(1)--第1章计算机组成与设计.ppt

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1、第一章概述第一章概述计算机组成原理计算机组成原理第第章章 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1.1.1 计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件4计算机硬件系统由主机和外部设备两大部分组成。l主机指主机箱内的所有部件包括CPU、主

2、板、内存、电源、硬盘、软驱、光驱、显卡、声卡、网卡、MODEM卡等各种系统功能扩展卡。l外部设备键盘鼠标、麦克风、显示器、投影仪等 计算机硬件系统计算机硬件系统5CPUCPU散热风扇散热风扇内存条内存条电源电源主机箱主机箱6软驱软驱硬盘硬盘显卡显卡声卡声卡光驱光驱计算机软件系统l对软件的理解可运行的思想和内容的数字化l思想：算法、规律、方法-程序表达l内容：图形、图像、数据、声音、文字等被处理的对象软件的表现形式:程序和数据（以二进制表示的信息）软件的核心:算法l分类：系统软件：用来管理整个计算机系统 l如操作系统、网络系统和编译系统支持软件l开发工具、界面工具等应用软件：按任务需要编制成的各

3、种程序l字处理软件、游戏软件等第一章第一章 概述概述l硬件与软件系统间的关系相互依存l硬件是软件运行的基础，软件的正常运行是硬件发挥作用的重要途径。l计算机系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作，且应充分发挥其硬件的功能；逻辑等效性l某些功能既可由硬件实现，也可由软件来实现；协同发展l软件随硬件技术的迅速发展而发展，而软件的不断发展与完善又促进硬件的更新，两者密切地交织发展，缺一不可。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2.计算机的解题过程计算机的解题过程1.1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M3汇编语言

4、汇编语言虚拟机器虚拟机器 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 M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M0应用程序应用程序 不同用不同用户处在不在不同同层次次 不同不同层次具有次具有不同属性不同属性 不同不同层次使用次使用不同工具不同工具 不同不同层次代次代码效率不同效率不同temp=vk;vk=vk+1;vk+1=temp;lw$t0,0($2)lw$t1,4($2)sw$t1,0($2)sw$t0,4($2)0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 10001010 1111 0101 1000 0000 1001 110

5、0 01101100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 10010101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111使用布使用布尔代数和真代数和真值表表高高级语言言(e.g.,C)(e.g.,C)Compiler(Compiler(翻翻译)汇编语言言(e.g.,MIPS)(e.g.,MIPS)Assembler(Assembler(翻翻译)操作系操作系统指令集架构指令集架构层(e.g.,MIPS)(e.g.,MIPS)微代微代码层硬件硬件逻辑层应用程序用程序高高级语言言(e.g.,C)(e.g.,C)Compiler(Compiler(翻翻译

6、)汇编语言言(e.g.,MIPS)(e.g.,MIPS)Assembler(Assembler(翻翻译)操作系操作系统指令集架构指令集架构层(e.g.,MIPS)(e.g.,MIPS)微代微代码层硬件硬件逻辑层应用程序用程序l透明性概念本来存在的事物或属性，从某个角度去看，却好像不存在；如硬件的特性对C语言程序设计者而言就具有透明性。由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令高高级语言言(e.g.,C)(e.g.,C)Compiler(Compiler(翻翻译)汇编语言言(e.g.,MIPS)(e.g.,MIPS)Assembler(Assembler(翻

7、翻译)操作系操作系统指令集架构指令集架构层(e.g.,MIPS)(e.g.,MIPS)微代微代码层硬件硬件逻辑层应用程序用程序l系统观当硬件结构发生变化时要想到可能对软件产生的影响；不同类型的软件对硬件有不同的要求；编程的CPU硬件相关性，编程应查阅对应CPU的编程手册。高高级语言言(e.g.,C)(e.g.,C)Compiler(Compiler(翻翻译)汇编语言言(e.g.,MIPS)(e.g.,MIPS)Assembler(Assembler(翻翻译)操作系操作系统指令集架构指令集架构层(e.g.,MIPS)(e.g.,MIPS)微代微代码层硬件硬件逻辑层应用程序用程序软软件件硬硬件件l

8、软/硬件的分界线分界线在哪里？分界线即软、硬件的接口，是指令操作硬件的入口；指令格式及指令的设计与硬件关联！程序员所见到的计算机系统的属性程序员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逻辑实现计算机体系结构所体现的属性逻辑实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令有无乘法指令如何实现乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、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）1.1.3 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冯 诺依曼依曼简介介l因提出

9、“离散变量自动电子计算机方案”EDVAC，被称为“计算机之父”，该方案至今仍为计算机设计者所遵循；l是20世纪最重要的数学家之一，因其在现代计算机、博弈论等领域的重大贡献成为美国科学院院士。1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成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 （如何区分？）（如何区分？）5.存储程序执行存储程序执行1.

