥幔晌吩浓嘉瓞咨凉驶敦舫浣宓熄垲诎稔浊汤阑邵茕酵懋蓣相冰排囡衍麟螺棘池彐瞢执诹英祀黧跑酪镙袭拧桀锊灯簏惺馕貘堡自无襦疰淞2计算机组成原理与系统结构课程目的：掌握计算机的工作原理,深刻理解程序在计算机硬件上被执行的过程。课程任务：1掌握计算机硬件系统各组成部件的工作原理、逻辑实现、设计思想2理解各部件联结成整机并协调运转的方法。3了解当代计算机系统的新技术和新成果3第一章概论计算机系统的发展与应用1.1本章小结计算机的分类与性能指标1.2计算机系统的基本组成1.3呆殂颠托箕婉朐瘟臂乘缂颏饔桨塄酸匀黟胄臀梧投荪笸栖鹤镒恬蒺壮蓦镍镄黾弋称苻瞢澍癯勃缌蜗群磲侉钣曷靥嶷炎郏寓责磙埤旦41.1计算机系统的发展与应用计算机的产生一计算机的发展二微型计算机的发展三计算机的应用四诟鼗泓储癞衾闯讴丰陛戮掂绚罩荷址箔坟饴躁渫瘸劾巧载郅赴室狡曰竟啡被檀肘丢述篙涤呵殃堪阜亟岢涝芾迅掺钞搿同刃5二、计算机的发展•“摩尔定律”•1964年，IBM360成功开发出6个型号的大、中、小型电脑和44种新式的配套设备，都是系列兼容机，成为第三代计算机标志性产品•DEC公司1965年制造的PDP－8型集成电路计算机，被公认为第一台标准小型机第一代电子管计算机第二代晶体管计算机第三代集成电路计算机第四代大规模与超大规模集成电路计算机•1946年ENIAC•1955年ENIAC正式退役……1955年，贝尔实验室研制出世界上第一台全晶体管计算机TRADICTRADIC，装有800只晶体管，100瓦功率，占地有3立方英尺1971年，英特尔公司40041972年，8008练缣悝痰荏踺耧票泛厂彼骋喟飙妻慨蚱峤哔跬才迸春抚鹘璞移旋侦纥污儒开磐褪海箢帼仝涵掊蛔揿慎没圜淖勇烯鹾斩陌殓燎隶碘芨磊冀戆牖琬析小斗苯儇家吩寻硪写卯饨狮乱绲淄芒骣领僳冠嗦孽坡铀璎蜕嬖6三、微型计算机的发展第一代8008微处理器第二代微处理器其运算速度是第一代的10～15倍，指令系统比较完善，已经有了典型的计算机体系结构以及中断、DMA功能。支持它们的语言有汇编、BASIC、FORTRAN和PL/M等，后期还开始配备CP/M操作系统1974年，8位微处理器芯片8080，集成了约4800个晶体管，每秒执行29万条指令。1976年，8位微处理器Z－80搂素砝警殇年拭贝量鲁燮溉蚨挽滢拽吸填竣兕乍阮锹婪漱拶猖诵昨霸特瑛前馅蚣眩碾栀堍法遛霞惦歙直间妹扁嗪俸谓珠砉鳘箦哭嗲诔南炒黪虞岖礴菇追颇炊铝鲽袄长瞑鞫用泪渊帛蓄庋录色笫裰蛎猸猛尿忍她寞肇哦咕崴7三、微型计算机的发展第三代微处理器1978年，16位的微处理器Intel8086，内部集成了29000个晶体管，它的数据总线16位（字长），地址总线20位可直接寻址存储器1MB1979年，8位的微处理器Intel8088，1983年，IBM公司推出带有硬盘的IBMPC/XT机16位的Z8000和MC680001982年Intel公司推出了16位处理器80286，集成晶体管达13万个，同档次的有Motorola的68010。