計(jì)算機(jī)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、計(jì)算機(jī)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu),第一講,主講教師：趙宏偉 　　　　　　　　　　　　　　　　學(xué)時(shí)：64,第1章,概述,本章主要內(nèi)容,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)步與拓展應(yīng)用的進(jìn)程,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成,計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)五大功能部件包括：運(yùn)算器、控制器存儲(chǔ)器（高速緩存 主存儲(chǔ)器 虛擬存儲(chǔ)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(tái)完整的計(jì)算機(jī)，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(yùn) 算 器,,,,,,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成,虛擬存儲(chǔ)器,主存儲(chǔ)器,高速緩存,,,數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線,,,計(jì)算機(jī)主機(jī),計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備,計(jì)算機(jī)的CPU,,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成,P1,,,圍繞運(yùn)算器部件構(gòu)建系統(tǒng) 圍繞存儲(chǔ)器部件構(gòu)建系統(tǒng),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成,P2,,運(yùn) 算 器,運(yùn)算器部件是計(jì)算機(jī)中進(jìn)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(yùn)算， 執(zhí)行邏輯數(shù)據(jù)的與或非等邏輯運(yùn)算， 由一個(gè)被稱為 ALU 的線路完成。 2. 暫時(shí)存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果， 由多個(gè)通用寄存器和乘商寄存器承擔(dān)。3. 運(yùn)算器通常也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?。,,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成,,控 制 器,運(yùn) 算 器,控制器是計(jì)算機(jī)中控制執(zhí)行指令的部件，向計(jì)算機(jī)各功能部件提供每一時(shí)刻協(xié)同運(yùn)行所需要的控制信號(hào)：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(dòng)連續(xù)地執(zhí)行。3. 對(duì)各種異常情況和請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng)和處理。,,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成,,虛擬存儲(chǔ)器,主存儲(chǔ)器,高速緩存,控 制 器,運(yùn) 算 器,由高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器、虛擬存儲(chǔ)器所組成的多級(jí)存儲(chǔ)器系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)中用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件。 這三級(jí)存儲(chǔ)器各自的功能分工、所用的存儲(chǔ)介質(zhì)的工作原理和特性各不相同。將作為三個(gè)部分分別講解。,,

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

6、的硬件組成,,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,虛擬存儲(chǔ)器,主存儲(chǔ)器,高速緩存,控 制 器,運(yùn) 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(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)，協(xié)同運(yùn)行。,,,,,,,,入出接口和總線,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成,P4,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件組成,計(jì)算機(jī)軟件要包含語(yǔ)言支持功能。計(jì)算機(jī)通常使用它的硬件可以直接識(shí)別、用電子線路容易處理的一種語(yǔ)言，這就是計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言，又稱為二進(jìn)制代碼語(yǔ)言，也就是計(jì)算機(jī)的指令；使用計(jì)算機(jī)的人員往往要

7、使用更“高級(jí)”一些的匯編語(yǔ)言和高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在這兩種語(yǔ)言之間需要完成必要的處理和翻譯。計(jì)算機(jī)軟件還要為計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件來完成更可靠，完成這一功能的軟件就是計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的存在，又為使用計(jì)算機(jī)的用戶提供了許多支持，與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言相結(jié)合，使得程序設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)化，建立用戶的應(yīng)用程序和操作計(jì)算機(jī)更方便。,P4,圖中可以看到的計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)出來的，實(shí)現(xiàn)的功能更強(qiáng)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(duì)使用人員更方便，使用這一層提供的功能時(shí)，不必關(guān)心下一層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。 下面一層是實(shí)現(xiàn)上一層的基礎(chǔ)，更接近計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，人們使用這些功能更感到困難。在實(shí)現(xiàn)這一層的功能時(shí)，可能尚無法了解其上一層的目標(biāo)和將要解決的問題，也不必理解其

9、更下一層實(shí)現(xiàn)中的有關(guān)細(xì)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(jiǎn)化處理問題的難度，在某一段時(shí)間，在處理某一層中的問題時(shí)，只需集中精力解決當(dāng)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(yǔ)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(jí)語(yǔ)言層,,,應(yīng)用層,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu),第二講,主

10、講教師：趙宏偉 　　　　　　　　　　　　　　　　學(xué)時(shí)：64,本章主要內(nèi)容,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)步與拓展應(yīng)用的進(jìn)程,計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn),計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（computer architecture）：通常是指涉及機(jī)器語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)人員所見到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，更多說的是計(jì)算機(jī)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(jì)

