计算机组成原理课件第一章.ppt

计算机组成原理课件第一章现在学习的是第1页，共46页l参考书籍：参考书籍：l1)计算机组成原理 白中英 主编 科学出版社l2）计算机组成原理解题指南 白中英 主编 科学出版社 l3)计算机组成原理-学习指导与习题解答 唐朔飞主编，高等教育出版社l学习网站：学习网站：lhttp:/210.44.232.102/eol/jpk/course/welcome.jsp?courseId=1476lhttp:/210.44.232.102/eol/homepage/common/index.jsp 计算机组成原理计算机组成原理现在学习的是第2页，共46页第一篇第一篇 概论概论本书结构本书结构内部内部互连互连ALUCU寄存器寄存器中央处理单元中央处理单元寄存器寄存器解码器解码器控制单元控制单元排队排队逻辑逻辑控制控制存储器存储器第二篇第二篇计算机系统硬件结构计算机系统硬件结构第三篇第三篇 CPUCPU第四篇第四篇 CUCU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU现在学习的是第3页，共46页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机系统简介计算机系统简介1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成现在学习的是第4页，共46页l本节重点：l1、计算机软硬件的组成l2、计算机的层次结构l3、冯诺依曼计算机的主要特点l4、计算机参数的基本指标主频、时钟周期、CPI、MIPS。现在学习的是第5页，共46页解剖一台计算机 个人计算机由主个人计算机由主机和外设组成机和外设组成主机中包含主机中包含多个电路板多个电路板每个电路板中有十每个电路板中有十几个集成电路几个集成电路每个集成电路中每个集成电路中有十几个模块有十几个模块每个模块中有上千每个模块中有上千万个单元万个单元每个单元中有十每个单元中有十几个门电路几个门电路每个门电路实现基每个门电路实现基本的逻辑运算本的逻辑运算 所有信息都用二进所有信息都用二进制编码表示制编码表示现在学习的是第6页，共46页1.1 计算机系统简介计算机系统简介由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序）组成1.计算机系统计算机系统计计算算机机系系统统计算机的实体计算机的实体如主机、外设等如主机、外设等 一、一、计算机软、硬件的概念计算机软、硬件的概念硬件硬件软件软件现在学习的是第7页，共46页 按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序 科学计算、数据处理科学计算、数据处理 过程控制、事务管理过程控制、事务管理 用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件标准程序库、语言处理程序标准程序库、语言处理程序操作系统操作系统 服务性程序服务性程序（磁盘碎片管理、备份程序）（磁盘碎片管理、备份程序）数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件软软件件 购买计算机系统时自带的软件购买计算机系统时自带的软件现在学习的是第8页，共46页计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标程序程序结果结果翻译翻译运行运行1.12.计算机的解题过程计算机的解题过程现在学习的是第9页，共46页实际机器实际机器 M M1（机器语言程序）（机器语言程序）机器语言程序直接在机器语言程序直接在M1M1上执行。上执行。二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构现在学习的是第10页，共46页虚拟机器虚拟机器 M M2（汇编语言机器）（汇编语言机器）实际机器实际机器 M M1（机器语言机器）（机器语言机器）第二级第二级第一级第一级现在学习的是第11页，共46页虚拟机器虚拟机器 M M2（汇编语言机器）（汇编语言机器）实际机器实际机器 M M1（机器语言机器）（机器语言机器）第二级第二级第一级第一级虚拟机器虚拟机器 M M3（高级语言机器）（高级语言机器）第三级第三级现在学习的是第12页，共46页虚拟机器虚拟机器 M M2（汇编语言机器）（汇编语言机器）传统机器传统机器 M M1（机器语言机器）（机器语言机器）第二级第二级第一级第一级虚拟机器虚拟机器 M M3（高级语言机器）（高级语言机器）第三级第三级微程序机器微程序机器 M M0（微指令系统）（微指令系统）第零级第零级现在学习的是第13页，共46页高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M M4汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 M M3操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器M M2机器语言机器语言传统机器传统机器 M M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M M0现在学习的是第14页，共46页用用编译程序编译程序翻译翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用用汇编程序汇编程序翻译翻译成机器语言程序成机器语言程序用用机器语言机器语言解释操作系统解释操作系统用用微指令微指令解释机器指令解释机器指令由由硬件硬件直接执行微指令直接执行微指令软软件件硬硬件件虚拟机器虚拟机器 M M4虚拟机器虚拟机器 M M3虚拟机器虚拟机器 M M2传统机器传统机器 M M1微程序机器微程序机器 M M0现在学习的是第15页，共46页1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成1.计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成3.指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器指令和数据以同等地位存于存储器 可按地址寻访可按地址寻访5.