计算机组成原理-白中英-第一章-计算机系统结构课件.ppt
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1、计算机组成原理计算机组成原理主讲:邓绍伟主讲:邓绍伟计算机核心专业课程输入设备输入设备输出设备输出设备外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构这些部件和设备通过总线和接口连接在这些部件和设备通过总线和接口连接在一起一起,构成计算机整机系统构成计算机整机系统,协同运行协同运行.目目 录录 第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 第二章第二章 运算方法和运算器运算方法和运算器 第三章第三章 存储系统存储系统 第四章第四章 指令系统指令系统 第五章第五章 中央处理器中央处理器 第六章第六章 总线系
2、统总线系统 第七章第七章 外围设备外围设备 第八章第八章 输入输出系统输入输出系统主要参考书主要参考书主教材:主教材:计算机组成原理白中英计算机组成原理白中英 主编科学出版社主编科学出版社参考教材:参考教材:1计算机组成原理计算机组成原理(第(第2版)版)唐朔飞唐朔飞 高等教育出版社高等教育出版社 2计算机组成与结构王爱英清华大学出版社计算机组成与结构王爱英清华大学出版社 3.计算机组成原理计算机组成原理 薛胜军薛胜军 华中科技大学出版社华中科技大学出版社本门课的考核要求本门课的考核要求 一、平时成绩(出勤+作业)40%二、期末笔试 60%三、课堂表现积极,平时成绩有额外加分第一章第一章 计算
3、机系统结构计算机系统结构概概 述述计算机分类:计算机分类:机械机械计算机计算机 电子电子模拟模拟计算机计算机:数值由连续的量来表示。:数值由连续的量来表示。电子数字计算机电子数字计算机:计算机中的数值由不连续的数字来表示。:计算机中的数值由不连续的数字来表示。专用机:经济,有效,快速,适应性差专用机:经济,有效,快速,适应性差 通用机:适应性强通用机:适应性强 巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 单片机 低低 简易性简易性 高高 高高 体积,功耗,性能,价格体积,功耗,性能,价格 低低按用途分类通用机:通用性强,综合能力强,解决各种问题 专用机:特殊配置,功能单一,解决特定问题 按综合性能
4、指标分类巨型机:速度最快、处理能力最强 已达十几万亿次浮点运算 “银河”达每秒130亿次 大型机:大型、通用、较快、较强 作“客户机/服务器”的服务器 作“终端/主机”的主机 小型机:规模小,结构简单,设计试制周期短 工艺先进、使用维护简单 工作站:介于PC与小型机之间 高分辨率、大容量内外存,图形功能较强微型计算机:小、巧、轻、使用方便、价格便宜中央处理器:一个芯片网络计算机:基于Java技术的瘦客户机系统 计算机的发展计算机的发展1642 Blaise Pascal 1822 1822 差分机差分机1833 1833 分析机分析机计算机发展史计算机发展史简简 介介电子数字计算机是一种能够自
5、动、快捷,准确地电子数字计算机是一种能够自动、快捷,准确地实现信息存放数值计算、数据处理过程控制等多实现信息存放数值计算、数据处理过程控制等多种功能的电子机器,其基本功能是进行数字化信种功能的电子机器,其基本功能是进行数字化信息处理。息处理。世界上第一台计算机世界上第一台计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator)诞生于)诞生于1946年年2月月15日,是美国宾夕法尼亚大学摩尔理日,是美国宾夕法尼亚大学摩尔理工学院的摩切利和埃卡特发明的。工学院的摩切利和埃卡特发明的。计算机应用于科学计算、数据处理、工业控制、计算机应用于科学计
6、算、数据处理、工业控制、实时控制、人工智能、虚拟现实、远程教育、电实时控制、人工智能、虚拟现实、远程教育、电子商务等多种领域。子商务等多种领域。计算机的发展计算机的发展第一台电子计算机(第一台电子计算机(ENIAC)计算机发展史计算机发展史5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170M218800只电子管只电子管1500个继电器个继电器7000个电阻个电阻10000个电容个电容耗电耗电150KW计算机的发展计算机的发展类型时期主要器件 重 要 特 征第一代1946-1957电子管机器语言,汇编语言速度低,体积大,价格昂贵可靠性差,用于科学计算。第二代1958-1964晶体管算法语言
7、,操作系统体积缩小,可靠性提高从科学计算扩大到数据处理。第三代1965-1971中、小规模集成电路体积小,可靠性大大提高,速度达几百万IPS,软件技术和外设发展迅速应用领域不断扩大。第四代1972-中、大及超大规模集成电路速度提高至GIPS乃至TIPS水平多机并行处理和计算机网络迅速发展。各时代各时代代表机型代表机型时代时代机型机型产地产地一一ENIAC 1946EDSAC 1949103 1953美美.宾州大学宾州大学英英.剑桥大学剑桥大学二二IBM 7090 1958DJS-21,108,X-2,441B IBM中国中国三三IBM360/370系列系列CDC6000/7600,STAR-1
