Transcript 第1章概述 - 同济大学软件学院

第一章 概 述
同济大学软件学院
课程的内容：
1．介绍单计算机系统的硬件组成
（内部结构、工作机制）
2．计算机自动工作的原理
3．在对工作原理了解的基础上，讲述有关计算机设
计的基本概念、方法，最终设计一个简单的计算机。
内容提要
一、数字逻辑和有限状态机（第一章与第二章）
二、计算机组成和系统结构
第三章 指令集结构
第四章 存储器系统
第五章 寄存器传送语言
第六章 CPU设计
第七章 微序列控制单元设计
第八章 运算方法
第九章 存储层次
第十章 输入输出结构
三、高级专题（RISC计算机和并行处理）
第一章 概
述
1.1 计算机的发展历史
1.2 计算机系统的组成
1.3 计算机的特点和性能指标
1.4 计算机的分类与应用
1.1 计算机的发展历史
计算机到目前为止已经发展了五代。
第一代(1946～1959)：电子管计算机
第一台存储程序电子计算机EDVAC：1950年
由冯·诺依曼和莫尔学院合作研制
冯.诺依曼结构的关键：存储程序
第二代(1959～1964)：晶体管计算机
第三代(1965～1974)：集成电路计算机
第四代(1975～1990)：大规模/超大规模集成电路计算机
第五代(1990～
)：高性能微处理器、高密度电路
第一代
(19451954)
电子管和继
电器
存储程序计算
机、程序控制
I/O
机器语言和
汇编语言
普林斯顿ISA、
ENIAC、IBM701
第二代
(19551964)
晶体管、磁
芯、印刷电
路
高级语言和
编译、批处
理监控系统
Univac LARC、
CDC1604、
IBM7030
第三代
(19651974)
SSI和MSI、
多层印刷电
路、微程序
多道程序和
分时操作系
统
IBM360/370、
CDC6600/7600、
DEC PDP-8
第四代
(19741990)
LSI和VLSI
、半导体存
储器
浮点数据表示
、寻址技术、
中断、I/O处理
机
流水线、
Cache、先行
处理、系列计
算机
向量处理、分
布式存储器
并行与分布
处理
Cray-1、IBM 3090
、DEC VAX9000、
Convax-1
第五代
(1991-)
高性能微处
理器、高密
度电路
超标量、超流
水、SMP、
MP、MPP
大规模、可
扩展并行与
分布处理
SGI Cray T3E、
IBM SP2、DEC
AlphaServer8400
1.2 计算机系统的组成
计算机系统＝软件＋硬件/固件
硬件：构成计算机的设备实体。
软件：各类程序和文件。
计算机系统结构
交界面
软件
硬件
1.2.1 计算机硬件系统
一、计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入
设备和输出设备五大部件组成。
控制信号
控制器
指令
输入
设备
存储器
数据
运算器
(ALU)
输出
设备
CPU
存储器
主机系统
CPU
存储器
I/O
设备
I/O 系统
I/O
设备
CPU ＝运算器＋控制器
主机＝CPU＋主存
I/O系统＝输入设备＋输出设备
1.运算器
功能：对信息进行算术或逻辑运算。
组成：
(1) 算术逻辑部件ALU：完成各种
运算功能。
核心部件：加法器
(2) 寄存器组：存放数据。
AC
MQ
算术逻辑线路
DR
CU M
2. 存储器M
功能：存放程序和数据。
（1） 一般分为三级
CPU
CPU能按存储单元地址直接访
问主存；辅存的作用是扩大存储
系统的容量；高速缓冲存储器
Cache
主存(内存)
(Cache)的作用是解决CPU与主存
之间速度不匹配的矛盾，提高存
储系统的速度。
辅存(外存)
（2）主存的组成
址
0…01
译
存储单元
存储单元
数
据
寄 DB
存 CPU
器
存储体
MDR
MAR
地
址
AB
寄
存
CPU
来的地址 器
地 0…00
码
器
1…11
…
存储控制线路
R/W
存储器是由许多存储单元组成的。
每个存储单元都有编号，称为地址。
存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。
3. 控制器CU
功能：根据人们预先确定的算法和操作步骤(程序)，控制
与协调计算机各部件的自动工作。
