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1、第1章计算机组成原理第1页，共31页，编辑于2022年，星期日目录1.11.1电子计算机的发展概况电子计算机的发展概况电子计算机的发展概况电子计算机的发展概况1.21.2计算机的分类、特点和技术指标计算机的分类、特点和技术指标计算机的分类、特点和技术指标计算机的分类、特点和技术指标1.31.3计算机基本结构及设计思想计算机基本结构及设计思想计算机基本结构及设计思想计算机基本结构及设计思想1.41.4计算机的软件与计算机的工作过计算机的软件与计算机的工作过计算机的软件与计算机的工作过计算机的软件与计算机的工作过程程程程 1.51.5计算机软件与硬件的逻辑等价性计算机软件与硬件的逻辑等价性计算机软
2、件与硬件的逻辑等价性计算机软件与硬件的逻辑等价性1.61.6计算机系统结构的基本概念计算机系统结构的基本概念计算机系统结构的基本概念计算机系统结构的基本概念1.71.7计算机的应用领域计算机的应用领域计算机的应用领域计算机的应用领域第2页，共31页，编辑于2022年，星期日计算机系统是一个由硬件和软件构成的自计算机系统是一个由硬件和软件构成的自动化电子数字系统。本章先简要介绍计算机的动化电子数字系统。本章先简要介绍计算机的发展概况、分类、特点和技术指标，然后讲述发展概况、分类、特点和技术指标，然后讲述计算机的设计思想和计算机的工作过程，以及计算机的设计思想和计算机的工作过程，以及计算机系统结构
3、的基本概念及其应用。目的是计算机系统结构的基本概念及其应用。目的是为了帮肋读者在还未学习后续各章内容之前，为了帮肋读者在还未学习后续各章内容之前，先对计算机系统有一个整体概念。先对计算机系统有一个整体概念。计算机系统是一个由硬件和软件构成的自动化计算机系统是一个由硬件和软件构成的自动化电子数字系统。本章先简要介绍计算机的发展概电子数字系统。本章先简要介绍计算机的发展概况、分类、特点和技术指标，然后讲述计算机的况、分类、特点和技术指标，然后讲述计算机的设计思想和计算机的工作过程，以及计算机系统设计思想和计算机的工作过程，以及计算机系统结构的基本概念及其应用。目的是为了帮肋读者结构的基本概念及其应
4、用。目的是为了帮肋读者在还未学习后续各章内容之前，先对计算机系统在还未学习后续各章内容之前，先对计算机系统有一个整体概念。有一个整体概念。第3页，共31页，编辑于2022年，星期日1.1计算机发展简介计算机发展简介类型时期主要器件重 要 特 征第1代1946-1957电子管机器语言，汇编语言。速度低，体积大，价格昂贵，可靠性差，用于科学计算。速度达几千次到几万次第2代1958-1964晶体管算法语言，操作系统。体积缩小，可靠性提高。从科学计算到数据处理。每秒几万次到几十万次第3代1965-1973中小规模集成电路体积小，可靠性大大提高，速度达几百万次，软件技术和外设发展迅速应用领域不断扩大。第
5、4代1974-1990大/超大规模集成电路速度提高至几千万次出现微型计算机（PC）第5代1990-巨大规模集成电路速度提高至几亿次乃至上百亿次。出现单片机第4页，共31页，编辑于2022年，星期日1.1.2国外计算机发展简介国外计算机发展简介自第一台电子数字计算机诞生以来，获得了飞速发展。计算机的体系结构已发生了重大变化。人们根据计算机发展经历不同阶段所采用的电子器件不同，将它划分为五代。第一代第一代电子管计算机(19461957年)。第二代第二代晶体管计算机(19581964年)。第三代第三代中小规模集成电路计算机(19651973年)第四代第四代大规模、超大规模集成电路计算机(1974年至
6、1990年)。第五代第五代巨大规模集成电路新一代计算机(1990年至现在)。第5页，共31页，编辑于2022年，星期日1.1.31.1.3我国的计算机事业我国的计算机事业我国的计算机事业我国的计算机事业第一阶段（1957年1962年）1957年，哈尔滨工业大学研制成功中国第一台模拟式电子计算机。第二阶段（1963年1972年）1963年，中国第一台大型晶体管电子计算机109机研制成功。第三阶段（1973年1982年）1973年，中国第一台百万次集成电路电子计算机研制成功，字长48位，存储容量13KB。第四阶段（1983年1999年）1983年，国防科技大学研制成功“银河型”巨型计算机，运算速度
7、达每秒亿次。第五阶段（2000年现在）2000年，我国自行研制成功高性能计算机“神威”，其主要技术指标和性能达到国际先进水平。第6页，共31页，编辑于2022年，星期日天河一号千万亿次超级计算机第7页，共31页，编辑于2022年，星期日1.1.41.1.4计算机的发展趋势计算机的发展趋势计算机的发展趋势计算机的发展趋势（1）巨型化）巨型化：巨型机计算机的最大特点是运算速度快,存储容量大,功能强。（2）微型化）微型化：微型计算机（包括单片机）的最大特点是成本低、价格便宜、对其工作环境无特殊要求、体积小、携带方便、应用范围广泛，受到用户普遍欢迎，已成了人们工作和生活中的一种常用的现代化工具。（3）
