白中英计算机组成原理第1章计算机系统概论.ppt

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1、第1章 计算机系统概论,2019年2月20日星期三,2,目录,1.0 预备知识 1.1 计算机的分类 1.2 计算机的发展简史 1.3 计算机的硬件 1.4 计算机的软件 1.5 计算机系统的层次结构,2019年2月20日星期三,3,学习要求,了解计算机的发展历程； 清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成(五大部件的构成)、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程； 了解计算机性能评价指标和相关参数； 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及基本结构，为进一步深入学习打下基础。,2019年2月20

2、日星期三,4,一个程序的CPU时间可以用下面两种方式来描述： CPU时间=一个程序的CPU时钟周期数时钟周期长度 或者： 除了执行程序所需的时钟周期数，我们还需要计算程序执行的指令数（IC）。如果我们知道了一个程序执行的指令数和执行所需的时钟周期数，我们就可以计算出执行一条指令所需的平均时钟周期数（CPI）： 这一CPU性能指标不论是对不同的指令集或是对不同的实现都提供了直观的看法。在后面，我们还要经常使用它。 将上式中，时钟周期数可定义为指令数CPI，这使我们能够在执行时间公式中使用CPI： CPU时间ICCPI时钟周期的长度,2019年2月20日星期三,5,将第一个公式展开成度量单位后，可

3、看出各项的组合方式： 正象上面公式显示的那样，CPU时间与三个因素有关：时钟周期的长度、执行每条指令所需的时钟周期数和程序的指令数。此外，这三个因素对CPU时间的影响是相同的，这三个因素中的任何一个改进10，CPU时间就会改进10。 不幸的是，孤立地改变一个参数是很困难的，因为改变各因素的技术是相互关联的： (1) 时钟周期的长度是由硬件技术和计算机组成决定； (2) CPI是由计算机组成和指令集的系统结构决定； (3) 指令数是由指令集的系统结构和编译器决定； 幸运的是，许多很有潜力的会带来计算机性能提高的技术主要影响CPU性能三个因素中的一个，而对另外两个因素影响较小或是可预测的。,201

4、9年2月20日星期三,6,1.0 预备知识,问题1：一台计算机一般有哪几部分组成？ 显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等； 主机箱中有：主板、CPU、硬盘、内存、显卡、声卡等； 问题2：如何对以上设备分类？ 输入输出设备 中央处理设备 存储设备 接口转换卡 部件连接线 问题3：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？ 一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两部分。,显示器，键盘，鼠标，音箱,CPU（集处理和控制于一身）,硬盘、内存,显卡、声卡,总线,2019年2月20日星期三,7,2019年2月20日星期三,8,2019年2月20日星期三,9,2019年2月20日星期三,10,2019年2月

5、20日星期三,11,2019年2月20日星期三,12,DDR内存条,SDRAM内存条,2019年2月20日星期三,13,80G硬盘,2019年2月20日星期三,14,硬盘数据线,2019年2月20日星期三,15,DVD光驱,2019年2月20日星期三,16,机内电源插头,2019年2月20日星期三,17,1.1 计算机的分类,数字计算机,模拟计算机,专用计算机,通用计算机,处理数字量信息 按位运算， 不连续地跳动计算,处理模拟量信息 数值连续、运算过程连续,是针对某一任务设计的最有效、最经济和最快速的计算机，但适应性很差。,适应性很大，但牺牲了效率、速度和经济性。,单片机,微型机,服务器,大型

6、机,超级计算机,低,高,体积 功能 数据存储量 指令系统 价格,低,高,简 易 性,分 类,双核机,如P2 图1.1,2019年2月20日星期三,18,1.2 计算机的发展简史,19721990年,19461957年，第一代计算机,19651971年,19581964年 第二代计算机,1991年至今,摩尔定律,1.2.1 计算机的五代变化,2019年2月20日星期三,19,第一代计算机,第一代计算机(1946年1957年) 采用电子管。 代表机型：ENIAC（电子数字积分计算机 ） 1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制； 它于1946年2月15日在美国宣告诞生 主要是为了解决美陆军提出的弹道计

7、算问题 ； ENIAC长30.48米，宽1米，占地面积约170平方米，30个操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达30吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。 包含了17,468 真空管7,200水晶 二极管, 1,500 中转, 70,000 电阻器, 10,000 电容器，1500继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。 1955年10月2日最后切断电源。,2019年2月20日星期三,20,ENIAC,2019年2月20日星期三,21,第二代计算机(19581964),晶体管,2019年2月20日星期三,22,201