存储程序存储程序一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点5.存储程序，顺序存放存储程序，顺序存放现在学习的是第16页，共46页算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备现在学习的是第17页，共46页冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备现在学习的是第18页，共46页二、计算机硬件框图二、计算机硬件框图1.以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算现在学习的是第19页，共46页ALUALU主存主存辅存辅存CPUCPU主机主机I/OI/O硬件硬件CUCU2.现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器ALUALUCPU主机主机I/OI/OCUCU主主存存现在学习的是第20页，共46页1.上机前的准备上机前的准备l 建立数学模型建立数学模型 l 编制解题程序编制解题程序l 确定计算方法确定计算方法程序程序 运算的运算的 全部步骤全部步骤指令指令 每每 一个步骤一个步骤三、计算机的工作步骤三、计算机的工作步骤y=ax+b现在学习的是第21页，共46页主存单元的地址 存储内容 注释 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x原始数据x 9 a原始数据a 10 b原始数据b 11 y存放结果y现在学习的是第22页，共46页ACC ACC *9 9 ACCACC ACC+10 ACC ACC+10 ACC 1.1.取取x 至运算器中至运算器中2.2.乘以乘以a a 在运算器中在运算器中3.3.加加b b 在运算器中在运算器中 y=ax+b程序步骤分解程序步骤分解8 ACC8 ACC4.4.结果存在结果存在y y中中 ACCACCy y5.5.跳转到程序结束跳转到程序结束7 7 7 7PCPC现在学习的是第23页，共46页指令和数据存于主存单元的地址 指令/数据注释操作码 地址码 00000010000001000取x至ACC 10001000000001001乘a得ax存于ACC中 20000110000001010加b得ax+b,存于ACC中 30000100000001011将ax+b存于主存单元 40001010000000111程序跳转到地址7执行 5 6 7000110停机 8 x原始数据x 9 a原始数据a 10 b原始数据b 11 y存放结果y 12 .y=ax+b 程序清单程序清单现在学习的是第24页，共46页(4)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O现在学习的是第25页，共46页 ACC MQ X2.计算机的解题过程计算机的解题过程(1)(1)运算器的基本组成及操作过程运算器的基本组成及操作过程运算器运算器MQACCALUX被加数被加数被减数被减数被除数被除数乘数乘数商商加数加数减数减数被乘数被乘数除数除数加法加法减法减法乘法乘法除法除法和和差差余数余数乘积高位乘积高位乘积低位乘积低位现在学习的是第26页，共46页存储体存储体大楼大楼存储单元存储单元 存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字存储字 存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长存储字长 存储单元中二进制代码的位数存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0/1）房间房间 床位床位（无人（无人/有人）有人）(2)存储器的基本组成存储器的基本组成主存储器主存储器存储体存储体M MA AR RM MD DR R存储字长、指令字长、存储字长、指令字长、数据字长数据字长现在学习的是第27页，共46页MARMARMDRMDR 存储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8 设设 MARMAR =4 位位 MDRMDR =8 位位存储器地址寄存器存储器地址寄存器反映存储单元的个数反映存储单元的个数存储器数据寄存器存储器数据寄存器反映存储字长反映存储字长(2)存储器的基本组成存储器的基本组成主存储器主存储器存储体存储体M MA AR RM MD DR R现在学习的是第28页，共46页取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCPCIRIRCUCUPCIRCUCU取指取指执行执行PC PC 存放当前欲执行指令的地址存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（具有计数功能（PCPC）+1 PC1 PCIR IR 存放当前欲执行的指令存放当前欲执行的指令访存访存访存访存完成完成一条一条指令指令(3)控制器的基本组成控制器的基本组成现在学习的是第29页，共46页12356789以取数指令为例以取数指令为例 LDA ACC,7LDA ACC,74(4)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O现在学习的是第30页，共46页12356798以存数指令为例以存数指令为例4CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O(4)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程STA 8,ACCSTA 8,ACC现在学习的是第31页，共46页(5)ax+b 程序的运行程序的运行过程过程l 将程序通过输入设备送至计算机将程序通过输入设备送至计算机l 程序首地址程序首地址l 打印结果打印结果l 分析指令分析指令l 取指令取指令l 停机停机 l 启动程序运行启动程序运行,(PC,(PC )+)+1 PC1 PCl 执行指令执行指令 MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC现在学习的是第32页，共46页1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.