第1章-计算机系统的基本构成
计算机组成原理第1章PPT课件
3.数据传输率与数据通路宽度 (1)数据通路宽度: 数据总线一次能并行 传输的数据位数。 (2)数据传输率(带宽):数据总线每秒 传输的数据量。
总线位数×总线时钟频率
总线带宽 =
8
(B/S)
主存带宽 =?
4.存储容量
1)主存容量
K、M、G、T
1024
指存储单元个数 × 位数。
决定地址位数
存储体
控制线路
数据寄存器 读/写线路
译码器
…………
地址寄存器
…………
存储体: 存放信息的实体。 寻址系统:对地址码译码,选择存储单元。 读/写线路和数据寄存器:完成读/写操作,暂 存读/写数据。 控制线路:产生读/写时序,控制读/写操作。 3)讨论 存储单元读/写原理、存储器逻辑设计
(3) 输入/输出设备 1)功能:转换信息。
换、逻辑控制等功能。
2.典型的硬件系统结构 (1)以总线为基础的系统结构 特点:结构简单、控制方便、扩展容易。
总线
部件 部件 部件
单总线结构 系统总线
CPU
M
接口
I/O
接口 I/O
(2)采用通道或IOP的系统结构 带通道的系统(图1-6)
主机
通道
I/O控制器
I/O
• 规模较小的系统可将通道部件设置在 CPU内部。
1.3.2 计算机的主要性能指标
1.基本字长 指操作数的基本位数。 和运算器、寄存器、总线有关,它影响
计算精度、指令功能。 8 — 16 — 32 — 64位
2. 运算速度 (1)定点/浮点四则运算时间
(2)每秒平均执行的指令条数(MIPS) (3)CPU时钟频率(Hz)
5M 100M 1G 2.0G 3.2G (4)典型程序执行时间 (5)每条指令平均执行周期.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序
计算机组成原理第一章
被减数 减法 差
乘数
乘法 乘积高位 乘积低位
被除数
除法 余数
商
X
加数
减数
被乘数 除数
第23页,共63页。
① 加法操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
加
初态 ACC [M]
[ACC]+[X]
M
被加数 X ACC
第24页,共63页。
② 减法操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
减
初态 ACC [M]
[ACC]-[X]
M
被减数 X ACC
第25页,共63页。
③ 乘法操作过程
AC0 C MQ
AALUU
X
运算器
指令
乘
M
初态 ACC [M]
[ACC]
0
[X]×[MQ]
第26页,共63页。
被乘数 MQ X
ACC
ACC∥MQ
④ 除法操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
除
M
初态 ACC
被除数
[M] X
同组成和实现的一系列(Family)不同档次、不同
型号的机器
兼容机
系列机和兼容机需要保证向后兼容
不同厂家生产的具有相同计算机结构(不同的组成 和实现)的计算机
第39页,共63页。
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.机器字长 CPU 一次能处理数据的位数
与 CPU 中的 寄存器位数 有关
2.运算速度
第43页,共63页。
用脑电波控制的电脑:附着在人头皮的传感器把 脑电波传给电脑,也可用无线电传递,在数千米 之外就能轻而易举的控制电脑。
计算机组成与系统结构图文 (1)
⑦ HPCC:利用双精度矩阵乘法、傅立叶变换、并行矩阵 转置等七个子项全面评价系统的性能。
⑧ SAP SD:测试系统的响应时间及每小时完成的订单数, 用以衡量系统同时执行应用程序及数据库的能力。
第1章 绪 论
32
2) SPEC CPU 2000基准测试程序 SPEC成立于1988年,其全称最初是System Performance Evaluation Cooperative(系统性能评估合作社),现在已经更名 为Standard Performance Evaluation Corporation(系统性能评估 公司),先后开发出一系列的测试程序,其主要版本有SPEC CPU 89、SPEC CPU 92、SPEC CPU 95、SPEC CPU 2000等。
9
1.3 计算机的层次概念
1.3.1 计算机系统的层次结构 计算机系统的层次结构可用图1.2来表示。
第1章 绪 论
10
图 1.2 计算机系统的层次结构
第1章 绪 论
11
1.3.2 计算机系统结构、组成与实现 1. 计算机系统结构 今天的计算机系统结构所指的计算机的属性主要包括: ·数据的表示形式; ·寻址方式; ·内部寄存器组; ·指令集; ·中断系统; ·处理器工作状态及其切换; ·存储系统; ·输入/输出结构; ·信息保护及特权; ·高性能设计等。
解 因为
所以
PA TB 20 4 PB TA TA
即A完成该任务用时5 s。
TA=5 s
第1章 绪 论
28
3. 用测试程序来测评计算机系统性能
1) 基准测试程序 以往对计算机的测试采用过如下几种程序: ① 实际应用程序,即计算机工作的真实程序。 ② 修正的实际应用程序,即对真实程序进行其些修改构
第1章 计算机系统组成部件
1.3.1.4 驱动器接口
接口。 (1)I/O接口。 ) 接口 (2)并口。 )并口。 (3)串口。 )串口。 接口。 (4)PS/2接口。 ) 接口 接口。 (5)USB接口。 ) 接口
