计算机组成原理-课件.ppt
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1、计算机组成原理computer organization principle顾 浩 赵宝华第1章 计算机系统概论 本章要点本章要点 本章主要介绍计算机系统基本部件本章主要介绍计算机系统基本部件的功能与结构,同时介绍了计算机的的功能与结构,同时介绍了计算机的层次结构,通过本章的学习,读者对层次结构,通过本章的学习,读者对计算机系统应有一个整体的概念。计算机系统应有一个整体的概念。第1章 计算机系统概论 11 计算机系统简介 12 图灵机(了解)13 计算机的基本组成 14 计算机的主要性能指标 小结 习题1.1 计算机系统简介1.1.1 计算机的硬件和软件的概念计算机计算机是由硬件和软件两大部分
2、组成是由硬件和软件两大部分组成,能按照事先存储的程序能按照事先存储的程序,自动、高自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的高度自动化的电子设备。速地对数据进行输入、处理、输出和存储的高度自动化的电子设备。硬件(硬件(HardwareHardware)是计算机系统中的是计算机系统中的实体部分,由电子的、实体部分,由电子的、磁性的、机械的、光磁性的、机械的、光的元器件组成,包括的元器件组成,包括运算器、控制器、存运算器、控制器、存储器、输入设备和输储器、输入设备和输出设备五大部分组成。出设备五大部分组成。软件(软件(softwaresoftware)是指在计算机硬件上运是指在计算机硬件上运行
3、的各种程序和有关文行的各种程序和有关文档的总称,含系统档的总称,含系统软软件、件、应用软件和工具软件三大类。应用软件和工具软件三大类。计算机系统硬件软件互补程序文档+系统软件语言处理程序操作系统工具软件应用软件文字处理数据处理计算机辅助软件计算机系统的软件分类1.1.2 计算机系统的层次结构 1虚拟机(虚拟机(Virtual Machine)的概念)的概念 应用语言虚拟机M5(应用语言)用应用语言编写的应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言高级语言虚拟机M4(高级语言)高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言(或某中间语言程序或机器语言程序)汇编语言虚拟机M3(汇编语言)汇编语言程序经汇编程序翻译
4、成机器语言程序操作系统虚拟机M2(作业控制语言)由机器语言程序解释操作系统命令传统机器M1(机器语言)由微程序解释机器指令微程序机器M0(微指令)由硬件直接执行虚拟机虚拟机是一个抽象的计算机,是一个抽象的计算机,它它由软件实现,并与实际机器由软件实现,并与实际机器一样一样,都具有一个指令集并可都具有一个指令集并可使用不同使用不同的存储区域。如,一的存储区域。如,一台机器上台机器上配有配有C C语言和语言和PascalPascal语言的编译程序,对语言的编译程序,对C C语言的语言的用户来讲,这台机器就是以用户来讲,这台机器就是以C C语言为机器语言的虚拟机,对语言为机器语言的虚拟机,对Pasc
5、alPascal语言的用户来讲,这台语言的用户来讲,这台机器就是以机器就是以PascalPascal语言为机器语言为机器语言的虚拟机。语言的虚拟机。计算机系统的层次结构图计算机系统的层次结构图本书的讨论本书的讨论范围范围翻译(应用软件包)翻译(编译程序)翻译(汇编程序)部分解释(操作系统)解释硬件直接执行2.虚拟机的层次结构 从语言的角度来划分计算机系统的层次结构,那么从语言的角度来划分计算机系统的层次结构,那么虚拟机可分成如图虚拟机可分成如图1-21-2所示的操作系统虚拟机、汇编语言所示的操作系统虚拟机、汇编语言虚拟机、高级语言虚拟机和应用程序虚拟机等层次。虚拟机、高级语言虚拟机和应用程序虚
6、拟机等层次。虚拟机概念的引入,推动了计算机体系结构的发展。虚拟机概念的引入,推动了计算机体系结构的发展。由于从各层次的虚拟机可方便地识别相应层次的计算机由于从各层次的虚拟机可方便地识别相应层次的计算机语言,从而摆脱了这些语言必须在同一台机器上执行的语言,从而摆脱了这些语言必须在同一台机器上执行的情况,为日后的多处理机系统、分布式处理系统、计算情况,为日后的多处理机系统、分布式处理系统、计算机网络、并行计算机系统等新颖计算机体系结构的出现机网络、并行计算机系统等新颖计算机体系结构的出现夯实了基础。夯实了基础。本书讨论的范围本书讨论的范围仅局限于传统机器仅局限于传统机器MM1 1和和微程序机器微程
