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計(jì)算機(jī)組成原理第一章概論,張連姣Zhanglianjiao@,教學(xué)目的,硬件系列課程之一計(jì)算機(jī)組成原理對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成和工作機(jī)制有比較透徹的理解本課程的目的深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成和工作原理系統(tǒng)構(gòu)成、總線、存儲器、I/O系統(tǒng)等深入理解處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)前的發(fā)展動向和水平有明確的概念,課程內(nèi)容,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線（總線性能、總線結(jié)構(gòu)、總線控制）存儲器（主存儲器、高速緩存、輔助存儲器）輸入輸出系統(tǒng)（外設(shè)、I/O接口、I/O控制方式）中央處理器（CPU）計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法指令系統(tǒng)CPU的結(jié)構(gòu)控制單元設(shè)計(jì),教材,Textbook：陳明王智廣，《計(jì)算機(jī)組原理》清華大學(xué)出版社，2004Reference:白中英，《計(jì)算機(jī)組成原理》，科學(xué)出版社,2001,成績考核,期末考試：70％（閉卷）作業(yè)：20％，不能抄襲課堂練習(xí)：10％,本章教學(xué)內(nèi)容,1.計(jì)算機(jī)的發(fā)展、分類、特點(diǎn)與應(yīng)用；2.計(jì)算機(jī)硬件和軟件的基本概念；3.計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織，各部分的功能及其組成框圖；4.計(jì)算機(jī)的工作過程，即執(zhí)行指令的過程；5.馮.努依曼型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想；6.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。,1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成——硬件系統(tǒng),華碩P4S533-MX主板,內(nèi)存條插槽,CPU風(fēng)扇支架,PCI擴(kuò)展槽,IDE硬盤接口,各種外設(shè)接口，包括：鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、USB、聲卡、網(wǎng)卡、并行口等,,,,,,CPU插槽,3計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件是載體，軟件是靈魂。,軟件的組成與分類分類：系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序軟件的發(fā)展演變手編程序（目的程序）→匯編程序→算法語言(高級語言）高級語言與機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換：編譯系統(tǒng)、解釋系統(tǒng),機(jī)器語言由0/1代碼表示機(jī)器能完成的各種操作（指令）例：MCS-51兩個寄存器相加的機(jī)器語言指令：00101000依賴于機(jī)器（處理器指令集），難于理解匯編語言用便于書寫和記憶的符號表示機(jī)器的各種操作ADD、SUB、MUL、DIV、JMP、CMP等例：MCS-51兩個寄存器相加匯編語言指令：ADDA，R0依賴于機(jī)器高級語言程序描述方式適合人類的習(xí)慣與平臺無關(guān)性,需要將高級語言程序轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言程序，才能在實(shí)際機(jī)器上執(zhí)行編譯執(zhí)行：利用編譯器一次性將高級語言程序翻譯成機(jī)器語言程序C、FORTRAN……解釋執(zhí)行：語句翻譯一條，執(zhí)行一條，直至結(jié)束BASIC,用戶采用程序設(shè)計(jì)語言描述問題的求解過程，計(jì)算機(jī)在程序的控制下完成問題的求解計(jì)算機(jī)只能識別用0/1代碼表示的程序用戶需要使用高級語言編程,4.VonNeumann(馮諾依曼)機(jī)的特征,計(jì)算機(jī)由五個部分構(gòu)成：運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備指令和數(shù)據(jù)“以同等地位”存放于存儲器內(nèi)，分別按地址訪問指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制碼表示指令由操作碼和地址碼構(gòu)成指令按順序存放，順序執(zhí)行機(jī)器以運(yùn)算器為中心,VonNeumann機(jī)的組織結(jié)構(gòu),,,5.