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计算机的硬件是由电子器件和机电元件装置组 成的, 包括控制器、 运算器、 存储器、 成的 , 包括控制器 、 运算器 、 存储器 、 输入和 输出设备,这是计算机系统中的物理实体部分。 输出设备 , 这是计算机系统中的物理实体部分 。 根据其外观特征及功能的不同,可划分为主机、 根据其外观特征及功能的不同 , 可划分为主机 、 外部设备两大部分。 外部设备两大部分。 主机包括CPU(中央处理器)、主存储器、接 (中央处理器) 主存储器、 主机包括 口电路和总线电路。其中CPU是计算机的心脏, 是计算机的心脏, 口电路和总线电路 。 其中 是计算机的心脏 它的性能强弱能直接决定整个计算机的性能, 它的性能强弱能直接决定整个计算机的性能 , 是衡量计算机档次的一个重要指标。 是衡量计算机档次的一个重要指标。
第1章 计算机系统组成部件 章
1.1 计算机系统硬件组成 1.2 微处理器 1.3 主板 1.4 内存 1.5 外存储器 1.6 输入系统设备 1.7 显示系统设备 1.8 声卡和音箱 1.9 机箱与电源
1.1 计算机系统硬件组成
通常人们所说的计算机指的是办公室或者家里 用的微型计算机,简称“微机” 又称为“ 用的微型计算机,简称“微机”,又称为“个 人计算机” 即简称PC( 人计算机”,即简称 (Personal Computer)。 )。 计算机系统必须由两部分组成:一是硬件 (Hardware),二是软件(Software)。 ) 二是软件( )
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1.2.2 CPU的性能指标 的性能指标
计算机组成原理第一章总结
第一章计算机系统概述1.电子(电子线路)数字(电子线路是数学式)通用(计算机本身功能多样)计算机系统。
2.计算机系统由计算机硬件(构成计算机的所有实体部件的组合)和计算机软件(一系列按照待定顺序组织的计算机数据和指令的集合)组成。
3.硬件指由中央处理器,存储器以及外围设备等组成的实际装置,硬件的作用是完成每条指令规定的功能。
指令是计算机运行的最小的功能单位,指令是指示计算机硬件执行某种运算,处理功能的命令。
4.软件是为了使用计算机而编写的各种系统的和用户的程序,程序由一个序列的计算机指令组成。
指令是用于设计的一种计算机语言。
5.计算机系统的层次结构:数字逻辑层,微体系结构层(这两层是硬件部分),指令系统层(处在硬件和软件系统),操作系统层,汇编语言层,高级语言层(这三层是软件部分)。
6.运算器(ALU,算术逻辑单元)(1)算术运算和逻辑运算(2)在计算机中参与运算的数是二进制的(3)运算器的长度一般是8,16,32或64位。
7.存储器(1)存储单元:在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器,组成一个存储单元。
(2)存储器地址:存储器是由许多存储单元组成,每个存储单元的编号称为地址。
(3)内存储器(ROM,RAM)8.信息单位(1)位(bit,简写b)数字计算机信息单位;包含1位二进制(0或1)(2)字节(Byte,简写B)由8位二进制信息组成(3)字(Word)计算机一次所能处理的二进制位数,至少一个字节,通常把组成一个字的二进制位数称为字长9.存储器的分类(1)按照在计算机中的作用(主存储器,寄存器,闪速存储器,高速缓冲存储器,辅助存储器等)10.主存储器(主存)通常采用半导体存储器(1)随机存取存储器(RAM)CPU可读写,断电时内容被消除(2)只读存储器(ROM)CPU只能读写,断电后可保留其数据,存储在ROM中的软件常被称为固件。
11.寄存器(CPU内部的一组特殊存储单元)(1)读写速度比主存快的多,通常被用于使用最为频繁的数据项,以避免多次访问主存,减少主存访问可大大加快计算机速度。
第1-3章计算机组成原理课后习题答案
第1章计算机系统概论1.1 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件?硬件和软件哪个更重要?解:计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
硬件即指计算机的实体部分,它由看得见摸得着的各种电子元器件,各类光、电、机设备的实物组成,如主机、外设等。
软件是看不见摸不着的,由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成,用来充分发挥硬件功能,提高机器工作效率,便于人们使用机器,指挥整个计算机硬件系统工作的程序、资料、数据集合。
硬件和软件在计算机系统中相互依存,缺一不可,因此同样重要。
1.2 如何理解计算机系统的层次结构?解:(1)第一级:实际机器M1 (机器语言机器),机器语言程序直接在M1上执行;(2)第二级:虚拟机器M2(汇编语言机器),将汇编语言程序先翻译成机器语言程序,再在M1-上执行;(3)第三级:虚拟机器M3(高级语言机器),将高级语言程序先翻译成汇编语言程序,再在M2、M1(或直接到M1)上执行;(4)第零级:微程序机器M0(微指令系统),由硬件直接执行微指令。
(5)实际上,实际机器M1和虚拟机器M2之间还有一级虚拟机,它是由操作系统软件构成,该级虚拟机用机器语言解释操作系统。