8、00,NOVA,PDP-11DJS-130/200IBMCDC中国中国四四微型机微型机 APPLE,IBM-PCVAX系列系列长城长城0520,.计算机总体发展计算机总体发展 年 代 逻辑元件 主 存 辅 存 语言处理 速 度 代表机种 第一代 1946-1957 电子管 磁芯、磁鼓 磁带 机器语言 汇编语言 1万次/秒 ENICA、IBM650 IBM709 第二代 1958-1964 晶体管 磁芯、磁鼓 磁带、磁盘 高级语言 编译语言 操作系统 几万次 几百万次/秒 IBM7094 DTS-121 X-2 第三代 1965-1971 集成电路和大规模集成电路 半导体存储器 磁带、磁盘 多道
9、程序实时处理 百万次千万次 IBM360 DJS-100 第四代 1972-超大规模集成电路 半导体存储器 高速磁盘 数据库系统 网络结构 千万次 1亿次/秒 VAX-11 INTEL系列 微电子与计算机年 份型 号管 数年 份型 号管 数1971400423001993PENTIUM310万1972800835001995P-PRO550万1974808060001997P-MMX450万19788086290001997P-II750万19828028613万1998 Celeron750万1985386DX27.5万1999P-III950万1989486DX120万1999.10P-I
10、II-COP2800万计算机的应用计算机的应用 计算机的应用类型计算机的应用类型1.科学计算2.过程控制3.CAD/CAM/CAT4.数据处理5.电子商务6.多媒体技术 7.人工智能 计算机的主要应用领域计算机的主要应用领域1.工商:电子商务、CAD/CAM2.教育:多媒体教育、远程教育3.医药:CAT、MRI、远程医疗4.政府:电子政府5.娱乐:虚拟现实、电影特技 6.科研:数据采集、计算分析7.家庭:家庭信息化 计算机的技术指标计算机的技术指标 字长:字长:参与运算的基本位数,它决定了寄存器、加参与运算的基本位数,它决定了寄存器、加法器、存储单元和数据总线的位数。它标志着计算法器、存储单元
11、和数据总线的位数。它标志着计算精度。精度。主存容量:主存容量:存储器可以容纳的二进制信息量。存储器可以容纳的二进制信息量。运算速度:运算速度:单位时间内执行指令的平均条数。单位时间内执行指令的平均条数。软、硬件配置:软、硬件配置:外部设备的配备和功能强大的操作外部设备的配备和功能强大的操作系统和程序设计语言。系统和程序设计语言。性能价格比:性能价格比:性能和价格之比是衡量计算机的综合性能和价格之比是衡量计算机的综合指标。指标。计算机的技术指标计算机的技术指标 以性能以性能/价格比为核心价格比为核心 性能的衡量标准性能的衡量标准 时间、基准程序、硬件测量工具时间、基准程序、硬件测量工具 价格的因
12、素价格的因素 集成电路的工艺、产品的生产过程、销售过程集成电路的工艺、产品的生产过程、销售过程 性能价格设计的一些原则性能价格设计的一些原则计算机体系结构和组织计算机体系结构和组织 计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软硬件界面的确定,其界面之上的是软件的功能,界面之下的是硬件和固件的功能。指令集(instruction set)软件硬件电子计算机的设计思想电子计算机的设计思想 存储程序控制存储程序控制“存储程序存储程序”是把指令以代码的形式事先输入是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中,即用记忆数据的同到计算机的主存储器中,即用记忆数据的同 一一装置存储执行运算的命令,这些指令按
13、一定的装置存储执行运算的命令,这些指令按一定的规则组成程序;规则组成程序;“程序控制程序控制”是当计算机启动后,程序就会控是当计算机启动后,程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令,自动完制计算机按规定的顺序逐条执行指令,自动完成预定的信息处理任务。成预定的信息处理任务。冯冯 诺依曼型计算机的设计思想:诺依曼型计算机的设计思想:存储程序并存储程序并按地址顺序执行。按地址顺序执行。一一.硬件系统硬件系统 存储器存储器 运算器运算器 控制器控制器 输入设备输入设备 输出设备输出设备 二二.软件系统软件系统 系统软件:系统软件:OS,语言处理,服务程序,数据库管理系统,语言处理,服务程序,数据库管
14、理系统 用来提高使用效率,发挥和扩大计算机功能和用途的用来提高使用效率,发挥和扩大计算机功能和用途的程序程序。应用软件:工程设计,数据处理,自动控制,企业管理应用软件:工程设计,数据处理,自动控制,企业管理 用户用来解决某些问题而编制的程序。用户用来解决某些问题而编制的程序。接口接口设备设备运算器控制器内存系统总线 运算器:运算器:计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件。计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件。存储器:存储器:存放程序和数据的部件(存放程序和数据的部件(R/W)。)。控制器:控制器:控制计算机有条不紊地执行程序的部件。控制计算机有条不紊地执行程序的部件。程序控制程序控制 输入设备:
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