机器字长机器字长CPUCPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与 CPUCPU 中的中的 寄存器位数寄存器位数 有关有关存储存储字长、指令字长字长、指令字长现在学习的是第33页，共46页221 =256KB213 =1KB如如：2.存储容量存储容量主存容量主存容量辅存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长字节数字节数字节数字节数 80GB如：如：MAR MDR MAR MDR 容量容量10 816 32存放二进制信息的总数量存放二进制信息的总数量1K=2101Byte=231G=2301K 8位位64K 32位位现在学习的是第34页，共46页3.运算速度运算速度=ni=1fi tiTM吉普森法吉普森法主频主频每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPSMIPS执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数CPICPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPSFLOPS现在学习的是第35页，共46页l1.CPU时钟周期、主频时钟周期、主频l CPU的工作节拍的工作节拍受主时钟受主时钟控制，主时钟不断产生固控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的定频率的时钟，主时钟的频率（频率（f）叫叫CPU的主频。度的主频。度量单位是量单位是赫兹（赫兹（Hz）。l 主频的倒数称为主频的倒数称为CPU时钟周期（时钟周期（T），即），即T=1/f，度，度量单位是量单位是秒（秒（s）。l 对于不同指令，执行所需要的时钟周期数不同。对于不同指令，执行所需要的时钟周期数不同。l 现在学习的是第36页，共46页l频率频率在数学表达式中用在数学表达式中用“f”表示，其相应的单位有：表示，其相应的单位有：lHz（赫）、（赫）、kHz（千赫）、（千赫）、MHz（兆赫）、（兆赫）、GHz（吉赫）。（吉赫）。l1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hzl时钟周期时钟周期单位及相应的换算关系是：单位及相应的换算关系是：s（秒）、（秒）、ms（毫（毫秒）、秒）、s（微妙）、（微妙）、ns（纳秒）。（纳秒）。l1s=1000ms，1 ms=1000s，1s=1000ns。现在学习的是第37页，共46页l知识扩展：知识扩展：l （1）睿频睿频是指当启动一个运行程序后，处理器会自是指当启动一个运行程序后，处理器会自动加速到合适的频率，而原来的运行速度会提升动加速到合适的频率，而原来的运行速度会提升 10%20%，以保证程序流畅运行的一种技术。，以保证程序流畅运行的一种技术。l （2）倍频与外频）倍频与外频，外频是，外频是CPU的的基准频率基准频率，单位也是，单位也是MHz。外频是。外频是CPU与主板之间同步运行的速度，也是与主板之间同步运行的速度，也是内内存存与主板之间的同步运行的速度。与主板之间的同步运行的速度。l 倍频即主频与外频之比的倍数。倍频即主频与外频之比的倍数。l 主频、外频、倍频，其关系式：主频主频、外频、倍频，其关系式：主频=外频外频倍频。倍频。现在学习的是第38页，共46页l（3）超频）超频l 通过人为方式将通过人为方式将CPU、显卡等硬件的工作频率提高（实际、显卡等硬件的工作频率提高（实际就是提高电压），在高于其额定的频率状态下稳定工作。就是提高电压），在高于其额定的频率状态下稳定工作。以以Intel P4C 2.4GHz的的CPU为例，它的额定工作频率是为例，它的额定工作频率是2.4GHz，工作频率提高到，工作频率提高到2.6GHz。l CPU超频是为了提高超频是为了提高CPU的工作的工作频率频率，也就是，也就是CPU的的主频主频。CPU的主频又是的主频又是外频外频和和倍频倍频的乘积。的乘积。l 例：例：CPU的外频的外频100MHz,倍频倍频8.5l 主频主频=外频外频倍频倍频=100MHz8.5=850MHz。现在学习的是第39页，共46页l2.吉普森法吉普森法l 综合考虑每条指令的执行时间及在全部操作中占的百分比。=ni=1fi tiTM吉普森法吉普森法现在学习的是第40页，共46页l 3.MIPSl 每秒百万条指令数，用下式计算：每秒百万条指令数，用下式计算：现在学习的是第41页，共46页l4.CPIl 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。的平均时钟周期数。现在学习的是第42页，共46页l5.FLOPSl 表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：l MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器速度越快。l MFLOPS是基于操作操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。现在学习的是第43页，共46页l补充：补充：l6.CPU执行时间执行时间l CPU执行一段程序所占用的执行一段程序所占用的CPU时间，时间，l CPU执行时间执行时间 CPU时钟周期数时钟周期数 CPU时钟周时钟周期长。期长。l7.吞吐量吞吐量l 单位时间内完成的工作量，单位是字节/秒（B/S）。l8.响应时间响应时间l 从作业提交到作业完成所需要的时间，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。现在学习的是第44页，共46页l1.假设某计算机的假设某计算机的CPU主频为主频为80MHz，CPI为为4。该。该计算机的计算机的MIPS数是多少数是多少？现在学习的是第45页，共46页l2.下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是()lA.MIPS B.CPI C.IPC D.MFLOPS现在学习的是第46页，共46页