计算机原理课件第1-2章.ppt

1、计计 算算 机机 原原 理理上海财经大学信息管理与工程学院2016年2月 课课 程程 内内 容容 简简 介介计算机系统的主要组成部件及其工作原理计算机系统的主要组成部件及其工作原理计算机内部的运算方法和运算器功能计算机内部的运算方法和运算器功能存贮系统、各种存贮器的工作原理存贮系统、各种存贮器的工作原理计算机指令系统中的寻址方式、指令格式计算机指令系统中的寻址方式、指令格式和指令分类及功能和指令分类及功能微处理器的结构组成原理，控制器的设计方法微处理器的结构组成原理，控制器的设计方法总线结构和总线控制，常用的系统总线类型总线结构和总线控制，常用的系统总线类型外围设备的功能、种类和作用以及输入输

2、出相关技术外围设备的功能、种类和作用以及输入输出相关技术微操作命令，控制单元外特性和控制方式微操作命令，控制单元外特性和控制方式 教材和参考书目教材和参考书目指定教材指定教材 唐朔飞 计算机组成原理，第2版，高等教育出版社，2008年1月出版参考书目参考书目 1.蒋本珊 计算机组成原理，第2版，清华大学出版社，2008年9月 2.白中英等 计算机组成原理，第4版，科学出版社，2007年12月 第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机系统简介计算机系统简介1计算机的基本组成计算机的基本组成2 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标3 1.计算机系统简介计算机系统简介硬件：组成硬

3、件：组成计算机的可以看得见的设备实体计算机的可以看得见的设备实体 软件：软件：由具有各类特殊功能的程序和文档组成由具有各类特殊功能的程序和文档组成软件系统 系统软件 Windows 7,Linux、iOS等 应用软件 客户管理软件 财务管理软件等硬件系统主机：内存、CPU、硬盘等 输入/输出设备 键盘,鼠标,显示 器等 计算机计算机系统系统 计算机软件的分类计算机软件的分类按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统网络软

4、件网络软件软软件件 计算机的解题过程计算机的解题过程计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标程序程序结果结果翻译翻译运行运行计算机系统（软件+硬件）如何 帮助人们解题的呢？计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构（1）高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 M M2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器实际机器 M M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M M0MOV AX,30H;ADD AX,08H.main（）x=100;printf(“%d”,x);计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构（2）用编译程序翻译用编译程序翻

5、译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释用机器语言解释操作系统操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令软软件件硬硬件件虚拟机器虚拟机器 M M4虚拟机器虚拟机器 M M3虚拟机器虚拟机器 M M2实际机器实际机器 M M1微程序机器微程序机器 M M0计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构（3）用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释用机器语言解释操作系统操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指

6、令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令软软件件硬硬件件虚拟机器虚拟机器 M M3虚拟机器虚拟机器 M M2实际机器实际机器 M M1微程序机器微程序机器 M M0虚拟机器虚拟机器 M M41.1.本课程主要讨论内容是本课程主要讨论内容是M1,M1,0 0的组成原理和设计思想的组成原理和设计思想2.2.软件和硬件的分界线不是一成不变的，有时是模糊的软件和硬件的分界线不是一成不变的，有时是模糊的计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成程序员所见到的计算机系统的属性程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性概念性的结构与功能特性计算机计算机体系结构体系结构计算机计算机组成组

7、成实现计算机体系结构所体现的属性实现计算机体系结构所体现的属性有无浮点运算指令有无浮点运算指令如何实现浮点运算指令如何实现浮点运算指令（指令系统、数据类型、寻址技术、（指令系统、数据类型、寻址技术、I/OI/O机理）机理）（具体指令的实现，如何取指、分析等）（具体指令的实现，如何取指、分析等）2.计算机的基本组成计算机的基本组成输出设备控制器运算器存储器冯冯.诺依曼诺依曼输入设备1.计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成3.指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于指令和数据以同

