《计算机组成原理》

人才是培养出来的《计算机组成原理》计算机学院计算机体系结构教研室嵌入式系统研究院王翠华人才是培养出来的计算机的基本构成计算机的工作原理课程重点参考教材.1.《计算机组成原理》白中英电子工业出版社.2.《计算机组成原理》俸远祯电子工业出版社王德新.3.《计算机组成》复旦大学出版社张基温.4.《计算机组成原理教程》清华出版社学习线索人才是培养出来的第1章---计算机系统概论§1.1计算机系统简介§1.2计算机的基本组成§1.3计算机硬件的主要技术指标§1.4本书结构人才是培养出来的第1章计算机系统概论--1.1计算机系统简介一、计算机的软硬件概念计算机系统硬件系统软件系统存储器输入输出外设系统软件应用软件操作系统（OS）语言处理程序（编译器）数据库管理系统（DBMS）工具软件单用户操作系统多用户操作系统网络操作系统汇编程序编译程序解释程序半编译半解释程序调试程序诊断与维护程序软件包用户程序CPU人才是培养出来的二、计算机系统的层次结构计算机系统存在着层次结构，即计算机系统具有层次性，它由多级层次结构组成。综述：从功能上看，现代计算机系统可分为五个层次级别。软件硬件用编译程序翻译成汇编语言程序高级语言机器用汇编程序翻译成机器语言程序汇编语言机器用机器语言解释操作系统操作系统机器用微指令解释机器指令机器语言机器由硬件直接执行微指令机器语言机器虚拟机器M4虚拟机器M3虚拟机器M2实际机器M1微程序机器M0第1章计算机系统概论--1.1计算机系统简介人才是培养出来的三、计算机组成和计算机体系结构1.计算机体系结构：2.计算机组成：是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的（即程序员不知道的）硬件细节。是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性，通常是指用机器语言编程的程序员（也包括汇编语言程序设计者和汇编程序设计者所看到的传统机器的属性，大都属于抽象的属性。由于计算机系统具有多级层次结构因此，站在不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性也是各不相同的。组成：属性的具体实现精髓：第1章计算机系统概论--1.1计算机系统简介精髓：体系结构：概念性的结构与功能特性，抽象的属性注：同一体系结构可以有不同的组成方式；不同层次的使用者看到的属性是不同的。人才是培养出来的冯.诺依曼，英籍匈牙利科学家，参与了世界上第一台电子数字计算机“埃尼阿克”的设计工作。一、冯.诺依曼计算机“存储程序”计算机1.计算机由五大部件组成3.指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器可按地址寻访5.存储程序使机器能自动地执行程序第1章计算机系统概论--1.2计算机硬件系统的基本组成人才是培养出来的存储器输入设备运算器控制器输出设备第1章计算机系统概论--1.2计算机硬件系统的基本组成将信息转换成机器能识别的形式存放数据和程序算术运算逻辑运算指挥程序运行将结果转换成人们熟悉的形式人才是培养出来的第1章计算机系统概论--1.2计算机硬件系统的基本组成二、现代计算机结构----以存储器为核心程序存储器输出设备输入设备运算器控制器数据结果计算人才是培养出来的第1章计算机系统概论--1.2计算机硬件系统的基本组成三.计算机的工作过程下面用动画形式演示如下指令的执行过程：1000：10MOVAL，[2000H]；A000201000：103ADDAL，02H；04021000：105HLT；F4人才是培养出来的第1章计算机系统概论--1.2计算机硬件系统的基本组成人才是培养出来的附：容量单位第1章计算机系统概论--1.3计算机硬件的主要技术指标一、计算机硬件的性能指标2.存储容量：存放二进制信息的总数量。包括主存容量辅存容量表示方法1：存储单元个数×存储字长主存容量表示方法2：字节数比如，2KB辅存容量1b：一个二进制比特位。