計算機(jī)組成原理第1章

1、1引引 言言一、本課程在計算機(jī)系統(tǒng)中的位置一、本課程在計算機(jī)系統(tǒng)中的位置程序設(shè)計基礎(chǔ)及語言程序設(shè)計基礎(chǔ)及語言編譯原理編譯原理匯編語言程序設(shè)計匯編語言程序設(shè)計操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫原理、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫原理、應(yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu)軟件體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用語言級機(jī)器應(yīng)用語言級機(jī)器高級語言級機(jī)器高級語言級機(jī)器匯編語言級機(jī)器匯編語言級機(jī)器操作系統(tǒng)級機(jī)器操作系統(tǒng)級機(jī)器傳統(tǒng)機(jī)器級機(jī)器傳統(tǒng)機(jī)器級機(jī)器微程序機(jī)器級機(jī)器微程序機(jī)器級機(jī)器電子線路級機(jī)器電子線路級機(jī)器外部設(shè)備外部設(shè)備接口接口技術(shù)技術(shù)組成原理組成原理模擬與數(shù)字邏輯電路模擬與數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)離散結(jié)構(gòu)、算

2、法設(shè)計基礎(chǔ)離散結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計基礎(chǔ)軟件工程軟件工程人工智能人工智能信號與系統(tǒng)、控制技術(shù)信號與系統(tǒng)、控制技術(shù)計算機(jī)網(wǎng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類絡(luò)技術(shù)類數(shù)字信號、圖像處理數(shù)字信號、圖像處理2一、課程目標(biāo)一、課程目標(biāo)1 1、結(jié)構(gòu)與原理掌握、結(jié)構(gòu)與原理掌握 建立計算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念；建立計算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念； 掌握計算機(jī)各部件的組成原理與技術(shù)；掌握計算機(jī)各部件的組成原理與技術(shù)； 了解計算機(jī)系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)的新技術(shù)了解計算機(jī)系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)的新技術(shù)2 2、分析與計算能力、分析與計算能力 掌握對組成與結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析的方法；掌握對組成與結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析的方法； 通過量化計算，加深對組成原理的理解與掌握通過量化計算，加深對

3、組成原理的理解與掌握3 3、應(yīng)用與設(shè)計能力、應(yīng)用與設(shè)計能力 通過實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)邏輯設(shè)計及理論指導(dǎo)實(shí)踐的能力通過實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)邏輯設(shè)計及理論指導(dǎo)實(shí)踐的能力課程內(nèi)容組織及要求課程內(nèi)容組織及要求3二、課程內(nèi)容組織二、課程內(nèi)容組織第第1 1章章 計算機(jī)系統(tǒng)概論計算機(jī)系統(tǒng)概論 計算機(jī)的模型、硬件組成，計算機(jī)的工作過程、性能指標(biāo)計算機(jī)的模型、硬件組成，計算機(jī)的工作過程、性能指標(biāo)第第3 3章章 存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng) 層次結(jié)構(gòu)，層次結(jié)構(gòu)，RAMRAM組成，主存、組成，主存、CacheCache、虛存的組成原理、虛存的組成原理計算機(jī)軟件計算機(jī)軟件( (指令指令串及串及數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)) )CUCUALUALU存儲器存儲器系統(tǒng)總線系

4、統(tǒng)總線I/OI/O設(shè)備設(shè)備1 1I/OI/O接口接口1 1I/OI/O設(shè)備設(shè)備2 2I/OI/O接口接口2 2I/OI/O設(shè)備設(shè)備nI/OI/O接口接口n第第2 2章章 數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算 數(shù)據(jù)的編碼及表示，定點(diǎn)及浮點(diǎn)運(yùn)算方法，數(shù)據(jù)的編碼及表示，定點(diǎn)及浮點(diǎn)運(yùn)算方法，ALUALU結(jié)構(gòu)與組成結(jié)構(gòu)與組成4第第4 4章章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 指令功能與指令格式，操作數(shù)存放及尋址方式，指令功能與指令格式，操作數(shù)存放及尋址方式，CISC/RISCCISC/RISC第第6 6章章 總線總線 概述，操作步驟，仲裁概述，操作步驟，仲裁/ /定時方式，互連結(jié)構(gòu)定時方式，互連結(jié)構(gòu)第第5 5章章 中央處理

5、器中央處理器 CPUCPU的功能與結(jié)構(gòu)、工作流程，指令執(zhí)行過程，數(shù)據(jù)通路組的功能與結(jié)構(gòu)、工作流程，指令執(zhí)行過程，數(shù)據(jù)通路組織，織，CUCU的結(jié)構(gòu)及組成，微程序控制器技術(shù)，指令流水技術(shù)的結(jié)構(gòu)及組成，微程序控制器技術(shù)，指令流水技術(shù)計算機(jī)軟件計算機(jī)軟件( (指令指令串及串及數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)) )CUCUALUALU存儲器存儲器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線I/OI/O設(shè)備設(shè)備1 1I/OI/O接口接口1 1I/OI/O設(shè)備設(shè)備2 2I/OI/O接口接口2 2I/OI/O設(shè)備設(shè)備nI/OI/O接口接口n第第7 7章章 I/OI/O系統(tǒng)系統(tǒng) 組成，組成，I/OI/O設(shè)備，設(shè)備，I/OI/O接口，接口，I/OI/O方式方式(4

