第1章 计算机系统概论.ppt

标题,第一级,第二级,第三级,第四级,第五级,第,一,章,计,算,机,系,统,概,*,计算机组成原理,于哲舟 电话：[phone],yuzz,第一章 概论,计算机的基本概念,系统硬件组成,（主要部件、系统结构）,计算机的性能指标,本 章 主 要 内 容,1.1,计算机概况,计算机的分类,电子模拟计算机,电子数字计算机,专用计算机,通用计算机,超级计算机,大型机,服务器,工作站,微型机,单片机,单片机,微型机,工作站,服务器,大型机,超级计算机,简易性,高,低,低,高,体积,功耗,性能,数据存储量,指令系统,价格,1.1,计算机概况,计算机的应用,科学计算,自动控制,测量和测试,信息处理,商务处理,管理应用,教育和卫生,家用电器,人工智能,第一台,（,电子管）,电子计算机,ENIAC,-Electronic Numerical Integrator And Computer,重量：,30,吨,：大约,18000,个电子管；,占地：,15000,平方英尺；耗电,140,千瓦；,速度,：,5000,次加法,/,秒；,10,进制,；插线和开关方式编程；,20,个,存储单元,ENIAC,-,Electronic Numerical Integrator And Computer,ENIAC,-,Electronic Numerical Integrator And Computer,冯 诺依曼（,Von Neumann,）,第一台,电子计算机,ENIAC,的两位实际研制者,是,宾州大学教授,莫契利,-,Mauchly,和,他的学生,埃克特,-Eckert,，,43,年,在美国军方的资助下（预算经费为,15,万美元）,，在,1946,年,2,月完成（最终耗资,48,万美元，这在当时是一笔巨款）。,为什么经典计算机称为,冯,.,诺依曼机呢？,作为,ENIAC,项目顾问提出了一个新的计算机体系结构方案。并在,1945,年公布于众,第一台 电子数字计算机的发明和制造者,莫契利：,发明,ENIAC,的美国科学家,John W.,Mauchly,。,埃克特,发明,ENIAC,的美国科学家,Eckert,计算机发展,史上的,重要里程碑,存储程序概念的提出,1945,，冯,诺依曼（,John Von,Naumann,）,“存储程序控制计算机结构”,(,即诺依曼机）,五大部件,采用二进制,程序和原始数据先存入存储器，然后再启动计算机工作。,奠定了现代计算机的体系结构,1.1.1,冯 诺依曼思想（,Von Neumann,）,计算机的本质是信息处理的机器；,信息处理的过程：,1,、原始信息的输入；,输入设备,2,、信息存储；,存储设备,3,、信息加工、处理；,运算器,4,、加工后的结果信息的输出；,输出设备,5,、对,14,过程的控制。,控制器,1.1.1,冯 诺依曼思想（,Von Neumann,）,用二进制代码表示程序和数据,计算机采用存储程序的工作方式,计算机硬件由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备组成,输入设备,主存储器,输出设备,运算器,控制器,外存储器,存储器,外设,CPU,主机,数据,控制,地址或指令,1.1.2,计算机的硬件,对比现在,PC,主板,运算器,进行处理和算术运算和逻辑运算的部件。,1.1.2,计算机的硬件,运算单元电路,寄存器,B,累加器,A,CPU=,运算器,+,控制器,ENIAC,-,Electronic Numerical Integrator And Computer,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,存储器,用来存放程序和数据的部件。,计算机能够实现,“,存储程序控制,”,的基础。,1.1.2,计算机的硬件,M,地址,0,1,2,3,4,5,6,7,存储单元,存储器,用来存放程序和数据的部件。,计算机能够实现,“,存储程序控制,”,的基础。,中央处理器,高速缓冲存储器,内存储器,外存储器,三级存储系统,1.1.2,计算机的硬件,控制器,1,）功能：,产生控制命令,(,微命令,),，控制全机操作,。,2,）组成：,微命令发生器,指令信息,状态信息,时序信号,微命令序列,控制器,整个计算机的指挥中心，按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。,计算程序 例：计算,a+b-c,=,？,解题步骤,取数,a,，暂存,完成,a+b,，暂存,完成,a+b-c,，暂存,存储最终结果,停止,1.1.2,计算机的硬件,助记符,LOAD,ADD,SUB,STORE,HALT,计算,a+b-c,的程序,指令地址,指令,指令操作内容,操作码,地址码,000,LOAD,005,（,005,）,累加器,001,ADD,006,累加器,+(006),累加器,002,SUB,007,累加器,-(007),累加器,003,STORE,008,累加器,008,004,HALT,停机,005,a,006,b,007,c,008,计算机的工作过程,例,:,计算,a+b-c,=?,输入设备,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所能识别和接受的信息方式。键盘、鼠标、扫描仪等。