计算机原理教案下载( 计算机系统概论Ŀ¼¼1.0预备知识1.1计算机的发展简史)

PPT 内容

这是《计算机组织原理》第五版课件。包括预备知识、计算机分类、计算机发展简史、计算机硬件、计算机软件、计算机系统层次结构等，请点击下载。

第一章计算机系统介绍

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1.0 预备知识

1.1 计算机分类

1.2 计算机发展简史

1.3 计算机硬件

1.4 计算机软件

1.5 计算机系统的层次结构

学习要求

了解计算机的发展历史；

了解计算机系统的层次结构、计算机硬件的基本组成（五个主要部件的组成）、计算机软件的分类、计算机的基本工作过程；

了解计算机性能评价指标及相关参数；

吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间； MIPS、MFLOPS 等

要求

初步掌握计算机系统的基本概念和基本结构，为进一步深入学习打下基础。

1.0 预备知识

问题 1：计算机的一般组件是什么？

显示器、键盘、鼠标、扬声器、主机箱等；

主箱内含：主板、CPU、硬盘、内存、显卡、声卡等；

问题2：如何对上述设备进行分类？

输入输出设备

中央处理设备

存储设备

接口转换卡

元件连接线

问题3：有了以上设备，电脑能否发挥作用？

一个完整的计算机系统应该包括两部分：硬件系统和软件系统。

DDR 记忆棒

硬盘数据线

1.1 计算机分类

1.2 计算机发展简史

第一代计算机

第一代计算机（1946-1957）

使用电子管。

代表机型：ENIAC（Electronic Digital Integral Computer）

1941年宾夕法尼亚大学开始发展；

1946年2月15日诞生于美国

主要解决美军提出的弹道计算问题；

ENIAC 长 30.48 米，宽 1 米。占地面积约170平方米，拥有30个操作站，约10个普通房间大小。它重30吨计算机原理教案下载，耗电150千瓦。费用为48万美元。

包含17,468个真空管、7,200个晶体二极管、1,500个继电器、70,000个电阻、10,000个电容器、1,500个继电器、6,000多个开关，并执行5,000次加法或400次乘法，即继电器的每秒100次，是计算机的100倍计算了 200,000 次。

最终于 1955 年 10 月 2 日断电。

第二代计算机（1958－1964)

摩尔定律

1964 年，英特尔公司创始人戈登摩尔在一篇短文中断言：每 18 个月，集成电路的性能将翻一番，其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。

摩尔定律作为迄今为止半导体发展史上最深刻的定律，40多年的集成电路发展史已经准确验证了摩尔定律。

摩尔定律还有另外一种表达方式，就是每10年，计算机系统的性能会提高100倍，通信带宽也会增加100倍，花的钱不会增加。

1.2.2 半导体存储器的发展

从 1950 年代到 1960 年代，磁芯存储器

昂贵、大容量、破坏性的读数

1970年，半导体存储器

更贵、体积小、无损读写

1974年后，半导体存储器

价格不断下降，体积不断减少，读写速度更快。

内存介绍请参考第三章

1.2.3 微处理器的发展

1970 年代的处理器

4004（4位）8008（8位）8080（一般8位）8086（16位）8088

1980 年代的处理器

80286  386TM DX  386TM SX  486TM DX

1990 年代的处理器

486TM SX  Pentium  Pentium Pro  Pentium II  Pentium Ⅲ

过去 10 年的处理器

奔腾 4  安腾  安腾 2 I 系列

1.2.4 计算机性能指标（1/3）

吞吐量

表征计算机在一定时间间隔内可以处理的信息量。

响应时间

输入有效和系统生成响应之间的时间度量，以时间单位表示。

利用率

在给定的时间间隔内，系统实际使用的时间百分比，以百分比表示。

处理机器字长（machine word length）

处理器算术单元中一次可以完成一次二元运算的位数，如32、64位；

机器的字长与系统数据总线的宽度有一定的相关性（不一定相同）。

1.2.4 计算机性能指标（2/3）

总线宽度

一般指算术单元与存储器之间的数据总线宽度。

注意课本上的误传！

主存容量

主存可以存储的二进制数据的位数。

或“主内存中所有存储元素的总数”。而不是“存储单元”！ （8 位数字）

主存带宽

单位时间内从主存读取的二进制信息量计算机原理教案下载，一般用字节/秒表示。

主频/时钟周期

CPU主时钟频率——主频；它的倒数是 CPU 时钟周期（T 周期）。

1.2.4 计算机性能指标（3/3）

CPU 运算速度

CPU执行时间：CPU执行一般程序所花费的CPU时间；

CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期数；

MIPS：每秒百万条指令，即单位时间内执行的指令数；

对于标量机器（执行一条指令，只得到一个操作结果）

MFLOPS：每秒数百万次浮点运算，衡量机器浮点运算的性能。

对于向量机（执行一条向量指令，通常可以得到多个运算结果）

其他绩效指标

主存的读写速度、IO的数据传输率、带宽的平衡......

