计算机组成PPT课件

通过本课程的学习，希望大家能够比较全面地掌握 计算机系统的基概念、基本原理、基本结构和基本分 析方法，并建立起计算机系统硬件和软件的完整概念。
希望从了解计算机系统的外部特性为出发点，以软 件设计过程中必须知道的计算机系统的结构为线索来学 习"计算机组成与结构"这门课。
"计算机系统结构" （computer architecture）一词 的含义有多种说法,并无统一的定义。它是 Amdahl 等人 在 1964 年提出的。他们把系统结构定义为由程序设计者 所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特 性。这实际上是计算机系统的外特性。按照计算机层次结 构，不同程序设计者所看到的计算机有不同的属性。使用 高级语言的程序员所看到的计算机属性主要是软件子系统 和固件子系统的属性，包括程序语言以及操作系统、数据 库管理系统、网络软件等用户界面。
第1章 计算机系统概论
在 研 制 ENIAC 计 算 机 的 同 时 ， 冯 ·诺 依 曼 ( Von Neumann)与莫尔小组合作研制了EDVAC计算机，该计算 机采用了存储程序方案，其后开发的计算机都采用这 种方式，称为冯·诺依曼计算机。冯·诺依曼计算机具有 如下基本特点：
(1) 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设 备和输出设备五部分组成。
第1章 计算机系统概论
（二）按结构分类通用计算机又分巨型机、大型机、中型 机、小型机、微型机、单板机和单片机七类。
第1章 计算机系统概论
1. 1 计算机与语言 1.2 计算机硬件与软件 1.3 计算机层次结构 1.4 计算机发展 1.5 计算机应用 1.6 计算机系统结构 1.7 计算机组成
第1章 计算机系统概论
20世纪40年代，无线电技术和无线电工业 的发展为电子计算机的研制准备了物质基础， 1943年～1946年，美国宾夕法尼亚大学研制的 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分器和计算机)是世界上 第一台电子计算机。当时，第二次世界大战正 在进行，为了完成新武器在弹道问题中许多复 杂的计算，在美国陆军部的资助下开展了这项 研究工作，ENIAC计算机于1945年年底完成， 1946年2月正式交付使用。
第1章 计算机系统概论
因为ENIAC计算机是最早问世的一台电子数字计算 机，所以人们认为它是现代计算机的始祖。ENIAC计算 机共用18 000多个电子管，1500个继电器，重达30吨， 占地170平方米，耗电140 kW，每秒钟能进行5000次加 法计算，领导研制的是宾夕法尼亚大学的莫克利 (J.W.Mauchly)和埃克特(J.P.Eckert)。该计算机存在 两个主要缺点，一是存储容量太小，只能存20个字长 为10位的十进制数；二是用线路连接的方法来编排程 序，因此每次解题都要依靠人工改接连线，准备时间 大大超过实际计算时间。
先修课程：数字电路基础
授课学时：62学时 1---16周
实验学时：10学时 考试占80分，平时成绩占10分，实验占10分。 课程的性质：本课是计算机专业的专业技术基础 课，计算机专业的核心课程之一，是主干必修课。
学习目标：
通过本课程学习，能够比较全面地掌握计算机系统 的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，并 建立起计算机系统的完整概念。
计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分 配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究各 组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令 级的各种功能和特性。计算机组成是计算机系统结 构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的 组成以及逻辑设计等。
计算机实现是指计算机组成的物理实现。 因此，计算机系统结构、计算机组成和计算机 实现是三个不同的概念。系统结构是计算机系统的 软、硬件的界面；计算机组成是计算机系统结构的 逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。 它们各自包含不同的内容，但又有紧密的关系。
(2) 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一 个存储器中，指令和数据一样可以送到运算器中运算， 即由指令组成的程序是可以修改的。
第1章 计算机系统概论
(3) 数据以二进制码表示。
(4) 指令由操作码和地址码组成。
(5) 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数 器(即程序计数器PC)指明要执行的指令所在的单元地 址，一般按顺序递增，也可按运算结果或外界条件而 改变。
(6) 机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器 间的数据传送都通过运算器。
冯·诺依曼计算机开辟了“存储程序自动控制”现 代计算机的先河，目前的计算机基本是基于冯·诺依曼 计算机的模型和原理研制的。
第1章 计算机系统概论
经典的冯·诺依曼计算机主要特点： 1.程序存储 2.运算器为中心 3.集中控制
现代计算机仍属于冯·诺依曼计算机， 改进（程序存储不变）： 1.以存储器为中心 2.总线结构 3.分散控制
第1章 计算机系统概论
1.1 计算机与语言
一、计算机分类 （一）按功能分类 电子计算机从总体上来说分为三大类:电子模拟计算机、 电子数字计算机和电子通用计算机。 电子模拟计算机：只能加工模拟量，数值由连续量来 表示，运算过程也是连续的。 电子数字计算机：只能加工数字量，按位运算，并且 不连续地跳动计算。 电子通用计算机：既能加工数字量又能加工模拟量。
第1章 计算机系统概论
1.1 计算机与语言 数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机。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。专用机是最有效、最经济和最快速的 计算机，它是针对某一任务设计的计算机，但是它的适应 性很差。通用机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经 济性。
学会计算机系统各个主要组成部分的基本原理，常 用的性能评价方法，分析方法、计算方法等。
课程要求：
计算机系统是一个非常复杂的系统，本课程以计算 机系统的外部特性为主来讲解计算机系统的基本结构， 所谓外部特性是指一个软件设计者编写出能够在计算机 系统上正确运行的程序（特别是系统程序）所必须了解 到的计算机系统的特性。