計算機原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、計算機原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu),第一講,主講教師：趙宏偉 　　　　　　　　　　　　　　　　學時：64,第1章,概述,本章主要內(nèi)容,計算機系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)計算機的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)計算機的發(fā)展進步與拓展應(yīng)用的進程,計算機系統(tǒng)的硬件組成,計算機硬件系統(tǒng)五大功能部件包括：運算器、控制器存儲器（高速緩存 主存儲器 虛擬存儲器）輸入設(shè)備、輸出設(shè)備這些設(shè)備和部件通過 總線 和 接口 連結(jié)在一起，構(gòu)成一臺完整的計算機，如下圖

2、所示：,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,入出接口和總線,控 制 器,運 算 器,,,,,,計算機系統(tǒng)的硬件組成,虛擬存儲器,主存儲器,高速緩存,,,數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線,,,計算機主機,計算機外圍設(shè)備,計算機的CPU,,計算機系統(tǒng)的硬件組成,P1,,,圍繞運算器部件構(gòu)建系統(tǒng) 圍繞存儲器部件構(gòu)建系統(tǒng),計算機系統(tǒng)的硬件組成,P2,,運 算 器,運算器部件是計算機中進行數(shù)據(jù)加工的部件，其主要功能包括：1.

3、執(zhí)行數(shù)值數(shù)據(jù)的加減乘除等算術(shù)運算， 執(zhí)行邏輯數(shù)據(jù)的與或非等邏輯運算， 由一個被稱為 ALU 的線路完成。 2. 暫時存放參加運算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果， 由多個通用寄存器和乘商寄存器承擔。3. 運算器通常也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?。,,計算機系統(tǒng)的硬件組成,,控 制 器,運 算 器,控制器是計算機中控制執(zhí)行指令的部件，向計算機各功能部件提供每一時刻協(xié)同運行所需要的控制信號：1. 正確分析與執(zhí)行每條指令：

4、 取指令－>分析指令－>執(zhí)行指令。2. 保證指令按規(guī)定序列自動連續(xù)地執(zhí)行。3. 對各種異常情況和請求及時響應(yīng)和處理。,,計算機系統(tǒng)的硬件組成,,虛擬存儲器,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,由高速緩沖存儲器、主存儲器、虛擬存儲器所組成的多級存儲器系統(tǒng)，是計算機中用于存儲程序和數(shù)據(jù)的部件。 這三級存儲器各自的功能分工、所用的存儲介質(zhì)的工作原理和特性各不相同。將作為三個部分分別講解。,,

5、計算機系統(tǒng)的硬件組成,,輸入設(shè)備,虛擬存儲器,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,輸入設(shè)備是向計算機中送入程序和數(shù)據(jù)的具有一定獨立功能的設(shè)備，通過 接口 和 總線與計算機主機連通，用于人機交互聯(lián)系，如計算機鍵盤和鼠標等。,,計算機系統(tǒng)的硬件組成,,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,虛擬存儲器,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,輸出設(shè)備是計算機中用于送出計算機內(nèi)部信息的設(shè)備，例如打印機、顯示器等。,,計算機系統(tǒng)

6、的硬件組成,,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,虛擬存儲器,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,這些部件和設(shè)備通過總線和接口連接在一起, 構(gòu)成計算機整機系統(tǒng)，協(xié)同運行。,,,,,,,,入出接口和總線,計算機系統(tǒng)的硬件組成,P4,計算機系統(tǒng)的軟件組成,計算機軟件要包含語言支持功能。計算機通常使用它的硬件可以直接識別、用電子線路容易處理的一種語言，這就是計算機的機器語言，又稱為二進制代碼語言，也就是計算機的指令；使用計算機的人員往往要

7、使用更“高級”一些的匯編語言和高級程序設(shè)計語言，在這兩種語言之間需要完成必要的處理和翻譯。計算機軟件還要為計算機系統(tǒng)本身提供性能良好的資源管理功能，為使用人員提供盡可能多的幫助。把資源管理和調(diào)度功能留給計算機系統(tǒng)軟件來完成更可靠，完成這一功能的軟件就是計算機的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的存在，又為使用計算機的用戶提供了許多支持，與程序設(shè)計語言相結(jié)合，使得程序設(shè)計更簡化，建立用戶的應(yīng)用程序和操作計算機更方便。,P4,圖中可以看到的計算機系統(tǒng)的