11、算機(jī)的指令系統(tǒng)有關(guān)，例如計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)類型及其表示、存儲(chǔ)、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(chǔ)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(duì)各種運(yùn)行異?；蛘叱鲥e(cuò)的檢測(cè)和處理方案等等，這些都是程序設(shè)計(jì)人員編寫出高質(zhì)量程序并確保其正常運(yùn)行必須深入了解的計(jì)算機(jī)的屬性。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)組成（computer organization）：是依據(jù)計(jì)算機(jī)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(jì)計(jì)算機(jī)各部件的具體組成，它們之間的連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各種功能和特性。 從這一點(diǎn)又可以說，計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)相同的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所要求的功能，完全可以有多種不同的計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)方案。因?yàn)榘雽?dǎo)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(jià)格/性能比的需求出現(xiàn)，都會(huì)帶來計(jì)算機(jī)組成的變化。同一個(gè)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以對(duì)應(yīng)多個(gè)不同的計(jì)算機(jī)組成，最典型的例子就是系列計(jì)算機(jī)（family computer）, 同一個(gè)系列的計(jì)算機(jī)往往保持軟件兼容（software compatibility）特性。,計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn),P7,計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)（computer implementation）：是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。包括中央處理機(jī)、主存儲(chǔ)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(dǎo)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(jì)的計(jì)算機(jī)組成方案轉(zhuǎn)換為真實(shí)的計(jì)算機(jī)，也就是把滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行、價(jià)格等各項(xiàng)要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)真正地制作并調(diào)試出來。 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是三個(gè)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(shí)間和技術(shù)的進(jìn)步，這些含意也會(huì)有所改變。在某

15、些情況下，有時(shí)也無須特意地去區(qū)分計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成的不同含義。,計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn),本章主要內(nèi)容,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)步與拓展應(yīng)用的進(jìn)程,計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)步與拓展應(yīng)用的進(jìn)程,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，主要指的是它的運(yùn)行速度和處理數(shù)據(jù)的能力，不妨先簡(jiǎn)單的回顧一下計(jì)算機(jī)性能增長(zhǎng)的歷程。 70年代之前，計(jì)算機(jī)性能增長(zhǎng)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(chǔ)程序計(jì)算機(jī)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(dòng)計(jì)算機(jī)的性能以每年25%~30%的速度增長(zhǎng)； 80年代之后，集成電路技術(shù)的進(jìn)步并結(jié)合計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的變革，計(jì)算機(jī)的性能更達(dá)到了每年50%的增長(zhǎng)速度； 到了90年代中期之后，主要依靠計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的性能仍保持了每年50%的增長(zhǎng)速度。可以看到，計(jì)算機(jī)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(jìn)帶來的半導(dǎo)體器件性能的提高，在技術(shù)的層面上，依靠的是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和組成方面的創(chuàng)新與進(jìn)步。,P8,從制作計(jì)算機(jī)使用的元器件的不同，計(jì)算機(jī)的發(fā)展，依次經(jīng)歷了電子管時(shí)代，晶體管時(shí)代，小規(guī)模集成電路時(shí)代，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時(shí)代等幾個(gè)不同的發(fā)展階段。 電子管計(jì)算機(jī)時(shí)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(jì)出實(shí)現(xiàn)反相功能的反相器線路，在此基礎(chǔ)上，再實(shí)現(xiàn)出計(jì)算機(jī)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(jì)數(shù)器等各種時(shí)序邏輯線路。用電子管線路實(shí)現(xiàn)的屬于電子管計(jì)算機(jī)。 晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代：晶體管，通常指的是晶體三極管，是用半導(dǎo)體材料制作出來、封裝在一個(gè)金屬殼內(nèi)的帶有三個(gè)管腳的小器件，1958年進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。用它可以設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)反相功能的反相器線路，在此基礎(chǔ)上，再實(shí)現(xiàn)出計(jì)算機(jī)使用的全部組合邏輯線路，和觸發(fā)器、寄存器、計(jì)數(shù)器等各種時(shí)序邏輯線路。用分立的晶體管線路實(shí)現(xiàn)的屬于晶體管計(jì)算機(jī)。,計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)步與拓展應(yīng)用的進(jìn)

19、程,P9,中小規(guī)模集成電路時(shí)代：隨著半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝與技術(shù)上的進(jìn)步，在一片半導(dǎo)體基片上，可以生產(chǎn)出多個(gè)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(shí)集成到一個(gè)芯片內(nèi)的晶體管數(shù)量還相當(dāng)有限，實(shí)現(xiàn)的還只限于簡(jiǎn)單的、完成基本處理功能的組合邏輯門一級(jí)的電路，和簡(jiǎn)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(shí)代：半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝的改進(jìn)

20、，使得在一片半導(dǎo)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(gè)芯片上的晶體管數(shù)量達(dá)到更多，就被叫做超大規(guī)模（super large scale integration）電路，單個(gè)芯片內(nèi)的晶體管數(shù)量達(dá)到百萬個(gè)時(shí)被叫做甚大規(guī)模電路（ultra large scale integration）, 達(dá)到一億個(gè)時(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。,計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)步與拓展應(yīng)用的進(jìn)程,P9,計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)步與拓展應(yīng)用的進(jìn)程,計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)步的另一個(gè)方面，表現(xiàn)在其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展和對(duì)社會(huì)變革、進(jìn)步帶來的深刻影響。簡(jiǎn)單列舉（并非完整全面）如下：計(jì)算機(jī)作為計(jì)算工具，完成各種復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算是它的一個(gè)重要應(yīng)用方面。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)控制。計(jì)算機(jī)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(xué)定理證明，自然語(yǔ)言理解，知識(shí)表示和挖掘，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為在寬廣的范圍內(nèi)傳播信息和實(shí)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