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1、1,计算机组成原理,计算机核心专业课程,2,主要参考书,主教材：计算机组成原理白中英 主编科学出版社参考教材：计算机组成原理题解、题库、实验,3,目 录,第一章 计算机系统概论 第二章 运算方法和运算器 第三章 存储系统 第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统,4,第一章 计算机系统结构,概述计算机的发展计算机体系结构和组织计算机的硬件结构计算机软件计算机的层次结构计算机的功能计算机的技术指标,5,概 述计算机分类：电子模拟计算机：数值由连续的量来表示。电子数字计算机：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
2、 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 简易性 高 高 体积，功耗，性能，价格 低,6,计算机的发展,1822 差分机,1833 分析机,MARK I自动按序控制计算器,ENIAC,计算机发展史,7,简 介,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种功能的电子机器，其基本功能是进行数字化信息处理。世界上第一台计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）诞生于1946年2月15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。计算机应用于科学计算
3、、数据处理、工业控制、实时控制、人工智能、虚拟现实、远程教育、电子商务等多种领域。,8,计算机的发展第一台电子计算机（ENIAC）,计算机发展史,5000次加法/秒体重28吨占地170M218800只电子管1500个继电器7000个电阻10000个电容耗电150KW,9,计算机的发展,10,各时代代表机型,11,计算机总体发展,12,微电子与计算机,13,第五代计算机通信、存储、信息处理和人工智能相结合的超巨能计算机。第六代计算机利用光电子元件、超导电子元件或生物电子元件作为计算机的核心元件。,一.分类,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
4、定问题,按综合性能指标分类,巨型机：速度最快、处理能力最强2004年 曙光4000A 11万亿次的峰值速度2008年 曙光5000A 230万亿次的峰值速度2008年7月 IBM Roadrunner峰值性能1.37578PFlops,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,单片机:广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,15
5、,二.计算机的应用,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1.工商：电子商务、CAD/CAM2.教育：多媒体教育、远程教育、CAT 3.医药：MRI(核磁共振)、远程医疗4.政府：电子政务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,16,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,17,电子计算机的设计思想,存储程
6、序和程序控制“存储程序”是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同一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；“程序控制”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，自动完成预定的信息处理任务。冯诺依曼型计算机的设计思想：存储程序并按地址顺序执行。,18,一.硬件系统 存储器 运算器 控制器 输入设备 输出设备 二.软件系统 系统软件：OS，语言处理，服务程序，数据库管理系统 用来提高使用效率，发挥和扩大计算机功能和用途的程序。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。,19,运算器：计算机中进行算
7、术运算和逻辑运算的部件。存储器：存放程序和数据的部件（R/W）。控制器：控制计算机有条不紊地执行程序的部件。输入设备：能将人们所熟悉的信息形式变换为计算机内部能接收和识别的二进制信息的设备。输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其它设备所能接收和识别的信息形式的设备。,20,输入设备,输出设备,输入输出接口和总线,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,21,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,22,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能包括：1.执行数值数据的算术加减乘除等运算，执行
8、逻辑数据的与或非等逻辑运算，由一个被称为 ALU 的线路完成。2.暂时存放参加运算的数据和中间结果，由多个通用寄存器来承担。3.运算器通常也是数据传输的通路。,23,控 制 器,运 算 器,计算机硬件系统,24,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,控制器是计算机中控制执行指令的部件：一.正确执行每条指令 1.首先是取来一条指令，2.接着分析这条指令，3.再按指令格式和功能执行这条指令二.保证指令按规定序列自动连续地执行。三.对各种异常情况和请求及时响应和处理。说到底，控制器要向计算机各功能部件提供 每一时刻协同运行所需要的控制信号,25,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制
9、 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,26,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,由高速缓冲存储器，主存储器，外存储器所组成的多级（层）存储器系统，是计算机中用于存储程序和数据的子系统。这三级存储器所用的存储介质的工作原理和特性各不相同。将作为三个部分分别讲解。,27,输入设备,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,28,输入设备是向计算机中送入程序和数据的有一定独立功能的设备，通过接口和总线与计算机主机连通，用于人机交互联系，如计算机键盘和鼠标等。,输入设备,外存设备,主存储器,高速缓
10、存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,29,输入设备,输出设备,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,30,输入设备,输出设备,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统结构计算机的硬件结构,输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息的设备,例如打印机、显示器等。,31,输入设备,输出设备,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,计算机系统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一起,构成计算机整机系统,协同运行.,32,计算机基本工作原理,1.指令:让计算机完成某个操作发出
11、的命令。（用二进制代码来表示）,3.指令的执行,有序的指令集合。,2.程序,内存,指令,取指周期：,执行周期：,控制信号,有关部件动作,CPU译码,CPU,4.程序的执行CPU不断地取指令，执行指令。,操作码,操作数,33,思考：指令和数据都存放在内存中，都是二进制代码，那么计算机系统如何去区分它们？,34,2、计算机软件软件=程序+数据+文档,数据库管理系统,35,(1)操作系统 管理和控制计算机系统的所有资源(包括硬件和软件),统一管理和调度资源，提高使用效率和经济效益,不需了解软硬件细节，提高工作效率,目的,36,(2)实用程序,诊断程序：SCANDISK,反病毒程序：瑞星、金山毒霸、卡
12、巴斯基,备份程序：Windows 2000中的备份程序,文件压缩程序:ARJ、WinZip、WinRar,卸载程序：Windows中的添加/删除程序,操作系统自己带一些,第三方开发,37,(3)语言处理程序,源程序,可执行程序,目标程序,编辑程序,汇编或编译程序,联接程序,机器语言,高级语言,汇编语言,面向过程：BASIC、Pascal、FORTRAN、C等,面向对象：C、C、Java、Visual Basic等,面向问题的语言,38,计算机的技术指标,字长：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。它标志着计算精度。主存容量：存储器可以容纳的二进制信息量。运算速度
13、：单位时间内执行指令的平均条数。软、硬件配置：外部设备的配备和功能强大的操作系统和程序设计语言。性能价格比：性能和价格之比是衡量计算机的综合指标。,39,计算机系统的层次结构,第1层 微程序设计层第2层 一般机器层第3层 操作系统层第4层 汇编语言层第5层 高级语言层,40,计算机的层次结构,第一层：微程序设计级硬件级，由机器硬件直接执行微指令。它由机器硬件直接执行微指令。如果某一应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。,41,计算机的层次结构,第二层：一般机器级，也称机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。,42,计算机的层次结构,第三层：操作系统级由操作
14、系统程序实现。操作系统是由机器指令和广义的指令组成。广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。,43,计算机的层次结构,第四层：汇编语言级它由汇编程序支持和执行。它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。,44,计算机的层次结构,第五层：高级语言级面向用户的，由各种高级语言程序支持和执行。它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的，这一级由各种高级语言编译程序或解释程序支持和执行。,45,46,软件与硬件的逻辑等价性,大规模集成电路的出现和发展。操作可以用软件实现，也可以用硬件实现。固件:介于传统的软件和硬件间的实体。功能-软件 形态-硬件 实现-软件写入ROM-固化BIOS,