(6)虚拟机器M3还可以向上延伸,构成应用语言虚拟系统。
1.3 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及联系。
解:机器语言由0、1代码组成,是机器能识别的一种语言。
用机器语言编写程序时要求程序员对他们所使用的计算机硬件及其指令系统十分熟悉,编写程序难度很大,操作过程也极易出错。
汇编语言是符号式的程序设计语言,汇编语言是面向机器的语言,它由一些特殊的符号表示指令。
用汇编语言编写的汇编语言程序必须先被翻译成机器语言程序,才能被机器接受并自动运行。
汇编语言的每一条语句都与机器语言的某一条语句(0、1代码)一一对应。
高级语言是面向用户的语言,与具体的计算机指令系统无关、对问题的描述更接近于人们习惯,且易于掌握和书写。
它具有较强的通用性,程序员完全不必了解、掌握实际机器M1的机型、内部的具体组成及其指令系统,只要掌握这类高级语言的语法和语义,便可直接用这种高级语言来编程,给程序员带来了极大的方便。
第1章-计算机系统的基本构成-完整版
运算器
运算器是完成运算功能的部件。
运算器中有一个算术逻辑单元(ALU), 它执行各种数据运算操作。
算术运算:加、减、乘、除、数据格式转 换。
ALU
逻辑运算:按位对数据进行与、或、非、
控制信号
移位等运算。
ALU是一个多功能的运算电路,进行何种
运算取决于由控制器发出的控制信号。
运算结果
缺点:所有设备都连在一组总线上,总线 只能分时工作,使数据传输量受限。
AB
CPU
RAM
ROM
I/O接口 IO设备
IO设备
DB CB
面向CPU的双总线结构
输入输出(I/O)总线
CPU
I/O接口 I/O接口
存储总线
I/O接口
主存
IO设备
IO设备
IO设备
通过存储总线使CPU对主存进行读/写操作。通过I/O总线让CPU与I/O设备 进行数据交换。
(1) DMA (Direct Memory Access)方式的提出
中断方式仍很费时,无法实现大容量的快速数据交换。
每进行一次传送,CPU都要执行一次中断服务程序,且都要保 护和恢复断点,及保护现场等。这些操作与数据传送并无直 接联系,但很费时。
1.3 计算机系统的历史与发展
1.1 计算机的基本构成
输入
存储器 运算器
控制器
数据线路 控制信号
输出
微型计算机
以微处理器为核心 配上由大规模集成电路的存储器
(ROM/RAM)、输入/输出接口(I/O)电 路及系统总线(BUS)等所组成的计算机。 将这些组成部分集成在一片超大规模集成电 路芯片上则构成单片微型计算机
第1章 计算机系统概论
第1章 计算机基础知识--计算机系统组成
微型机的硬件系统组成
微型机和PC机的概念
微型机使用微处理器,结构紧凑、功能齐全、使用广泛。 PC(Personal Computer)简称“个人计算机”,习惯上称为PC机。 PC机是微型机的一种, 是目前使用人数最多、应用范围最广泛的微型机。 PC机包括台式机和笔记本电脑。
台式机
ROM
计算机的基本结构和工作流程
外部存储器
目前主要有磁盘驱动器(包括软盘驱动器和硬盘驱
动器)和光盘驱动器。
软盘驱动器
硬盘驱动器
光盘驱动器
计算机的基本结构和工作流程
内部存储器与外部存储器的比较
内部存储器 访问速度快 暂时性 容量小 价高 外部存储器 访问速度慢 永久性Байду номын сангаас
容量大
价低
计算机的基本结构和工作流程
目前常用的3英寸硬盘转速一般在5400~7200 转/分钟之间。存储容量有160GB-2TB不等。
微型机的硬件系统组成
CD-ROM光盘驱动器
CD-ROM光盘驱动器就是只读光盘存储器,
它可以读取CD-ROM光盘片上存储的数据。
存储介质是CD-ROM光盘片,由3层结构构 成:基层、反射层和保护膜层。
计算机的系统组成
计 算 机 系 统
硬 件
计算机 实体部 件 系统 软件 应用 软件
硬件:有形的物理设备,是指构 成计算机的所有实体部件集合
软 件
软件:硬件上运行的各种程序和 文档的总和。
计算机的基本结构和部件的功能
冯· 诺依曼式计算机硬件系统主要由五部分组成:
1 2 3 4 5
运算器
存储器 控制器
针式打印机具有打印成本低,可打印连续的穿孔纸和多层纸
第1章 计算机系统基础知识
第1章 计算机系统基础知识本章主要包括计算机系统的组成、计算机的类型、计算机中数据的表示和运算、CPU 、存储器等基础知识。
1.1 计算机系统的基本组成计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的,计算机硬件是计算机系统中看得见、摸得着的物理装置,计算机软件是程序、数据和相关文档的集合。
计算机系统的组成如图1-1所示。
控制器CPU运算器 内存储器(主存储器)主机硬件系统输入设备 输出设备外存储器(辅助存储器)软件系统系统软件 应用软件外部设备计算机系统图1-1 计算机系统的组成示意图1.计算机系统的硬件组成基本的计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成。
随着器件技术和微电子技术的发展,运算器、控制器等部件已被集成在一起,统称为中央处理单元(Central Processing Unit ,CPU )。
CPU 是硬件系统的核心,用于数据的加工处理,能完成各种算术、逻辑运算及控制功能。
运算器是对数据进行加工处理的部件,它主要完成算术和逻辑运算。
控制器的主要功能则是从主存中取出指令并进行分析,控制计算机的各个部件有条不紊地完成指令的功能。