8、多媒体化）多媒体化：多媒体技术是计算机技术和视频、音频及通信技术相结合的产物。它不但使我们社会变格外绚丽多彩，生活显得格外富有幻想，且它还会对政治、经济、军事和工业等都产生巨大的影响。（4）网络化）网络化：人类已进入信息化社会，计算机网络功不可抹。（5）智能化）智能化：计算机作为人脑功能的延伸，具有算术运算和逻辑判断能力以及记忆能力。第8页，共31页，编辑于2022年，星期日1.2计算机的分类、特点和技术指标计算机的分类、特点和技术指标电子计算机电子计算机模拟计算机模拟计算机混合计算机混合计算机数字计算机数字计算机通用计算机通用计算机专用计算机专用计算机巨型机巨型机大型机大型机中型机中型机小型
9、机小型机微型机微型机单片机单片机按按信息的表示方式信息的表示方式分分按按应用范围应用范围分分按按规模和处理能力规模和处理能力分分第9页，共31页，编辑于2022年，星期日1.2.2计算机的特点计算机的特点运算速度快计算精度高记忆能力强有逻辑推理和判断能力自动化程度高通用性强第10页，共31页，编辑于2022年，星期日1.2.3计算机的主要技术指标计算机的主要技术指标 （1 1）机器字长：）机器字长：计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。与计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。与CPUCPU的寄存器的寄存器位数有关。字长越长，数的表示范围越大，精度越高，数据处理的速度也越快。位数有关。字
10、长越长，数的表示范围越大，精度越高，数据处理的速度也越快。（2 2）存储容量）存储容量：包括：包括主存容量主存容量和和辅存容量辅存容量 主存容量主存容量=存储单元个数存储单元个数存储字长存储字长 注：单位用字节来表示。注：单位用字节来表示。（3 3）运算速度运算速度：计算机的运算速度与许多因素有关，如机器的主频、执行什么计算机的运算速度与许多因素有关，如机器的主频、执行什么样的操作、主存本身速度（主存速度快，取指令速度就快）等有关。样的操作、主存本身速度（主存速度快，取指令速度就快）等有关。MIPS定义为：MIPS=指令条数/（执行指令时间106）=主频/CPI=主频IPCMFLOPS定义为：
11、MFLOPS=浮点操作次数/（执行指令时间106）第11页，共31页，编辑于2022年，星期日1.3计算机基本结构及设计思想计算机基本结构及设计思想1.3.1冯冯诺依曼计算机的设计思想诺依曼计算机的设计思想1.指令与数据均采用二进制码表示指令与数据均采用二进制码表示2.计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大功能部件组成。3.存储程序控制存储程序控制存储程序控制是电子数字计算机与其他计算工具的最大区别，也是计算机之所以能自动工作的基础。存储程序计算机的主要特点：(1)机器以运算器为中心。(2)采用存储程序原理.。(3)存储器是按地址访问的、
12、线性编址的空间。(4)控制流由指令流产生。.(5)指令由操作码和地址码组成。(6)数据以二进制编码表示，采用二进制运算第12页，共31页，编辑于2022年，星期日1.3.2计算机的基本结构计算机的基本结构传统计算机的基本结构传统计算机的基本结构命命令令指指令令请求/状态命令/响应数据数据数据程序/数据程序/数据请求/状态命令/响应冯诺依曼计算机的结构第13页，共31页，编辑于2022年，星期日现代计算机的基本结构现代计算机的基本结构CPU存储器I/O接口外设图1.2现代计算机的组成框图CBDBAB第14页，共31页，编辑于2022年，星期日1.4计算机的软件与计算机的工作过程计算机的软件与计算
13、机的工作过程软件系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统；数据库管理系统；语言处理程序服务性程序是用户利用计算机来解决某些问题而编写的程序第15页，共31页，编辑于2022年，星期日1.4.2计算机的工作过程计算机的工作过程开机开机上电上电产生产生Reset信号信号置置PC为第一条指令的地址为第一条指令的地址取指令取指令分析指令分析指令执一行指令执一行指令图1.3计算机的工作过程第16页，共31页，编辑于2022年，星期日执行一条指令又可分为以下三个基本操作：取指令取指令：从存储器某个地址单元中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存；分析指令分析指令：实为指令译码，把保存在指令寄存器中
14、的指令送到指令译码器，译出该指令对应的微操作信号，控制各个部件的操作；有的指令还要取操作数：如果需要，发出取数据命令，到存储器取出所需的操作数；执行指令执行指令：根据指令译码，向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的各种操作；并保存结果：如果需要保存计算结果，则把结果保存到指定的存储器单元中。执行一条指令又可分为以下三个基本操作：取指令取指令：从存储器某个地址单元中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存；分析指令分析指令：实为指令译码，把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，译出该指令对应的微操作信号，控制各个部件的操作；有的指令还要取操作数：如果需要，发出取数据命令，到存储器取出