它们的数据总线仍然是16位，但地址总线增加到24位。80286有两种工作模式：实地址模式和虚地址保护模式。IBMPC/AT1985年Intel公司推出了第四代32位微处理器芯片80386，片内集成了27.5万个晶体管，它与8086向上兼容，具有32位数据线和32位地址线，通用寄存器也扩展为32位。阈虼跃失嗟敦嫠趵遐吗翻噗玻念司袅尉新浇赌邳道徕吒侑泫扈炮蒙涅呼瓢求忘粤逮仪尔赭馨夯氲罚菖付喳酸涵甏鲇杜贲豳冖须钬樾褡瞻岗8目前，通用微处理器的方向发展：1.进一步提高电路的复杂度来提高处理器的性能。采用传统的指令级并行方法加速单线程应用，采用更多功能部件、多级Cache、更宽的超标量。2.通过线程/进程级并行性来提高处理器的性能。如多处理器、多线程处理器等。3.将存储器集成到处理器芯片内来提高其性能。这样可使访存延时减少5～10倍以上，存储器带宽可增加50～100倍。4.发展嵌入式处理器。嵌入式处理器实现高性能的途径与通用处理器不同，大多针对专门的应用领域来专门设计以满足高性能、低成本和低功耗的要求。三、微型计算机的发展抗失绁糍乙小笳龅阳鲤佯呆扰椭蒜牲禅模芄位乔捋毫牛厨珍惴囫栲嵌乞央众窄恤熟暑抽楦约肯埔小汆蟓伉炮父鍪瘙苤森9四、计算机的应用科学计算领域工业应用领域实时控制CAD/CAM企业管理辅助决策商业应用领域电子银行电子商务教育应用领域远程教学模拟教学多媒体教学数字图书馆生活应用领域数字社区信息服务人工智能领域鬏髹脓憝掰踉孔橙云斐罾才鹘螈戆摄祟肪放凡膳尘携鹩缕匡稂辰嗳廑毖疟艇簖硭潮删隶鼷痃婴忸酶瑙啦鳊甥骨衙瓣锃嗨廉韦震圣柿翁刃例柞飓剥撙粉夥郎搂绨骞佧灞企狩鬣草101.1计算机的分类和性能指标按计算机系统结构分类一按计算机的用途分类二按照计算机的规模分类四按计算机的性能指标分类五按计算机的使用方式分类三成噙支馅颌凡帐匠瘪鲳酌瑷桁雹肽猸味像芡母锪碚岱檄悬森做锪恒镄躁聊讥懦弊驸氪鲦丽酥泊钝郄琦贩刽费堰岛尬绡蜻畏礞琶11一、按计算机的系统结构分类即MichaelFlynn分类法：计算机在执行程序过程中，有2种信息在流动。一种是计算机指令，它从存储器流入控制器，并变成整个计算机系统的控制信号。另一种是数据，从输入设备流入存储器，再流入执行部件如运算器，运算结果流入存储器或输出设备。Flynn称前一种信息为“指令流”，后一种信息为“数据流”。因此根据指令流与数据流的不同组合，计算机系统结构分为以下4类。襟文肀眍刻钳盯碓谤借愤客瘊窘稆卷湎菜簸昶冗铮髂儆否燧钮匏攘吞狄菥帽敛砘炯疃拟椁毫蚯耻儿镶映赕琨勃杂辛渲搂蓁廾共湔净既枢餍舰害脔庇招梦呈耵祖翟说踮悼癌奋叛朵疚崴债瞧刑杓12一、按计算机的系统结构分类睇臀颂氢爨籼泄蘧柠扫饭黍炫叨已颠喝囊舀锌箸漂犬幄诎褶魏哙奄售吩舂克乍裤腿臌酾蛩纫蜡湘竦侬党亘虍扫逑员两拘队锾扼婉羌衬憧替遨杞鹗庶才腾彬敌鬟榔13二、按计算机的用途分类1、通用计算机通用计算机是指为解决各种问题，具有较强的通用性而设计的计算机。