计算机组成原理及汇编语言1.

多机系统
第一章 绪论
计算机组成原理与汇编语言
内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 绪论 数据信息表示 数值运算及运算器 指令系统 中央处理器（CPU） 存储系统 输入输出系统及外围设备 汇编语言
第一章 绪论
参考教材
《计算机组成原理》（第2版） 唐朔飞 高等教育出版社 《计算机组成原理》 蒋本珊 清华大学出版社 《计算机组成原理与汇编语言程序设计》 俸远祯等 电子工业出版社 《计算机组成和设计 硬件/软件接口》（第2版） David A. Patterson等著 清华大学出版社 《计算机组成与体系结构》（第3版 网络版） 白中英 科学出版社
第一章 绪论
第六节 计算机的性能指标分析
（四）运算速度：
每秒钟平均执行的机器指令条数。（IPS）
执行一条（机器）指令所需的时间。
（五）外围设备的配置
（六）指令系统的功能
（七）系统软件的配置
（八）诊断功能与容错能力 （九）绿色电脑和制作工艺
第一章 绪论
第七节 计算机系统组织和结构的发展
一、提高系统性能
第一章 绪论
第二节 计算机的基本组成
一、存储程序的概念
采用二进制形式表示计算机中的数据和指令。 把编好的程序和原始数据预先存入主存储器中， 使计算机在工作时能够连续、自动、高速地从 存储器中取出一条条指令并且执行之。（存储 程序概念） 由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出 设备五大基本部件组成计算机系统。
第一章 绪论
存储系统的三级存储体系
主存储器（内存储器）、辅助存储器（外存储 器）、高速缓冲存储器。
CPU
cache 主存 外存
第一章 绪论
第二节 计算机的基本组成
（四）运算器 功能：执行算术运算和逻辑运算的部件， 对信息进行加工处理。 （五）控制器 功能：产生一系列控制信号以指挥整个 计算机系统有条不紊的自动运行。（即 决定做某种动作的时间和条件。） 控制器的结构有两种类型：即组合逻辑 控制器和微程序控制器。
PCI与EISA 桥接器
次PCI总线
LAN I/O 控制器 MODEM 控制器
ISA总线
I/O支持 软盘
EISA总线
I/O支持
键盘 串行口
并行口
声频
第一章 绪论
主板与总线
主板：支撑着CPU、内存条以及I/O接口之间进行 数据传送，是总线技术的集成化、模块化的结果。
嵌入在主板上的总线是多层次的，包含了系统总线、 局部总线以及外设总线等。
第一章 绪论
4、典型微机总线举例：基于PCI总线的系统结构图
处理器总线
CPU
Cache 控制器 内存控制器
处理器总线与主PCI 总线桥接器
主桥
内存 存储器 DRAM 总线
高速缓存 Cache 主PCI总线
PCI 显卡 PCI SCSI卡
PCI桥
PCI与PCI 桥接器
标准 总线桥
PCI与ISA 桥接器
5
6 7 8 9
存数 y→13
输出 停止 a
算盘上的y值记到第13行
把算盘上的y值写出给人看 运算完毕,暂停 数据
10
11 12 13
b
c x y
数据
数据 数据 数据
计算机的基本组成框图
状 态 程序 输入设备
运算器 数 据 存储器 结 果
命 令 结果 输出设备
请 求
命 令
地 址 控制器
指 令
命 令
第一章 绪论
第三节 计算机系统的硬件结构
一、总线
总线：一组公共信息传输线路，能为多个部件服务， 可分时地发送与接收各个部件的信息。 总线的数据通路宽度：指能够一次并行传送的数 据位数。 总线分为单向总线和双向总线。
单向总线：挂在总线上的一些部件将信息有 选择地传向另一些部件，却不能反向传送；
第一章 绪论
2、单总线系统结构 单总线系统结构图
cpu
主存
公共 接口
接口
接口 I/O
I/O
第一章 绪论
2、单总线系统结构 结构特点——一组总线实现cpu，I/O,MEM 间通信 中央处理机可以看作单总线上的一个子系统。 各部件可通过单总线进行双向信息传送。 优点：允许I/O与MEM直接交换信息，MEM可 以和I/O设备统一编址 缺点：不允许两个设备同时使用总线。 所有设备连在一个总线上，数据量大时容 易达到饱和，造成系统性能下降。
