计算机系统概述 .ppt
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1、计算机组成原理计算机组成原理:计算机计算机专业基础课程专业基础课程,学生,学生必修的必修的核心硬件课程核心硬件课程。起到了承上启下的作用:起到了承上启下的作用:先修课程:先修课程:数字电路数字电路(补充知识:前两周)(补充知识:前两周)高级语言设计高级语言设计后续课程:后续课程:操作系统操作系统接口与汇编语言接口与汇编语言计算机系统结构计算机系统结构计算机组成原理课程计算机组成原理课程1课程定位课程定位2009年开始年开始计算机专业计算机专业考研考研统考:总分统考:总分150分。分。计算机基本知识体系结构(四门基础理论课程)计算机基本知识体系结构(四门基础理论课程)嵌入式开发(软)嵌入式开发(
2、软)系统程序开发系统程序开发底层程序开发底层程序开发嵌入式开发(硬)嵌入式开发(硬)数字电路分析数字电路分析数字电路设计数字电路设计完善知识完善知识体系结构体系结构后续知识后续知识理论基础理论基础软件开发软件开发硬件设计硬件设计2计算机系统结构计算机系统结构(奥组委:完成举办奥运会)(奥组委:完成举办奥运会)主要研究软件与硬件的功能分配,以及确定主要研究软件与硬件的功能分配,以及确定软硬件的分界面软硬件的分界面。计算机组成计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。(建筑设计师:奥运村图)是计算机系统结构的逻辑实现。(建筑设计师:奥运村图)当一个计算机系统把软件和硬件功能划分完以后,当一个计算机系统
3、把软件和硬件功能划分完以后,组成主要研究组成主要研究计算机计算机各硬部件的组成各硬部件的组成和它们之间的关系。和它们之间的关系。计算机实现计算机实现是计算机组成的物理实现。(建筑工程队:按设计图施工)是计算机组成的物理实现。(建筑工程队:按设计图施工)研究各硬部件的物理实现技术。研究各硬部件的物理实现技术。概念解释:概念解释:计算机组成计算机组成与与计算机系统结构计算机系统结构软件软件硬件硬件硬件硬件一个计算机系统结构一个计算机系统结构有不同的计算机组成方法。有不同的计算机组成方法。一种计算机组成一种计算机组成有不同的计算机实现技术。有不同的计算机实现技术。3计算机系统结构计算机系统结构Com
4、puterArchitecture是从站在计算机系统是从站在计算机系统外部外部的角度的角度,来研究计算机的一门学科。来研究计算机的一门学科。从从程序员程序员角度,观察到计算机的外特性角度,观察到计算机的外特性概念性的属性和功能。概念性的属性和功能。对不同虚拟机层次的程序员,看到计算机的外部特性不完全相同。对不同虚拟机层次的程序员,看到计算机的外部特性不完全相同。计算机组成计算机组成ComputerOrganization(是我们将要学习的是我们将要学习的)是从站在计算机系统是从站在计算机系统内部内部的角度,的角度,来研究计算机构成的。来研究计算机构成的。是从是从逻辑设计人员逻辑设计人员的角度,
5、研究计算机各组成部分的构成和互联。的角度,研究计算机各组成部分的构成和互联。研究主要内容:研究主要内容:运算方法、运算方法、CPU组成、存储器、组成、存储器、输入设备、输出设备、输入输入设备、输出设备、输入/输出接口等。输出接口等。概念解释:概念解释:计算机组成计算机组成与与计算机系统结构计算机系统结构4我们将掌握计算机硬件系统的基本组成原理和简单的设计技术。我们将掌握计算机硬件系统的基本组成原理和简单的设计技术。包括:包括:数字化信息编码与数据表示,数据运算算法和运算器部件的知识;数字化信息编码与数据表示,数据运算算法和运算器部件的知识;指令、指令系统和控制器部件的知识;指令、指令系统和控制
6、器部件的知识;存储器系统的组成、运行原理;存储器系统的组成、运行原理;输入输出系统的构成和运行原理。输入输出系统的构成和运行原理。将讲解将讲解单台单台计算机的计算机的完整完整硬件系统硬件系统的的基本基本组成原理组成原理与内部与内部运行机制运行机制。单台:单台:讲单个简单的计算机系统,非多计算机系统,非多处理器结构。讲单个简单的计算机系统,非多计算机系统,非多处理器结构。完整:完整:计算机整机,全部的硬件功能部件。计算机整机,全部的硬件功能部件。基本:基本:是最基础的最必要的组成部分,不一定是最高性能最合理的组成。是最基础的最必要的组成部分,不一定是最高性能最合理的组成。计算机组成原理课程学习目
