计算机系统平台课件(全)全书教学教程完整版电子教案最全幻灯片.ppt
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1、计算机系统平台,后PC时代: 2000s - ?,指2000年之后,随着Internet接入家庭,以便携计算机、通信和消费产品技术结合起来的时代称之为后PC时代。人们花在智能手机、平板电脑、智能电视、游戏机等各种移动设备的时间已经超过了55%,而传统的台式电脑和笔记本仅占据45%,2,后PC时代计算机教学面临的挑战,对应用程序员的要求更高应用问题更复杂,领域更广气象、生物、医药、地质、天文等领域的高性能计算物联网(移动设备、信息家电等)嵌入式开发银行、保险、证券等大型数据库系统开发和维护游戏、多媒体等实时处理软件开发,。原有的计算机专业人才培养从强调“程序”设计,逐渐变为强调“系统”设计。为更
2、好地理解高级语言编程服务。,故事引入:用“系统思维”分析问题,关键差别在于一条指令:fldl 和 fildl,用“系统思维”分析问题,有一个回帖如是说,计算机专业人员应该是“上帝”,怎么自己不明白自己呢!,系统能力基于对系统的理解,了解计算机系统整体概念,理解计算机系统层次结构理解高级语言程序、ISA、编译/链接、OS、硬件等之间的关系高级语言语句与具体指令的对应关系变量(常量)如何表示和存放数组、指针等如何在指令级进行访问操作理解指令在计算机硬件上的执行过程算术逻辑运算部件以及运算指令执行过程层次化存储结构(Cache、RAID等)以及访存过程I/O结构(I/O外设和接口、BUS、网络等)以
3、及I/O过程理解构成计算机硬件的基本电路特性和设计方法布尔代数、逻辑门电路,第一章 概述,1.1 回顾计算机的发展简史 1.2 计算机系统结构组成 1.3 程序在计算机中的执行1.4 计算机性能评价,1.1 .1回顾计算机的发展简史,1943年,美军每天需要计算6张火炮射程表(每张表要计算几百条弹道弹道参数,一条射程的弹道参数用微分分析仪计算需要分钟)1945年,第一台电子数字计算机ENIAC诞生(一条弹道计算时间只需要秒!),高8英尺(约2.44米)、宽3英尺(约0.9米)、长100英尺(约30.48米)占地170平米重吨,ENIAC十进制操作不能存储程序通过开关、电缆或硬连线实现编程EDV
4、AC和EDSAC“存储程序”式计算机,存储程序原理,由1946年6月,美籍匈牙利数学家冯.诺伊曼(Von Neumann)提出;原理表述:计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成采用“存储程序”工作方式存储器不仅能存放数据,也能存放指令;控制器能自动执行指令;运算器除了能进行基本算术运算,还能进行逻辑运算;计算机内部以二进制形式表示指令和数据。,1.1.1 回顾计算机的发展简史,第一代:真空管(电子管Vacuum Tube)194657年以电子管作为逻辑元件;使用汞延迟线或磁鼓作为存储设备、后来逐渐过渡到用磁芯存储器;数据主要是定点表示,用机器/汇编语言编写程序;运算
5、速度大约每秒几千次至几万次。代表:ENIAC和EDSAC,一支磁鼓有12英寸长(约30.48厘米),电子管,1.1.1 回顾计算机的发展简史,第二代计算机(20世纪50年代中、后期到60年代中期)以晶体管作为逻辑元件;用磁芯或磁鼓作为存储器;引入浮点运算硬件;运算速度每秒几万次至几十万次。高级语言FORTRAN、COBOL和ALGOL出现;代表:IBM 7040,国产441B机, DEC PDP-1等,晶体管,磁芯,1.1.1 回顾计算机的发展简史,第三代计算机(20世纪60年代中期到70年代中期)主要采用中、小规模集成电路;以半导体存储器作为内存,磁盘和磁带作为外存; 运算速度每秒几十万次至
6、几百万次。引进了多道程序和并行处理等新的技术;代表:IBM360系列、CDC6600/7600系列和CYBER系列,国产150、151、DJS-2000系列和DJS-1000系列等。,二极管与三极管,集成电路,半导体存储器,1.1.1 回顾计算机的发展简史,第四代计算机(20世纪70年代中期至今)采用大规模集成电路和超大规模集成电路;运算速度每秒几百万次至上千万亿次。并行处理、多机系统、分布式计算机、计算机网络等技术迅速发展;各种高级语言、分布式操作系统、数据库技术竟相争艳。,Intel 公司的诞生,Intel的元老们,摩尔、诺宜斯、葛洛夫(从左至右),1959年,美国仙童公司的诺伊斯用一种平
7、面工艺制成半导体集成电路,从此开启了集成电路比黄金还诱人的时代。其后,摩尔、诺宜斯、葛洛夫这三个“伙伴”离开原来的仙童公司,一起开创事业筹建一家他们自已的公司。三人一致认为,最有发展潜力的半导体市场是计算机存储器芯片市场。,Intel 公司的诞生,半导体市场几乎完全依赖于高新技术,你可以尽可能地在一个芯片上放最多的电路,谁的集成度高,谁就能成为这一行业的领袖。,基于以上考虑,摩尔为新公司命名为:Intel,这个字是由“集成/电子(Integrated Electronics)两个英文单词组合成的,象征新公司将在集成电路市场上飞黄腾达。,第一代(1971年1973年):4位及低档8位微处理器,1