0或者11B：一个字节，等于8个二进制比特位。大小固定不变。1K=210=1024≈1000=1031.机器字长：CPU一次能处理数据的位数（与CPU中的寄存器位数有关。）1M=1K×1K=220现在用来描述内存大小，比如256M内存。1G=230现在用来描述硬盘大小，比如80G硬盘。处理器内寄存器、运算器、内部数据总线等部件的宽度。人才是培养出来的另外，计算机性能的优劣与系统结构、硬件组成、外设配置、软件种类等有关，对于用户而言着重考虑性价格比（相对指标）第1章计算机系统概论--1.3计算机硬件的主要技术指标MIPS：每秒执行百万条指令（单位时间内执行指令的平均数）CPI：执行一条指令所需时钟周期数FLOPS：每秒浮点运算次数=ni=1fitiTM吉普森法运算精度、运算速度、存储容量3.运算速度主频：Intel(R)Celeron（R）CPU2.53GHZ即计算机的时钟频率注：人才是培养出来的第2章---计算机的发展及应用•§2.1计算机的发展史•§2.2计算机的应用•§2.3计算机的展望人才是培养出来的第2章计算机的发展及应用–2.1计算机的发展史电子管计算机晶体管计算机集成电路计算机一、计算机的产生和发展计算机系统是经过一系列历史演变过程的产物。这个历史演变过程可分为五个阶段。1．第一代电子管计算机（1946－1957）①计算机使用的逻辑元件为电子管；体积庞大、功耗高、稳定性差②软件主要使用机器语言，后期使用汇编语言。主要特点“埃尼阿克”：世界上第一台电子数字计算机，1946年美国宾夕法尼亚大学电气工程师埃克特和物理学家莫奇莱博士等人，花了20人年研制成功的。代表SSI:晶体管数10~100MSI:晶体管数100~1,000LSI:晶体管数1,000~10,0000VLSI:晶体管数100,000~人才是培养出来的第2章计算机的发展及应用–2.1计算机的发展史世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)人才是培养出来的第2章计算机的发展及应用–2.1计算机的发展史①硬件上，采用中、小规模集成电路（MSI、SSI）,用半导体存储器；②软件上，把管理程序发展成为现在的操作系统，采用了微程序控制技术3．第三代计算机（1965－1971）4．第四代计算机（1972－）①采用大规模集成电路及超大规模集成电路（LS、VLSI）；②计算机的操作系统更加完善，在语音、图像处理、多媒体技术、③网络以及人工智能等方面取得了很大发展。①所使用的逻辑元件为晶体管；普遍采用磁芯作为主存储器；②采用磁带或磁盘作为辅助存储器；③出现了Fortran、Cobol等高级语言，并出现了机器内部的管理程序2．第二代计算机（1958－1964）主要特点主要特点③高级语言更加流行，如Basic、Pascal等。主要特点人才是培养出来的CPU插座CPU调压器主板芯片组存储器插座总线插槽两块特殊的集成电路芯片ROM(BIOS)CMOS第2章计算机的发展及应用–2.1计算机的发展史主板主板、芯片组与BIOS附：人才是培养出来的PCI槽内存槽AGP槽CPU接口打印机接口USB接口附：系统主板人才是培养出来的Slot主机板Socket主机板IDE插槽RAM插槽PCI插槽ISA插槽AGP插槽软驱插槽人才是培养出来的年代代表芯片字长时钟频率平均指令执行时间集成度工艺水平1971-1973Intel400480081MHZ40微秒2000P-MOS10微米光刻4位8位1973-1977Intel8085M680002--4MHZ1--2微秒5000N-MOS6微米光刻8位1978-1980Intel8086ZilogZ80004--8MHZ0.5微秒2万-6万H-MOS3微米光刻8位1980-1984Intel8028616位10MHZ0.2微秒10万1985-1989Intel803868048616--50MHZ0.1微秒15-100万32位CHMOS工艺1.2微米光刻1989-1995Intel80586（奔腾）32位100-550万75--100MHzNMOS工艺几十纳秒1995-现在奔腾系列安腾系列几GHZ=纳秒可达115000万65--130纳米32位64位第2章计算机的发展及应用–2.1计算机的发展史2.