指令的執(zhí)行過程,取指根據(jù)PC訪存讀取當(dāng)前要執(zhí)行的指令PC＋1譯碼識別指令字中的操作類型，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號取操作數(shù)根據(jù)指令字的地址域訪存執(zhí)行寫回,計(jì)算機(jī)的工作過程,執(zhí)行每一條指令，都包括取指、譯碼和執(zhí)行三個基本步驟，所以，計(jì)算機(jī)的工作過程，也就是不斷地取指令、譯碼和執(zhí)行的過程，直到遇到停機(jī)指令。,存儲器的組織,存儲單元按字節(jié)或字尋址程序和數(shù)據(jù)順序存放數(shù)據(jù)段代碼段讀寫操作以數(shù)據(jù)總線寬度為單位,示例——操作過程,寄存器使用規(guī)則ACC：操作數(shù)之一和結(jié)果MQ：操作數(shù)之一和結(jié)果X：操作數(shù)之一加法[M]->X;ACC+[X]->ACC減法[M]->X;ACC-[X]->ACC乘法[M]->MQ;ACC->X;0->ACC;[X]*[MQ]->ACC//MQ除法[M]->X;ACC/[X]->MQ;余數(shù)在ACC中,示例——ax2+bx+c,(ax+b)x+cx->ACCx*a->ACCax+b->ACCx*(ax+b)->ACC(ax+b)x+c->ACC,示例——程序的執(zhí)行過程,計(jì)算1+2=?,匯編語言程序?qū)?yīng)的機(jī)器指令對應(yīng)的操作MOVAL,110110000將立即數(shù)1傳送到累加寄存器AL中00000001ADDAL,200000100計(jì)算兩個數(shù)的和，結(jié)果存放到AL中00000010MOV[0008],AL10100010將AL中的數(shù)傳送到地址單元00080000100100000000HLT11110100停機(jī),6.計(jì)算機(jī)硬件的性能指標(biāo),機(jī)器字長CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)寄存器、ALU、總線、存儲器等字長越長，數(shù)的表示范圍越大，精度越高4位、8位、16位、32位、64位存儲容量存儲器可存儲的二進(jìn)制數(shù)據(jù)總數(shù)容量＝存儲單元個數(shù)存儲字長MAR＝16位，則有64K個存儲單元；MDR＝32位，則共可存儲64K32＝2Mb,運(yùn)算速度依賴于機(jī)器的主頻、操作類型、存儲器訪問時間等主頻也叫做時鐘頻率，用來表示微處理器的運(yùn)行速度，主頻的單位是MHzMIPS：每秒能執(zhí)行多少百萬條指令由于執(zhí)行不同類型的指令所需時間長度不同，所以MIPS通常是根據(jù)不同指令出現(xiàn)的頻度乘上不同的系數(shù)求得的統(tǒng)計(jì)平均值。FLOPS：每秒鐘浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù),電子計(jì)算機(jī),ENIAC，運(yùn)算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2，造價100萬美元。,7.電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展,電子管計(jì)算機(jī)（VacuumTubes）1946-1958：磁鼓存儲器，機(jī)器語言、匯編語言編程。ENIAC晶體管計(jì)算機(jī)（Transistors）1958-1964：磁芯作主存儲器,磁盤作外存儲器，開始使用高級語言編程。IBM700/7000系列，50萬次/s集成電路計(jì)算機(jī)1964-1971：使用半導(dǎo)體存儲器，出現(xiàn)多終端計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)IBM360系列，百萬次/s大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)1971-：出現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)，外部設(shè)備多樣化人工智能計(jì)算機(jī)1981-：模擬人的智能和交流方式,8.電子計(jì)算機(jī)分類,巨型機(jī)功能極其強(qiáng)大，速度達(dá)上萬億次典型產(chǎn)品有：Cray-1、Cray-2、Cray-3、國產(chǎn)銀河I、銀河II、銀河III等大型機(jī)大中型企事業(yè)作為計(jì)算機(jī)中心的主機(jī)使用，統(tǒng)一調(diào)度計(jì)算機(jī)資源，典型產(chǎn)品有：IBM360,370,3400等小型機(jī)它可以滿足部門性的要求，供小型企事業(yè)單位使用.典型產(chǎn)品有：IBM/AS-400,DEC-VAX系列等微型機(jī)個人家庭使用，PC機(jī)／個人計(jì)算機(jī)，價格低廉，目前廣泛使用單片機(jī)將計(jì)算機(jī)基本部件集成在集成在一片集成芯片上，體積小功耗低，價格便宜，廣泛用于家用電器和智能儀表中,９.