8、等地位存于 存储器可按地址寻访存储器可按地址寻访5.存储程序方式存储程序方式计算机则按程序指定的逻辑顺序把指令从存储器中读出来并逐条执行计算机则按程序指定的逻辑顺序把指令从存储器中读出来并逐条执行,从而自动完成从输入设备到输出设备，程序所描述的信息处理工作。从而自动完成从输入设备到输出设备，程序所描述的信息处理工作。5.存储程序方式存储程序方式冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行存储器存储器输入设

9、备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备 现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图以存储器为中心以存储器为中心程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算 现代计算机主要部件现代计算机主要部件ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O硬件硬件CU存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器ALUCPU主机主机I/OCU主主存存 计算机的解题过程计算机的解题过程（1）1.上机前的准备上机前的准备 建立数学模型建立数学模型 -+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin 编制解题程序编制解题程序 确定计算

10、方法确定计算方法程序程序 运算的运算的 全部步骤全部步骤0,1,2,)()(21nyn xynx=+=指令指令 每每 一个步骤一个步骤 编编 程程 举举 例例取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a a 在运算器中在运算器中存存a ax2 在存储器中在存储器中取取b b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加a ax2 在运算器中在运算器中加加c c 在运算器中在运算器中=(=(a ax+b)+b)x+c+c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a a 在运算器中在运算器中加加b b 在运算器中在运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加c c

11、 在运算器中在运算器中计算计算 ax2+bx+c 指令格式举例指令格式举例000001 0000001000打印打印 主存储单元主存储单元停机停机取数取数 xx ACC乘乘 aACCa ACC加加 b ACC+b ACC乘乘 x x ACCx ACC ACC 打印机打印机000100 0000001001000011 0000001010000100 0000001000000101 0000001100加加 c c ACC+c ACC 000011 0000001011000110 存数存数 ACCACC000010 0000001100 ACC 主存储单元主存储单元操作码操作码地址码地址码

12、6 6位位10 10 位位指 令 格 式操作码：机器所执行的各种操作操作码：机器所执行的各种操作地址码：参加运算的数在存储器中位置地址码：参加运算的数在存储器中位置主存地址 指令 注释操作码 地址码00000010000001000取数x至ACC10001000000001001乘a得ax存于ACC中20000110000001010加b得ax+b,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中 40000110000001011加c得ax2+bx+c,存于ACC50000100000001100将ax2+bx+c存于主存单元60001010000001100

13、打印7000110停机8 x原始数据x9 a原始数据a10 b原始数据b11 c原始数据c12存放结果计算计算 ax2+bx+c 程序清单程序清单 计算机的解题过程计算机的解题过程（2）2.计算机的工作过程计算机的工作过程CU控制控制单元单元CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUX主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体I/O细化的计算机组成框图细化的计算机组成框图 运算器的基本组成及操作过程运算器的基本组成及操作过程 ACC MQ X运算器运算器MQACCALUX被加数被加数被减数被减数被除数被除数乘数乘数商商加数加数减数减数被乘数被乘数除数除数加法加法减法减法乘法乘法除法除

14、法和和差差余数余数乘积高位乘积高位乘积低位乘积低位ACCAccumulator累加器ALUArithmetic Logical Unit 算术逻辑部件 X 操作数寄存器MQMultiplier Quotient Register 乘商寄存器加加 法法 操操 作作 过过 程程运算器运算器MQACCALUXACC 被加数被加数ACC初态初态 ACC+XALUM XXACCACC指令指令 加法加法M 减减 法法 操操 作作 过过 程程运算器运算器MQACCALUXACC 被减数被减数ACC初态初态 ACC-XALUM XXACCACC指令指令 减法减法M 乘乘 法法 操操 作作 过过 程程运算器运算