,输出设备,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。打印机、显示器等。,1.1.2,计算机的硬件,1,、光驱,2,、显卡适配器,3,、磁盘阵列,计算机的发展是,伴随着,微电子器件,的发展而发展的。,电子管,(,真空管,)20,世纪初,1904,，英国人，弗莱明，真空二极管。,1906,，,德,福雷斯特，真空三极管。,体积大,功耗高,寿命短,可靠性差,计算机的发展,史,电子管计算机（,194650,年代后期）,存储器：延迟线、磁芯,无高级语言，甚至没有汇编器,服务领域：科学计算、军事、尖端科技。,计算机的发展史,1906,年发明电子管；,1946,年制造了电子管计算机,1946,年,2,月,14,日，标志现代计算机诞生的,ENIAC(Electronic,Numerical Integrator and Computer),在费城公诸于世。,ENIAC,代表了计算机发展史上的里程碑。,ENIAC,由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发，,使用了,18000,个电子管，占地,1800,平方英尺，耗电,180,千瓦，其运算速度为每秒,5000,次。它通过不同部分之间的重新接线编程，还拥有并行计算能力。它使用于,1946,到,1955,年，被公认为第一台成功的高速电子数字计算机,。,计算机的发展史,晶体管计算机（,1958,年,60,年代中期）,运算速度每秒几十万次,磁芯存储器,内存容量,10,万单元以上,服务领域：军事、尖端技术、气象、工程设计、数据处理、科学研究等。,1947,年发明晶体管；,特点,体积小,功耗低,可靠性高,计算机的发展是伴随着,微电子器件的发展而发展的。,集成电路芯片,(,I,ntegrated,C,ircuits),（,1959,年）,基尔比,“第一块集成电路的发明家”,诺依斯,“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。,特点,速度快,功耗低,可靠性高,计算机的发展,史,计算机的发展史,中、小规模集成电路计算机,（,1965,年,70,年代前期）,功耗、体积、价格等进一步下降,速度及可靠性相应的提高,范围进一步扩大,大规模、超大规模集成电路计算机,（,1971,年,80,年代后期）,半导体存储器,大容量、高集成度、高速度,70,年代初，出现了微型计算机,计算机进入了几乎所有的行业,计算机的发展,史,计算机的发展是,伴随着,微电子器件的发展而发展的。,集成电路芯片,(Integrated Circuits),（,1959,年,）,按晶体管集成度,SSI(,小规模集成电路,)100,个以下,MSI(,中规模集成电路,)100,3000,LSI(,大规模集成电路,)3000,3,万,VLSI(,超大规模集成电路,)10,万,1,亿,ULSI(,甚大规模集成电路,)1,亿以上,计算机的发展史,甚大规模集成电路计算机（,1986,年,）,20,世纪,90,年代初，计算机进入第五代。,主要标志,集成度：单片集成百万晶体管以上,超标量技术的成熟与应用,极大规模集成电路计算机,集成度：单片集成,1,亿,10,亿晶体管,计算机的发展史,（,1,种观点）,起迄年份,代别,主要逻辑元件,软 件,电子管,机器语言、汇编语言,晶体管,高级语言（,Fortran,）、监控程序、简单操作系统,集成电路（,IBM360,）,功能较强的操作系统、会话式语言,大规模或超大规模集成电路,软件工程的研究与应用、数据库、语言编译系统和网络软件,1946-1957,1958-1964,1965-1970,1970-1990,一,二,三,四,20,世纪末,未来,五,六,甚大规模集成电路,极大规模集成电路,同上,同上,CPU(,运算器和控制器,),进展,我们以大家熟悉的,PC,为例，可以看出,cpu,的各项指标发展很快，目前市场上的,Intel,core(tm)CPU,的运行频率多为,3GHZ,左右。,1965,，,Intel,公司的创办人摩尔发现：“在相等面积,(,制作成本,),上，,CPU,上的,晶体管数量,以每,18,个月倍增的趋势增加，,执行性能,的提升大体也符合这个趋势。”,摩尔定律,微型计算机的出现,1971,，,Intel,公司推出了微处理器芯片。,1981,年,8,月,12,日，,IBM,在纽约宣布,IBM PC,个人电脑出世。,计算机发展,史上的,重要里程碑,（对我国影响较大的系列机,-,IBM PC,）,1983,春季,:IBM XT,机发布，增加了,10,兆的硬盘。,IBM XT was released.It had a 10Mb hard disk,中国计算机发展之路,1956,年，周恩来总理亲自提议、主持、制定我国,十二年科学技术发展规划,，选定了“计算机、电子学、半导体、自动化”作为“发展规划”的四项紧急措施，并制定了计算机科研、生产、教育发展计划。我国计算机事业由此起步。,“决定一个国家的国势国力的，将是新技术，而不是传统技术。”