存储器是计算机系统中的记忆设备,分为内部存储器(Main Memory ,MM ,简称内存、主存)和外部存储器(简称外存)。
内存速度快、容量小,一般用来临时存放计算机运行时所需的程序、数据及中间结果。
外存容量大、速度慢,可用于长期保存信息。
寄存器是CPU 中的记忆设备,用来临时存放指令、数据及运算结果。
与内存储器相比,寄存器的速度要快得多。
习惯上将CPU和主存储器的有机组合称为主机。
输入/输出(I/O)设备位于主机之外,是计算机系统与外界交换信息的装置。
所谓输入和输出,都是相对于主机而言的。
输入设备的作用是把转换成二进制形式的信息输入到计算机的存储器中,输出设备的作用是把运算处理结果按照人们所要求的形式输出到外部存储介质上。
2.计算机软件计算机软件是指为管理、运行、维护及应用计算机所开发的程序和相关文档的集合。
《微机原理》教学课件 第1章 计算机系统概述
0.09μm / 315万
执行速度 (MIPS)
0.06 0.75
1. 5
112
时钟频率 (MHz)
代表产品
<1
MCS-4,MCS-8 4004,8008
<4
Intel8080,8085 M6800,Z80
4~10
Intel8086,80286 M68000,Z8000
16~3G
Intel8386,80486 Pentium ,Ⅱ, Ⅲ,4
(3)知识库管理功能。要求能完成知识获取、检 索和更新等功能。
第一章 计算机系统概论
1.1.2 微型计算机的发展
微型计算机指采用超大规模集成电路,形成体积 小、重量轻、功能强、耗电少的计算机系统。
电子计算机技术 微型计算机
超大规模集成电路工艺技术
结 晶
微型机的发展是以微处理器的发展为表征的,以 微处理器为中心的微型机是电子计算机的第四代产 品。微处理器自1971年诞生以来,发展迅猛,每 2~3年就更换一代。
第一章 计算机系统概论
第五代计算机设想:
1981年日本提出实现智能计算机,但没有取得预 期的结果。美国也有多家公司推出智能计算机。一 般要求智能计算机具有下列功能:
(1)智能接口功能。能自动识别自然语言、图形、 图象。即有语音识别、视觉、感知、理解功能。
(2)解题推理功能。根据自身存储的知识进行推 理,具有问题求解和学习的功能。
第一章 计算机系统概论
2. 电子数字计算机的发展的四个阶段
时间
46-5 8
器件
电子管
58-6 4
晶体管
64-7 1
集成电路
71-今
大规模集 成电路
第1章__计算机系统基础
1.3.2 指令和指令系统
指令:能被计算机识别并执行的二进制代码, 它规定了计算机能完成的某一种操作。
指令组成:操作码+操作数 指令系统:一台计算机所有指令的集合,包
括数据传送指令,数据处理指令,程序控制 指令,输入/输出指令和其他指令。
37
1.3.2 指令和指令系统
指令的执行:主要由“取指令”,“指令译码”, “指令执行”,“结果写回”四种基本操作构成, 这个过程不断重复进行。
超级计算机集群“红杉”(Sequoia)
21
1.2.2 大型计算机
我国国防科技大学研制的“天河1号”计算机, 2010年11月排名世界500强计算机第1名
“天河1号”计算机性能:
2560个计算节点,6144个3.0GHz的Intel Xeon处理 器,2560片显卡,内存总容量为98TB
点对点通信带宽:40Gbit/s 峰值计算速度:每秒钟2570万亿次。
49
1.4.2 CPU系统
CPU的组成
50
1.4.2 CPU系统
英特尔公司CPU产品
酷睿(Core)系列,主要用于台式微机和笔记本 微机。
至强(Xeon)系列,主要面向PC服务器。 凌动(Atom)系列,主要用于平板微机。
51
1.4.2 CPU系统
CPU技术性能
系统结构,指令系统,处理字长,工作频率,高 速缓存容量,加工线路宽度,工作电压等。
(2)硬盘 机械硬盘和电子硬盘(SSD)
63
1.4.4 存储系统
机械硬盘和电子硬盘的比较
64
1.4.4 存储器系统
硬盘容量
320GB,500GB,1TB,2TB或更高。
硬盘尺寸
3.5英寸、2.5英寸等。
第1章-计算机系统结构(第五版)李学干【可编辑全文】
3.
1) 系列机只能在系统结构相同或相近(允许向后稍许发展) 的机器之间实现汇编语言软件的移植。 要求原来在B机器上运行的应用软件,能移植到有不同 系统结构的A机器上,根据层次结构概念,可把B机器的机器 语言看成是在A机器的机器语言级之上的一个虚拟机器语 言,在A机器上用虚拟机概念来实现B机器的指令系统,如图 1 - 6所示。
图 1-6 用模拟方法实现应用软件的移植
如果能直接用微程序去解释B机器的指令,如图1 - 7所 示,显然就会加快这一解释过程。
仿真和模拟的主要区别在于解释用的语言。仿真是用微 程序解释,其解释程序存在于控制存储器中; 而模拟是用机 器语言程序解释,其解释程序存在于主存中。
3) 不同系列间的软件移植一般是仿真和模拟并行。
TCPUICCPI1fc
假设系统共有n种指令,第i种指令的时钟周期数为 CPIi,第i种指令在程序中出现的次数为Ii,则
TCP U i n1 (CP iIIi)1 fc
这样
n
CP Ii1CIC P iIi i n1CP iIIIiC
为了反映程序的运行速度,通常引入如下一些定量指
(1) MIPS(Million Instructions Per Second,百万条指令 数每秒)
1 MFLOPS≈3 MIPS
2. 在设计计算机系统时,一般应遵循如下的定量设计原