15、器MQACCALUXACCACC 被乘数被乘数初态初态 ACCMQMMQ指令指令 乘法乘法MXACCX00ACCALUXMQACCMQACCMQ 除除 法法 操操 作作 过过 程程运算器运算器MQACCALUXACC 被除数被除数ACC初态初态 ACCXALUMQACCMQ余数在余数在ACC中中指令指令 除法除法MM XX 存储器的基本组成存储器的基本组成（1）存储体存储体 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0/1）大楼大楼 房间房间 床位床位（无人（无人/有人）有人）主存储器主存储器存储体存储体MARMDRMARMemory Address Register 存储器地址寄存器MDRMemo

16、ry Data Register 存储器数据寄存器存储单元存储单元 存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字存储字 存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长存储字长 存储单元中二进制代码的位数存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号每个存储单元赋予一个地址号按地址访存按地址访存按地址号实现存储字的存取按地址号实现存储字的存取存储器的基本组成存储器的基本组成（2）存储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8 设设 MAR =4 位位 MDR=8 位位MAR 存放欲访问的存储单元的地址存放欲访问的存储单元的地址位数反映存储单元的个数位数反映存储单元的个数MD

17、R 存放存储器读出或写入的代码存放存储器读出或写入的代码或数据，位数反映存储字长或数据，位数反映存储字长主存储器主存储器存储体存储体MARMDR 控制器的基本组成控制器的基本组成取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCIRCUPCIRCUCUPC PC 存放当前欲执行指令的地址存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能具有计数功能（PCPC）+1 PC1 PCIR IR 存放当前欲执行的指令存放当前欲执行的指令执行执行 访存访存完成完成一条一条指令指令CUControl Unit 控制单元IRInstruction Register 指令寄存器PCProgram Counter 程序计数器

18、访存访存取指取指取数指令的过程（取数指令的过程（1）操作码操作码地址码地址码6 6位位10 10 位位取取 数数 指指 令令00000100000100000010000000001000 取数指令的过程（取数指令的过程（2）123567894CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUX00000100000100000010000000001000取取 数数 指指 令令存数指令的过程（存数指令的过程（1）操作码操作码地址码地址码6 6位位10 10 位位存存 数数 指指 令令00001000001000000011000

19、000001100 存数指令的过程（存数指令的过程（2）123567984CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUX00001000001000000011000000001100存存 数数 指指 令令 ax2+bx+c 程序的运行程序的运行过程过程 将程序通过输入设备送至计算机将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址程序首地址 打印结果打印结果 分析指令分析指令 取指令取指令 停机停机 启动程序运行启动程序运行,(PC)+1 PC,(PC)+1 PC 执行指令执行指令 MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCU

20、CUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC3.计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.机器字长机器字长2.运算速度运算速度CPU CPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与 CPU CPU 中的中的 寄存器位数寄存器位数 有关有关=ni=1fi tiTM 吉普森法吉普森法主频主频每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPSMIPS执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数CPICPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPSFLOPS221 =256KB213 =1KB如如：存储容量存储容量-存放二进制

21、信息的总量存放二进制信息的总量主存容量主存容量辅存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长字节数字节数字节数字节数 80GB如：如：MAR MDR MAR MDR 容量容量10 816 321K=2101Byte=23bit1G=2301K 8位位64K 32位位 第二章第二章 计算机的发展和应用计算机的发展和应用计算机的发展史计算机的发展史1计算机的分类和应用计算机的分类和应用2 计算机展望计算机展望3 人类计算的历史人类计算的历史绳结绳结计数计数算盘算盘计算尺计算尺机械式计算器电子计算机现代计算机发展现代计算机发展（1）19361936年年 手摇式机械计算机手摇式机械计算机1

22、6741674年年 乘法计算机乘法计算机16421642年年 机械式加法计算机机械式加法计算机19431943年年 “巨人巨人”计算机计算机现代计算机发展（现代计算机发展（2）1946年年世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机ENIACENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)开始研制于1943 年，完成于1946 年，负责人是美国宾西法尼亚大学的John W.Mauchly 和J.Presper Eckert。1.1.1880018800个电子管，而每个电子管个电子管，而每个电子管大约有一个普通家用大约有一个普通家用2525瓦