,周恩来,第一代计算机,103,机的三机柜（,1958,年）,第二代计算机,441-B,晶体管（,1964,年）,第三代计算机,111,机小规模集成电路（,1970,年）,首台,DJS130,小型多用电子计算机,(1974,年,09,月,02,日新华社报道,),它配有控制打字机、穿孔机和纸带输入、输出机等外部设备,中国大陆处理能力最强的国产巨型机,Dawning 5000A,2009,年全球排名：,15,位,上海超级计算中心,建成时间：,2008,年,CPU,数目：,30720,个,实测峰值速度：,180,万亿次,理论峰值速度：,233,万亿次,采用的,CPU,：,AMD QC,Opteron,1.9GHz,计算机工作流程,第一步：,编写程序,输入程序,存储程序,第二步：,转换程序为指令序列,第三步：,执行指令,第四步,：,输出结果,计算程序 例：计算,a+b-c,=,？,解题步骤,取数,a,，暂存,完成,a+b,，暂存,完成,a+b-c,，暂存,存储最终结果,停止,复习：计算机的工作过程,助记符,LOAD,ADD,SUB,STORE,HALT,计算,a+b-c,的程序,指令地址,指令,指令操作内容,操作码,地址码,000,LOAD,005,（,005,）,累加器,001,ADD,006,累加器,+(006),累加器,002,SUB,007,累加器,-(007),累加器,003,STORE,008,累加器,008,004,HALT,停机,005,a,006,b,007,c,008,计算机的工作过程,例,:,计算,a+b-c,=?,1.2,计算机系统的组织,1.,以总线为基础的系统结构,总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。,总 线,部件,部件,部件,总 线,功能,内总线,局部总线,系统总线,外总线,信息,地址总线,数据总线,控制总线,时序,同步总线,异步总线,格式,并行总线,串行总线,方向,单向总线,双向总线,（,1,）以,CPU,为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,I/O,总线,M,总线,（,2,）单总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,（,3,）以,M(,存储器,),为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,M,总线,（,4,）多级总线结构,CPU,RAM,ROM,公共接口,总线控制逻辑,M,扩展板,I/O,接口板,局部总线,系统总线,（,5,）,总线和总线桥,目前单机常用总线结构,CPU,低速设备,桥,数据,高速总线,存储器,高速设备,高速设备,低速总线,2.,采用通道或,IOP,的大型系统结构,（,1,）带通道的系统,I/O,控制器,主机,I/O,通道,（,2,）带,IOP,的系统,CPU,M,接口,I/O,IOP,LM,接口,I/O,系统总线,I/O,总线,3.,本教材模型机系统结构,系 统 总 线,CPU,M,公共接口,接口,接口,I/O,I/O,大、中型机的典型结构,CPU,内存储器,外设,外设,通道,通道,设备控制器,外设,外设,设备控制器,外设,外设,设备控制器,外设,外设,设备控制器,主机,第三节 计算机系统性能指标,1.,基本字长,指操作数的基本位数。,它影响计算精度、指令功能。,2.,存储容量,（,1,）主存容量,指存储单元个数,位数。,决定地址位数,表明编址单位,表示为,:,字数,字长,(,按字编址,),或,字节数,(,按字节编址,),（,2,）外存容量,常表示为,字节数,。,外存容量与地址码位数无关,。,3.,运算速度,（,1,）定点,/,浮点四则运算时间,（,2,）每秒平均执行的指令条数（,MIPS,）,（,3,）,CPU,时钟频率（,MHz,）,总线位数,总线时钟频率,8,5.,处理功能,（,1,）指令系统功能,(,寻址方式,、,指令,类型,),（,2,）系统软件配置,总线带宽,=,4.,数据传输率,（,B/S,）,计算机系统性能指标,（,常用名词,）,1,、,CPI-Clock cycle Per Instruction,2,、,MI,PS-Million Instructions executed Per Second,每秒平均执行的,（百万条）,指令数,3,、,MFLOPS-Million,Floationg,-point Operations per Second,每秒百万个浮点操作,吞吐量,响应时间,CPU,时钟周期,CPU,执行时间,主频,1.3,计算机的软件,计算机语言,机器语言：由,0/1,代码组成，计算机能够直接识别。,汇编语言：由助记符组成。,高级语言,汇编语言源程序,汇编,机器语言目标程序,高级语言源程序,编译,机器语言目标程序,解释,边解释,边执行,软件,与硬件的逻辑等价性,一个完整的计算机系统包含硬件系统和软件系统两大部分。,计算机系统,=,硬件,+,软件,软件与硬件的逻辑等价性,硬件和软件是相辅相成的，不可分割的整体。,硬件和软件互相渗透、互相融合。,硬件软化,软件硬化,固件：,1967,年，美国人,A,.,Opler,提出。存储在能永久保存信息的器件中的程序，是具有软件功能的硬件。,1.3,计算机的软件,软件的组成与分类,服务性程序,系统软件,语言处理程序,软件,操作系统,数据库管理系统,应用软件,不同对象观察到的计算机硬件系统,一般用户,不同对象观察到的计算机硬件系统,专业用户,不同对象观察到的计算机硬件系统,计算机设计者,end chpter 1,