15、所需的操作数；执行指令执行指令：根据指令译码，向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的各种操作；并保存结果：如果需要保存计算结果，则把结果保存到指定的存储器单元中。第17页，共31页，编辑于2022年，星期日例例1.2：假定我们让模型计算机计算5CH2EH=？虽然这是一个相当简单的加法运算，但是计算机却无法理解。人们必须要先编写一段程序，以计算机能够理解的语言告诉它如何一步一步地去做，直到每一个细节都详尽无误，计算机才能正确地理解与执行。假定该模型机的指令系统中有两条指令可以用来求解这个问题，这两条指令的格式、对应的机器码及其说明如下表1.1所示。例例1.2：假定我们让模型计算机计算5CH2
16、EH=？虽然这是一个相当简单的加法运算，但是计算机却无法理解。人们必须要先编写一段程序，以计算机能够理解的语言告诉它如何一步一步地去做，直到每一个细节都详尽无误，计算机才能正确地理解与执行。假定该模型机的指令系统中有两条指令可以用来求解这个问题，这两条指令的格式、对应的机器码及其说明如下表1.1所示。表1.1模型机的数据传送指令和加法指令指令指令名称名称助记符助记符机器指机器指令令指令长度指令长度操操 作作数据传送MOVAL，n10110000n2把立即数n送累加器AL加法ADDAL，n00000100n2把AL的内容与立即数n相加，结果仍送到AL第18页，共31页，编辑于2022年，星期日因
17、为模型机并不认识助记符，而只认识用二进制数表示的操作码和操作数。因此，必须把以上的源程序进行人工汇编，即用对应的机器指令代替每个助记符。1011000001011100;“MOVAL，5CH”对应的机器指令0000010000101110;“ADDAL，2EH”对应的机器指令第19页，共31页，编辑于2022年，星期日PC读写控制AB内部总线ADB+1控制信号ADARDRIRIDACFB图1.5第一条指令的取指过程1000H1001H1002H1003H.地址内容内存储器内存储器第20页，共31页，编辑于2022年，星期日PC读写控制AB内部总线ADB+1控制信号ADARDRIRIDACFB图
18、1.6第一条指令取操作数的过程1000H1001H1002H1003H.地址内容内存储器内存储器第21页，共31页，编辑于2022年，星期日PC读写控制AB内部总线ADB+1控制信号ADARDRIRIDACFB图1.7第二条指令取数与执行8AH1000H1001H1002H1003H.地址内容内存储器内存储器第22页，共31页，编辑于2022年，星期日1.5计算机软件与硬件的逻辑等价性计算机软件与硬件的逻辑等价性计算机系统的功能由硬件或软件来实现，在逻辑功能上是等价的。也就是说用软件实现的功能，在原理上可以用硬化来实现；同样用硬件实现的功能，在原理上也可以用软化来实现，即所谓的软件硬化或硬件软
19、化。所以计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了。因为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。今后进一步的发展，就是设计所谓面向高级语言的计算机。这样的计算机，可以通过硬件直接解释执行高级语言的语句而不需要先经过编译程序的处理。因此传统的软件部分，今后完全有可能“固化”甚至“硬化”。软件硬化的突出优点是可以大大提高计算机的工作速度和工作效率。第23页，共31页，编辑于2022年，星期日1.6计算机系统结构的基本概念计算机系统结构的基本概念计算机的层次
20、结构计算机的层次结构1.微程序设计层微程序设计层2.一般机器层一般机器层3.操作系统层操作系统层4.汇编语言层汇编语言层5.高级语言层高级语言层高级语言级汇编语言级操作系统级一般机器级微程序设计级第24页，共31页，编辑于2022年，星期日1.6.2计算机组成与系统结构的概念计算机组成与系统结构的概念1.计算机系统结构（计算机系统结构（computerarchitecture）：由系统程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。这些特性构成计算机系统的外部特性。计算机系统结构研究的范围计算机外部特性计算机软硬件界面的设计新型计算机系统的设计计算机系统的性能、成本、可靠性的分析和评价