6、(4種種) )51 1、學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)方法 建立建立整機(jī)整機(jī)概念，將所學(xué)知識點(diǎn)融合在一起；概念，將所學(xué)知識點(diǎn)融合在一起； 從邏輯設(shè)計出發(fā)，從邏輯設(shè)計出發(fā)，分析多分析多種方案的種方案的利利與與弊弊； 通過量化分析，加深對原理的掌握與理解。通過量化分析，加深對原理的掌握與理解。四、本課程學(xué)習(xí)方法四、本課程學(xué)習(xí)方法3、作業(yè)、作業(yè) 自己做！自己做！ 準(zhǔn)備一個作業(yè)本，每堂課帶來！準(zhǔn)備一個作業(yè)本，每堂課帶來！2 2、學(xué)習(xí)效率、學(xué)習(xí)效率本課程在計算機(jī)科學(xué)中處于承上啟下的地位，具有本課程在計算機(jī)科學(xué)中處于承上啟下的地位，具有內(nèi)容多、難度大內(nèi)容多、難度大的特點(diǎn)。的特點(diǎn)。 6第第1 1章章 計算機(jī)系統(tǒng)概論計算機(jī)系

7、統(tǒng)概論7什么是計算機(jī)什么是計算機(jī) 計算機(jī)：計算機(jī)：按照內(nèi)部存儲的按照內(nèi)部存儲的指令指令序列序列，對數(shù)字化，對數(shù)字化信息信息進(jìn)行自動高速進(jìn)行自動高速處理、存儲、傳送、控制處理、存儲、傳送、控制的裝置。的裝置。 信息：信息：有用的數(shù)據(jù)，有多種不同類型，其表現(xiàn)手段有用的數(shù)據(jù)，有多種不同類型，其表現(xiàn)手段可以采用可以采用數(shù)字化形式或模擬量形式數(shù)字化形式或模擬量形式； 運(yùn)算：運(yùn)算：包括包括算術(shù)運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算和和邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算，要求自動與高速；，要求自動與高速； 指令指令：指示計算機(jī)硬件完成某種功能的明確的命令；：指示計算機(jī)硬件完成某種功能的明確的命令；1.1 1.1 計算機(jī)系統(tǒng)簡介計算機(jī)系統(tǒng)簡介8 處理：

8、處理：對信息進(jìn)行搜索、識別、變換，甚至聯(lián)想、對信息進(jìn)行搜索、識別、變換，甚至聯(lián)想、思考和推理等等。思考和推理等等。9計算機(jī)的功能計算機(jī)的功能 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲 數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送 控制控制 計算機(jī)的基本功能主要包括計算機(jī)的基本功能主要包括 10 數(shù)據(jù)處理功能數(shù)據(jù)處理功能 運(yùn)算功能：運(yùn)算功能：算術(shù)運(yùn)算功能和邏輯運(yùn)算，應(yīng)用于數(shù)算術(shù)運(yùn)算功能和邏輯運(yùn)算，應(yīng)用于數(shù)值計算和非數(shù)值計算兩個方面值計算和非數(shù)值計算兩個方面 ； 處理對象：處理對象：數(shù)值、字符、圖形、圖像、聲音和視數(shù)值、字符、圖形、圖像、聲音和視頻等。頻等。 數(shù)據(jù)存儲功能數(shù)據(jù)存儲功能 主存儲器：主存儲器：保存指令和數(shù)據(jù)；保存指令和

9、數(shù)據(jù)； 輔助存儲器：輔助存儲器：以文件的形式保存大量數(shù)據(jù)信息。以文件的形式保存大量數(shù)據(jù)信息。 11 數(shù)據(jù)傳送功能數(shù)據(jù)傳送功能 內(nèi)部數(shù)據(jù)流動內(nèi)部數(shù)據(jù)流動 ：CPU和主存以及和主存以及CPU內(nèi)部寄存器內(nèi)部寄存器與運(yùn)算器之間的數(shù)據(jù)流動；與運(yùn)算器之間的數(shù)據(jù)流動； 外部數(shù)據(jù)傳送：外部數(shù)據(jù)傳送：輸入輸入/輸出（輸出（I/O）和計算機(jī)通信。）和計算機(jī)通信。 控制功能控制功能 控制器控制器：產(chǎn)生各種基本操作信號并按某種時序發(fā)產(chǎn)生各種基本操作信號并按某種時序發(fā)出以完成相應(yīng)功能出以完成相應(yīng)功能 ； 指令編碼指令編碼、指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)：一臺計算機(jī)的所有指令集一臺計算機(jī)的所有指令集合合 。 121.1.11.1.1計