微处理器的发展人才是培养出来的3.我国计算机的发展第2章计算机的发展及应用–2.1计算机的发展史•我国计算机的研究工作是从1956年开始的。•1958年10月，我国研究成功电子管数字计算机。•1964年，晶体管数字计算机问世。•1971年，开发出了集成电路数字计算机。•1975年，开始研制微型计算机。•1978年，研制出了每秒500万次的大型计算机。•1984年，国防科技大学成功研制出每秒1亿次的“银河”电子计算机，随后又研制出了“银河II型”机和“银河III型”机。•2000年，超级计算机最高浮点运算速度达到每秒1万亿次，我国的神威号计算机的运算速度达到3840亿次，使我国成为美国、日本之后国际上第三个拥有高速计算机的国家。人才是培养出来的HP:ASCIQ4096个CPU最大平均速度13.88TF(1012)第2章计算机的发展及应用–2.1计算机的发展史人才是培养出来的第2章计算机的发展及应用–2.2计算机的应用六、微型机的应用范围科学计算数据处理生产控制事务处理多媒体赛博空间人才是培养出来的第2章计算机的发展及应用–2.3计算机的展望一、计算机的发展方向1.巨型化1983年研制成功的银河亿次巨型计算机研制高速度、强功能的大型机和巨型机以适应军事和尖端工业的需要。巨型机的发展集中体现了计算机科学技术的发展水平，它可以推动计算机系统结构、硬件、软件的理论及技术、计算数学以及计算机应用等多个学科的发展，所以它的生产标志着一个国家的尖端科技的发展程度。人才是培养出来的第2章计算机的发展及应用–2.3计算机的展望计算机网络就是按照约定的协议将若干台独立的计算机通过通信线路相互连接起来，形成彼此能够相互通信的一组相关的或独立的计算机系统。它们有数据传输等功能，并具有共享数据、共享计算机资源以及均衡负荷等优点。计算机网络的发展，使用户可在同一时间、不同地点使用同一个计算机网络系统，从而大大提高了计算机系统的使用效率，加速了社会信息化的进程。3.网络化路由器交换机IP网络路由器人才是培养出来的第2章计算机的发展及应用–2.3计算机的展望4.智能化国家智能计算机研究发展中心智能化就是使计算机具有人工智能，具有学习能力、能自动进行逻辑判断、类似于人脑的思维；具有问题求解和推理功能以及具有知识库系统。人才是培养出来的5.多媒体化多媒体技术是把电视的视听信息传播能力与计算机交互控制能力相结合。创造出能集文、图、声、像于一体的新型信息处理模块。计算机多媒体化后，将具有全数字式、全动态、全屏幕的播放、编辑和创作多媒体信息的功能，具有控制和传输多媒体电子邮件、电视会议等多种功能，使人耳目一新。在个人计算机上配以多媒体设备就构成了多媒体个人计算机。第2章计算机的发展及应用–2.3计算机的展望人才是培养出来的第3章---系统总线•§3.1总线的基本概念•§3.2总线的分类•§3.3总线的特性与性能指标•§3.4总线结构•§3.5总线控制人才是培养出来的第3章系统总线----3.1总线的基本概念一、引入缘由CPU内存网卡显卡声卡键盘/鼠标思考：（1）这些部件如何进行连接呢？（2）如果其中的某些部件损坏了，买来新的能否兼容呢？人才是培养出来的第3章系统总线----3.1总线的基本概念1.总线：是计算机系统中各部件之间的公共的信息传递通道。是各个部件共享的传输介质。英文名字：BUS。2.基本功能：借助于总线，计算机在各系统功能部件之间实现地址信息数据信息控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。（2）并行（多根线）3.总线上信息的传送（1）串行(一根线)4.基本特性：任一时刻，只能有一个方向的信息流动，不允许有相向行为。即可以一发一收一发多收,不可以多发一收多发多收二、基本概念通过总线，计算机各部件间进行各种数据和命令的传送！人才是培养出来的第3章系统总线----3.1总线的基本概念三、总线举