理:
(1) 哈夫曼(Huffman)压缩原理。 (2) Amdahl定律。 性能可改进比fnew是系统性能可改进部分占用的时间与未 改进时系统总执行时间的比值,显然,0≤fnew≤1。部件加速 比rnew是系统性能可改进部分在改进后性能提高的比值。不 难看出,rnew>1
1.1 计算机系统的层次结构 1.2 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现 1.3 计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理 1.4 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类 1.6 本章小结
计算机组成与结构第1章计算机系统概论
计算机组成与结构第1章计算机系统概论在当今数字化的时代,计算机已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
从日常的通信交流到复杂的科学研究,从娱乐消遣到工业生产,计算机的身影无处不在。
要深入理解计算机是如何工作的,以及如何更好地利用它,我们首先需要了解计算机系统的组成与结构。
计算机系统可以看作是一个由多个部分协同工作的复杂整体。
它就像是一个高效运转的工厂,每个部件都有其特定的功能和职责。
首先,让我们来谈谈计算机的硬件部分。
硬件是计算机系统的物理基础,包括中央处理器(CPU)、内存、输入设备、输出设备和存储设备等。
中央处理器,也就是 CPU,是计算机的“大脑”。
它负责执行计算机程序中的指令,进行算术运算和逻辑判断。
想象一下,CPU 就像是工厂里的指挥中心,决定着生产的流程和节奏。
内存则是计算机的“临时工作区”,用于存储正在运行的程序和数据。
它的读写速度很快,但容量相对较小。
内存就像是工人手边的工作台,能够快速地获取和处理所需的工具和材料。
输入设备允许我们向计算机提供信息,比如键盘、鼠标、扫描仪等。
它们就像是工厂的原材料入口,将各种信息输入到计算机系统中。
输出设备则负责将计算机处理后的结果展示给我们,例如显示器、打印机、扬声器等。
可以把输出设备想象成工厂的成品出口,将生产出来的产品展示给外界。
存储设备用于长期保存数据和程序,包括硬盘、光盘、U盘等。
存储设备就像是工厂的仓库,能够大量且长期地存储各种物品。
接下来,我们再看看计算机的软件部分。
软件是计算机系统的灵魂,它指挥着硬件完成各种任务。
软件可以分为系统软件和应用软件两大类。
系统软件是管理和控制计算机硬件与软件资源的程序,比如操作系统、编译器、驱动程序等。
操作系统就像是工厂的管理层,负责协调各个部门的工作,确保整个工厂的高效运转。
应用软件则是为了满足用户的特定需求而开发的程序,例如办公软件、游戏软件、图像处理软件等。
应用软件就像是工厂里的各种生产线,专门生产特定类型的产品。
计算机组成与结构第1章 计算机系统概述
计算机的过去
根据逻辑元件,计算机的发展划分为四代: 第一代(1946年~1958年)是电子管计算机 第二代(1959年~1964年)是晶体管计算机 第三代(1965年~1970年)是集成电路计算机 第四代( 1971年以后)是大规模和超大规模集成电路计算机
从1946年计算机诞生以来,大约每五年运算速度提高10倍,可 靠性提高10倍,成本降低10倍,体积缩小10倍。60多年来计算 机的发展过程,是在冯 · 诺依曼型计算机结构的基础上,紧紧围 绕提升运算速度、扩大存储容量、降低制造成本、提高系统可靠 性和使用的方便性为目的,不断采用新器件和研制新软件的过程。
23
二、计算机的分类
计算机从总体上分: • 模拟计算机、数字计算机(数字计算机俗称电脑)
计算机从用途上分: • 通用机、专用机
数字计算机按性能进一步分: • 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机
24
计算机的应用
1.科学计算 2.信息管理 3.过程检测与控制 4.计算机辅助工程 5.人工智能方面的
目前绝大多数计算机仍然建立在存储程序、程序控制概念的基础 上,称为冯·诺依曼型计算机。
28
外设
四、计算机的硬件组成
Байду номын сангаас输入设备
存储器
辅助存储器
输出设备
主存储器
主机
运算器
控制器
CPU
控制 数据 地址/指令
29
1、运算器
运算器的功能是执行算术运算、逻辑运算以及数据 转换,更复杂的运算分解成这些基本运算来实现。
计算机组成与结构第1章 计算机系统 概述
为什么要开设“计算机组成与结构”
重要的专业基础课有:
数据结构
计算机体系结构
3 系列机简介 1)要有统一的汇编语言或机器语言; 2)要确定好一种概念结构并有扩充余地; 3)要具有兼容性:将以前编写的软件不改或少许修 改就能在新机上运行的性能称兼容性(或向前兼容)。 ①向后兼容:目前编写的软件能在今后生产的计算机 上不加修改就能运行。 ②向上兼容:在低档机上编写的软件能在高档机上不 加修改地运行。 对一个系列机是否具有强大的生命力,主要取决 于软、硬件交界面选择是否恰当。其中,中大型机以 IBM360、370,微机以IBM—PC兼容机做的十分成功。
§3 影响计算机系统结构发展的因素
一、程序的可移植性的影响
1. 含义:程序的可移植性也就是程序的可继承性。 2. 解决可移植性的办法: 1)统一高级语言 高级语言是面向问题与算法的,与机器的具体结构关 系不大。 2)采用模拟技术 利用现有计算机的指令串来解释新计算机的指令功能 3)采用仿真技术 用现有计算机的微指令串来解释新计算机的指令功能 4)利用系列机