8、971年英特尔诞生了第一个微处理器4004,这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器,这款微处理器虽然功能有限,每秒只能执行5万条指令,主频只有108 KHz,还不如第一台计算机ENIAC。但它的集成度很高,一块重量不到一盎司 (约28.35克)的4004芯片上集成了2300只晶体管。 Intel 4004芯片推出后,业内反应很平淡。后英特尔又推出了8008, 8008的频率为200 KHz,晶体管集成数量达到了3500个,性能是Intel 4004的两倍,能处理8位的数据。由于运算性能很差,其市场反应十分不理想。,第二代(1974年1978年):中、低档8位微处理器,1974年,8008发展
9、成8080,成为第二代微处理器。 Intel 8080芯片的指令执行速度是Intel 8008的10倍,晶体管集成数量为6000个,频率为2MHz。立刻引起了业界的轰动。,第三代(1978年1983年)16位微型计算机的发展阶段,1978年,Intel公司推出了首枚16位微处理器Intel 8086,集成了29000只晶体管。1982年,Intel 80286问世该芯片虽然还是16位数据总线,但是集成了13.4万个晶体管。时钟频率达到10MHz。CPU速度比Intel 8086提高了5倍多。,第四代(1983年2000年):主要是字长为32位的微处理器,这一阶段Intel公司推出的典型的微处理
10、器芯片有: 80386、80486、Pentium、PentiumII、PentiumIII及Pentium4等,第五代(2000年)出现了字长为64位的微处理器芯片,2006年英特尔公司继使用长达12年之久的“奔腾”的处理器之后推出酷睿(Core)系列,Intel先推出的酷睿一代用于移动计算机,上市不久即被酷睿2代所取代。酷睿2代包括“Core 2 Duo”双核和“Core 2 Quad” 四核处理器, Core 2 Duo在单个芯片上封装了2.91亿个晶体管,核心尺寸为143平方毫米。从2010开始又逐渐推出了Core i3 , Core i5, Core i7, Core i9四个品牌的
11、CPU。,芯片的制造,从晶体管到集成电路芯片晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。集成电路是指采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构,集成电路制造工艺,单晶硅锭,圆形薄片 / 硅抛光片(6/8/12寸,厚度不足1mm),IC小片 / 芯片,不合格的用磁浆点上记号,封装:将芯片固定在塑胶或陶瓷基座上,把芯片上蚀刻出来的引线与基座底部伸出的引脚连接,盖上盖板并封焊成芯片,约需400多道工序!,“晶
12、圆” / 大芯片,1.1.1 回顾计算机的发展简史,摩尔定律由Intel公司的缔造者之一Gordon Moore于1965年提出;定律内容:“在每18个月内,集成电路的性能翻一番,集成晶体管的数量翻一番,集成电路的价格下降一半”。,1.1.1 回顾计算机的发展简史,1.1.1 回顾计算机的发展简史,时代划分,1.1.2 微机的出现与发展,什么是微机?规模最小的计算机;定义:以微处理器为基础,配以读写存储器(RAM),只读存储器(ROM)及输入输出(I/O)设备和其他相应配套电路构成的计算机系统。特点:体积小,可靠性高、价格低、功耗小、更新速度快;,1.1.2 微机的出现与发展,PC机的组成包括
13、:主机、显示器、键盘鼠标、外部存储器及其他外部设备。,计算机硬件:打开计算机来看看,PC主板,CPU插座,内存条,PCI总线插槽,解剖一台计算机,1.2 计算机系统结构组成,计算机软硬件组成,1.2 计算机系统结构组成,硬件定义组成计算机的所有电子器件和机电装置的总称;构成计算机的物质基础;由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备以及将它们联结为有机整体的总线构成。,计算机组成部件介绍,1控制器2运算器3存储器4输入设备5 输出设备6 总线,控制器,控制器是计算机的管理机构和指挥中心按照预先确定的操作步骤,协调控制计算机各部件有条不紊地自动工作控制器工作的实质就是解释程序逐条读取、分析、执
