蒋本珊-----计算机组成原理课件

COMPUTERORGANIZATION计算机组成原理北京科技大学信息学院胡玥学习指南计算机组成原理是计算机科学与技术专业本科生的核心课程之一，是必修的专业基础课。课程的性质本课程的地位本课程在计算机学科中处于承上启下的地位，要求先修的课程有：计算机科学导论，数字电路学习指南计算机专业基本课程体系简图课程的任务讨论单机系统范围内计算机各部件和系统的组成以及内部工作机制。通过学习，掌握计算机各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成整机系统的技术，以及整机的工作原理。并为后继课程的学习打好基础。学习指南•本课程的重点：五大基本部件的原理及实现。•本课程的难点：各部件互连构成整机系统，即整机概念的建立。•本课程的深广度：主要讨论计算机组成中具有共性的问题，要处理好抽象概念与具体实例的关系。CourseInformationText:计算机组成原理（第二版），蒋本珊，清华大学出版社References:●计算机组成与设计硬件/软件接口第二版DavidA.Patterson&J.Hennessy机械工业出版社●全国硕士研究生入学统一考试计算机学科专业基础综合考试大纲解析2010年版高等教育出版社●计算机组成考研指导机械工业出版社●蒋本珊，计算机组成原理学习指导与习题解析，清华大学出版社●计算机组成原理与汇编语言，易小琳，清华大学出版社第一章ComputerAbstractionsandtechnology计算机技术概论本章要点了解计算机发展历程了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成，软件分工和工作过程了解计算机性能指标及相关的术语解释WhatisaComputerSystem?•Depends(alittle)onwhattypeofcomputersystem•WeprobablymostlythinkaboutPCsystems电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确的对各种信息进行处理和存储的电子设备•Actuallymostcomputerslooklikethis…WhatisaComputerSystem?计算机应用类型Desktopcomputers(台式机)Acomputerdesignedforusebyanindividual,usuallyincorporatingagraphicsdisplay,keyboard,andmouse.Servers(服务器)Acomputerusedforrunninglargerprogramsformultipleusersoftensimultaneouslyandtypicallyaccessedonlyviaanetwork.supercomputer:Aclassofcomputerswiththehighestperformanceandcost;theyareconfiguresasserversandtypicallycostmillionsofdollars.Supercomputersareusuallyusedforhigh-endscientificandengineeringcalculation,suchasweatherforecasting,oilexploration,proteinstructuredetermination,andotherlarge-scaleproblems.Embeddedcomputers(嵌入式计算机)AcomputerinsideanotherdeviceusedforrunningonepredeterminedapplicationorcollectionofsoftwareBroadlyspeaking,computersareusedinthreedifferentclassesofapplications.Embeddedcomputersincludethemicroprocessorsfoundin:washingmachine,car,cellphone,personaldigitalassistant(PDA),videogame,digitaltelevision,networksplant,airplane,cargoship.WhatisaComputerSystemFigure1.1Thenumberofdistinctprocessorssoldbetween1998and200229093348811438921354862129411221315020040060080010001200MillionsofComputers19981999200020012002EmbeddedDesktopServersFigure1.1showsthatduringthelastseveralyears,thegrowthinnumberofembeddedcomputershasbeenmuchfaster(40%compoundedannualgrowthrate)thanthegrowthrateamongdesktopcomputersandservers(9%annually)计算机应用类型WhatisaComputerSystem按应用分为：台式机、服务器、嵌入式计算机计算机分类WhatisaComputerSystem不同对象观察到的计算机硬件系统一般用户观察到的计算机硬件系统WhatisaComputerSystem专业用户观察到的计算机硬件系统WhatisaComputerSystem本章要点了解计算机发展历程了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成，软件分工和工作过程了解计算机性能指标及相关的术语解释硬件的发展计算机发展历程ENIAC的特点：–采用十进制–20个10位的累加器–用开关手动编程–18,000个电子管–重30吨–占地170平方米–耗电170KW–5,000次/秒加法运算计算机发展历程存储程序概念：美籍匈牙利数学家冯·诺依曼等人在1946年6月提出存储程序概念。计算机发展历程–⑴计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；–⑵计算机内部采用二进制来表示指令和数据；–⑶将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。