7、标计算机组成原理课程学习目标51、计算机系统概论计算机系统概论(第(第1、2章)章)2、计算机的逻辑部件计算机的逻辑部件(数字电路(数字电路补充补充课程)课程)3、运算方法和运算部件运算方法和运算部件(第(第6章)章)4、存储器系统存储器系统(第(第4章)章)5、指令系统指令系统(第(第7章)章)6、CPU(第(第8、9、10章)章)7、系统总线系统总线(第(第3章)章)8、输入输出系统输入输出系统(第(第5章)章)以课件内容为知识主线以课件内容为知识主线计算机组成原理授课计划与教材计算机组成原理授课计划与教材6系系统统总总线线存储器存储器运算器运算器控制器控制器接口与通信接口与通信输入输入/
8、输出设备输出设备林楠林楠办公室:办公室:211办公电话:办公电话:0371-63888959电子邮件:电子邮件:计算机组成原理计算机组成原理第一章第一章计算机系统概论计算机系统概论7本章大纲:本章大纲:本章以概念为主,内容较少。本章以概念为主,内容较少。计算机的发展历程;计算机的发展历程;冯诺依曼计算机的原理及基本组成;冯诺依曼计算机的原理及基本组成;计算机的层次结构;计算机的层次结构;计算机的常用性能指标:计算机的常用性能指标:吞吐量、响应时间;吞吐量、响应时间;CPU时钟周期、时钟周期、主频、主频、CPI、CPU执行时间;执行时间;MIPS、MFLOPS。第一章第一章计算机系统概论计算机系
9、统概论8第一章第一章计算机系统概论计算机系统概论1、计算机系统的组成、计算机系统的组成2、计算机系统的层次结构、计算机系统的层次结构3、计算机的发展简史、计算机的发展简史4、计算机的应用范围、计算机的应用范围应用软件应用软件系统软件系统软件硬件硬件9计算机由计算机由硬件硬件和和软件软件两大部分组成,统称两大部分组成,统称计算机系统计算机系统。即:即:单有计算机硬件或计算机软件,都不能称为计算机系统。单有计算机硬件或计算机软件,都不能称为计算机系统。硬件结构和性能硬件结构和性能对对程序处理的速度程序处理的速度影响是很大的影响是很大的。1、计算机系统的组成、计算机系统的组成计算机系统计算机系统硬件
10、系统硬件系统控制器控制器主机主机CPU内存储器内存储器外设外设外存储器外存储器输入设备输入设备输出设备输出设备系统软件系统软件应用软件应用软件运算器运算器软件系统软件系统软盘软盘硬盘硬盘光盘光盘操作系统操作系统网络系统软件网络系统软件10ApplicationsoftwareDevice driversOperatingsystemsSoftware Systems software系统软件系统软件包括:包括:1、操作系统操作系统2、语言处理程序语言处理程序3、标准库程序标准库程序4、服务性程序服务性程序5、数据库管理系统数据库管理系统6、计算机网络软件计算机网络软件1、计算机系统的组成:软件
11、系统、计算机系统的组成:软件系统计算机软件计算机软件有两大类:有两大类:系统软件(直接管理硬件资源)系统软件(直接管理硬件资源)和和应用软件应用软件。系统软件系统软件调用(管理)调用(管理)应用软件。应用软件。1100A20084008210208DE200008E020004AE020000ADE2000403E00008MIPS机器机器语言语言程序程序目标程序文件目标程序文件(在计算机中运行)(在计算机中运行)1、计算机系统的组成:软件系统、计算机系统的组成:软件系统源程序文件(人工编写)源程序文件(人工编写)swap:sll$2,$5,2add$2,$4,$2lw$15,0($2)lw$
12、16,4($2)sw$16,0($2)sw$15,4($2)jr$31MIPS汇编汇编语言语言程序程序汇编语言:面向机器汇编语言:面向机器机器语言:面向机器机器语言:面向机器汇编语句与机器语句一一对应。汇编语句与机器语句一一对应。通过通过 汇编程序汇编程序 翻译翻译逻辑功能:计算逻辑功能:计算0+1机器指令:机器指令:0010001汇编语言:汇编语言:ADDr1,r212汇编程序汇编程序swap:sll$2,$5,2add$2,$4,$2lw$15,0($2)lw$16,4($2)sw$16,0($2)sw$15,4($2)jr$31MIPS汇编汇编语言语言程序程序编译程序编译程序00A200
