计算机组成原理.ppt
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1、计算机组成原理 computer organization principle,顾 浩 赵宝华,第1章 计算机系统概论,本章要点 本章主要介绍计算机系统基本部件的功能与结构,同时介绍了计算机的层次结构,通过本章的学习,读者对计算机系统应有一个整体的概念。,第1章 计算机系统概论,11 计算机系统简介 12 图灵机(了解) 13 计算机的基本组成 14 计算机的主要性能指标 小结 习题,1.1 计算机系统简介 1.1.1 计算机的硬件和软件的概念,计算机是由硬件和软件两大部分组成,能按照事先存储的程序,自动、高 速地对数据进行输入、处理、输出和存储的高度自动化的电子设备。 硬件(Hardware
2、) 是计算机系统中的 实体部分,由电子的、 磁性的、机械的、光 的元器件组成,包括 运算器、控制器、存 储器、输入设备和输 出设备五大部分组成。 软件(software) 是指在计算机硬件上运 行的各种程序和有关文 档的总称,含系统软件、 应用软件和工具软件三大类。,1.1.2 计算机系统的层次结构,1虚拟机(Virtual Machine)的概念,虚拟机是一个抽象的计算机, 它由软件实现,并与实际机器 一样,都具有一个指令集并可 使用不同的存储区域。如,一 台机器上配有C语言和Pascal 语言的编译程序,对C语言的 用户来讲,这台机器就是以C 语言为机器语言的虚拟机,对 Pascal语言的
3、用户来讲,这台 机器就是以Pascal语言为机器 语言的虚拟机。,计算机系统的层次结构图,本书的讨论 范围,翻译(应用软件包),翻译(编译程序),翻译(汇编程序),部分解释(操作系统),解释,硬件直接执行,2.虚拟机的层次结构,从语言的角度来划分计算机系统的层次结构,那么虚拟机可分成如图1-2所示的操作系统虚拟机、汇编语言虚拟机、高级语言虚拟机和应用程序虚拟机等层次。 虚拟机概念的引入,推动了计算机体系结构的发展。由于从各层次的虚拟机可方便地识别相应层次的计算机语言,从而摆脱了这些语言必须在同一台机器上执行的情况,为日后的多处理机系统、分布式处理系统、计算机网络、并行计算机系统等新颖计算机体系
4、结构的出现夯实了基础。 本书讨论的范围 仅局限于传统机器M1和 微程序机器M0的组成原理 和设计思想。,广义语言,解释器,作用对象,控制信息,状态信息,虚拟计算机,观察者,1.1.3 计算机体系结构与计算机组成,1.计算机体系结构(Computer Architecture) 计算机体系结构是程序员看得见的计算机的属性,即概 念性的结构与功能特性。通常指用机器语言编程的程 序员(也包括汇编语言程序设计者和汇编程序设计者) 所看到的传统机器的属性,包括指令系统、数据类型、 存储器寻址技术、I/O机理等,大多属于抽象的属性。 2.计算机组成(Computer Organization) 是计算机体
5、系结构的逻辑实现,即指如何实现计算机体 系结构所体现的属性,它包含了对许多程序员来说是透 明的(即程序员是不知道的)硬件细节,它包括硬件部 件的构造及如何连接这些组件组成一个计算机系统。 注:在计算机中, 客观存在的事物或属性 从某个角度看不到, 就叫”透明”。,1.1.3 计算机体系结构与计算机组成,3.计算机体系结构与计算机组成的关系 许多计算机制造商向你提出一系列体系结构相同 的计算机,而它们的组成却有相当大的区别,即 使是同一系列不同型号的机器,其价格和性能也 是有极大差异的。 一种体系结构(例PC系列机)可有多种组成(表1-1). 因此,只知其结构,不知其组成,就选不好性能 价格比最
6、合适的机器。 本书主要介绍计算机的组成及工作原理。,1.1.3 计算机体系结构与计算机组成,1.2 图灵机 1.2.1图灵机简介,英国数学家A.M. Turring于1936年从计算一个数的 一般过程着手对计算的本质进行研究,提出了一种理想的计算机的数学模型,实现了对计算本质的真正认识。 图灵机(Turring Machine,TM)并不是具体的机器,而是一个通用的计算机模型。目前已成为计算机科学中可计算理论和计算复杂性理论的基础。 所谓计算就是计算者(人或机器)对一条两端可无限延长的磁带上的一串0和1进行操作,一步一步地改变磁带上的0或1,经过有限步骤,最后得到一个满足预先规定的符号串的变换
7、过程。图灵机用形式化方法成功地表述了计算这一过程的本质。 图灵的研究结果是:可计算性图灵可计算性。,1.2.2图灵机的基本模型,一台标准的确定型单带图灵机由 一条双向无限长的磁带(被分割 分无穷个小方格)、一个有限状 态控制器与一个读写磁头构成。 图灵机一步一步地进行工作。,工作情况取决于以下三点: 1机器的内部状态。 2读写磁头扫描在磁带哪个方格上。 3读写磁头扫描的方格上有什么信息。,1.3 计算机的基本组成 1.3.1冯.诺依曼计算机的特点,1. “存储程序”的概念: 指令和数据均以二进制码表示。 指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数所在存储器的位置。
8、 指令在存储器内按顺序存放。通常,指令是顺序执行的,在特定条件下,可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。 冯诺依曼对计算机界的最大贡献是: 首次提出并实现了“存储程序”概念。 本书主要介绍冯诺依曼 结构计算机的组成。,译码器,PC,操作码,操作数地址,程序(指令)区,数据区,主存区,指令寄存器,+1,读指令,读,写,控制器,存储程序原理示意图,冯.诺依曼与ENAIC,John Von Neuman (19031957),1944年参加“ENIAC”计算机研 究工作。1953年3月,他领导 的小组发表了全新的存储程序 式通用电子计算机方案电子 离散变量自动计算机EDVAC。 1946年与他
9、人合作提出更完善 的计算机设计报告,是以仙农 提出的二进制,程序内存以及 指令和数据统一存储为基础, 奠定了现代计算机体系结构的 根基。,1.3.2 计算机的主要部件,传统计算机的五大部件: 1.输入设备 2.输出设备 3.存储器 4.运算器:又叫ALU 5.控制器,现代计算机的三大部件: 1.CPU(运算器+控制器) 2.I/O设备 3.主存储器MM,1.3.3 计算机的总线结构,数据总线:用于传输数据; 地址总线:用于传输内存存储单元的地址; 控制总线:用于传输控制信号。 分时和共享是总线的两大基本特点。,注意:数据,地址和控制总线 并不是三组总线,它们都是 系统总线的一部分。,1.3.4
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