8、9年2月20日星期三,23,摩尔定律,1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（Gordon Moore）在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。 作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路40多年的发展历史准确无误地验证着。 摩尔定律有另外一种表述方法，即每过10年计算机系统性能将会增加100倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费的资金不会增加。,2019年2月20日星期三,24,1.2.2 半导体存储器的发展,20世纪5060年代，磁芯存储器 价格昂贵，体积大，破坏性读出 1970年，半导体存储器 价格更加昂贵

9、，体积小，非破坏性读写 1974年之后，半导体存储器 价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。 有关存储器的介绍详见第3章,2019年2月20日星期三,25,1.2.3 微处理器的发展,20世纪70年代的处理器 4004（4位） 8008 （8位） 8080（8位通用） 8086（16位） 8088 20世纪80年代的处理器 80286 386TM DX 386TM SX 486TM DX 20世纪90年代的处理器 486TM SX Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium 最近10年的处理器 Pentium 4 Itanium Itanium 2 I系列

10、,2019年2月20日星期三,26,2019年2月20日星期三,27,2019年2月20日星期三,28,2019年2月20日星期三,29,双核CPU,三核CPU,2019年2月20日星期三,30,1.2.4 计算机的性能指标（1/3）,吞吐量 表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。 响应时间 从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。 利用率 在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。 处理机字长（机器字长） 处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位； 机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性（不一定完全一样）。,2019年

11、2月20日星期三,31,1.2.4 计算机的性能指标（2/3）,总线宽度 一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。 注意课本上的表述错误！ 主存储器容量 主存储器所能存储二进制数据的位数。 或者说“主存储器中所有存储元的总数目。”，而非“存储单元”！（8位） 主存储器带宽 单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。 主频/时钟周期 CPU主时钟的频率主频；其倒数为CPU的时钟周期(T周期)。,2019年2月20日星期三,32,1.2.4 计算机的性能指标（3/3）,CPU的运算速度 CPU执行时间：CPU执行一般程序所占用的CPU时间； CPI：执行一条指令所需的平均时钟周

12、期数； MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数； 针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果） MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。 针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果） 其他的性能指标 主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性,2019年2月20日星期三,33,1.3 计算机的硬件,1.3.1 硬件的组成要素 用算盘模拟一下计算机 y=ax+b-c,纸 - 存储器 算盘 - 运算器 笔 - 输入/输出设备 人 - 控制器,2019年2月20日星期三,34,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个部分组

13、成； 存储器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； 冯诺依曼机的核心设计思想，机器自动化工作的关键； 以运算器为中心。,2019年2月20日星期三,35,冯诺依曼机与现代微机,冯诺依曼机结构,现代微机结构,2019年2月20日星期三,36,现代计算机的特点,将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称为CPU；而将CPU、主存储器、输入/输出接口和系统总线统称为主机；其余的设备均为外设。 主机内仅包含主存储器，辅助存储器属于I/O设备； 以存储器为中心。 减轻CPU的数据传送负担，提高系统的整体性能；,2019年2月20日星期三,37,1.3.2 运算器

14、,功能： 处理所有的算术及逻辑运算。 通常称为ALU(算术逻辑单元) 特点： 采用二进制数据进行运算； 运算器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，机器字长直接决定着运算的精度和能力； 运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成。 运算器结构示意图演示,2019年2月20日星期三,38,1.3.3 存储器（1/2）,功能：保存所有的程序和数据。 特点： 二进制形式保存程序和数据； 存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址； 相关的概念 存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件； 存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；

15、单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号； 存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。 存储器结构示意图演示,2019年2月20日星期三,39,1.3.3 存储器（2/2）,存储器的分类： 外存（辅助存储器） 磁盘存储器、光盘存储器； CPU不可直接访问； 内存（主存储器） 半导体存储器； CPU直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。 两个与主存相关的寄存器 MAR(存储器地址寄存器)：接收由CPU送来的地址信息； MDR(存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。,2019年2月20日星期三,40,1.3.4 控制器,功能： 根据所要执行指令的功能，

16、按顺序发出各种控制命令，协调计算机的各个部件的工作。 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，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。 指令的形式 操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等； 地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。,2019年2月20日星期三,41,计算机运算yaxbc,2019年2月20日星期三,42,设指令系统如下，试写出该指令序列。,101,1001,011,1100,001,1010,010,1011,110,1101,111,xxxx,000,xxxx,a(二进制数),b