关于本课程考试
第一章 概述 §1 计算机系统和系统结构
一、计算机系统的组成
由硬件和软件组成。 1. 硬件:可视为多种资源: 1)处理信息资源—CPU; 2)存储信息资源—存储器; 3)交换信息资源—I/O设备。 2. 软件:即程序 1)系统软件:各用户共同使用,如操作系统 (OS),编译/解释程序,汇编程序,诊断程序等; 2)应用软件:为解决用户问题编写的程序。
3 操作重迭化
1)一条指令的几个过程段 ①取指令 ②译码分析 ③执行
2)传统机器的执行方式存在的问题
取 译 执 取 译 执
第i条
第i+1条
3)重迭执行 重迭执行可以提高指令的吞吐率,图示如 下:
i i+1 i+2 取 译 取 执 译 取 执 译 执
第1章微型计算机的组成
DDR SDRAM内存条的结构
第一章 微型计算机的组成
●内存的类型 1.SDRAM内存 2.DDR SDRAM内存 3.DDR2 SDRAM内存 4.RDRAM内存
第一章 微型计算机的组成
●虚拟内存
内存在计算机中的作用很大,计算机中所有 运行的程序都需要经过内存来执行,如果执 行的程序很大或很多,就会导致内存消耗殆 尽。为了解决这个问题,Windows中运用了 虚拟内存技术,即拿出一部分硬盘空间来充 当内存使用,当内存占用完时,计算机就会 自动调用硬盘来充当内存,以缓解内存的紧 张。
数码摄像头
第一章 微型计算机的组成
第七节 输出设备
● 显示器 ● 打印机 ● 绘图仪 ● 复印机 ● 音箱
第一章 微型计算机的组成
●显示器
1.CRT显示器(CRT)
CRT显示器的主要技术指标包括点距、像素和分辨率、扫 描频率、带宽和显示面积等。
2.液晶显示器(LCD)
CD显示器按照控制方式不同可分为被动矩阵式LCD及主动 矩阵式LCD两种。
移动硬盘单位容量价格比优盘便宜得多; 移动硬盘容量大,相对贵一点,速度慢一点。
优盘,容量小,相对速度快一点,便宜一点。
第一章 微型计算机的组成
第六节 输入设备
● 键盘 ● 鼠标 ● 触摸屏 ● 扫描仪 ● 数码相机 ● 数码摄像机 ● 数码摄像头
第一章 微型计算机的组成
●键 盘
键盘是计算机中最常用的输入设备之一,是用户同 计算机进行交流的主要工具。用户主要通过键盘向 计算机输入命令、程序以及数据等信息。目前主要 使用101键、104键和107键盘。
键盘
第一章 微型计算机的组成
●鼠 标
鼠标(Mouse),是一种用来移动光标和做 选择操作的输入设备 。
第一章 计算机基础知识(二)(计算机系统组成)
输入设备——键盘
键盘是计算机最常用的输入设备之一,其作用是向计算机输入命令,数据和程序,通常配合显 示器使用。 键盘由一组按阵列方式排列在一起的按键组成。键盘内装有自己的微处理器(一般是单片机), 有通断和译码功能,根据所击的键进行译码,转换成相应的机内码,送到内存和显示器。 目前大多数PC配备101键或103键标准键盘。
(FLASH芯片、DRAM芯片)而制成的硬盘。其存取速
度快,抗震性能好,但寿命偏短,容量偏小,价格偏高, 目前应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网 络终端、电力、医疗、航空等、导航设备等领域。
固态硬盘
机械式硬盘
微型机的硬 件系统组成
现代硬盘的雏形产生于1956年,是IBM生产的IBM 350 ,它相当于两个冰箱的体积,其储存容量只有 5MB。1973年IBM 3340问世,它拥有“温彻斯特”这 个绰号,也称温盘。这是今天硬盘的祖先。
常用键功能
25
第一款键盘: QWERTY键盘 1868年:美国新闻工作者克里斯托夫•肖尔斯(C.Sholes)发明了沿用至今 的QWERTY键盘 。
1873年使用此布局的第一台商 用打字机成功投放市场。这就 是为什么有今天键盘的排列方 式。
输入设备——鼠标
鼠标分有线和无线两种,鼠标的使用是为了使计算机的操作更加简便快捷,来代替键盘输入繁 琐的指令。因形似老鼠而得名“鼠标”。 鼠标可按键数分为两键鼠标、三键鼠标、五键鼠标和新型的多键鼠标
记录面数×磁道数/面×扇区数/道×字节数/扇区
目前常用的3英寸硬盘转速一般在5400~7200转/分钟之间。
存储容量可达10TB。 硬盘的磁道、扇 区示意图
0 1 2… i光盘
第1章计算机基础知识
1.3 计算机的基本工作原理
20
1.3.2 程序与软件 程序是为使计算机完成某项特定的任务而编写的一个有
序的命令和数据的集合。这些命令可以是计算机指令,也可 以是某种汇编语言或高级语言的词句。
软件是为方便用户,提高计算机效能而编制的各种程序 的总称。从软件工程学的观点来看,软件是程序的完善和发 展,它是经过严格的正确性检验和实际试用,并具有相对稳 定的文本和完整的文档资料的程序。
(5) 人工智能。用计算机来模拟人的智能,包括模式识别 、景物分析、语言识别、机器翻译、专家系统、博弈、 机器人。
(6) 网络应用。例如,电子商务、网上购物、远程教学。
1.2 计算机的组成
10
一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成
硬件系统由主机和外部设备组成(各种物理设备)。 软件系统由系统软件和应用软件组成,是运行、管理 和维护计算机的各类程序和文档的总称。
操作系统的功能:存储器管理、CPU管理、设备管理、文件管理 和作业管理。