23、灯泡瓦灯泡那么大。那么大。2.2.8 8英尺高、英尺高、3 3英尺宽、英尺宽、100100英尺长英尺长的身躯，重达的身躯，重达3030吨，耗电高达吨，耗电高达140140千瓦。千瓦。3.3.每秒能进行每秒能进行50005000次加法运算，次加法运算，还能进行平方和立方运算，计还能进行平方和立方运算，计算正弦和余弦等三角函数的值算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。及其它一些更复杂的运算。电子管，是一种最早期的电信号放大器件。被封闭在电子管，是一种最早期的电信号放大器件。被封闭在玻璃容器（一般为玻璃管）中的阴极电子发射部分、玻璃容器（一般为玻璃管）中的阴极电子发射部分、控制栅极、加速

24、栅极、阳极（屏极）引线被焊在管坐控制栅极、加速栅极、阳极（屏极）引线被焊在管坐上。利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号上。利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号，并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数，并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号数据信号数据。晶体管（晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。多其它功能。晶体管（晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大

25、、开关、稳压、信号调制和许用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。多其它功能。现代计算机发展（现代计算机发展（3）第一台第一台Von Neumann 系统结构的计算机系统结构的计算机现代计算机发展（现代计算机发展（4）IBM System360 个人计算机个人计算机Personal Computer1981年8月12日，IBM公司推出世界上第一台个人电脑5150,采用Intel4.77M的8088芯片，仅64K内存；配置了微软公司的MS-DOS操作系统软件。IBM PC 5150采用低分辨率单色或彩色显示器；两个160KB单面软盘驱动器，其屏幕每列能显示80个字母，拥有大小写

26、字母的键盘，可扩充的记忆体。1986年，IBM推出其第一款自行研发的笔记本电脑IBM PC convertible 5140。虽然其处理器也不过是Intel 8080，主频4.77MHz，内存256K，但增加了两个3.5英寸软驱作为存储器。而最具创新的地方就是内置了电池.目前,移动,便携式PC成为计算机发展和流行的趋势.例如:个人数字助理PDA,平板电脑和智能手机等.硬件技术对计算机发展的影响硬件技术对计算机发展的影响 100,000,000 超大规模 集成电路 1978现在 10,000,000 大规模 集成电路 19721977 1,000,000 中小规模 集成电路 19651971 2

27、00,000 晶体管 19581964 40,000 电子管 19461957 速度（次/秒）硬件技术 时间 代三三四四二二一一五五 Moore定律定律微芯片上集成的微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番，性能晶体管数目每三年翻两番，性能提高一倍，价格下降一半提高一倍，价格下降一半IntelIntel微处理器的微处理器的发展发展 Intel 迅驰/酷睿双核处理 Intel奔腾系列/赛扬系列Intel X86系列 Intel 4044/80082003年以后1993-20011978-19891971-1974CPU（Central Processing Unit),是现代计算机的核心部件，又称为

28、“微处理器”。主要生产商Intel、AMD和Motorola等。Pentium M移动处理器结合802.11的无线WiFi技术，就构成了英特尔Centrino(迅驰)移动运算技术.不但有很强的网络连接功能,而且具备了节能、长续航时间的优点，更领导了目前流行的无线网络风尚。+英特尔迅驰移动技术英特尔迅驰移动技术移动处理器无线网络技术 双核处理器Intel Core(酷睿)2AMD Athlon(速龙)X2双核处理器是基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心。软件技术的兴起和发展（软件技术的兴起和发展（1）机器语言机器语言 面向机器面向机器汇编语言汇编语言 面向机器面向机器高级语言

29、高级语言 面向问题面向问题FORTRAN 科学计算和工程计算科学计算和工程计算PASCAL 结构化程序设计结构化程序设计C 面向对象面向对象Java 适应网络环境适应网络环境各种计算机语言各种计算机语言系统软件系统软件语言处理程序语言处理程序 汇编程序汇编程序 编译程序编译程序 解释程序解释程序操作系统操作系统 UNIX Windows Android 服务性程序服务性程序 装配装配 调试调试 诊断诊断 排错排错数据库管理系统数据库管理系统 数据库和数据库管理软件数据库和数据库管理软件网络软件网络软件 TCP/IP CDMA 3G/4G通讯软件通讯软件软件技术的兴起和发展（软件技术的兴起和发展

