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计算机组成原理与汇编语言,内容,第一章 绪论 第二章 数据信息表示 第三章 数值运算及运算器 第四章 指令系统 第五章 中央处理器（CPU） 第六章 存储系统 第七章 输入输出系统及外围设备 第八章 汇编语言,参考教材,计算机组成原理（第2版） 唐朔飞 高等教育出版社 2008年 计算机组成原理 蒋本珊 清华大学出版社 2004年 计算机组成原理与汇编语言程序设计 俸远祯等 电子工业出版社 1999年 计算机组成和设计 硬件/软件接口（第2版） David A. Patterson等著 清华大学出版社 2003年 计算机组成与体系结构（第3版 网络版） 白中英 科学出版社 2006年,第一节 计算机的分类和应用 第二节 计算机的基本组成 第三节 计算机系统的硬件结构 第四节 计算机系统的软件 第五节 计算机系统的层次结构 第六节 计算机性能指标分析 第七节 计算机系统组织和结构的发展,第一章 绪论,第一节 计算机的分类和应用,一、计算机的分类 电子模拟计算机的主要特点： 参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的。 电子数字计算机的主要特点： 参与运算的数值用断续的数字量表示，其运算过程按数字位进行。,数字计算机分类,数字计算机按用途分为：专用计算机和通用计算机。 专用计算机：为解决某类问题而设计。 通用计算机：适应性很强，可以解决各类应用。 专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。 通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机以及单片机。,二、计算机的应用 （一）科学计算数值计算 （二）计算机控制A/D、D/A （三）信息处理非数值计算 （四）教育和卫生 （五）家用电器 （六）人工智能,第一节 计算机的分类和应用,一、存储程序的概念 采用二进制形式表示计算机中的数据和指令。 把编好的程序和原始数据预先存入主存储器中，使计算机在工作时能够连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并且执行之。（存储程序概念） 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计算机系统。,第二节 计算机的基本组成,算术运算 逻辑运算,存放数据 和程序,将信息转换成机 器能识别的形式,将结果转换成 人们熟悉的形式,指挥程序 运行,冯·诺依曼计算机硬件框图,y=ax+b-c,计算机的基本组成框图,二、计算机的主要部件 （一）输入设备： 功能：向机器输入操作员提供的原始信息，并将这些信息变换为计算机能够识别的形式。 （二）输出设备： 功能：将计算机的处理结果，以人们容易接受的形式或为其他机器所能接受的形式输送出来。 （三）存储器 功能：存储程序和各种数据信息。 存储系统通常分为三级存储体系。,第二节 计算机的基本组成,存储系统的三级存储体系,主存储器（内存储器）、辅助存储器（外存储器）、高速缓冲存储器。,（四）运算器 功能：执行算术运算和逻辑运算的部件，对信息进行加工处理。 （五）控制器 功能：产生一系列控制信号以指挥整个计算机系统有条不紊的自动运行。（即决定做某种动作的时间和条件。） 控制器的结构有两种类型：即组合逻辑控制器和微程序控制器。,第二节 计算机的基本组成,总线：一组公共信息传输线路，能为多个部件服务，可分时地发送与接收各个部件的信息。 总线的数据通路宽度：指能够一次并行传送的数据位数。 总线分为单向总线和双向总线。 单向总线：挂在总线上的一些部件将信息有选择地传向另一些部件，却不能反向传送；,第三节 计算机系统的硬件结构,一、总线,双向总线： 挂在总线上的任何一个部件或设备都可以从总线上有选择地接受其他部件或设备的信息，而且能通过总线有选择的向其他部件或设备发送信息。 总线传送信息的类别： 数据总线：传送操作数或程序。 地址总线：传送主存储器地址码或外围设备码。 控制总线：传送各种控制信息。,总线的概念,二、小型机与微型机的典型结构,第三节 计算机系统的硬件结构,1、以CPU为中心的双总线结构,结构特点两组总线 存储总线、输入输出总线 优点：同一时间只能进行一种传送，控制线路 简单，时间关系易于处理，可以采用同 步控制方式。 缺点：I/O设备与存储器交换需要cpu控制， cpu效率降低。,1、以CPU为中心的双总线结构,2、单总线系统结构,单总线系统结构图,结构特点一组总线实现cpu，I/O,MEM间通信 中央处理机可以看作单总线上的一个子系统。 各部件可通过单总线进行双向信息传送。 