计算机组成原理 第一章 概论精选文档.ppt

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1、计算机组成原理 第一章 概论本讲稿第一页，共三十页第一章第一章 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1.4 本书结构本书结构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本讲稿第二页，共三十页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本讲稿第三页，共三十页1.1硬盘硬盘硬盘硬盘电源电源电源电源导

2、线和电缆导线和电缆导线和电缆导线和电缆软驱软驱软驱软驱内存内存内存内存微处理器微处理器微处理器微处理器（CPUCPU）扩展卡扩展卡扩展卡扩展卡主板主板主板主板扩展槽扩展槽扩展槽扩展槽本讲稿第四页，共三十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语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性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1.1标准程序库标准程序库本讲稿第五页，共三十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

3、机的解题过程本讲稿第六页，共三十页二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 M M2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器实际机器 M M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M M01.1本讲稿第七页，共三十页用编译程序用编译程序翻译翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序用汇编程序翻译翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言用机器语言解释解释操作系统操作系统用微指令用微指令解释解释机器指令机器指令由硬件由硬件直接执行直接执行微指令微指令软软件件硬硬件件1.1虚拟机器虚拟机器 M M

4、4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本讲稿第八页，共三十页翻译翻译(Translation)翻翻翻翻译译译译技技技技术术术术是是是是先先先先把把把把N+1N+1级级级级程程程程序序序序全全全全部部部部变变变变换换换换成成成成N N级级级级程程程程序序序序后后后后，再再再再去去去去执执执执行行行行新新新新产产产产生生生生的的的的N N级级级级程程程程序序序序，在在在在执执执执行行行行过过过过程程程程中中中中N+1N+1级级级级程程程程序序序序不不不不再再再再被被被被访问。访问。访问。访问。解解解解释释释释技技技技术术术术是

5、是是是每每每每当当当当一一一一条条条条N+1N+1级级级级指指指指令令令令被被被被译译译译码码码码后后后后，就就就就直直直直接接接接去去去去执执执执行行行行一一一一串串串串等等等等效效效效的的的的N N级级级级指指指指令令令令，然然然然后后后后再再再再去去去去取取取取下下下下一一一一条条条条N+1N+1级级级级的的的的指指指指令令令令，依此重复进行。依此重复进行。依此重复进行。依此重复进行。解释(Interpretation)本讲稿第九页，共三十页翻译和解释解释执行比翻译花的时间多，但存储空间占用较少。本讲稿第十页，共三十页计算机系统中的层次概念虚虚虚虚 拟拟拟拟 机机机机 器器器器（virt

6、ual virtual machinemachine）：由由由由软软软软件件件件实实实实现的机器。现的机器。现的机器。现的机器。实实实实 际际际际 机机机机 器器器器（actual actual machinemachine）由由由由硬硬硬硬件件件件或或或或固固固固件实现的机器。件实现的机器。件实现的机器。件实现的机器。本讲稿第十一页，共三十页程序员程序员所见到的计算机系统的属性、所见到的计算机系统的属性、概念性的结构与功能特性概念性的结构与功能特性计算机计算机体系结构体系结构计算机计算机组成组成实现计算机体系结构所体现的属性实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令如何实现乘法指令（指令系统

7、、数据类型、寻址技术、（指令系统、数据类型、寻址技术、I/OI/O机理）机理）（具体指令的实现）（具体指令的实现）1.1三、三、计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成机器语言级程序员本讲稿第十二页，共三十页本讲稿第十三页，共三十页本讲稿第十四页，共三十页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

8、冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点本讲稿第十五页，共三十页算术运算逻辑运算存放数据和程序将信息转换成机器能识别的形式将结果转换成人们熟悉的形式指挥程序运行1.2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本讲稿第十六页，共三十页ALUALU主存主存辅存辅存CPUCPU主机主机I/OI/O硬件硬件CUCU二二、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1.2ALUALUCPU主机主机I/OI/OCUCU主主存存本讲稿第十七页，共三十页存储体存储体大楼大楼存储单元