10、2.1 1.2.1 冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点5.存储程序执行存储程序执行1 冯诺依曼结构核心思想1)采用二进制形式表示数据和指令数据和指令在代码的外形上并无区别都是由0和1组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。Why？采用二进制、使信息数字化容易实现，可以用二值逻辑工具进行处理。程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。2)采用存储程序方式 这是诺依曼思想的核心内容。事先编制程序-存入主存储器-运行程序 这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上体现为所存储程序的

11、扩展。l数据、指令存储:（区分方法）程序与数据都采用二进制代码，计算机区分指令和数据有以下2种方法：l通过不同的时间段来区分指令和数据，即在取指令阶段（或取指微程序）取出的为指令，在执行指令阶段（或相应微程序）取出的即为数据。l通过地址来源区分，由PC提供存储单元地址的取出的是指令，由指令地址码部分提供存储单元地址的取出的是操作数。一般将指令和数据分别存放在存储区的不同区域2 冯 诺依曼依曼计算机的工作原理算机的工作原理 程序控制：程序控制：按指令地址按指令地址访问存存储器并取出指令，器并取出指令，经译码 依次依次产生指令生指令执行所需的控行所需的控 制信号，制信号，实现对计算的控制，算的控制

12、，完成指令的功能。完成指令的功能。存存储程序：将程序存放程序：将程序存放 在在计算机的存算机的存储器中；器中；（存（存储系系统构建与快速构建与快速访问）（指令系（指令系统、控制器、控制器设计等）等）3 3 冯 诺依曼依曼计算机的算机的组成（硬件成（硬件+软件）件）1)1)硬件系硬件系统（总体体图）主机：主机：CPUCPU（运算器（运算器+控制器）、内存控制器）、内存外外设：输入入设备、输出出设备、外存、外存储器器总线：地址地址线、数据、数据线、控制、控制线33冯 诺依曼依曼计算机的算机的组成（硬件成（硬件+软件件）1)1)硬件系硬件系统-运算器运算器算算术运算运算逻辑运算运算基本基本结构构AL

13、UALU(ArithmeticLogical Unit)、寄存器、寄存器、连接接通路通路 加、减、加、减、乘、除法乘、除法等等与、或、与、或、非、移位非、移位等等-指令、数据指令、数据类型、性能要求等等型、性能要求等等 注重功能与注重功能与结构的关系？构的关系？33冯 诺依曼依曼计算机的算机的组成（硬件成（硬件+软件）件）2)硬件系硬件系统-控制器控制器基本功能基本功能控制信号的形式控制信号的形式产生指令生指令执行行过程所需要的所程所需要的所有控制信号，控制相关功能部有控制信号，控制相关功能部件件执行相行相应操作操作；电平信号、平信号、脉冲信号；脉冲信号；产生控制信号的依据生控制信号的依据控制

14、信号的控制信号的产生方式生方式指令、状指令、状态、时序；序；微程序、微程序、硬布硬布线。33冯 诺依曼依曼计算机的算机的组成（硬件成（硬件+软件）件）3)硬件系硬件系统-存存储器器功能功能工作模式工作模式工作原理工作原理存存储原程序、原程序、原数据、运算原数据、运算中中间结果；果；按地址按地址访问，读/写数据。写数据。读/写；写；容量容量 地址地址线数量数量1K1K 10101M1M 20201G1G 303033冯 诺依曼依曼计算机的算机的组成（硬件成（硬件+软件）件）4)硬件系硬件系统-输入入/输出出设备输入入设备:输出出设备:向向计算机算机输入数据入数据(键盘、鼠、鼠标、网卡、网卡、扫描

15、描仪等等)输出出处理理结果果(显示器、声卡、网卡、打印机等示器、声卡、网卡、打印机等)ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O设备设备硬件硬件CU4.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ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存1 1 非时间指标非时间指标1)1)机器字长机器字长:指机器一次能处理的二进制位数指机器一次能处理的二进制位数 由加法器、寄存器的位数决定；由加法器、寄存器的位数决定；一般与内部寄存器的位数相等一般与内部寄存器的位数相等(字长字长)；字长越长，表示数据的范围就越大，字长越长，表示数据的范围就越大，

16、精确度越高；精确度越高；目前常见的有目前常见的有3232位和位和6464位字长。位字长。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 1 非时间指标非时间指标 2)2)总线宽度：数据总线一次能并行传送的最大信息总线宽度：数据总线一次能并行传送的最大信息的位数的位数 一般指运算器与存储器之间的数据总一般指运算器与存储器之间的数据总线位数。线位数。有些计算机内部与外部数据总线宽度不有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致：一致：80868086、8028680286、8038680386内外数据总线等内外数据总线等宽；宽；80888088、80386SX80386SX 外部总线宽度外部