13、84008210208DE200008E020004AE020000ADE2000403E00008MIPS机器机器语言语言程序程序目标程序文件目标程序文件(在计算机中运行)(在计算机中运行)swap(int v,int k)int temp;temp=vk;vk=vk+1;vk+1=temp;高级高级语言语言程序程序源程序文件源程序文件(人工编写)(人工编写)1、计算机系统的组成:软件系统、计算机系统的组成:软件系统中间语言中间语言13计算机硬件系统包括:计算机硬件系统包括:CPU(运算器运算器、控制器、控制器、Cache)存储系统存储系统(高速缓存高速缓存、主存储器主存储器、外存设备外存设
14、备)输入输入/输出设备输出设备等主要组成部分。等主要组成部分。它们总是通过它们总是通过总线总线和和接口接口连接在一起,连接在一起,构成一台完整的计算机。构成一台完整的计算机。系系统统总总线线存储器存储器运算器运算器控制器控制器接口与通信接口与通信输入设备输入设备输出设备输出设备1、计算机系统的组成:硬件系统、计算机系统的组成:硬件系统14计算机进行解题的过程完全和我们人用算盘解题的情况类似:计算机进行解题的过程完全和我们人用算盘解题的情况类似:运算器:运算器:相当于相当于算盘算盘,具有,具有计算计算功能的部件。功能的部件。存储器:存储器:相当于相当于纸,纸,具有具有记忆记忆功能的部件。功能的部
15、件。输入设备输入设备或者或者输出设备:输出设备:相当于相当于笔,笔,把原始解题数据送到计算机或者把原始解题数据送到计算机或者把运算结果显示出来的设备。把运算结果显示出来的设备。控制器:控制器:相当与我们人的相当与我们人的大脑大脑,能够自动控制整个计算过程的。,能够自动控制整个计算过程的。和打算盘不同的是以上这些部分是和打算盘不同的是以上这些部分是由电子线路和其他设备进行控制。由电子线路和其他设备进行控制。计算机是死的,人的大脑是灵活的。计算机是死的,人的大脑是灵活的。1、计算机系统的组成:硬件系统、计算机系统的组成:硬件系统15运算器运算器:是计算机中进行数据加工的部件。是计算机中进行数据加工
16、的部件。其主要功能包括:其主要功能包括:1、执行数值数据的、执行数值数据的加加减减乘乘除除等等算术运算算术运算,执行逻辑数据的执行逻辑数据的与与或或非非等等逻辑运算逻辑运算,所有的运算功能由一个被称为所有的运算功能由一个被称为ALU(算术逻辑单元)(算术逻辑单元)的电路完成。的电路完成。功能强的功能强的ALU还能执行还能执行定点运算、定点运算、浮点运算,浮点运算,甚至向量运算。甚至向量运算。2、暂时存放暂时存放参加运算的数据和参加运算的数据和中间结果中间结果。(由多个通用寄存器来完成)(由多个通用寄存器来完成)系系统统总总线线存储器存储器运算器运算器控制器控制器接口与通信接口与通信输入设备输入
17、设备输出设备输出设备1、计算机系统的组成:硬件系统、计算机系统的组成:硬件系统16控制器:控制器:是计算机的管理机构和指挥中心。(是计算机的管理机构和指挥中心。(人的大脑人的大脑)控制计算机中其他各部件,控制计算机中其他各部件,对运算器、存储器、输入对运算器、存储器、输入/输出设备等部件发出有关操作命令。输出设备等部件发出有关操作命令。功能:功能:1、正确执行每条指令(单个指令)、正确执行每条指令(单个指令)先取一条指令、先取一条指令、分析这条指令、分析这条指令、再按指令格式和功能执行这条指令。再按指令格式和功能执行这条指令。2、保证指令按规定序列自动连续执行。、保证指令按规定序列自动连续执行
18、。(多个指令)(多个指令)3、对异常情况和请求及时响应和处理。、对异常情况和请求及时响应和处理。系系统统总总线线存储器存储器运算器运算器控制器控制器接口与通信接口与通信输入设备输入设备输出设备输出设备1、计算机系统的组成:硬件系统、计算机系统的组成:硬件系统17存储器:存储器:是存放程序和数据的部件,它具有是存放程序和数据的部件,它具有记忆记忆作用。作用。三级存储系统三级存储系统:高速缓冲存储器、高速缓冲存储器、主存储器、主存储器、辅助存储器辅助存储器。这三级存储器所用的存储介质这三级存储器所用的存储介质(半导体材料,磁性材料),(半导体材料,磁性材料),工作原理和特性各不相同。工作原理和特性
19、各不相同。系系统统总总线线存储器存储器运算器运算器控制器控制器接口与通信接口与通信输入设备输入设备输出设备输出设备1、计算机系统的组成:硬件系统、计算机系统的组成:硬件系统18存储器存储器是是存储单元存储单元的集合。的集合。存储器的基本操作:存储器的基本操作:读读/写写,统称为,统称为访问访问。每个存储单元都有一个编号,称为每个存储单元都有一个编号,称为“地址地址”。存储器的容量:存储器的容量:存储器所有存储单元的总数(通常以存储器所有存储单元的总数(通常以字节字节为单位)。为单位)。例如:例如:宾馆的房间号码是地址,宾馆的房间号码是地址,每个房间里的床位相当于存储的一位数据。每个房间里的床位