7、序机器MM0 0的组成原理的组成原理和设计思想。和设计思想。广义语言解释器作用对象控制信息状态信息虚拟计算机观察者1.1.3 1.1.3 计算机体系结构与计算机组成计算机体系结构与计算机组成1.1.计算机体系结构(计算机体系结构(Computer ArchitectureComputer Architecture)计算机体系结构是程序员看得见的计算机的属性,即概计算机体系结构是程序员看得见的计算机的属性,即概念性的结构与功能特性。通常指用机器语言编程的程念性的结构与功能特性。通常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)序员(也包括汇编语言程序设计者和汇编程序设计者)
8、所看到的传统机器的属性,包括指令系统、数据类型、所看到的传统机器的属性,包括指令系统、数据类型、存储器寻址技术、存储器寻址技术、I/OI/O机理等,大多属于抽象的属性。机理等,大多属于抽象的属性。2.2.计算机组成(计算机组成(Computer OrganizationComputer Organization)是计算机体系结构的逻辑实现,即指如何实现计算机体是计算机体系结构的逻辑实现,即指如何实现计算机体系结构所体现的属性,它包含了对许多程序员来说是透系结构所体现的属性,它包含了对许多程序员来说是透明的(即程序员是不知道的)硬件细节,它包括硬件部明的(即程序员是不知道的)硬件细节,它包括硬件
9、部件的构造及如何连接这些组件组成一个计算机系统。件的构造及如何连接这些组件组成一个计算机系统。注注:在计算机中在计算机中,客观存在的事物或属性客观存在的事物或属性从某个角度看不到从某个角度看不到,就叫就叫”透明透明”。1.1.3 1.1.3 计算机体系结构与计算机组成计算机体系结构与计算机组成3.计算机体系结构与计算机组成的关系计算机体系结构与计算机组成的关系许多计算机制造商向你提出一系列体系结构相同许多计算机制造商向你提出一系列体系结构相同的计算机,而它们的组成却有相当大的区别,即的计算机,而它们的组成却有相当大的区别,即使是同一系列不同型号的机器,其价格和性能也使是同一系列不同型号的机器,
10、其价格和性能也是有极大差异的。是有极大差异的。一种体系结构一种体系结构(例例PCPC系列机系列机)可有多种组成可有多种组成(表表1-1).1-1).因此,只知其结构,不知其组成,就选不好性能因此,只知其结构,不知其组成,就选不好性能价格比最合适的机器。价格比最合适的机器。本书主要介绍计算机的组成及工作原理。本书主要介绍计算机的组成及工作原理。1.1.3 1.1.3 计算机体系结构与计算机组成计算机体系结构与计算机组成 1.2 图灵机 1.2.1图灵机简介 英国数学家英国数学家A.M.TurringA.M.Turring于于19361936年从计算一个数的年从计算一个数的 一般过程着手对计算的本
11、质进行研究,提出了一种理一般过程着手对计算的本质进行研究,提出了一种理想的计算机的数学模型,实现了对计算本质的真正认想的计算机的数学模型,实现了对计算本质的真正认识。识。图灵机图灵机(Turring MachineTurring Machine,TMTM)并不是具体的机器,)并不是具体的机器,而是一个通用的计算机模型。目前已成为计算机科学而是一个通用的计算机模型。目前已成为计算机科学中可计算理论和计算复杂性理论的基础。中可计算理论和计算复杂性理论的基础。所谓所谓计算计算就是计算者(人或机器)对一条两端可无限就是计算者(人或机器)对一条两端可无限延长的磁带上的一串延长的磁带上的一串0 0和和1
12、1进行操作,一步一步地改变进行操作,一步一步地改变磁带上的磁带上的0 0或或1 1,经过有限步骤,最后得到一个满足预,经过有限步骤,最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程。图灵机用形式化方法成先规定的符号串的变换过程。图灵机用形式化方法成功地表述了计算这一过程的本质。功地表述了计算这一过程的本质。图灵的研究结果是:可计算性图灵可计算性。图灵的研究结果是:可计算性图灵可计算性。1.2.21.2.2图灵机的基本模型图灵机的基本模型 DAT ABDq1参 q2 q3 q4 q5读写头有限状态控制器图图1-3 图灵机图灵机磁带一台标准的确定型单带图灵机由一台标准的确定型单带图灵机由一条双向无限长的