17、总线宽度8 8位内位内部总线宽度部总线宽度1616位；位；PentiumPentium外总线外总线6464位，内总线位，内总线3232位位（两条（两条3232位流水线）位流水线）1 1 非时间指标非时间指标3)3)主存容量与存储带宽主存容量与存储带宽 主存容量：主存容量：是指一台计算机主存所包含的存储单元总是指一台计算机主存所包含的存储单元总数。数。存储带宽：存储带宽：指单位时间内与主存交换的二进制信息量，指单位时间内与主存交换的二进制信息量，常用单位常用单位B/sB/s（字节（字节/秒）。秒）。影响存储带宽的指标包括数据位宽和数据传输速率影响存储带宽的指标包括数据位宽和数据传输速率例：假设某

18、系统总线在一个总线周期中并行传输例：假设某系统总线在一个总线周期中并行传输4 4字节字节信息，一个总线周期占用信息，一个总线周期占用2 2个时钟周期，总线时钟频率个时钟周期，总线时钟频率为为10 MHz10 MHz，则总线带宽是？，则总线带宽是？20MB/S 20MB/S2 2 时间指标时间指标1)1)主频主频f/f/时钟周期时钟周期T,T,外频、倍频外频、倍频主频主频f f指指CPUCPU内核工作的时钟频率，即内核工作的时钟频率，即CPUCPU内数字脉冲信号振荡内数字脉冲信号振荡的速率，与的速率，与CPUCPU实际的运算能力之间不是唯一的、直接关实际的运算能力之间不是唯一的、直接关系；系；时

19、钟周期时钟周期T T 也称节拍周期，是计算机中最基本的、最小的时间单位。也称节拍周期，是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时在一个时钟周期内，钟周期内，CPUCPU仅完成一个最基本的动作；仅完成一个最基本的动作；f f 与与 T T的关系的关系 互为倒数，互为倒数，f f 越高，越高，T T就越小就越小(f=100MHz(f=100MHz时时T=10nsT=10ns，f=1GHzf=1GHz时时T=1ns)T=1ns)。2 2 时间指标时间指标 主频主频f/f/时钟周期时钟周期T,T,外频、倍频外频、倍频外频外频倍频倍频指指CPU(CPU(内存内存)与主板之间与主板之间同步的时钟频率同步

20、的时钟频率(系统总系统总线的工作频率线的工作频率)；CPUCPU主频与外频之间的倍数；主频与外频之间的倍数；主频主频=外频外频 倍频倍频如：如：Pentium 4Pentium 4 2.4G CPU 2.4G CPU主频主频2400M=133M(2400M=133M(外频外频)18(18(倍频倍频)2 2 时间指标时间指标2)2)CPI(Clock cyclesCPI(Clock cycles PerPer Instruction)Instruction)执行一条指令执行一条指令(平均平均)需要的时钟周期数需要的时钟周期数(即即T T周期的个数周期的个数)单条指令单条指令CPI CPI、一段程

21、序中所有指令的、一段程序中所有指令的CPICPI、指令系统、指令系统CPI CPI 等等CPI=CPI=程序中所有指令的时钟周期数之和程序中所有指令的时钟周期数之和/程序指令总数程序指令总数 =(=(程序中各类指令的程序中各类指令的CPI CPI 程序中该类指令的比例程序中该类指令的比例)求和求和2 2 时间指标时间指标CPI CPI 应用举例应用举例例例1 1 某计算机指令系统中各类指令所占比例及某计算机指令系统中各类指令所占比例及CPICPI如下表如下表所示，求程序的所示，求程序的CPICPI。解：解：CPICPI=1*60%1*60%+2*18%2*18%+4*12%4*12%+8*10

22、%+8*10%=2.242.24IPCIPC(Instruction(Instruction perper Clock):Clock):每个时钟周期内执行的指令条数每个时钟周期内执行的指令条数(并行并行)2 2 时间指标时间指标实际上频率和实际上频率和IPCIPC在真正影响在真正影响CPUCPU性能。性能。准确的准确的CPUCPU性能判断标准应该是：性能判断标准应该是：CPUCPU性能性能=IPC(CPU=IPC(CPU每一时钟周期内所执行的指令多少每一时钟周期内所执行的指令多少)频率频率(MHz(MHz时钟速度时钟速度)-)-由英特尔提出并被业界广泛认可。由英特尔提出并被业界广泛认可。如果将

