“计算机组成与系统结构”(第1章)

计算机组成与系统结构上海交通大学网络教育学院陈泽宇博士、副教授22007年第1学期（2007.1－2007.5）•对象–上海交通大学网络教育学院2006秋（业余制专升本）计算机科学与技术专业（软件、网络、信息安全）•总学分/总学时–4/60•讲课时间/地点–周二上午4节9:00-12:00（1.30-5.15）–江苏路501教室•教材–计算机组成与体系结构（第三版•网络版），白中英邝坚主编，科学出版社，20063前言第1章计算机系统概论第2章运算方法和运算器第3章存储系统第4章指令系统第5章中央处理器第6章总线系统×第7章外围设备第8章输入输出系统第9章并行组织4前言本课程与本专业其他课程的关系数学基础课离散数学计算机基础课计算机应用基础（国家统考）计算机专业课硬件、软件、网络……5计算机专业课•软件类–数据结构（学位课）–操作系统（学位课）–程序设计：•程序设计（C）•面向对象程序设计（Java）•Windows程序设计（VB.NET）•基于Web的程序设计•C++程序设计–数据库：•数据库原理与应用•数据库系统管理与维护•硬件类–计算机组成与系统结构•网络类–计算机网络–网络与信息安全•其它–信息技术前沿专题讲座–毕业设计6第1章计算机系统概论1.1计算机的分类与应用1.2计算机的硬件1.3计算机的软件1.4计算机系统的有关概念71.1计算机的分类与应用1.1.1计算机的分类1.1.2计算机的应用81.1.1计算机的分类•电子计算机–电子模拟计算机–电子数字计算机•专用计算机•通用计算机–超级计算机–大型机–服务器–工作站–微型机–单片机9电子计算机分类•电子模拟计算机–数值连续、运算过程连续–精度和解题能力都有限，应用范围较小•电子数字计算机–数值离散、运算过程离散–主要特点是按位计算，并且不连续地跳动计算10数字计算机分类•按效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分•专用计算机–最有效、最经济、最快速的计算机，但适应性差–是针对某一任务设计的计算机，其结构要比通用机简单•通用计算机–适应性大，但牺牲了效率、速度和经济性11通用计算机分类•区别在于体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格•P1图1.1图1.1单片机、微型机、工作站、服务器、大型机、超级计算机之间的区别12•超级计算机–主要用于科学计算，其运算速度在每秒万亿次以上，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵•大型机•服务器•工作站•微型机•单片机–只用一片集成电路做成的计算机，体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜131.1.2计算机的应用1.科学计算–科学研究和工程技术领域–节省大量时间、人力和物力2.自动控制–微型机–单片机3.测量测试–对测量和测试设备本身进行控制–采集数据并进行数据处理144.信息处理–处理文字、表格、图象、声音、视频等各类问题–商务–管理5.教育卫生–计算机辅助教学•普通教育•专业训练–使用计算机的医疗设备（CT）–集专家经验之大成的专家诊疗系统156.家用电器–独立电器–蓝牙电器–网络电器7.人工智能–使计算机能够模仿人的高级思维活动–模式识别•文字、图像、颜色、自然景物、声音语言等–机器人161.2计算机的硬件1.2.1数字计算机的硬件组成1.2.2数字计算机的发展史171.2.1数字计算机的硬件组成•示例–使用算盘计算y=ax+b-c•计算机组成结构1.运算器2.存储器3.控制器4.适配器与输入输出设备18示例：使用算盘计算y=ax+b-c（P6表1.1）行数解题步骤和数据说明1取数(9)→算盘(9)表示第9行的数a，下同2乘法(12)→算盘完成a*x，结果在算盘上3加法(10)→算盘完成ax+b，结果在算盘上4减法(11)→算盘完成y=ax+b-c，结果在算盘上5存数y→13算盘上的y值记到第13行6输出把算盘上的y值写出给人看7停止运算完毕，暂停89a数据10b数据11c数据12x数据13y数据表1.1解题步骤和数据记录在横格纸上19计算机组成结构1.运算器2.存储器3.控制器4.适配器与输入输出设备•P7图1.2•CAI演示图1.2数字计算机的主要组成结构201.运算器•进行加、减、乘、除等算术运算•进行与、或、非等逻辑运算•长度一般是8、16、32或64位•P7图1.3•CAI演示图1.3运算器结构示意图212.存储器•存储单元–在存储器中保存一个数的1组触发器•地址–每个存储单元的编号–向存储器中存数或者从存储器中取数，都要按给定的地址来寻找所选的存储单元•存储容量–存储器所有存储单元的总数–通常用单位KB、MB表示22•内存（内存储器）–半导体存储器•外存（外存储器）–磁盘存储器和光盘存储器•P8图1.4图1.4存储器结构示意图233.控制器控制计算机的各部件有条不紊地进行工作(1)计算程序(2)指令的形式(3)控制器的基本任务(4)指令流和数据流24(1)计算程序•运算器只能完成加、减、乘、除四则运算及其他一些辅助操作•对于比较复杂的算题，计算机在运算前必须化成一步一步简单的加、减、乘、除等基本操作来做•指令–每一个基本操作•计算程序（程序）–解算某一问题的一串指令序列•程序中的指令通常按顺序执行，所以这些指令是顺次放在存储器里25示例（P9表1.2）指令地址指令指令操作内容说明操作码地址码1取数9(9)→A存储器9号地址的数a运算器A2乘法12(A)*(12)→A完成a*x，结果保留在运算器A3加法10(A)+(10)→A完成ax+b，结果保留在运算器A4减法11(A)-(11)→A完成y=ax+b-c，结果保留在运算器A5存数13A→13运算器A中的结果y送入存储器13号地址6打印A→Print将A中的结果y经打印机打印出来7停止Stop机器停止工作8数据地址数据说明9a数据a存放在9号单元10b数据b存放在10号单元11c数据c存放在11号单元12x数据x存放在12号单元13y运算结果y存放在13号单元表1.2计算y=ax+b-c的程序26(2)指令的形式•指令的内容由两部分组成：–操作码：操作的性质–地址码：操作数的地址•指令的操作码和地址码用二进制代码