4. I/O部件
输入设备：将参加运算的数据和程序送入主机，并将它
转换成机器能识别的信号。
如键盘、鼠标、磁盘等。
输出设备：将计算机的处理结果以能为人们接受的或能
为其它机器所接受的形式输出。
如打印机、CRT、绘图仪、磁盘等。
I/O控制部件: 管理I/O设备的工作。
I
I/O
CPU
控制
O
部件
M
二、冯.诺依曼结构的计算机
1. 存储程序概念
美国数学家冯·诺依曼于1946年6月首先提出来的。
它奠定了现代计算机的结构基础。
计算机解题之前，要事先编制好程序，并与所需
要的数据一起预先存入主存当中。当程序开始执行后，
由控制器按照该程序自动地、连续地从存储器中取出
指令并执行，直到获得所要求的结果为止。
2. 早期的冯·诺依曼计算机
以运算器为中心的，其它部件都通过运算器完成
信息的传递。
控制器
运算器
输入设备
输出设备
(ALU)
存储器
数据流
控制流
3. 现代计算机组组织结构
以存储器为中心。
1.2.2 总线
◆ 如何把五大基本部件互连起来构成计算机的硬
件系统，是计算机硬件系统的组织问题。
◆ 现在的计算机普遍采用总线结构
◆ 总线：一组为多个功能部件分时共享的公共信
息传送线路。
•
共享总线的各个部件必须分时使用总线发送信
息，保证总线上的信息在任何时候都唯一。
• 总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。
1.总线的分类
◆ 按总线所在位置分
(1) CPU内部总线
(2) 部件内总线
(3) 系统总线
(4) 外总线
◆ 按总线上信息传送的方向分
(1) 单向总线
(2) 双向总线
◆ 按总线上传送的信息类型分
(1) 地址总线
当CPU访问存储器或I/O设备时，它指明将
要访问的存储器单元或I/O设备的地址。n根线
联合传送一个n位的地址值。
(2) 数据总线
当CPU访问存储器或I/O设备时，它用来传
送数据。各条线合起来传输一个单独的多位值。
(3) 控制总线
它是一组独立的控制信号的集合。一组
单向信号的集合。
运算控制
部件（CPU）
存储器
地址总线
数据总线
控制总线
输入/输出
输入/输出
2. 总线的连接方式
◆ 单总线结构(微、小型机的典型结构）
◆ 双总线结构
1.2.3 计算机软件系统
国际标准化组织（ISO）的定义：
软件：计算机程序及运用数据处理系统所必需的手
续、规则、文件的总称。因此，一般认为软
件是由程序与文档两部分组成，主要指程序。
软件的作用：
◆ 用作计算机用户与硬件之间的接口界面；
◆ 在计算机系统中起指挥管理作用；
◆ 作为计算机体系结构设计的重要依据。
一台计算机中全部程序的集合，统称为这台计算机
的软件系统。
软件又分为应用软件、系统软件两大类。
操作系统
语言处理程序
数据库管理系统
系统软件
各种服务性支撑软件
网络软件系统
分布式软件系统
人机交互软件系统
软件系统
科学计算程序
应用软件
数据处理程序
工程设计程序
事务处理程序
过程控制程序
1.3 计算机的特点和性能指标
1.3.1 计算机的工作特点
1. 能自动连续地工作。
2. 运算速度快。
3. 运算精度高。
4. 具有很强的存储能力和逻辑判断能力。
5. 通用性强。
1.3.2 计算机的性能指标
1. 基本字长
指参与运算的数的基本位数。
字长是硬件组织的基本单位，它决定着寄存器、
ALU、数据总线的位数，因而直接影响着硬件成本。
运算精度主要取决于机器字长，字长越长精度越高。
2. 运算速度
(1) 主频 (MHz)
一秒钟内发出的电子脉冲数。
(2) 每秒平均运行指令条数 (MIPS）
(3) 典型浮点四则运算时间（MFLOPS)
3. 主存容量: 主存储器所能存储的最大信息量。
4. 系统配置: 外设配置情况和系统软件配置情况。
1.4
计算机的分类与应用
1.4.1 计算机的分类
1. 按应用特点分类
专用机/通用机
2. 按价格分
巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机
3. 按使用方式
工作站/服务器
1.4.2 计算机的应用
1.
2.
3.
4.
科学计算
数据处理
计算机控制
计算机辅助设计/计算机辅助制造
（CAD/CAM）
5. 人工智能
6. 网络应用