23、英特尔用于如果将英特尔用于企业级服务器企业级服务器的主频为的主频为800MHz800MHz的安腾处理器的安腾处理器(英特尔的最高级系列英特尔的最高级系列CPU)CPU)与用于台式机的主频为与用于台式机的主频为1800MHz1800MHz的的奔奔腾腾4 4处理器处理器进行对比，就会发现：主频仅为进行对比，就会发现：主频仅为800MHz800MHz的安腾处理的安腾处理器在性能上竟然比主频高达器在性能上竟然比主频高达1800MHz1800MHz的奔腾的奔腾4 4处理器还要强大。处理器还要强大。2 2 时间指标时间指标3)3)MIPS(Million InstructionsMIPS(Million

24、Instructions PerPer Second)Second)每秒钟每秒钟CPUCPU能执行的指令总条数能执行的指令总条数(单位：百万条单位：百万条/秒秒)（全性能公式）（全性能公式）指令条数指令条数=MIPSMIPS执行时间执行时间10106 6指令条数指令条数=(所有指令所有指令CPUCPU时钟周期数之和时钟周期数之和/f/f)10106 6f f=10106 6CPICPI 2 2 时间指标时间指标 MIPS MIPS 应用举例应用举例例例 某计算机主频为某计算机主频为1GHZ1GHZ，在其上运，在其上运行的目标代码包含行的目标代码包含2x102x105 5条指令，分条指令，分4

25、4类，各类指令所占比例和各自类，各类指令所占比例和各自CPICPI如下表所示，求程序的如下表所示，求程序的MIPSMIPS。解：解：根据根据CPUCPU全性能公式全性能公式:MIPSMIPSCPICPI=1*60%1*60%+2*18%2*18%+4*12%4*12%+8*10%+8*10%=2.242.24MIPSMIPS=f f/(CPI/(CPI*10106 6)=1*101*10 9 9/(2.24/(2.24*10*106 6)=446.4)=446.4f f=10106 6CPICPI2 2 时间指标时间指标4)CPU4)CPU时间时间 执行一段程序所需的时间执行一段程序所需的时间

26、(CPUCPU时间时间+I/OI/O时间时间+存储访问时间存储访问时间+各类排队时延等各类排队时延等)。CPUCPU时间时间=程序中所有指令的时钟周期数之和程序中所有指令的时钟周期数之和 T T=程序中所有指令的时钟周期数之和程序中所有指令的时钟周期数之和/f f2 2 时间指标时间指标 CPUCPU时间的计算方法时间的计算方法考虑考虑CPICPI后的后的CPUCPU时间：时间：考虑考虑MIPSMIPS后的后的CPUCPU时间：时间：2 2 时间指标时间指标 CPUCPU时间应用举例时间应用举例例例 某计算机主频为某计算机主频为1GHZ1GHZ，在其上运，在其上运行的目标代码包含行的目标代码包

27、含2 210105 5条指令，分条指令，分4 4类，各类指令所占比例和各自类，各类指令所占比例和各自CPICPI如如下表所示，求该段程序的下表所示，求该段程序的CPUCPU时间。时间。解解 方法方法1 1：利用利用CPICPI2 2 时间指标时间指标 CPUCPU时间应用举例时间应用举例例例 某计算机主频为某计算机主频为1GHZ1GHZ，在其上运，在其上运行的目标代码包含行的目标代码包含2 210105 5条指令，分条指令，分4 4类，各类指令所占比例和各自类，各类指令所占比例和各自CPICPI如如下表所示，求该段程序的下表所示，求该段程序的CPUCPU时间。时间。解解 方法方法2 2：利用利

28、用MIPSMIPS3 3 时间指标的应用思考时间指标的应用思考 计算机性能指标是确定的吗？计算机性能指标是确定的吗？硬件或软件指标影响什么如何影响算法CPI、MIPS、CPU时间影响指令数量和指令类型编程语言CPI、MIPS、CPU时间影响指令数量和指令类型编译程序CPI、MIPS、CPU时间影响指令数量和指令类型指令集体系结构 f/T、CPI、MIPS、CPU时间全面影响本章掌握要点1）计算机软硬件概念2）冯诺伊曼计算机的特点3）计算机硬件的主要性能指标l作业：P19 1.5 1.6所有种类的计算机都具有“存储程序”的特点，最早提出此概念的是（）。贝尔冯诺依曼图灵巴贝奇ABCD提交单选题2分以下缩写中，不是寄存器的是（）PCIRCUMQABCD提交单选题2分下列不属于输入设备的是（）扫描仪键盘鼠标显示器ABCD提交单选题2分下列（）语言在计算机中执行最快？pythonJAVA汇编语言C+ABCD提交单选题2分计算机硬件的主要指标（）机器字长运算速度存储容量总线宽度ABCD提交多选题4分