20、相当于存储的一位数据。1KB(210字节字节)1MB(220字节)字节)1GB(230字节)字节)1TB(240字节)字节)存储单元地址存储单元地址:每个存储单元赋予一个地址:每个存储单元赋予一个地址存储字:存储字:存储单元中二进制代码的内容存储单元中二进制代码的内容存储字长:存储字长:存储单元中二进制代码的位数存储单元中二进制代码的位数8位;位;16位;位;32位;位;64位位10110010存储单元存储单元(房间)(房间)存储位(床位:有人存储位(床位:有人/无人)无人)存储器存储器(大楼)(大楼)地址地址1、计算机系统的组成:硬件系统、计算机系统的组成:硬件系统存储位存储位=存储元件存储
21、元件=存储基元存储基元=储存元储存元重点重点19P214ASCII字符编码表字符编码表b6b5b4b3b2b1b00000010100111001011101110000NULDLESP0P、p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC22BRbr0011ETXDC33CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;Kk1100FFFS,Ll1101CRGS-=Mm1110SORSNn1111
22、SIUS/?O-oDEL表中编码符号的排列次序为表中编码符号的排列次序为b7b6b5b4b3b2b1b0b7恒等于恒等于“0”,b6b5b4为高位部分为高位部分,b3b2b1b0为低位部分为低位部分。20输入设备:输入设备:向计算机向计算机送入程序和数据送入程序和数据的,有一定独立功能的设备。的,有一定独立功能的设备。它通过它通过接口接口和和总线总线与计算机连通,用于人机交互联系,把人们所熟悉与计算机连通,用于人机交互联系,把人们所熟悉的某种数据变换成机器内部所能接收和识别的二进制数据。的某种数据变换成机器内部所能接收和识别的二进制数据。例如:例如:键盘、鼠标等。键盘、鼠标等。理想的输入设备应
23、是理想的输入设备应是“会看会看”“会听会听”“会看会看”:摄像头,电子扫描笔:摄像头,电子扫描笔“会听会听”:麦克风:麦克风系系统统总总线线存储器存储器运算器运算器控制器控制器接口与通信接口与通信输入设备输入设备输出设备输出设备1、计算机系统的组成:硬件系统、计算机系统的组成:硬件系统21输出设备:输出设备:用于送出计算机内部数据的设备。用于送出计算机内部数据的设备。它把计算机的数据以人们能以识别的形式输出。它把计算机的数据以人们能以识别的形式输出。例如:例如:显示器等显示器等理想的输出设备应是理想的输出设备应是“会写会写”“会讲会讲”。“会写会写”:打印机,绘图仪等:打印机,绘图仪等“会讲会
24、讲”:音响设备等:音响设备等系系统统总总线线存储器存储器运算器运算器控制器控制器接口与通信接口与通信输入设备输入设备输出设备输出设备1、计算机系统的组成:硬件系统、计算机系统的组成:硬件系统22接口接口:通过接口,主机和外设可以并行协调地工作。:通过接口,主机和外设可以并行协调地工作。输入输入/输出设备通常称为输出设备通常称为外围设备外围设备。其种类繁多,数据传送方式和速。其种类繁多,数据传送方式和速度差异也很大,因此它度差异也很大,因此它不能直接同主机相连接不能直接同主机相连接,而要通过,而要通过接口接口与主与主机相连接。机相连接。例如:例如:网卡、声卡、显卡等。网卡、声卡、显卡等。系统总线
25、:系统总线:是构成计算机系统的骨架,是构成计算机系统的骨架,是多个系统部件之间进行数据传送的是多个系统部件之间进行数据传送的公公共通道共通道。借助系统总线的连接,计算机在各系统借助系统总线的连接,计算机在各系统部件之间实现部件之间实现地址、数据、控制数据地址、数据、控制数据的的传送。传送。例如:例如:主板上的传输线路主板上的传输线路系系统统总总线线存储器存储器运算器运算器控制器控制器接口与通信接口与通信输入设备输入设备输出设备输出设备1、计算机系统的组成:硬件系统、计算机系统的组成:硬件系统23计算机硬件的三个主要性能指标:计算机硬件的三个主要性能指标:1、机器字长:、机器字长:CPU一次一次
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