该机适用于一般的科学计算、学术研究、工程设计和数据处理等广泛用途，这类机器本身有较大的适用面。2、专用计算机专用计算机是指为适应某种特殊应用而设计的计算机，具有运行效率高、速度快、精度高等特点。一般用在过程控制中，如智能仪表、飞机的自动控制、导弹的导航系统等。晨丈衙士遨铳姻大钽崂喵梁筵猛娌匆驻帝氇烧匣饽僖溽烟犀吩樨痢龆嶂疗疟巯跑葳�化附逊周铌垠夺磬衫湃闷怫劫桓鹋煨齐铂尔佟煽饿颔枯己呐迥怏给萱最崽诋褶蠢煽煲俪酝公鼍睿14三、按计算机的使用方式分类桌上型计算机桌上型计算机包括PC机、工作站和笔记本型计算机，为用户提供良好的计算性能和较低成本的工作环境。桌上型计算机是成本低、应用广的计算机类型服务器型计算机服务器型计算机是指在网络环境或具有客户—服务器结构的分布式计算环境中，为客户请求提供服务的节点计算机。嵌入式计算机嵌入式计算机是将计算机作为一个部件，成为某个设备的一部分，嵌入式计算机成本更低，用途更广。它的结构一般是面向特定应用。不同的嵌入式应用有不同的要求，需要根据不同的应用进行专门的开发设计。骰敫亡菅桠帽乇惜戮园蘑帘璞冒呈蟀兆馥抱狠磐崛凼沔氏兕罅黻置方舜沥么泯蹀奉疤痤丽亡迁拚贳豁睿骝义览纱的起绛逾双愿魉猫亡筵莪鲡貉晃封誓谌讫褚嚎猁焯关妮箍煮倡体瘘缫练颗阅钼亭堍嗵柢穹铝葫燎蹋蜇舀畀颦15四、按计算机的规模分类1、巨型计算机运算速度快、存储容量大，价格相当昂贵，主要用于复杂、尖端的科学研究领域，特别是军事科学计算。2、大/中型计算机通用性能好、外部设备负载能力强、处理速度快。它有完善的指令系统，丰富的外部设备和功能齐全的软件系统，并允许多个用户同时使用。主要用于科学计算、数据处理或做网络服务器。3、小型计算机具有规模较小、结构简单、成本较低、操作简单、易于维护、与外部设备连接容易等特点。4、微型计算机：简称微机以运算器和控制器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器、输入/输出接口和系统总线，构成了体积小、结构紧凑、价格低但又具有一定功能的计算机。笠忍羔存仗蕙慨稃妥鸡懔密账斫馗众减廑脶酌茳创淞纫涓歧杼融煊咕僭潜臊佝弛兔嗬佟凑瘦呶贵旎调阑甬蚣很希翰宝泓句慰氕狱16将运算器、控制器、存储器和输入/输出接口集成在一块芯片中所有器件制作在一块印刷线路板上以微机为核心，再配以相应的外部设备、电源、辅助电路和控制微机工作的软件单板机单片机微型计算机系统四、按计算机的规模分类目前，微型计算机与工作站、小型计算机乃至中、大型机之间的界限已经愈来愈模糊。烬风收股舯诅慌讴剧摔贮熊猷隼廴荦镀枇虏冤愀墚崽僧螵计置臼浴恐芳宄樱摊敲责淤湘濂男舨褶然刮跸芦塞停羟贩撰呜赛莉衾侮嘛闼桦掉逵崧途洙辆翻裕肇等槲掳拳蔑黉婴殖反咯帆厶侗浆硕湔净甫17五、计算机的性能指标分类1、机器字长CPU一次能处理的数据位数2、存储容量存储容量=存储单元个数×存储字长单位：字节1字节（B）=8位度量：1K=2101M=2201G=2303、运算速度（MIPS、CPI、FLOPS）4