13、磁带(被分割一条双向无限长的磁带(被分割分无穷个小方格)、一个有限状分无穷个小方格)、一个有限状态控制器与一个读写磁头构成。态控制器与一个读写磁头构成。图灵机一步一步地进行工作。图灵机一步一步地进行工作。工作情况取决于以下三点:工作情况取决于以下三点:1 1机器的内部状态。机器的内部状态。2 2读写磁头扫描在磁带哪个方格上。读写磁头扫描在磁带哪个方格上。3 3读写磁头扫描的方格上有什么信息。读写磁头扫描的方格上有什么信息。1.3 1.3 计算机的基本组成计算机的基本组成1.3.11.3.1冯冯.诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点 1.“1.“存储程序存储程序”的概念的概念:指令和数据均以二进
14、制码表示。指令和数据均以二进制码表示。指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数所在存储器的位置。用来表示操作数所在存储器的位置。指令在存储器内按顺序存放。通常,指令是顺序执行的,在特定条指令在存储器内按顺序存放。通常,指令是顺序执行的,在特定条件下,可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。件下,可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。冯诺依曼对计算机界的最大贡献是:冯诺依曼对计算机界的最大贡献是:首次提出并实现了首次提出并实现了“存储程序存储程序”概念。概念。本书主要介绍冯诺依曼本书主要介绍冯诺依
15、曼结构计算机的组成。结构计算机的组成。译码器PC操作码操作数地址程序(指令)区数据区主存区指令寄存器+1读指令读写控制器存储程序原理示意图存储程序原理示意图冯冯.诺依曼与诺依曼与ENAICENAICJohn Von Neuman(19031957)19441944年参加年参加“ENIAC”ENIAC”计算机研计算机研究工作。究工作。19531953年年3 3月,他领导月,他领导的小组发表了全新的存储程序的小组发表了全新的存储程序式通用电子计算机方案式通用电子计算机方案电子电子离散变量自动计算机离散变量自动计算机EDVACEDVAC。19461946年与他人合作提出更完善年与他人合作提出更完善的
16、计算机设计报告,是以仙农的计算机设计报告,是以仙农提出的二进制,程序内存以及提出的二进制,程序内存以及指令和数据统一存储为基础,指令和数据统一存储为基础,奠定了现代计算机体系结构的奠定了现代计算机体系结构的根基。根基。1.3.2 1.3.2 计算机的主要部件计算机的主要部件控制器输入设备存储器输出设备运算器计算步骤和原始数据计算结果图图1.5 存储器为中心的计算机结构框图存储器为中心的计算机结构框图传统计算机的五大部件传统计算机的五大部件:1.1.输入设备输入设备2.2.输出设备输出设备3.3.存储器存储器4.4.运算器运算器:又叫又叫ALUALU5.5.控制器控制器MM主存储器ALU算术逻辑
17、部件CU控制单元CPUI/O设备主机图图1-6 现代计算机的组成框图现代计算机的组成框图现代计算机的三大部件现代计算机的三大部件:1.CPU(1.CPU(运算器运算器+控制器控制器)2.I/O2.I/O设备设备3.3.主存储器主存储器MM MM 1.3.3 1.3.3 计算机的总线结构计算机的总线结构运算器控制器存储器输入设备输出设备外存储器地址总线控制总线数据总线图图1-7 单总线结构的计算机原理图单总线结构的计算机原理图数据总线:用于传输数据;数据总线:用于传输数据;地址总线:用于传输内存存储单元的地址;地址总线:用于传输内存存储单元的地址;控制总线:用于传输控制信号。控制总线:用于传输控
18、制信号。分时和共享分时和共享是总线的两大基本特点。是总线的两大基本特点。注意注意:数据数据,地址和控制总线地址和控制总线并不是三组总线并不是三组总线,它们都是它们都是系统总线的一部分。系统总线的一部分。1.3.4 1.3.4 计算机的工作过程计算机的工作过程1.1.程序程序:是为求解某个特定问题而设计的指令序列。计算是为求解某个特定问题而设计的指令序列。计算机的工作过程就是执行程序的过程机的工作过程就是执行程序的过程.例例:abab b0ab b0计算机的解题步骤可作如下安排:计算机的解题步骤可作如下安排:步骤步骤1 1:取:取a a;步骤步骤2 2:取:取b b;步骤步骤3 3:判断:判断
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