来表示–地址码部分和数据一样，是二进制数的数码–操作码部分则是二进制代码的编码操作码地址码27•示例–假定只有8种基本指令–那么这8种指令的操作码可用3位二进制代码来定义（P9表1.3）–存储器中的二进制代码和数据（P10图1.5）28图1.5指令和数据在存储器中用二进制码存储指令操作码加法001减法010乘法011除法100取数101存数110打印111停机000表1.3指令的操作码定义29•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•指令系统–一台计算机通常有几十种甚至上百种基本指令，从而构成了这台计算机的指令系统–指令系统不仅是硬件设计的依据，而且是软件设计的基础–因此，指令系统是衡量计算机性能的一个重要标志30(3)控制器的基本任务•按照计算程序所排的指令序列，从存储器取出指令操作码到控制器中，对指令操作码译码分析，执行指令操作；再取指、译码、执行，……31•取指周期–取指令的一段时间•执行周期–执行指令的一段时间•控制器反复交替地处在取指周期与执行周期之中•每取出一条指令，控制器中的指令计数器就加1，从而为取下一条指令做好准备32•在早期的计算机术语中•通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器（CPU）•而将CPU和存储器合在一起称为主机33(4)指令流和数据流•位(bit)–1位二进制信息（0或1）–数字计算机的最小信息单位•字节(Byte)–8位二进制信息•字(Word)–计算机一次所能处理的一组二进制数–至少由一个以上的字节组成–通常把组成一个字的二进制位数叫做字长34•指令流–取指周期中从内存读出的信息流–由内存流向控制器•数据流–执行周期中从内存读出的信息流–由内存流向运算器354.适配器与输入输出设备•输入输出设备–计算机的输入/输出设备通常称为外围设备–通过适配器部件与主机相连接•适配器–保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息36•系统总线–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公共通路–借助系统总线，计算机在各系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作371.2.2数字计算机的发展史•世界上第一台电子数字计算机•数字计算机的发展史•计算机体系结构的发展过程•数字计算机的发展趋势38世界上第一台电子数字计算机•1946年•美国宾夕法尼亚大学•ENIAC–ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator[Computer]–电子数字积分计算机39数字计算机的发展史第一代1946年电子管计算机每秒几千次至几万次数据处理机第二代1958年晶体管计算机每秒几万次至几十万次工业控制机第三代1965年中小规模集成电路计算机每秒几十万次至几百万次小型计算机第四代1971年大规模和超大规模集成电路计算机每秒几百万次至几千万次微型计算机第五代1986年巨大规模集成电路计算机每秒几亿次至上百亿次单片计算机40计算机体系结构的发展过程•在冯•诺伊曼型结构的基础上•围绕如何提高速度、扩大存储容量、降低成本、提高系统可靠性和方便用户使用为目的•不断采用新的器件和研制新的软件41•系统结构的发展–指令系统–微程序设计–流水线结构–多级存储器体系结构–输入/输出体系结构–并行体系结构–分布式体系结构–多媒体体系结构–操作系统–数据库管理系统42数字计算机的发展趋势•分布式网络–“三网合一”（电信网、互联网和有线电视网）•智能化–知识库、人工智能、自然语言处理•模块化–用多处理机技术实现并行计算机功能–计算机的动态结构（模块化计算机体系结构）•多媒体431.3计算机的软件1.3.1软件的组成与分类1.3.2软件的发展演变441.3.1软件的组成与分类•硬件–现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的–这些部件或设备都是由元器件构成的有形物体，因而称为硬件•软件–计算程序是无形的东西，所以称为软件•软件系统–凡是用于一台计算机的各种程序，统称为这台计算机的程序或软件系统45•计算机软件分类–系统程序•用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途–应用程序•用户利用计算机来解决某些问题所编制的程序461.3.2软件的发展演变•机器语言•汇编语言•算法语言•操作系统•数据库•软件发展方向47机器语言•直接用机器语言(即机器指令代码)来编写程序•称为手编程序或目的程序48汇编语言•汇编语言–用一些约定的文字、符号和数字按规定的格式来表示各种不同的指令，然后再用这些特殊符号表示的指令来编写程序•汇编程序–借助于汇编程序，计算机本身可以自动地把汇编语言表示的程序(称为汇编源程序)翻译成用机器语言表示的目的程序49算法语言•算法语言–按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则–比较接近数学语言，直观通用–与具体机器无关–有影响的算法语言•BASIC，FORTRAN，C，C++，JAVA等50•编译程序–把用算法语言编写的源程序翻译成目的程序，然后在运行系统中执行目的程序，得出计算结果•编译系统–编译程序和运行系统合称编译系统•解释系统–使源程序通过解释系统进行解释执行，即逐个解释并立即执行源程序的语句51操作系统•操作系统–操作系统是一套软件系统–用来管理计算机资源(如处理器、内存、外部设备和各种编译、应用程序)和自动调度用户的作业程序–使多个用户能有效地共用一套计算机系统52•操作系统分类–批处理操作系统–分时操作系统–网络操作系统–实时操作系统等53数据库•数据库–实现有组织地、动态地存储大量相关数据，方便多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统•数据库管理系统–数据库和数据库管理软件组成数据库管理系统54软件发展方向•开发更高级的计算机语言•标准化、积木化、产品化•最终向自然语言发展，能够自动生成程序551.4计算机系统的有关概念1.