1、计算机原理及系统结构,第一讲,主讲教师：赵宏伟 学时：64,第1章,概述,本章主要内容,计算机系统的基本组成及其层次结构计算机的体系结构、组成和实现计算机的发展进步与拓展应用的进程,计算机系统的硬件组成,计算机硬件系统五大功能部件包括：运算器、控制器存储器（高速缓存 主存储器 虚拟存储器）输入设备、输出设备这些设备和部件通过 总线 和 接口 连结在一起，构成一台完整的计算机，如下图所示：,输入设备,输出设备,入出接口和总线,控 制 器,运 算 器,计算机系统的硬件组成,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,数据总线地址总线控制总线,计算机主机,计算机外围设备,计算机的CPU,计算机系统的硬件组成,P
2、1,围绕运算器部件构建系统 围绕存储器部件构建系统,计算机系统的硬件组成,P2,运 算 器,运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能包括：1. 执行数值数据的加减乘除等算术运算， 执行逻辑数据的与或非等逻辑运算， 由一个被称为 ALU 的线路完成。 2. 暂时存放参加运算的数据和中间结果， 由多个通用寄存器和乘商寄存器承担。3. 运算器通常也是数据传输的通路 。,计算机系统的硬件组成,控 制 器,运 算 器,控制器是计算机中控制执行指令的部件，向计算机各功能部件提供每一时刻协同运行所需要的控制信号：1. 正确分析与执行每条指令： 取指令分析指令执行指令。2. 保证指令按规定序列自动连
3、续地执行。3. 对各种异常情况和请求及时响应和处理。,计算机系统的硬件组成,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,由高速缓冲存储器、主存储器、虚拟存储器所组成的多级存储器系统，是计算机中用于存储程序和数据的部件。 这三级存储器各自的功能分工、所用的存储介质的工作原理和特性各不相同。将作为三个部分分别讲解。,计算机系统的硬件组成,输入设备,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,输入设备是向计算机中送入程序和数据的具有一定独立功能的设备，通过 接口 和 总线与计算机主机连通，用于人机交互联系，如计算机键盘和鼠标等。,计算机系统的硬件组成,输入设备,输出设备,虚拟
4、存储器,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息的设备，例如打印机、显示器等。,计算机系统的硬件组成,输入设备,输出设备,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,这些部件和设备通过总线和接口连接在一起, 构成计算机整机系统，协同运行。,入出接口和总线,计算机系统的硬件组成,P4,计算机系统的软件组成,计算机软件要包含语言支持功能。计算机通常使用它的硬件可以直接识别、用电子线路容易处理的一种语言，这就是计算机的机器语言，又称为二进制代码语言，也就是计算机的指令；使用计算机的人员往往要使用更“高级”一些的汇编语言和高级程序设计语言，在这两
5、种语言之间需要完成必要的处理和翻译。计算机软件还要为计算机系统本身提供性能良好的资源管理功能，为使用人员提供尽可能多的帮助。把资源管理和调度功能留给计算机系统软件来完成更可靠，完成这一功能的软件就是计算机的操作系统。操作系统的存在，又为使用计算机的用户提供了许多支持，与程序设计语言相结合，使得程序设计更简化，建立用户的应用程序和操作计算机更方便。,P4,图中可以看到的计算机系统的 7 层结构。在不同层次之间的关系表现为： 上面的一层是建立在下一层的基础上实现出来的，实现的功能更强大，更接近人解决问题的思维方式和处理问题的具体过程，对使用人员更方便，使用这一层提供的功能时，不必关心下一层的实现细
6、节。 下面一层是实现上一层的基础，更接近计算机硬件实现的细节，实现的功能相对简单，人们使用这些功能更感到困难。在实现这一层的功能时，可能尚无法了解其上一层的目标和将要解决的问题，也不必理解其更下一层实现中的有关细节问题，只要使用下一层所提供出来的功能来完成本层次的功能处理即可。 采用这种分层次的方法来分析和解决某些问题，有利于简化处理问题的难度，在某一段时间，在处理某一层中的问题时，只需集中精力解决当前最需要关心的核心问题即可，而不必牵扯各上下层中的其他问题。,汇编语言层,操作系统层,指令系统层,微体系结构层,数字逻辑层,高级语言层,应用层,计算机系统的层次结构,计算机原理及系统结构,第二讲,
7、主讲教师：赵宏伟 学时：64,本章主要内容,计算机系统的基本组成及其层次结构计算机的体系结构、组成和实现计算机的发展进步与拓展应用的进程,计算机的体系结构、组成和实现,计算机体系结构（computer architecture）：通常是指涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所见到的计算机系统的属性，更多说的是计算机的外特性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。 这其中最重要的问题都直接和计算机的指令系统有关，例如计算机的字长，计算机硬件能够直接识别和处理的数据类型及其表示、存储、读写方式，指令系统的组成，指令类别、格式和功能，支持的寻址方式，存储器、输入输出设备和CPU之间数据传送的方式和控