1.3 计算机硬件

1.3.1 硬件组件

用算盘模拟电脑y=ax+b-c

冯诺依曼机的特点

由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五部分组成；

内存以二进制形式存储指令和数据；

指令由操作码和地址码组成；

存储程序并按地址顺序执行；

冯诺依曼机器的核心设计思想是机器自动化的关键；

以算术单元为中心。

冯诺依曼机和现代微型计算机

现代计算机的特点

运算单元、控制器和片上缓存统称为CPU； CPU、主存、输入/输出接口和系统总线统称为主机；其余的设备是外围设备。

主机只包含主存，辅存为I/O设备；

以记忆为中心。

减轻CPU的数据传输负担，提高系统整体性能；

1.3.2 计算器

功能：处理所有算术和逻辑运算。

通常称为ALU（算术逻辑单元）

特点：

使用二进制数据进行操作；

算术单元一次可以处理的数据位数称为机器字长；

机器字长一般为8、16、32、64位，机器字长直接决定了运算的准确性和能力；

运算单元主要由ALU和各种通用寄存器组成。

算术单元结构演示

1.3.3 存储 (1/2）

功能：保存所有程序和数据。

特点：

以二进制形式保存程序和数据；

内存是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址；

相关概念

内存元素：用于存储位0/1二进制数据的物理设备；

存储单元：能够存储一个数据字的设备，由若干个存储单元组成；

单元地址：可以区分每个存储单元的编号，一般从0开始；

存储容量：内存可以存储的二进制信息总量。

内存结构图演示

1.3.3 存储 (2/2）

存储分类：

外部存储（辅助存储）

磁盘存储、CD存储；

不能直接访问CPU；

内存（主存储器）

半导体存储器；

CPU 直接访问和存储当前系统运行所需的所有程序和数据。

与主存相关的两个寄存器

MAR（Memory Address Register）：接收CPU发送的地址信息；

MDR（内存数据寄存器）：作为外部世界和内存之间的数据通路。

1.3.4 控制器

功能：根据要执行的指令的功能，发出各种控制命令，以协调计算机各部分的工作。

主要任务：

解释并执行指令；

控制指令的执行顺序；

负责指令执行过程中操作数的寻址；

根据指令的执行情况，协调相关组件的工作，例如算术指令执行时标志寄存器的影响设置。

指令的形式

操作码：指出指令执行的操作，如加、减、数据传输等；

地址码：指出上述操作的数据存储位置。

假设指令系统如下，尝试编写指令序列。

1.3.4 控制器（续）

控制器的工作周期

取指周期：取指令的时间段

执行周期：执行指令的时间段

指令顺序执行的控制单元：指令计数器

每取一条指令，指令计数器加1；

当遇到传输指令时，控制器根据执行的指令设置指令计数器的值；

相关概念

数据字：这个字代表要处理的数据；

指令字：这个字是一条指令；

指令流：在fetch周期内从内存中读取信息的流向；

数据流：执行周期内从内存中读取的信息流。

1.3.5 适配器及输入输出设备

输入设备

一种将熟悉的信息形式转换为机器内部可以接收和识别的二进制信息形式的设备。

输出设备

将计算机的处理结果转化为人类或其他机器设备可以接收和识别的信息形式的设备。

适配器

确保外围设备以计算机系统特性所需的形式发送或接收信息。

系统总线

计算机系统的骨架是多个系统组件之间数据传输的公共通道。

用一个简化的模型来描述使用电脑的工作过程

示例：

假设简化的计算机模型的指令格式如下：

序列号说明注释

0 LMA x ;[M]ACC

1 MUL x ;[ACC]*[M]ACC

2 MUL a ;[ACC]*[M]ACC

3 SAM y ;[ACC][M]

4 LMA x

5 MUL b

6 添加 y

7 添加 c

8 SAM y

9 HLT

10 X 分贝？

11 分贝？

12 B 分贝？

13 C 分贝？

14 分贝？

1.4 计算机软件

系统程序

用于简化程序设计，简化使用方法，提高使用计算机的效率，扩展计算机的功能和用途。包括：

服务程序，如诊断程序、故障排除程序、实践程序等；

语言程序，如汇编器、编译器、解释器等；

操作系统；

数据库管理系统；

应用

用户使用计算机编写的用于解决一些实际问题的程序；

工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、信息检索程序、科学计算程序等

1.5 计算机系统的层次结构

不同角度看电脑的构成；

微程序设计层面

硬件层面，硬件信号作用于计算机；

一般机器级别

在硬件层面，使用微程序来解释机器语言；

操作系统级别

混合级，使用机器指令和通用指令；

汇编语言级别

软件层面，使用汇编语言；

高级语言水平

软件级别，使用高级语言；

计算机系统层次结构图演示

1.5.2 软硬件逻辑等价

硬件

指计算机系统中使用的电子电路和物理设备；

软件

指导整个计算机硬件系统工作的程序集合；

由具有各种特殊功能的人预先编制的信息组成；

固件

具有一定软件功能的硬件一般都是通过ROM来实现的。

功能上是软件，形式上是硬件。

本章总结

了解计算机的分类和发展历史

掌握几种常用电脑的性能指标；

吞吐量、响应时间； CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间； MIPS、MFLOPS

掌握计算机的硬件组成和整机的基本工作原理

冯诺依曼计算机的特点及与现代微型计算机的异同点；

简化模型以了解整机的工作过程；

了解计算机软件的组成和分类

了解计算机系统的层次结构

五级结构，及其各级执行命令/指令；

2009年考研试卷

11. 冯诺依曼的计算机指令和数据以二进制形式存储在内存中。 CPU区分它们的依据是()

A.指令操作码的译码结果 B. 指令和数据的寻址方式 C. 指令周期的不同阶段 D. 指令和数据所在的存储单元

答案是：C

获取阶段获取指令，执行阶段获取数据；

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