1.3 计算机的基本工作原理
18
1.3.1 计算机的基本工作原理
冯·诺依曼计算机的工作原理可概述为
要点:
“存储程序” + “程序控制”
1.以二进制表示数据和指令(程序)。
2. 先将程序存入存储器中,再由控制器自动读 取并执行。
1.3 计算机的基本工作原理
19
存储程序与程序控制
存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列(即程 序)及运行中所需的数据,通过一定的方式输入并存储在计 算机的存储器中。
程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中一条条 指令,加以分析并执行规定的操作 。
指令是指计算机完成某个基本操作的命令。指令能被计算机 硬件理解并执行。一条指令就是计算机机器语言的一个语句, 是程序设计的最小语言单位。一条计算机指令是用一串二进 制代码表示的 。
《计算机组成原理》(周建敏)414-9课件 第一章
(4)指令由操作码和地址码组成, (5)指令在存储器内按顺序存放。 (6)早期的冯·诺依曼机以运算器
操作码用来表示操作的性质,地 通常是顺序执行,特定条件下,可 为中心,输入/输出设备通过运算
址码用来表示操作数在存储器中 根据运算结果或根据设定的条件改 器与存储器传送数据。
的位置。
变执行顺序。
计算机硬件的基本构成
学习目标
计算机硬件的基本知识,要
求达到“领会”层次
02
04 计算机系统层次结构,要
求达到“领会”层次
第3页
01 计算机的发展历程,要求达到 “领会”层次
03 计算机软件的概念,要求 达到“识记”层次
05 计算机的性能指标,要求达 到“简单应用”层次
目录
1.1 计算机的发展历程 1.2 计算机硬件的基本构成 1.3 计算机软件
典型的冯·诺依曼机结构如图所示。 控制信号
输入 设备
第16页
控制器
运算器 数据Βιβλιοθήκη 存储器指令输出 设备
计算机硬件的基本构成
1.2.2 现代计算机的组织结构
现代计算机已经发展为 以存储器为中心,使输入/输 出操作尽可能绕过CPU,直接 在输入/输出设备和存储器之 间完成,以提高系统的整体运 行效率,其结构如图所示。
计算机组成原理
Principles of Computer Organization
本章导读
计算机系统由硬件和软件两部分组成。其中,硬件部分包括运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备5大功能部件,它们通过总线相互连 接成一个完整的硬件系统;软件部分包括系统软件和应用软件。本章将 介绍计算机系统中的一些基本概念,目的在于为读者学习后续章节打下 坚实的基础。
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计算机系统的基本构成 数据的存储与访问
1、 计算机系统的基本构成
1.1 计算机的基本构成 1.2 计算机软件概述 1.3 计算机系统的历史与发展
1.1 计算机的基本构成
存储器 输入 输出
运算器
控制器 数据线路 控制信号 图 1-1 计算机的基本结构
微型计算机
以微处理器为核心 配上存储器(ROM/RAM)、输入/输出接
N
完成?
Y
中断方式
基本概念
在发生了一个外部的事件时调用相应的处理程序的过 程
中断服务程序与中断时CPU正在运行的程序是相互独 立的
中断处理中的问题
设备识别方式 中断处理程序入口地址的形成 中断裁决
中断屏蔽
中断响应过程
简单的中断处理过程
① 关中断 ② 保存现场 ③ 识别中断 ④ 形成服务程序入口地址 ⑤ 执行服务程序 ⑥ 恢复现场 ⑦ 开中断
存储器映像的外设寻址 将接口中的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存
器和内存单元一样看待 接口与存储器采用不同的地址 可以利用访存指令进行输入输出操作 单独编址法 两个地址空间 访问存储器和访问外围设备采用不同的指令
统一编址法Βιβλιοθήκη 地址 地址内存CPU
地址 译码器
选择
选择 地址
外设
ROM
I/O 接口
I/O 接口
系统软件
I/O 设备
I/O 设备
微型计算机系统的构成
运算器(ALU) 微处理器
(μP)
控制器
寄存器
微型计算机 ( μC ) 微型计算机系统 (μCS)
内存储器
输入/输出接口 输入/输出设备及外存储器 系统软件
应用软件
电源、面板、机架等
计算机的硬件结构
ALU(运算器) 存储器(读、写、访问) 容量(字、字节)
响应时间:用户向计算机系统发出一个请求后,到系
统对该请求做出响应并获得其结果所需的等待时间。 吞吐率:系统响应用户请求的速率。 运算速度
MIPS(Million Instruction Per second):反映计算机
每秒可执行的指令数。
基本的输入输出方式
输入输出设备的寻址
统一编址法
面向单处理器的和面向多处理器的。
输入输出总线:连接主机与外围设备。
电气特性
数据传输方向
单工:单向传输总线。 双工:双向传输总线。
半双工:只能在两个方向上轮流传输信息。 全双工:可在两个方向上同时传输信息。
定时特征(clocking)
同步:数据传输速率是固定的。 异步:数据传输速率是可变的。
如系统所需的存储器: 数据位数超过存储芯 片的数据总线位数, 则需要进行位扩展。 地址范围超过存储芯 片的地址表示范围, 则需要进行字扩展。