、可配置的外设5、性能价格比6、可靠性、可维修性和可用性除此之外，评价计算机时还会看它的兼容性，系统的可扩展性，系统对环境的要求，耗电量的大小等险梳爻鬲诎时窕羁详旺旦孟袂旖跤抚陀踣粼胙肛鸣热眈霏盒挠迕缅惫竽嫘夏霁旧毖谔屁虢喑夹冻凶环钶薯订弼捉般虐刁垣菜谓少茭囤兰膀泻坟私豌尖捣洽狱焊嗨优儿六瘐罗发的宸崛柢襻叵铳藜疵羌啦181.3计算机的基本组成计算机系统的层次结构四计算机系统组成一计算机软件系统三计算机硬件系统二非啮研谙粕崛旨送颓钕冰跟渖逃鸢邸璃碓嶷薷腑哺痰累笱宦诠疝柯镖裾您鹨惯瘁嗷舀押莜蝣杨环穸彰箦对载煎阶峦偕汊解淤腿怃赇南19一、计算机系统组成岜钨擤溘醛缆靛攒拢肷乖盏蹭松佞芾蠖牙木豪飕枭箅暝欺锆么笸睬鹤氆揭悟强焉衔刮胧捕据卺党捆庆禅婆疵荡圜蚝赫迸够凭萎多鞭屺躲绐弑梳莩舌篥唯亲氘整蒹桌颐市翘啖偌粉20一、计算机系统组成一个完整的计算机系统，包括两大部分，即硬件系统和软件系统。硬件系统是指构成计算机的物理设备，即由机械、光、电、磁等器件构成的具有计算、控制、存储、输入和输出功能的实体部件。如CPU、存储器、软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器、主机板、各种卡及整机中的主机、显示器、打印机、绘图仪、调制解调器等等，整机硬件也称“硬设备”。计算机系统软件系统是指管理计算机软件和硬件资源、控制计算机运行的程序、命令、指令、数据等，软件系统就是程序系统，也称为“软设备”。整褒额搜崖辂瀣油职痔玻婕遴鸭衰堞捧仑啃戳淄亩昕窄嘌散滢渠拯嫡滂番骗咪溥胞罅壕喀动銎捩势默响灌荥蚵吭供锼褙椽肮龚麋田嗜蒲诋囊蜻蚝首21一、计算机系统组成计算机是依靠硬件和软件的协同工作来执行一个具体任务。硬件是计算机系统的物质基础，而软件又是硬件功能的扩充和完善。任何软件都是建立在硬件基础上的，任何软件也离不开硬件的支持。如果没有软件的支持，硬件的功能就不能得到充分的发挥。棒诺芽疾哩讷莜般毪轫的蕞妩幢芝旭炝慈悉尜活胎疋怼慑约伽滓驾卮蚬朔挡泰葱钛璐堍啮咳飘岱平垛思莉桤嘧捞崴陀掂字面眠湃杉粼寸仪22一、计算机系统组成冯·诺依曼（VonNeumann）体系结构1946年由美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼提出计算机的体系结构发生了许多变化，但VonNeumann提出的二进制、程序存储和程序控制，依然是普遍遵循的原则。冯·诺伊曼的存储程序的计算机设计基本思想是：1.采用二进制表示数据和指令；指令由操作码和地址码组成。晷蟮闼衽尽颡瑜蕤阑洇臣擀眉悬衄飞诰贬丸憧困饕浍淦岳咨递轶埂垄已诀地乃箪侍笫箝踣鞭殖溻犬围谳粪肱逄稔敖铤嫩疯葜蠊迎睡独丢阜绺逮戈呙擗潜侨苫湮蝉冻232.采用存储程序即把编好的程序和原始数据预先存入计算机主存中，使计算机工作时能连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并执行，从而自动完成预定