30、（2）软件发展的特点软件发展的特点 开发周期长开发周期长 制作成本高制作成本高 检测软件产品质量的特殊性检测软件产品质量的特殊性软件是程序以及开发、使用和维护程序所软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档需要的所有文档2.计算机的分类和应用计算机的分类和应用大型计算机大型计算机小型计算机小型计算机微计算型机微计算型机具有超强的计算和处理能力.主要用于天气预报，模拟核试验等超大型科学计算和数据处理典型机器：IBM深蓝,NEC 地球模拟器，中国的曙光 具有很强的计算和处理能力.主要用于多客户，多任务业务处理系统。例如：银行和保险业务处理系统。典型机器：PDP 11/44,VAX11/78

31、0.具有较强的计算和处理能力.主要用于办公自动化和家庭多媒体娱乐。典型机器：DELL,HP,联想,苹果的PC台式和笔记本电脑.超级计算机（超级计算机（1）6000个处理器，16 teraflops 2008年 曙光公司 曙光5000A 超级计算机（超级计算机（2）5120个处理器，40.9 teraflops 2007年 NEC Earth Simulator 超级计算机（超级计算机（3）30,000个处理器，91.29 teraflops 2007年 IBM BlueGene/W 超级计算机（超级计算机（4）2009年 天河一号71,680个处理器，1.206 petaflop 超级计算机（

32、超级计算机（5）2009年 IBM Roadrunner 122,400个处理器，1.376 petaflop 超级计算机（超级计算机（6）2009年 Cray Jaguar 224,162个处理器，2.331 petaflop超级计算机（超级计算机（7）14336颗Intel Xeon X5670 六核心处理器,还有2048颗FT-1000八核处理器，总计20多万颗处理器核心,达到2.507petaflop。2010年 天河一号A 超级计算机（超级计算机（8）705240颗处理器核心,达到8.162petaflop。2011 富士通 ”京”2012 泰坦 18,688颗AMD 16核心CPU

33、，18,688颗NVIDIA图形处理器,峰值达到20petaflop2014 天河二号 3120000颗处理器核心,达到33.9petaflop。计算机应用（计算机应用（1）一、科学计算和数据处理一、科学计算和数据处理二、工业控制和实时控制二、工业控制和实时控制三、网络技术三、网络技术1.电子商务电子商务2.网络教育网络教育3.敏捷制造敏捷制造 计算机应用（计算机应用（2）四、虚拟现实四、虚拟现实五、办公自动化和管理信息系统五、办公自动化和管理信息系统六、六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术七、多媒体技术八、人工智能八、人工智能 3.计算机的展望计算机的展望物理极限的制约，物理极限的制约

34、，MooreMoore定律的终结定律的终结挑战人脑智慧挑战人脑智慧存在的问题：存在的问题：发展的机遇：发展的机遇：量子计算机量子计算机神经科学和人工智能技术神经科学和人工智能技术人工智能人工智能AI 本 书 结 构第一篇第一篇 概论概论内部内部互连互连ALUCU寄存器寄存器中央处理单元中央处理单元寄存器寄存器解码器解码器控制单元控制单元排队排队逻辑逻辑控制控制存储器存储器第二篇第二篇计算机系统硬件结构计算机系统硬件结构第三篇第三篇 CPUCPU第四篇第四篇 CUCU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU 复习讨论复习讨论什么是计算机系统？说明计算机系统的层次结构请简述计算机组成和计算机体系结构的概念请描述冯.诺依曼计算机的特点的层次结构请简述计算机硬件基本组成及主要部件的功能解释MIPS，CPI和FLOPS的含义请简述计算机解题时内部工作过程