FFFFFF FFFFFB 8位 …… 8MB 000007 000003 D31~D24
32位
FFFFFC FFFFF8 8位 …… 8MB 000004 000000 D7~D0
完成某种功能的指令序列称为程序。 指令在计算机中用二进制的代码(机器码)表示, 以便于硬件的识别。
程序在执行前存储在主存储器中,控制器通常按指
令的顺序自动地从存储器中取出指令并依次执行,
或者根据指令决定执行的顺序(如跳转指令等)。
CPU、主机
运算器和控制器一起构成了计算机的中央 处理器(Central Processing Unit,
M/IO
单独编址法
MA 地址
内存
地址
地址 选择
内存
CPU
IOA 地址
CPU 外设 M/IO
地址 选择
外设
M/IO
两套地址线
一套地址线
实现输入输出数据传送的方式
程序控制方式
程序查询 中断
直接存储器访问(DMA)方式 通道方式
程序控制方式
启动外设 读外设状态 N
Ready? Y 传送数据
CPU)。它是计算机的核心部件。
通常把CPU、存储器和输入/输出接口电
路构成的电路系统称为主机(也即微型计
算机)
连接计算机各个部分的方式可以采用总线
的方式。
总线(BUS)
总线是计算机中连接各个功能模块的纽带,是
计算机各模块之间进行信息传输的公共线路。
总线上的设备可分为主设备和从设备两大类。
控制器—指令
控制器在计算机指令的控制下进行工作。 计算机指令是一种经过编码的操作命令。 控制器对指令进行译码,根据指令生成一系列时序
控制信号,控制其它单元工作。
控制器不断地从存储器中读取指令,然后分析指令
的含义(译码),并执行该指令的操作,执行完成
以后又从存储器中读取下一条指令。
控制器—程序
总线主设备:能够启动总线服务的设备(如
CPU)。
总线从设备:只能等待启动命令的被动型设备。
总线的分类
可按以下特性来对总线进行
分类:
物理特性 功能特性 电气特性
物理特性
按连线的类型
电缆式:通常采用扁平电缆连接线路板
主板式:在主机板上采用插槽方式供功能板插入。
背板式:在机箱中设置一个专门的总线插槽板。
按连线的数量
串行总线:用一条数据线进行数据传输。 并行总线:一般有8位、16位、32位、64位总线。
功能特性
按功能层次 芯片级总线:CPU芯片内部的总线,也称 内部总线。 板级总线:连接CPU、主存和I/O接口等 模块,也称局部总线。 系统级总线:连接系统中的各个功能模块。 按资源类型 处理器总线(系统总线):连接处理器、 主存与外设。
内核:提供最基础的机制。 外围:提供与应用程序的接口。
实时操作系统:通常用于嵌入式系统
响应的及时性:要求能对外部的事件做出及时的反应,要求系 统响应事件短。 响应时间的确定性:要能够确保响应时间的上限。 运行稳定、低成本、系统规模小、根据具体需求可裁剪。
计算机语言及其编译
机器语言:二进制代码表示、能被计算机硬件直接识别 的语言。
• 1word=16bit
如CPU的数据总线是32位的,
• 1word=32bit
字长反映了计算机中并行运算的能力。
双字 四倍字
存储器
字数:存储器的地址范围
所需要的地址总线
位数:存储器的数据范围
所需要的数据总线
通常带地址的存储器基本单元 都是1Byte(8bit)的数据容量
控制器根据存放在存储器中的指令序列工作 普林斯顿结构
哈佛结构
双存储器
. 指令存储器
. 数据存储器
微型计算机系统
以微型计算机为中心
配以相应的外围设备以及控制微型
计算机工作的软件
系统软件
应用软件
微型计算机系统的构成
微机系统 微机 微处理器 运算器 控制器 系统总线 寄存器组
RAM
AB
CPU
RAM
ROM
I/O接口
IO设备
IO设备 DB CB
面向CPU的双总线结构
输入输出(I/O)总线
CPU I/O接口
存储总线
I/O接口
I/O接口
主存
IO设备
IO设备
IO设备
通过存储总线使CPU对主存进行读/写操作。通过I/O总线让CPU与I/O设备 进行数据交换。 优点:提高了微机系统数据传输效率。 缺点:外设和主存之间没有直接通路,要通过CPU进行信息交换,降低了 CPU的工作效率
用来传输控制信号 由两种方向的单向控制信号组成
命令信号线(CPU→MEM/IO)
状态信号线(MEM/IO →CPU)
总线结构
单总线结构
双总线结构
面向CPU
面向主存
单总线结构
各模块之间的信息传递都通过单总线进行。 优点:控制简单,易于扩充配置I/O设备。 缺点:所有设备都连在一组总线上,总线 只能分时工作,使数据传输量受限。
的软件。
操作系统
操作系统,管理系统资源,为应用程序提供运行环境并为
用户提供操作界面。
存储管理 命令处理 进程管理 设备管理
网络通信管理
操作系统
交互操作系统:用于PC机和服务器
是一个应用程序的运行平台 应用程序可以随时加载到计算机系统中,并作为一个进程运行。 运行完成后退出系统,释放所有资源。 在PC机中,操作系统分为2个层次:
是所有存储器的基本存储数据单元。
记作B 1KB = 1024B 1MB = 1024KB 1GB = 1024MB 1TB = 1024GB
存储器内的数据
字(word)
一次可以直接处理的二进制数码的位数 通常取决于微处理器内部通用寄存器的
位数和数据总线的宽度
如CPU的数据总线是16位的,
口(I/O)及系统总线(BUS)等构成计算机。
将这些组成部分集成在一片超大规模集成电 路芯片上则构成单片微型计算机
单片机 嵌入式计算机
微型计算机的构成
地址总线(AB)
CPU