请 求
第一章 绪论
第二节 计算机的基本组成
二、计算机的主要部件
（一）输入设备：
功能：向机器输入操作员提供的原始信息，并将 这些信息变换为计算机能够识别的形式。
（二）输出设备：
功能：将计算机的处理结果，以人们容易接受的 形式或为其他机器所能接受的形式输送出来。
（三）存储器
功能：存储程序和各种数据信息。 存储系统通常分为三级存储体系。
第一章 绪论
3、面向存储器的双总线系统结构
所有部件和设备都可通过总线交换信息，但在CPU 与主存之间又专门设置了一组高速的存储总线。
cpu
主存
公共 接口
接口
I/O
接口 I/O
第一章 绪论
3、面向存储器的双总线系统结构
优点：通过专用总线与存储器连接，提高了 cpu速度，减轻了系统总线的负担。 主存与输入输出设备交换，不需要通过cpu 计算机系统由cpu为中心转为存储器为中心
2008年 2004年 1999年
2003年 2006年
第一章 绪论
第一章 绪论
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 计算机的分类和应用 计算机的基本组成 计算机系统的硬件结构 计算机系统的软件 计算机系统的层次结构 计算机性能指标分析 计算机系统组织和结构的发展
第一章 绪论
2.9 万 13.4 万 27.5 万 120.0 万 310.0 万 550.0 万 550.0 万以上 800.0 万以上 4 200.0 万 晶体管
龙芯2E芯片与配套主板
第一章 绪论
后PC时代微处理器芯片对社会的影响
第一章 绪论
提高系统性能的若干技术：
流水线 向量机 RISC 超标量方式：同时执行多条指令 超长指令字（VLIW） 多存储体交叉访问
第三节 计算机系统的硬件结构
二、小型机与微型机的典型结构
1、以CPU为中心的双总线结构 cpu
主存
接口 I/O
接口
接口 I/O
I/O
第一章 绪论
1、以CPU为中心的双总线结构
结构特点——两组总线 存储总线、输入输出总线 优点：同一时间只能进行一种传送，控制线路 简单，时间关系易于处理，可以采用同 步控制方式。 缺点：I/O设备与存储器交换需要cpu控制， cpu效率降低。
整机系统分成主机、通道、I/O控制器和I/O设 备等四级。
通道：是一种控制设备，它能保证CPU中的数 据处理与I/O设备交换信息两项任务同时执行， 完成I/O操作管理。
第一章 绪论
第四节 计算机系统的软件
一、系统软件
操作系统 语言处理程序 管理程序 服务程序
二、应用软件
科学计算类 工程设计类 信息管理类
第一章 绪论
总线的概念
双向总线：
挂在总线上的任何一个部件或设备都可以从总线 上有选择地接受其他部件或设备的信息，而且能 通过总线有选择的向其他部件或设备发送信息。 总线传送信息的类别：
数据总线：传送操作数或程序。
地址总线：传送主存储器地址码或外围设备码。 控制总线：传送各种控制信息。
第一章 绪论
第一章 绪论
主板举例
第一章 绪论
第三节 计算机系统的硬件结构
二、中、大型计算机的典型结构
I/O控制器 通道 cpu I/O控制器
I/O I/O I/O I/O
I/O控制器 主存 通道 I/O控制器
带通道的大中型计算机系统结构 I/O I/O I/O I/O
第一章 绪论
第三节 计算机系统的硬件结构
第一章 绪论
冯· 诺依曼计算机硬件框图
存放数据 和程序 算术运算 逻辑运算
存储器
输入设备 将信息转换成机 器能识别的形式
运算器
输出设备 将结果转换成 人们熟悉的形式 指挥程序 运行
控制器
第一章 绪论
y=ax+b-c
行数 1 2 3 4 解题步骤和数据 取数 (9)→算盘 乘法 (12)→算盘 加法 (10)→算盘 减法 (11)→算盘 说 明 (9)表示第9行的数a,下同 完成a*x,结果在算盘上 完成ax+b,结果在算盘上 完成ax+b-c,结果在算盘上
第一章 绪论
第五节 计算机系统的层次结构