21、2.计算机组成（计算机组成（computerorganization）：）：计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括运算功能部件的设计、存储器系统的设计、控制器的控制方法、数据通路的构成及输入输出接口的设计等。第25页，共31页，编辑于2022年，星期日3.计算机实现（计算机实现（computerimplementation）：）：计算机实现是指计算机组成的物理实现。它包括器件的选择与设计、各模块的机械参数设计、印刷电路板的设计与制作、机箱的物理特性的设计与选择，以及组装技术的设计与选择，还有电源、冷却方式的设计与选择等。计算机实现方式是构成计算机系统的基础，它对计算机的组成和系统结构具有重
22、要影响。4.计算机系统结构、组成和实现三者的关系计算机系统结构、组成和实现三者的关系：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。此外，还应该看到计算机系统结构、组成和实现所包含的具体内容是随不同机器而有所不同的。有些内容在某些计算机系统中是作为系统结构的内容，而在另一些计算机系统中却是作为组成和实现的内容。也就是说，计算机系统结构、计算机组成和计算机实现之间的界限越来越模糊了。第26页，共31页，编辑于2022年，星期日1.6.3计算
23、机系统结构中并行性的发展计算机系统结构中并行性的发展1.并行性概念并行性概念：所谓并行性并行性是指在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。只要时间上是相互重叠，就存在并行性。严格来讲，把两个或多个事件在同一时刻发生的并行性叫做同时性同时性；而把两个或多个事件在同一时间间隔内发生的并行性叫做并发性并发性。计算机系统中的并行性有不同的等级计算机系统中的并行性有不同的等级。根据颗粒度的不同来观察程序的执行过程。并行性等级从低到高可分为：（）指令内部并行；（）指令级并行（ILP）；（）任务级或过程级并行；（）作业或程序级并行；从处理数据的角度，并行性等级从低到高可以分为：
24、（）字串位串；（）字串位并；（）字并位串；（）全并行；2.提高并行性的技术途径提高并行性的技术途径时间重叠时间重叠资源重复资源重复资源共享资源共享第27页，共31页，编辑于2022年，星期日1.7计算机的应用领域计算机的应用领域计算机的应用领域计算机的应用领域1、科学计算、科学计算2.计算机网络计算机网络3.数据处理（信息管理）数据处理（信息管理）4、过程控制、过程控制5、计算机辅助系统、计算机辅助系统6、人工智能、人工智能7.多媒体技术多媒体技术第28页，共31页，编辑于2022年，星期日本章小结本章小结当今称为“计算机”或“电脑”是指广泛应用的电子数字计算机。它已经历了电子管时代、晶体管时
25、代、中小规模集成电路、大规模及超大规模集成电路时代，发展到今天的巨大规模集成电路新一代计算机。随着科学技术的发展和计算机应用的需要，未来计算机将朝着巨型化、微型化、多媒体化、网络化、智能化方向发展。本章中介绍了中国计算机的发展简况，让同学们了解自己国家计算机的发展概况是很有必要的。按结构原理和处理信息方式分：可将电子计算机分为电子模拟计算机、电子数字计算机和电子数字模拟计算机三大类。按其用途可分为通用计算机和专用计算机两大类。按系统结构方式可分为嵌入式计算机和非嵌入的通用计算机。按计算机的规模分，通用计算机又分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机六类，但这种分类已变得模糊。计算机的
26、特点是：运算速度快、计算精度高、记忆能力强、具有逻辑推理和判断能力、自动化程度高和通用性强。计算机系统包括硬件和软件两部分。计算机的硬件是由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备。第29页，共31页，编辑于2022年，星期日计算机的软件是计算机体系结构的重要组成部分，也是计算机不同于一般电子设备的本质所在。计算机软件一般分为系统程序和应用程序两大类。系统软件不仅用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能，且方便用户，简化程序设计，简化操作方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。计算机的工作过程就是执行程序的过程，是循环往复的取指令、分
27、析指令、执行指令的过程。计算机系统是一个由多个层次结合而成的有机整体。从功能上看，现代计算机可以分成五个层次级别，即微程序级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级。每一层以一种不同的语言为特征，都能进行程序设计，且得到下面各级的支持。对计算机系统的研究可以从系统结构、组成和实现这三个层次进行。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。通过本章的学习，应该了解计算机的产生、发展、分类、特点、性能指标、硬件的基本结构、软件的基本知识、计算机的工作过程、计算机系统的基本概念，为后续章节的学习打下基础。第30页，共31页，编辑于2022年，星期日本章完本章完第31页，共31页，编辑于2022年，星期日