14、行指令,控制各部件动作高级计算机中的控制器可以改变某些指令的顺序,以改善性能,运算器,运算器是一个用于信息加工的部件,用于对数据进行算术运算和逻辑运算运算器通常由算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit,ALU)和一系列寄存器组成ALU是具体完成算术与逻辑运算的单元是运算器的核心由加法器和其他逻辑运算单元组成寄存器用于存放参与运算的操作数累加器一个特殊的寄存器除了存放操作数之外,还用于存放中间结果和最后结果,存储器,存储器的主要功能是存放程序和数据程序和数据都用二进制数表示,统称为信息向存储器存入或从存储器取出信息,都称为访问存储器存储器由一系列存储单元组成每个存储单元的编号称
15、为地址要按给定的地址来寻找所选择的存储单元信息单位位(bit)数字计算机的最小信息单位包含1位二进制信息(0或1)字节(Byte)由8位二进制信息组成字(Word)计算机一次所能处理的二进制位数,至少一个字节通常把组成一个字的二进制位数称为字长例如微型机的字长可以少至8位,多至32位,甚至达到64位,存储器,存储容量存储器中所有存储单元的总数常用单位KB(Kilobyte,千字节)、MB(Megabyte,兆字节)、GB(Gigabyte,千兆字节)各级单位之间的关系1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB,输入设备,将人们熟悉的信息形式,变换成计算机能接受并识别的二进制
16、信息形式理想的输入设备应该是“会看”和“会听”的 键盘、鼠标、扫描仪等,以及用于文字识别、图像识别、语音识别的设备,输出设备,将计算机输出的处理结果信息,转换成人类或其他设备能够接受和识别的信息形式理想的输出设备应该是“会写”和“会讲”的激光打印机、绘图仪、CRT/LCD显示器等,以及输出语言的设备(如语音合成产品),总线,计算机系统通过总线(Bus)将CPU、主存储器及I/O设备连接起来总线是构成计算机系统的骨架,是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路按照信号类型,可将总线分为数据总线(data bus)主要传送数据,双向,可输入输出地址总线(address bus)传送地址信息,单向,决
17、定数据或命令传送给谁控制总线( control bus)传送各种控制信号,双向,一个典型系统的硬件组成,PC:程序计数器;ALU:算术/逻辑单元;USB:通用串行总线,Hardware/Software Interface(界面),软件和硬件的界面: ISA(Instruction Set Architecture ) 指令集体系结构,软件,硬件,计算机系统抽象层的转换,高级语言,高级语言和底层计算机结构关联不大,它是将许多相关的机器指令合成为单条指令。高级语言不能被计算机识别,需要通过转换成机器语言才能被执行,因此程序员编写的程序都需要通过翻译程序变成计算机所能识别的机器语言。编译程序解释程
18、序汇编程序,操作系统(OS,Operating System),管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序。是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件。为各种软件提供支持和资源调用,让计算机系统所有资源最大限度地发挥作用。,ISA(指令集体系结构),指令集是存储在CPU内部,对CPU运算进行指导和优化的硬程序。可执行的指令的集合指令可以接受的操作数的类型操作数所能存放的寄存器组的结构等。,微体系架构层,上层的ISA翻译为具体的实现ISA与微体系架构的区别ISA是对指令系统的一种规定或结构规范具体的实现就是微架构,数字逻辑电路层,微架构中的不同功能部件就是用不同的逻辑电路来实现的逻辑电路就是由不同
19、的逻辑门电路组成逻辑门电路由与门、或门、非门等构成,电子器件层,每一种逻辑门电路都是由特定的器件来实现的。逻辑门电路分为分立门电路(包括二极管和三极管)以及集成门电路,1.3 程序开发与执行过程(例1),#include int main() int a,b, c; a = 12; b = 3; c = a - b; printf(“result is : %dn”, c);,经典的“Sub.c”C-源程序,Sub.c的ASCII文本表示(文本文件),计算机能够直接识别Sub.c源程序吗?,不能,需要转换为机器语言代码! 即:编译、汇编等,Sub.c编译过程,不同层次语言之间的等价转换,存放程
20、序和程序处理的数据,1.3 程序在计算机系统中运行,奔腾机器的硬件模型,从键盘读取Sub命令,用户输入“Sub”,“Sub”,1.3 程序在计算机系统中运行,从磁盘加载可执行文件到主存,用户输入“Sub”,Sub代码,存储在磁盘上的Sub可执行文件,1.3 程序在计算机系统中运行,从存储器写输出串到显示器,“c=9”,Sub代码,存储在磁盘上的Sub可执行文件,1.3 程序在计算机系统中运行,用户程序的执行必须依靠操作系统的支持,1.4 计算机性能评价,1.4.1计算机硬件技术指标 纯硬件角度分析:计算机性能受总体结构、指令系统、硬件组成等多方面的因素影响1.4.2计算机性能评价准则,1.4.