8、 7 層結(jié)構(gòu)。在不同層次之間的關(guān)系表現(xiàn)為： 上面的一層是建立在下一層的基礎(chǔ)上實現(xiàn)出來的，實現(xiàn)的功能更強大，更接近人解決問題的思維方式和處理問題的具體過程，對使用人員更方便，使用這一層提供的功能時，不必關(guān)心下一層的實現(xiàn)細節(jié)。 下面一層是實現(xiàn)上一層的基礎(chǔ)，更接近計算機硬件實現(xiàn)的細節(jié)，實現(xiàn)的功能相對簡單，人們使用這些功能更感到困難。在實現(xiàn)這一層的功能時，可能尚無法了解其上一層的目標和將要解決的問題，也不必理解其

9、更下一層實現(xiàn)中的有關(guān)細節(jié)問題，只要使用下一層所提供出來的功能來完成本層次的功能處理即可。 采用這種分層次的方法來分析和解決某些問題，有利于簡化處理問題的難度，在某一段時間，在處理某一層中的問題時，只需集中精力解決當前最需要關(guān)心的核心問題即可，而不必牽扯各上下層中的其他問題。,匯編語言層,操作系統(tǒng)層,指令系統(tǒng)層,微體系結(jié)構(gòu)層,數(shù)字邏輯層,,,,,高級語言層,,,應(yīng)用層,計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),計算機原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu),第二講,主

10、講教師：趙宏偉 　　　　　　　　　　　　　　　　學時：64,本章主要內(nèi)容,計算機系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)計算機的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)計算機的發(fā)展進步與拓展應(yīng)用的進程,計算機的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn),計算機體系結(jié)構(gòu)（computer architecture）：通常是指涉及機器語言或者匯編語言的程序設(shè)計人員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性，更多說的是計算機的外特性，是硬件子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念及其功能特性。 這其中最重要的問題都直接和計

11、算機的指令系統(tǒng)有關(guān)，例如計算機的字長，計算機硬件能夠直接識別和處理的數(shù)據(jù)類型及其表示、存儲、讀寫方式，指令系統(tǒng)的組成，指令類別、格式和功能，支持的尋址方式，存儲器、輸入輸出設(shè)備和CPU之間數(shù)據(jù)傳送的方式和控制，也包括中斷的類型和處理流程，對各種運行異?；蛘叱鲥e的檢測和處理方案等等，這些都是程序設(shè)計人員編寫出高質(zhì)量程序并確保其正常運行必須深入了解的計算機的屬性。計算機體系結(jié)構(gòu)主要研究硬件和軟件功能的劃分，確定硬件和軟件的界面，即哪些功能應(yīng)

12、劃分給硬件子系統(tǒng)完成，哪些功能應(yīng)劃分到軟件子系統(tǒng)中完成。,計算機組成（computer organization）：是依據(jù)計算機體系結(jié)構(gòu)確定并且分配了硬件子系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)和功能特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計計算機各部件的具體組成，它們之間的連接關(guān)系，實現(xiàn)機器指令級的各種功能和特性。 從這一點又可以說，計算機組成是計算機體系結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。為了實現(xiàn)相同的計算機體系結(jié)構(gòu)所要求的功能，完全可以有多種不同的計算機組成設(shè)計方案。因為半導體器件性能的提

13、高，新的技術(shù)成果的面世，或者又有新的價格/性能比的需求出現(xiàn)，都會帶來計算機組成的變化。同一個計算機體系結(jié)構(gòu)可以對應(yīng)多個不同的計算機組成，最典型的例子就是系列計算機（family computer）, 同一個系列的計算機往往保持軟件兼容（software compatibility）特性。,計算機的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn),P7,計算機實現(xiàn)（computer implementation）：是計算機組成的物理實現(xiàn)。包括中央處理機、主存儲器、輸

14、入輸出接口和設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)，所選用的半導體器件的集成度和速度，器件、模塊、插件、底板的劃分，電源、冷卻、裝配等技術(shù)，生產(chǎn)工藝和系統(tǒng)調(diào)試等各種問題，一句話，就是把完成邏輯設(shè)計的計算機組成方案轉(zhuǎn)換為真實的計算機，也就是把滿足設(shè)計和運行、價格等各項要求的計算機系統(tǒng)真正地制作并調(diào)試出來。 計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)是三個不同的概念，各自有不同的含義，但是又有著密切的聯(lián)系，而且隨著時間和技術(shù)的進步，這些含意也會有所改變。在某

15、些情況下，有時也無須特意地去區(qū)分計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成的不同含義。,計算機的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn),本章主要內(nèi)容,計算機系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)計算機的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)計算機的發(fā)展進步與拓展應(yīng)用的進程,計算機發(fā)展進步與拓展應(yīng)用的進程,計算機系統(tǒng)的性能，主要指的是它的運行速度和處理數(shù)據(jù)的能力，不妨先簡單的回顧一下計算機性能增長的歷程。 70年代之前，計算機性能增長速度緩慢，但形成了被廣泛采用的馮.諾依曼先生

