计算机组成原理第一讲.ppt

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1、计算机组成原理一、本课程的性质性 质：前导课程：后续课程：数字逻辑专业课编译原理二、本课程的重要性二、本课程的重要性一名好的程序员所必须掌握的课程。研究生入学考试的专业课之一。是后续课程的基础。三、课程的学习方法三、课程的学习方法首先建立一个整机意识。逐步深入机器内核。四、课程内容和结构四、课程内容和结构第章 计算机系统概论第章系统总线第章存储器第章输入输出系统第章计算机的发展及应用第章计算机的运算方法第章指令系统第章CPU的结构和功能第章控制单元的功能第10章控制单元的设计第篇概论计算机第篇计算机系统的硬件结构I/O系统总线存储器CPU第篇CPUCPU内部互连ALUCU寄存器中央处理器第篇C

2、U寄存器和解码器控制单元排队逻辑控制存储器第第章章 计算机系统概论计算机系统概论1.1计算机系统简介1.4本书结构（前面已讲）1.3计算机硬件的主要技术指标1.2计算机的基本组成1.1 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的信息（程序）组成计算机系统：计算机系统计算机的实体，如主机、外设等一、一、计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件软件按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统系统软件（系统程序）应用软件（应用程序）语言处理程序操作系统服务性程序数据库管理系统网络软件软件二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构1.计算机的解题过程计算机的解题过程计算机计算机

3、高级语言程序目标程序结果翻译运行2.计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构高级语言虚拟机器M3汇编语言虚拟机器M2操作系统虚拟机器机器语言实际机器M1微指令系统微程序机器M0翻译程序（高级语言机器语言）：编译：全部翻译，再执行解释：翻译一条执行一条早期的计算机没有操作系统，纯机械操作第一个操作系统经典之作：IBM360用编译程序翻译成汇编语言程序用汇编程序翻译成机器语言程序用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令软件硬件虚拟机器M4虚拟机器M3虚拟机器M2实际机器M1微程序机器M0固件三、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程序员所见到的计算机系统的

4、属性概念性的结构与功能特性计算机体系结构计算机组成如何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、数据类型、寻址技术、I/O机理）（具体指令的实现）不同层次上的程序员所见的计算机属性不同，如对于高级语言程序员，PC和服务器是同一属性，但对于汇编语言程序员，两者截然不同，不同指令集、数据类型、寻址方式等。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3.指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心，I/O与存储器间的数据传送通过运算器完成5.指令在存储器内按顺序存放一、一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点2.指令和数据以

5、同等地位存于存储器，可按地址寻访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输入设备运算器控制器输出设备数据线控制、反馈线二、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存储器输出设备输入设备运算器控制器数据结果计算控制线反馈线数据线ALU主存辅存CPU主机I/O设备硬件CU2.现代计算机硬件组成及主要功能现代计算机硬件组成及主要功能存储器输入设备运算器输出设备控制器（1）存）存储储器器(Memory)：存储程序和数据的部件。功能：存储信

6、息组成：存储体地址寄存器译码器读/写线路数据寄存器控制线路.存储体MB存储信息的实体。存储元件的有序集合，用于存储二进制代码；地址寄存器MAR寄存访问内存储器的地址码；数据寄存器MDR暂存要写入MB或从MB读出的二进制代码；读写控制电路控制存储器进行读或写的操作。动画：主存读写内存储器组成框图术语：存储单元：存放一个字(或字节)的编址单元；单元地址：存储单元的地址编号；存储元：每个存储单元有若干个存储元构成，能寄存一位二进制代码；存储字长：每个存储单元可以存放二进制代码的位数；存储容量：存储体能存放的二进制代码位数。常用容量单位：1KB=210B=1024B1MB=210KB1GB=210MB