一、 硬软组成的层次结构
数据模型/算法 －－－－系统分析级 用户程序 －－－－－－－用户程序级 应用软件 －－－－－－－用户工具级 语言处理程序 －－－－算wk.baidu.com实现级 操作系统 －－－－－－－软件接口级 机器语言 －－－－－－－指令级 硬核 －－－－－－－微程序级
第一章 绪论
第五节 计算机系统的层次结构
二、从语言功能角度划分层次结构
专用语言虚拟机
高级语言虚拟机
汇编语言虚拟机
实际机器（机器语言物理机）
第一章 绪论
第五节 计算机系统的层次结构
二、从语言功能角度划分层次结构
专用语言虚拟机 －－－－－专用语言解释程序 高级语言虚拟机 汇编语言虚拟机 机器语言物理机 －－－－高级语言编译程序 －－－－汇编程序 －－－－指令系统
第一章 绪论
第六节 计算机的性能指标分析
一、计算机的主要特性
（一）在程序控制下自动连续工作 （二）运算速度快 （三）精度高、通用性强
二、计算机的主要指标
（一）基本字长： 参与计算机运算的操作数的基本位数。
第一章 绪论
第六节 计算机的性能指标分析
（二）主存储器容量 以字( Word )为单位的计算机常用字数乘以 字长来表示存储器容量，如 8192×16 表 示有 8192 个字存储单元。 以字节( Byte = 8 bit )为单位的计算机则常 以字节数表示存储器容量。如 1024B （1KB）。 主存储器容量通常受可直接访问的地址码 长度的限制。如地址码长度为16位，则可 直接访问的存储单元数为 216=65536。 （三）外存容量： 计算机系统中联机的外存储器容量。
1 .价格
2 .速度
3 .容量
二、智能化
第一章 绪论
计算机的发展
世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)
第一章 绪论
硬件技术对计算机更新换代的影响
代 时间 1946~1957 1958~1964 1965~1971 1972~1977 1978~现在 硬件技术 电子管 晶体管 中小规模 集成电路 大规模 集成电路 超大规模 集成电路
专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经 济性和适应性来划分的。
通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大型机、 中型机、小型机、微型机以及单片机。
第一章 绪论
第一节 计算机的分类和应用
二、计算机的应用
（一）科学计算——数值计算
（二）计算机控制——A/D、D/A
（三）信息处理——非数值计算 （四）教育和卫生 （五）家用电器 （六）人工智能
第一章 绪论
第一节 计算机的分类和应用
一、计算机的分类 • 电子模拟计算机的主要特点： 参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运 算过程是连续的。
• 电子数字计算机的主要特点：
参与运算的数值用断续的数字量表示，其运算 过程按数字位进行。
第一章 绪论
数字计算机分类
数字计算机按用途分为：专用计算机和通用计算机。 专用计算机：为解决某类问题而设计。 通用计算机：适应性很强，可以解决各类应用。
第一章 绪论
速度（次/秒） 40 000 200 000 1 000 000 10 000 000 100 000 000
一 二 三 四
第一台von Neumann 系统结构的计算机
第一章 绪论
IBM System／360
第一章 绪论
Intel 公司的典型微处理器产品
8080 8位 1974年 8086 16位 1979年 80286 16位 1982年 80386 32位 1985年 80486 32位 1989年 Pentium 64位（准） 1993年 Pentium pro 64位（准） 1995年 Pentium Ⅱ 64位（准） 1997年 Pentium Ⅲ 64位（准） 1999年 Pentium Ⅳ 64位 2000年 预计 2010 年 芯片上可集成 8亿