17、,c,x,y,如课本P9 图1.5 表1.5,2019年2月20日星期三,43,1.3.4 控制器（续）,控制器工作的周期 取指周期：取指令的一段时间 执行周期：执行指令的一段时间 指令按顺序执行的控制部件：指令计数器 每取出一条指令，指令计数器就加1； 遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值； 相关概念 数据字：该字代表要处理的数据； 指令字：该字为一条指令； 指令流：取指周期中，从内存读出的信息流； 数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。,1条指令的字节数,2019年2月20日星期三,44,1.3.5 适配器与输入输出设备,输入设备 将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部

18、所能接收和识别的二进制信息形式的设备。 输出设备 把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备。 适配器 保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。 系统总线 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。,2019年2月20日星期三,45,使用计算机的工作过程 （1）提出问题：计算 y=ax+b-c （2）按照指令系统编制程序 （3）将指令变为机器代码，送入主存储器 （4）控制器控制执行程序 PC:程序计数器，其位数与MAR相同。 IR:指令寄存器，其位数与MDR相同。,用简化模型描述使用计算机工作过程,2019年2月20日星期三,46,

19、程序计数器 PC,指令寄存器 IR,控制单元 CU,MAR,MM,MDR,ALU,暂存器 X,累加器 ACC,乘商寄存器 MQ,高4位,低4位,运 算 器,存 储 器,控制字,控 制 器,2019年2月20日星期三,47,PC,IR,CU,MAR,M.M,MDR,ALU,X,ACC,MQ,高4位,低4位,控制字,1,0101 1001,0101,1001,2,a,请思考： 计算机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据？,运 算 器,存 储 器,控 制 器,2019年2月20日星期三,48,（1）指令系统，设有6条指令 汇编语言助记符 操作码 地址码 功能 LMA n 0001 n MACC

20、SAM n 0010 n ACCM ADD n 0011 n ACC+MACC MUL n 0100 n ACC*MACC OUT n 0101 n 输出M HLT 0110 停机 *地址n假设为4位的二进制数。,举例： 假设简化计算机模型的指令格式如下：,2019年2月20日星期三,49,序号 指令 注释 0 LMA x ;MACC 1 MUL x ;ACC*MACC 2 MUL a ;ACC*MACC 3 SAM y ;ACCM 4 LMA x 5 MUL b 6 ADD y 7 ADD c 8 SAM y 9 HLT 10 X db ? 11 A db ? 12 B db ? 13 C

21、db ? 14 Y db ?,0 0001 1010 1 0100 1010 2 0100 1011 3 0010 1110 4 0001 1010 5 0100 1100 6 0011 1110 7 0011 1101 0010 1110 9 0110 0000 10 x 11 a 12 b 13 c 14 y,(2) 试编制程序， 计算 y=ax2+bx+c,汇编后内存分配情况,指令系统 LMA n 0001 n SAM n0010 n ADD n 0011 n MUL n 0100 n OUT n 0101 n HLT n 0110 n,2019年2月20日星期三,50,简化模型,几位？

22、,几位？,几位？,几位？,几位？,几位？,简化模型演示,2019年2月20日星期三,51,1.4 计算机的软件,系统程序 用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。包括: 服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等； 语言类程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等； 操作系统； 数据库管理系统； 应用程序 用户利用计算机来解决某些实际问题所编制的程序； 工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等等。,2019年2月20日星期三,52,1.5 计算机系统的层次结构,从不同角度看到的计算机的构成； 微程序设计级 硬

23、件级，硬件信号作用于计算机； 一般机器级 硬件级，使用微程序解释机器语言； 操作系统级 混合级，使用机器指令和广义指令； 汇编语言级 软件级，使用汇编语言； 高级语言级 软件级，使用高级语言； 计算机系统的层次结构图演示,2019年2月20日星期三,53,1.5.2 软件与硬件的逻辑等价性,硬件 指计算机系统中使用的电子线路和物理装置； 软件 指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合； 由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成； 固件 具有某软件功能的硬件，一般用ROM实现。 功能上是软件，形态上是硬件。,2019年2月20日星期三,54,本章小结,了解计算机的分类和发展简史 掌握几个常用的计算

24、机的性能指标； 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，及整机的基本工作原理 冯诺依曼机的特点、与现代微机的异同； 以简化模型理解整机的工作过程； 了解计算机软件的组成和分类 理解计算机系统的层次结构 5级结构，及其各级的执行命令/指令;,2019年2月20日星期三,55,09年考研真题,11. 冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，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 答案为：C 取指阶段获取的是指令、执行阶段获取的是数据；,2019年2月20日星期三,56,本章作业,P15 4、5、6、7、8,