7、1TB=210GB（2）运算器）运算器ALU：实现算术运算和逻辑运算功能的部件。功能：运算完成数字信息的加工、寄存、移位等。组成：算术逻辑单元；移位器；选择器；寄存器组，输入输出门等。图1.3运算器的组成结构（3）控制器）控制器(Control Unit)：向计算机各部件发出控制信息的部件。功能：控制指令的读出、解释和执行，中断事件的处理等。组成：指令部件：程序计数器PC提供要执行的指令地址；指令寄存器IR寄存现行指令；指令译码器ID解释现行指令，产生相应的控制电位。时序部件：产生计算机运行所需的时序信号。微操作信号发生器：产生执行指令的微操作控制信号。（4）输输入入/输输出出(I/O)设备设

8、备输入设备：将各种形式的输入信息转换为机器可接受的编码形式的设备。例如键盘、鼠标等。输出设备：将计算机的输出信息转换为人可接受的信息形式的设备。例如显示器、打印机等。1.上机前的准备上机前的准备建立数学模型-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin确定计算方法1.2三、计算机的工作步骤三、计算机的工作步骤编制解题程序：用机器指令描述运算步骤程序运算的全部步骤指令每一个步骤2.上机，上机，计计算机的工作算机的工作过过程程周而复始地取出指令、解周而复始地取出指令、解释释指令和指令和执执行指令的行指令的过过程。程。指令的执行过程：例：nADDR2，R0；(R0)+(R2)R21、第一、第

9、一阶阶段段：取出指令和解释指令-公共操作（1）(PC)=nAR；送指令地址（2）(M)nDR;启动内存储器中读指令；通过数据总线将内存储器中的指令暂存到DR中（内存的读/写原理）（3）DRIR；将从内存储器中读出的指令通过数据总线送到IR；寄存器寄存器R0的内容的内容PC把把该该指令的地址号指令的地址号n送到地址寄存器送到地址寄存器AR内存中的指令内存中的指令DB 数据存数据存储储器器DR取指周期，取指周期，(DR)DB指令寄存器指令寄存器IR（4）(PC)+1PC；使PC得到程序顺序执行时的下一条指令地址（5）操作码经译码器ID译码；2、第二、第二阶阶段：段：执行ADDR0，R2指令的过程(

10、R0)FA(R2)FA；R0和R2的内容送全加器FA(FA)R2；经运算后，从FA输出“和数”送R2动画：计算机的工作过程对对不同的指令不同的指令产产生不同的控制生不同的控制电电位，配合位，配合时时序序电电路路产产生的生的时时序信号，序信号，由微操作信号由微操作信号发发生器生器产产生生执执行指令的微操作信号，控制功能部件的行指令的微操作信号，控制功能部件的执执行。行。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CPU一次能处理数据的位数与CPU中的寄存器位数有关字长标志着机器表示数的精度。字长位数越多，精度越高。字长通常是8的整倍数，使能存放整数个字符的编码。例如字长为

11、8、16、32、64位等。2、存、存储储容量容量:存放二进制信息的总位数。决定计算机可以处理的数据量和程序的大小；存储容量越大，存储的信息越多，解题的功能越强。221=256KB213=1KB如主存容量辅存容量存储单元个数存储字长字节数字节数80GB如MARMDR容量10816321K=2101B=23b1GB=230b1K8位64K32位3.运算速度：运算速度：计计算机每秒算机每秒钟执钟执行指令的条数。行指令的条数。=ni=1fitiTM吉普森法单位：MIPS(百万条指令每秒)；衡量：平均运算速度(吉普森Gibson法)；求法：先求平均运算时间Tm式中：n指令的种类；f i第i种指令出现的频度(%)t i第i种指令的指令周期(秒)。则平均运算速度：Vm1 Tm【例1.1】某台计算机指令系统按指令周期长短可以分为4种，t110ns，t215ns，t316ns，t420ns，这4种指令在程序出现的概率分别为f120，f216，f340，f424，求机器平均运算速度是多少MIPS？解：依公式，先求Tm，100.2150.16160.4200.2415.6（ns）依公式，求得平均运算速度为：