16、提出的存儲程序計算機的完整概念。 到了70年代，由于集成電路的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，推動計算機的性能以每年25%~30%的速度增長； 80年代之后，集成電路技術(shù)的進步并結(jié)合計算機體系結(jié)構(gòu)的變革，計算機的性能更達到了每年50%的增長速度； 到了90年代中期之后，主要依靠計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，計算機的性能仍保持了每年50%的增長速度。可以看到，計算機性能的提高，在物質(zhì)的層面上，依靠的是集成電路生產(chǎn)工

17、藝改進帶來的半導體器件性能的提高，在技術(shù)的層面上，依靠的是計算機體系結(jié)構(gòu)和組成方面的創(chuàng)新與進步。,P8,從制作計算機使用的元器件的不同，計算機的發(fā)展，依次經(jīng)歷了電子管時代，晶體管時代，小規(guī)模集成電路時代，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時代等幾個不同的發(fā)展階段。 電子管計算機時代：電子管，是封裝在玻璃外殼內(nèi)的一種電真空器件，用它可以設(shè)計出實現(xiàn)反相功能的反相器線路，在此基礎(chǔ)上，再實現(xiàn)出計算機使用的全部組合邏輯線路，諸如加法器、譯碼器等線路

18、，和觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器等各種時序邏輯線路。用電子管線路實現(xiàn)的屬于電子管計算機。 晶體管計算機時代：晶體管，通常指的是晶體三極管，是用半導體材料制作出來、封裝在一個金屬殼內(nèi)的帶有三個管腳的小器件，1958年進入批量生產(chǎn)階段。用它可以設(shè)計出實現(xiàn)反相功能的反相器線路，在此基礎(chǔ)上，再實現(xiàn)出計算機使用的全部組合邏輯線路，和觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器等各種時序邏輯線路。用分立的晶體管線路實現(xiàn)的屬于晶體管計算機。,計算機發(fā)展進步與拓展應(yīng)用的進

19、程,P9,中小規(guī)模集成電路時代：隨著半導體器件生產(chǎn)工藝與技術(shù)上的進步，在一片半導體基片上，可以生產(chǎn)出多個晶體管，并用它們形成具有一定處理功能的邏輯器件，這就是集成電路（integrated circuit）。此時集成到一個芯片內(nèi)的晶體管數(shù)量還相當有限，實現(xiàn)的還只限于簡單的、完成基本處理功能的組合邏輯門一級的電路，和簡單的觸發(fā)器，寄存器之類的電路，故被稱為中、小規(guī)模集成電路。 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代：半導體器件生產(chǎn)工藝的改進

20、，使得在一片半導體基片上，可以生產(chǎn)出數(shù)量更多的晶體管，就形成了大規(guī)模集成（large scale integration）電路，若在一個芯片上的晶體管數(shù)量達到更多，就被叫做超大規(guī)模（super large scale integration）電路，單個芯片內(nèi)的晶體管數(shù)量達到百萬個時被叫做甚大規(guī)模電路（ultra large scale integration）, 達到一億個時被叫做極大規(guī)模電路（extremely large scal

21、e integration）。 用不同集成度的器件制作的計算機分別屬于中小規(guī)模集成電路的、大規(guī)模集成電路的、超大規(guī)模集成電路的計算機。,計算機發(fā)展進步與拓展應(yīng)用的進程,P9,計算機發(fā)展進步與拓展應(yīng)用的進程,計算機發(fā)展進步的另一個方面，表現(xiàn)在其應(yīng)用領(lǐng)域的擴展和對社會變革、進步帶來的深刻影響。簡單列舉（并非完整全面）如下：計算機作為計算工具，完成各種復雜的科學計算是它的一個重要應(yīng)用方面。計算機作為數(shù)據(jù)處理工具，在政府辦公，企、

22、事業(yè)單位的管理等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。計算機作為具有高速和靈活的邏輯處理能力的工具，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、航天發(fā)射等過程的實時控制。計算機作為具有高速和靈活的邏輯處理和推理能力的工具，被廣泛地應(yīng)用在人工智能領(lǐng)域，完成諸如數(shù)學定理證明，自然語言理解，知識表示和挖掘，計算機翻譯等需要有一定邏輯推理的領(lǐng)域發(fā)揮決定性的作用。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，計算機已經(jīng)成為在寬廣的范圍內(nèi)傳播信息和實現(xiàn)人員溝通的重要工具，極大地改變了人類的生活環(huán)境和交流方