计算机发展历程冯·诺依曼体系结构EDVAC冯·诺依曼设计的存储程序计算机1951年诞生。EDSAC事实上的第一台存储程序计算机1949年诞生。目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上，称冯·诺依曼型计算机。也出现了一些突破冯·诺依曼结构的计算机，统称非冯结构计算机，如：数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。计算机发展历程计算机发展历程软件的发展计算机的应用本章要点了解计算机发展历程了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成，软件分工和工作过程了解计算机性能指标及相关的术语解释•Eachsystemisdifferent,butgenerallyhavesimilarparts:Musthave:Processor,Memory，Interfacetooutsideworld(I/O)Workstationdesigntarget25%ofcostonprocessor25%ofcostonmemory(minimummemorysize)RestonI/Odevices,powersupplies,box计算机硬件的基本组成计算机层次结构概述中央处理器（CPU）：CPU=运算器+控制器主机：主机=中央处理器+主存储器外部设备：除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输出设备、辅助存储器等）计算机层次结构概述计算机的主要部件1.输入设备输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。常用的有键盘、鼠标、扫描仪等。2.输出设备输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。常用的有显示器、打印机、绘图仪等。3.存储器存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。计算机层次结构概述主存储器：可由CPU直接访问，用来存放当前正在执行的程序和数据。辅助存储器：设置在主机外部，CPU不能直接访问，用来存放暂时不参与运行的程序和数据，需要时再传送到主存。高速缓冲存储器（Cache）：CPU可以直接访问，用来存放当前正在执行的程序中的活跃部分（副本），以便快速地向CPU提供指令和数据。计算机层次结构概述4.运算器运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算是算术运算和逻辑运算，因此运算器的核心是算术逻辑运算部件ALU。运算器中有若干个寄存器（如累加寄存器、暂存器等）。5.控制器控制器是整个计算机的指挥中心。控制器中主要包括时序控制信号形成部件和一些专用的寄存器。计算机部件间连接方法☆在所有需要传送数据的部件之间创建一条直接通路。（专用数据通路）☆将所有需要传送数据的各部件之间通过公共信息传送线路连接．（总线方式数据通路）计算机层次结构概述计算机的总线结构（小、微型机典型结构）：将各大基本部件，按某种方式连接起来就构成了计算机的硬件系统。目前许多计算机（主要指小、微型计算机）的各大基本部件之间是用总线（Bus）连接起来的。总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息。总线特点：共享，分时小型、微型机的设计目标是以较小的硬件代价组成具有较强功能的系统，而总线结构正好能满足这一要求。计算机层次结构概述单总线结构单总线并不是指只有一根信号线。系统总线按传送信息的不同又可以细分为：地址总线、数据总线和控制总线。地址总线（AddressBus）由单方向的多根信号线组成，用于CPU向主存、外设传输地址信息；数据总线（DataBus）由双方向的多根信号线组成，CPU可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据；控制总线（ControlBus）上传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存/外设反馈给CPU的状态信号。计算机层次结构概述大、中型机的典型结构大、中型计算机系统的设计目标更着重于系统功能的扩大与效率的提高。通道是承担I/O操作管理的主要部件，主机可以连接多个通道，每个通道可以接一台或几台设备控制器，每个设备控制器又可接一台或几台外部设备，这样整个系统就可以连接很多的外部设备。计算机层次结构概述冯·诺伊曼结构冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。使用冯·诺伊曼结构的中央处理器有很多。如Intel公司的80X86、ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS等都采用了冯·诺伊曼结构。CPU存储器地址总线数据总线冯·诺依曼结构的存储器设计计算机层次结构概述哈佛结构哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。CPU首先到指令存储器中读取指令内容，译码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。哈佛结构的处理器通常具有较高的执行效率。其指令和数据分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。目前使用哈佛结构的中央处理器也有很多，如MOTOROLA公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。CPU程序存储器PM数据总线数据存储器DM地址总线DM数据总线PM地址总线哈佛结构的存储器设计计算机层次结构概述计算机的软件计算机层次结构概述计算机的软件计算机层次结构概述BelowYourProgram??计算机层次结构概述计算机的层次结构计算机层次结构概述在通常设计过程中，掩盖底层细节，以为高层提供较为简单的模型，这种层次划分称为“抽象(abstraction)”在计算机设计中，一种重要的抽象就是“硬件与软件之间的接口”被赋