9、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）存储器的基本组成存储器的基本组成1.2主存储器主存储器存储体存储体M MA AR RM MD DR R本讲稿第十八页，共三十页MARMARMDRMDR 存储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8位字位字 设设 MARMAR =4 位位 MDRMDR

10、 =8 位位1.2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本讲稿第十九页，共三十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1.2控制器的基本组成控制器

11、的基本组成本讲稿第二十页，共三十页取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a a 在运算器中在运算器中存存a ax2 在存储器中在存储器中取取b b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加a ax2 在运算器中在运算器中加加c c 在运算器中在运算器中=(=(a ax+b b)x+c c 取取x 至运算器中至运算器中 取数指令取数指令乘以乘以a a 在运算器中在运算器中 乘法指令乘法指令加加b b 在运算器中在运算器中 加法指令加法指令乘以乘以x 在运算器中在运算器中 乘法指令乘法指令加加c c 在运算器中在运算器中 加法指令加法指令计算计算 ax

12、2+bx+c1.2三、编程举例三、编程举例存数存数 结果存放结果存放 存数指令存数指令本讲稿第二十一页，共三十页12356789以取数指令为例以取数指令为例4主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程1.2CU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本讲稿第二十二页，共三十页12356798以存数指令为例以存数指令为例41.2CU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主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程本讲稿第二十三页，共三十页

13、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2.运算速度运算速度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 有关有关主频主频单位时间的脉冲个数单位时间的脉冲个数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本讲稿第二十四页，共三十页221 =256KB213 =1KB如如：3.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

14、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1.31K=2101Byte=231G=2301K 8位位64K 32位位本讲稿第二十五页，共三十页CPUCPU：Center Processing Unit Center Processing Unit 中心处理单元中心处理单元CUCU：Control Unit Control Unit 控制单元控制单元ALUALU：Arithmetic Logic Unit Arithmetic Logic Unit 算术逻辑单元算术逻辑单元MARMAR：Memory Addre

15、ss RegisterMemory Address Register存储器地址寄存器存储器地址寄存器MDRMDR：Memory Data RegisterMemory Data Register存储器数据寄存器存储器数据寄存器PCPC：Program CounterProgram Counter程序计数器（存放将要执行的指令的地址）程序计数器（存放将要执行的指令的地址）IRIR：Instruction registerInstruction register指令寄存器（存放要执行的指令）指令寄存器（存放要执行的指令）ACCACC：Accumulator Accumulator 累加器累加器MQ

16、MQ：Multiplier-quotient Register Multiplier-quotient Register 乘商寄存器乘商寄存器X X：操作数寄存器：操作数寄存器附录附录:MIPSMIPS：Million Instruction Per SecondMillion Instruction Per SecondFLOPSFLOPS：Floating Point Operation Per SecondFloating Point Operation Per SecondCPICPI：Cycle Per SecondCycle Per Second本讲稿第二十六页，共三十页计算机系统

17、中的层次概念虚虚虚虚 拟拟拟拟 机机机机 器器器器（virtual virtual machinemachine）：由由由由软软软软件件件件实实实实现的机器。现的机器。现的机器。现的机器。实实实实 际际际际 机机机机 器器器器（actual actual machinemachine）由由由由硬硬硬硬件件件件或或或或固固固固件件件件实现的机器。实现的机器。实现的机器。实现的机器。内容回顾内容回顾:本讲稿第二十七页，共三十页1.2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本讲稿第二十八页，共三十页12356789以取数指令为例

18、以取数指令为例4主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程1.2CU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本讲稿第二十九页，共三十页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2.运算速度运算速度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 有关有关主频主频单位时间的脉冲个数单位时间的脉冲个数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FLOPSFLOPS3.存储容量存储容量存放二进制信息的总数量存放二进制信息的总数量本讲稿第三十页，共三十页