优点：允许I/O与MEM直接交换信息，MEM可 以和I/O设备统一编址 缺点：不允许两个设备同时使用总线。 所有设备连在一个总线上，数据量大时容 易达到饱和，造成系统性能下降。,2、单总线系统结构,所有部件和设备都可通过总线交换信息，但在CPU与主存之间又专门设置了一组高速的存储总线。,3、面向存储器的双总线系统结构,优点：通过专用总线与存储器连接，提高了cpu速度，减轻了系统总线的负担。 主存与输入输出设备交换，不需要通过cpu 计算机系统由cpu为中心转为存储器为中心,3、面向存储器的双总线系统结构,CPU,Cache 控制器 内存控制器 处理器总线与主PCI 总线桥接器,高速缓存 Cache,内存 DRAM,PCI与PCI 桥接器,PCI与ISA 桥接器,PCI与EISA 桥接器,LAN I/O 控制器,MODEM 控制器,I/O支持,软盘,键盘,串行口,I/O支持,并行口,声频,处理器总线,主PCI总线,次PCI总线,ISA总线,EISA总线,存储器 总线,4、典型微机总线举例：基于PCI总线的系统结构图,PCI SCSI卡,PCI 显卡,标准 总线桥,PCI桥,主桥,主板：支撑着CPU、内存条以及I/O接口之间进行数据传送，是总线技术的集成化、模块化的结果。,主板与总线,嵌入在主板上的总线是多层次的，包含了系统总线、 局部总线以及外设总线等。,主板举例,二、中、大型计算机的典型结构,第三节 计算机系统的硬件结构,整机系统分成主机、通道、I/O控制器和I/O设备等四级。 通道：是一种控制设备，它能保证CPU中的数据处理与I/O设备交换信息两项任务同时执行，完成I/O操作管理。,第三节 计算机系统的硬件结构,第四节 计算机系统的软件,一、系统软件 操作系统 语言处理程序 管理程序 服务程序 二、应用软件 科学计算类 工程设计类 信息管理类,一、 硬软组成的层次结构 数据模型/算法 系统分析级 用户程序 用户程序级 应用软件 用户工具级 语言处理程序 算法实现级 操作系统 软件接口级 机器语言 指令级 硬核 微程序级,第五节 计算机系统的层次结构,二、从语言功能角度划分层次结构,第五节 计算机系统的层次结构,专用语言虚拟机 专用语言解释程序 高级语言虚拟机 高级语言编译程序 汇编语言虚拟机 汇编程序 机器语言物理机 指令系统,第五节 计算机系统的层次结构,二、从语言功能角度划分层次结构,一、计算机的主要特性 （一）在程序控制下自动连续工作 （二）运算速度快 （三）精度高、通用性强 二、计算机的主要指标 （一）基本字长： 参与计算机运算的操作数的基本位数。,第六节 计算机的性能指标分析,（二）主存储器容量 以字( Word )为单位的计算机常用字数乘以字长来表示存储器容量，如 8192×16 表示有 8192 个字存储单元。 以字节( Byte = 8 bit )为单位的计算机则常以字节数表示存储器容量。如 1024B（1KB）。 主存储器容量通常受可直接访问的地址码长度的限制。如地址码长度为16位，则可直接访问的存储单元数为 216=65536。 （三）外存容量： 计算机系统中联机的外存储器容量。,第六节 计算机的性能指标分析,（四）运算速度： 每秒钟平均执行的机器指令条数。（IPS） 执行一条（机器）指令所需的时间。 （五）外围设备的配置 （六）指令系统的功能 （七）系统软件的配置 （八）诊断功能与容错能力 （九）绿色电脑和制作工艺,第六节 计算机的性能指标分析,第七节 计算机系统组织和结构的发展,一、提高系统性能 1 .价格 2 .速度 3 .容量 二、智能化,世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946),计算机的发展,硬件技术对计算机更新换代的影响,第一台von Neumann 系统结构的计算机,IBM System360,Intel 公司的典型微处理器产品,8080 8位 1974年 8086 16位 1979年 2.9 万 80286 16位 1982年 13.4 万 80386 32位 1985年 27.5 万 80486 32位 1989年 120.0 万 Pentium 64位（准） 1993年 310.0 万 Pentium pro 64位（准） 1995年 550.0 万 Pentium 64位（准） 1997年 550.0 万以上 Pentium 64位（准） 1999年 800.0 万以上 Pentium 64位 2000年 4 200.0 万,预计,2010 年 芯片上可集成 8 亿 晶体管,龙芯2E芯片与配套主板,后PC时代微处理器芯片对社会的影响,流水线 向量机 RISC 超标量方式：同时执行多条指令 超长指令字（VLIW） 多存储体交叉访问 多机系统,提高系统性能的若干技术：,