21、1计算机硬件技术指标,1)主频定义:CPU的工作节拍是由时钟控制的,时钟不断产生固定频率的时钟脉冲,这个时钟的频率就是CPU的主频。 主频越高,CPU的工作节拍就越快,运算速度就越高 ;主频通常用一秒钟内处理器所能发出电子脉冲数来表示,单位一般为吉赫兹(Hz)。,1.4.1计算机硬件技术指标,2)运算速度 定义:计算机运算速度是指每秒钟所能执行的指令条数,其计量单位为MIPS(百万条指令每秒)或者MFLOPS(百万次浮点运算每秒) 。 几种计算方法: a) 吉布森混合法: 从应用课题程序中统计各类指令所占百分比,然后用指令混合比计算指令的平均执行速度。 b) 计算各种指令的执行速度; c) 计
22、算典型程序的运算速度; d) 模型分析和模拟等其他方法。,1.4.1计算机硬件技术指标,3)运算精度通常用计算机能直接处理的二进制信息位数来衡量。一般和CPU中存储数据寄存器的位数是相同的,位数越多,精度越高;参与运算操作数的基本位数称为基本字长 ,早期的微型计算机字长多为8位和16位,现在多为32位;大中型计算机多为32位和64位。,4) 存储容量主存越大,处理问题的速度越快与外存交换次数越少,效率越高,1.4.1计算机硬件技术指标,主存容量,辅存容量,5)存取周期对主存储器连续两次访问所允许的最小时间间隔存取周期愈小,系统性能愈高,1.4.1计算机硬件技术指标,总线带宽数据在总线传输的速度
23、,是用字节每秒做单位的。 总线带宽 =(总线的频率 * 总线位宽) /8例如,对于64位、800MHz的前端总线,它的总线带宽就等于64bit800MHz8(Byte)=6.4GB/s;,综合考虑各种因素是否还有别的评价要素?,1.4.1计算机硬件技术指标,系统结构、硬件组成、外设配置、软件种类、吞吐率和响应时间,还有可靠性,可用性、可维性、完整性和安全性等。,6299,主频、外频、倍频 、超频、睿频,主频是CPU频率,就是CPU的时钟频率,简单说是CPU运算时的工作的频率。外频是CPU与主板之间同步运行的速度,而且绝大部分电脑系统中外频也是内存与主板之间的同步运行的速度。倍频即主频与外频之比
24、的倍数。超频将CPU的工作频率提高,让它们在高于其额定的频率状态下稳定工作。(主频)=(外频)*(倍频)。睿频使得CPU的主频可以在某一范围内根据处理数据需要自动调整主频。最高睿频指的是笔记本电脑处理多任务或者大型任务时,CPU能达到的最高工作频率。,指令集,Intel有x86,x86-64,MMX,SSE,SSE2,SSE3,SSSE3 (Super SSE3),SSE4.1,SSE4.2和针对64位桌面处理器的EM-64T。2007年8月,AMD抢先宣布了SSE5指令集(SSE到SSE4均为英特尔出品),英特尔当即黑脸表示不支持SSE5,转而在2008年3月宣布Sandy Bridge微架
25、构将引入全新的AVX指令集。 AVX指令集借鉴了一些AMD SSE5的设计思路,进行扩展和加强,形成一套新一代的指令集规范。,内存速度与CPU速度,内存: DDR3 1333 读写速度10664MB/sCPU :Intel Core i7 980X Extreme 运算速度799.2亿次/s,第二章数字电路分析与设计基础,计算机系统抽象层的转换,编程(语言)层 高级语言程序设计指令集体系结构(ISA)和汇编层 汇编语言 程序设计 微体系结构及硬件层 计算机组成原理I、 计算机组成原理II 操作系统 操作系统逻辑门电路 数字逻辑,内容提要,2.1 布尔代数2.2 组合逻辑电路分析与设计2.3 同
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