8、制，也包括中断的类型和处理流程，对各种运行异常或者出错的检测和处理方案等等，这些都是程序设计人员编写出高质量程序并确保其正常运行必须深入了解的计算机的属性。计算机体系结构主要研究硬件和软件功能的划分，确定硬件和软件的界面，即哪些功能应划分给硬件子系统完成，哪些功能应划分到软件子系统中完成。,计算机组成（computer organization）：是依据计算机体系结构确定并且分配了硬件子系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。 从这一点又可以说，计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。为了实现相同的计算机体系结构所要求的功
9、能，完全可以有多种不同的计算机组成设计方案。因为半导体器件性能的提高，新的技术成果的面世，或者又有新的价格/性能比的需求出现，都会带来计算机组成的变化。同一个计算机体系结构可以对应多个不同的计算机组成，最典型的例子就是系列计算机（family computer）, 同一个系列的计算机往往保持软件兼容（software compatibility）特性。,计算机的体系结构、组成和实现,P7,计算机实现（computer implementation）：是计算机组成的物理实现。包括中央处理机、主存储器、输入输出接口和设备的物理结构，所选用的半导体器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分，电
10、源、冷却、装配等技术，生产工艺和系统调试等各种问题，一句话，就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机，也就是把满足设计和运行、价格等各项要求的计算机系统真正地制作并调试出来。 计算机体系结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，各自有不同的含义，但是又有着密切的联系，而且随着时间和技术的进步，这些含意也会有所改变。在某些情况下，有时也无须特意地去区分计算机体系结构和计算机组成的不同含义。,计算机的体系结构、组成和实现,本章主要内容,计算机系统的基本组成及其层次结构计算机的体系结构、组成和实现计算机的发展进步与拓展应用的进程,计算机发展进步与拓展应用的进程,计算机系统的性能，主要
11、指的是它的运行速度和处理数据的能力，不妨先简单的回顾一下计算机性能增长的历程。 70年代之前，计算机性能增长速度缓慢，但形成了被广泛采用的冯.诺依曼先生提出的存储程序计算机的完整概念。 到了70年代，由于集成电路的出现和迅速发展，推动计算机的性能以每年25%30%的速度增长； 80年代之后，集成电路技术的进步并结合计算机体系结构的变革，计算机的性能更达到了每年50%的增长速度； 到了90年代中期之后，主要依靠计算机体系结构的发展，计算机的性能仍保持了每年50%的增长速度。可以看到，计算机性能的提高，在物质的层面上，依靠的是集成电路生产工艺改进带来的半导体器件性能的提高，在技术的层面上，依靠的是
12、计算机体系结构和组成方面的创新与进步。,P8,从制作计算机使用的元器件的不同，计算机的发展，依次经历了电子管时代，晶体管时代，小规模集成电路时代，大规模、超大规模集成电路时代等几个不同的发展阶段。 电子管计算机时代：电子管，是封装在玻璃外壳内的一种电真空器件，用它可以设计出实现反相功能的反相器线路，在此基础上，再实现出计算机使用的全部组合逻辑线路，诸如加法器、译码器等线路，和触发器、寄存器、计数器等各种时序逻辑线路。用电子管线路实现的属于电子管计算机。 晶体管计算机时代：晶体管，通常指的是晶体三极管，是用半导体材料制作出来、封装在一个金属壳内的带有三个管脚的小器件，1958年进入批量生产阶段。
13、用它可以设计出实现反相功能的反相器线路，在此基础上，再实现出计算机使用的全部组合逻辑线路，和触发器、寄存器、计数器等各种时序逻辑线路。用分立的晶体管线路实现的属于晶体管计算机。,计算机发展进步与拓展应用的进程,P9,中小规模集成电路时代：随着半导体器件生产工艺与技术上的进步，在一片半导体基片上，可以生产出多个晶体管，并用它们形成具有一定处理功能的逻辑器件，这就是集成电路（integrated circuit）。此时集成到一个芯片内的晶体管数量还相当有限，实现的还只限于简单的、完成基本处理功能的组合逻辑门一级的电路，和简单的触发器，寄存器之类的电路，故被称为中、小规模集成电路。 大规模和超大规模
14、集成电路时代：半导体器件生产工艺的改进，使得在一片半导体基片上，可以生产出数量更多的晶体管，就形成了大规模集成（large scale integration）电路，若在一个芯片上的晶体管数量达到更多，就被叫做超大规模（super large scale integration）电路，单个芯片内的晶体管数量达到百万个时被叫做甚大规模电路（ultra large scale integration）, 达到一亿个时被叫做极大规模电路（extremely large scale integration）。 用不同集成度的器件制作的计算机分别属于中小规模集成电路的、大规模集成电路的、超大规模集成电路
15、的计算机。,计算机发展进步与拓展应用的进程,P9,计算机发展进步与拓展应用的进程,计算机发展进步的另一个方面，表现在其应用领域的扩展和对社会变革、进步带来的深刻影响。简单列举（并非完整全面）如下：计算机作为计算工具，完成各种复杂的科学计算是它的一个重要应用方面。计算机作为数据处理工具，在政府办公，企、事业单位的管理等领域发挥重要作用。计算机作为具有高速和灵活的逻辑处理能力的工具，广泛用于工业生产、航天发射等过程的实时控制。计算机作为具有高速和灵活的逻辑处理和推理能力的工具，被广泛地应用在人工智能领域，完成诸如数学定理证明，自然语言理解，知识表示和挖掘，计算机翻译等需要有一定逻辑推理的领域发挥决定性的作用。随着计算机网络的出现和发展，计算机已经成为在宽广的范围内传播信息和实现人员沟通的重要工具，极大地改变了人类的生活环境和交流方式。,P10,