微型計(jì)算機(jī)的典型應(yīng)用,信息技術(shù)：微電子是基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)是載體，軟件是核心數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)管理、信息處理通用微機(jī)要求功能強(qiáng)、使用方便過程控制、智能化儀器儀表、數(shù)據(jù)通訊專用微機(jī)：單片機(jī)（MCS－51等）、單板機(jī)（Z80）、工控機(jī)要求可靠性高、實(shí)時性強(qiáng)應(yīng)用程序相對簡單、數(shù)據(jù)處理量較小,10.計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢,微型化─便攜式、低功耗巨型化─尖端科技領(lǐng)域的信息處理，需要超大容量、高速度智能化─模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力系列化、標(biāo)準(zhǔn)化─便于各種計(jì)算機(jī)硬、軟件兼容和升級網(wǎng)絡(luò)化─網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和信息高速公路多機(jī)系統(tǒng)─大型設(shè)備、生產(chǎn)流水線集中管理(獨(dú)立控制、故障分散、資源共享),,11.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個有硬件、軟件組成的多級層次結(jié)構(gòu)。第1級：微程序級硬件級。執(zhí)行一系列微指令，解釋執(zhí)行機(jī)器指令第2級：物理機(jī)器級硬件級。執(zhí)行機(jī)器指令，完成相應(yīng)的功能第3級：操作系統(tǒng)級虛擬機(jī)。為系統(tǒng)的操作和程序設(shè)計(jì)提供平臺第4級：匯編語言級虛擬機(jī)。為程序員提供一種符號形式語言第5級：高級語言級虛擬機(jī)。提供與計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)無關(guān)的程序設(shè)計(jì)語言,,每一級上都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，且得到下面各級的支持；第1級～第3級所用語言基本為二進(jìn)制語言，機(jī)器執(zhí)行和解釋容易；第4級、第5級采用符號語言，有利于不了解硬件的人使用計(jì)算機(jī)；級數(shù)越低越靠近硬件，級數(shù)越高使用計(jì)算機(jī)越方便；從語言功能層次進(jìn)行劃分，引入虛擬機(jī)概念，有助于了解計(jì)算機(jī)和設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī),補(bǔ)充知識：兩個著名定律,ComputingpowerandminiaturizationMoore’sLaw(1965,GordonMoore):Processorspeedandstoragecapacitydoubleevery18monthsCommunicationGilder’sLaw(1996?):Bandwidthgrowsthreetimesfasterthancomputingpowerandstoragecapacity,現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用,新一代智能設(shè)備掌上電腦車載智能設(shè)備筆記本計(jì)算機(jī)手表智能卡智能手機(jī)機(jī)頂盒POS銷售機(jī)屏幕電話（除了普通話機(jī)的功能還可以瀏覽因特網(wǎng)）,任天堂可視電話游戲機(jī),Thethirdwaveincomputing,普適計(jì)算(ubiquitouscomputing),由MarkWeiser(1952-1999，Xerox)在1988年提出Anintegrationofhumanfactors,computerscience,engineering,andsocialsciencesIBM在1999年創(chuàng)造了一個名詞，即“pervasivecomputing（普及計(jì)算）”AnyContentAnyPlaceAnyDeviceAnyTime,PersonalServer,WashableComputing,小結(jié),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件和硬件組成計(jì)算機(jī)組成vs.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)VonNeumann機(jī)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由五大部件組成信息以二進(jìn)制表示指令由op和addr構(gòu)成“存儲程序控制順序執(zhí)行”,