10、算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件計算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件 * *計算機(jī)系統(tǒng)的組成：計算機(jī)系統(tǒng)的組成：具有具有特定功能特定功能的信息的信息( (程序程序) )。如系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序如系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序計算機(jī)計算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)表示應(yīng)用需求表示應(yīng)用需求計算機(jī)的物理實(shí)體；計算機(jī)的物理實(shí)體；如主機(jī)、外設(shè)等如主機(jī)、外設(shè)等計算機(jī)硬件計算機(jī)硬件計算機(jī)軟件計算機(jī)軟件13 功能的實(shí)現(xiàn)方式功能的實(shí)現(xiàn)方式 * *計算機(jī)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方式：計算機(jī)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方式： 解題過程解題過程解題結(jié)果運(yùn)行運(yùn)行 * *計算機(jī)系統(tǒng)組成的特性：計算機(jī)系統(tǒng)組成的特性： 軟件功能靠硬件實(shí)現(xiàn)，硬件性能靠軟件反映軟件功能靠硬件實(shí)現(xiàn)，硬件性能靠軟件反映 硬件硬件數(shù)據(jù)的存

11、儲、傳送及處理和過程控制功能數(shù)據(jù)的存儲、傳送及處理和過程控制功能 軟件軟件應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理及過程控制需求應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理及過程控制需求 程序(指令序列，硬件用不同指令表示不同功能) 執(zhí)行軟件執(zhí)行軟件應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理及過程控制功能應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理及過程控制功能用用 戶戶輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備處理設(shè)備處理設(shè)備存儲設(shè)備存儲設(shè)備目標(biāo)程序(機(jī)器語言)源程序(高級語言)編輯編輯 編譯編譯14二、計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)直接執(zhí)行機(jī)器指令直接執(zhí)行機(jī)器指令機(jī)器語言級機(jī)器機(jī)器語言級機(jī)器 M1M1用用機(jī)器語言機(jī)器語言編程編程匯編語言級機(jī)器匯編語言級機(jī)器 M3M3用用匯編語言匯編語言編程編程用用

12、匯編程序匯編程序翻譯翻譯 成機(jī)器語言程序成機(jī)器語言程序高級語言級機(jī)器高級語言級機(jī)器 M4M4用用高級語言高級語言編程編程用用編譯程序編譯程序翻譯翻譯 成匯編語言程序成匯編語言程序 或機(jī)器語言程序或機(jī)器語言程序操作系統(tǒng)級機(jī)器操作系統(tǒng)級機(jī)器 M2M2使用使用操作系統(tǒng)命令操作系統(tǒng)命令用用機(jī)器語言機(jī)器語言解釋解釋 操作系統(tǒng)命令操作系統(tǒng)命令 微程序級機(jī)器微程序級機(jī)器 M0M0使用使用微指令系統(tǒng)微指令系統(tǒng)用用微程序微程序解釋解釋 機(jī)器指令機(jī)器指令直接執(zhí)行微指令直接執(zhí)行微指令虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器15三、計算機(jī)結(jié)構(gòu)與組成三、計算機(jī)結(jié)構(gòu)與組成 * *計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：機(jī)器語言程序員機(jī)器

13、語言程序員所看到的所看到的計算機(jī)屬性計算機(jī)屬性 概念性結(jié)構(gòu)和功能特性概念性結(jié)構(gòu)和功能特性數(shù)字電路級機(jī)器數(shù)字電路級機(jī)器指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、尋址方式指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、尋址方式, ,存儲系統(tǒng)，存儲系統(tǒng)，I/OI/O系統(tǒng)、信息保護(hù)等系統(tǒng)、信息保護(hù)等機(jī)器語言級機(jī)器機(jī)器語言級機(jī)器 M1M1 微程序級機(jī)器微程序級機(jī)器 M0M0硬件硬件軟件軟件匯編語言級機(jī)器匯編語言級機(jī)器 M3M3高級語言級機(jī)器高級語言級機(jī)器 M4M4操作系統(tǒng)級機(jī)器操作系統(tǒng)級機(jī)器 M2M2軟硬件軟硬件交界面交界面 * *計算機(jī)組成：計算機(jī)組成：實(shí)現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時實(shí)現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時所體現(xiàn)的計算機(jī)屬性所體現(xiàn)的計算機(jī)屬性指令功能邏輯實(shí)現(xiàn)、部件

14、組成、指令功能邏輯實(shí)現(xiàn)、部件組成、控制機(jī)構(gòu)、排隊(duì)及緩沖技術(shù)等控制機(jī)構(gòu)、排隊(duì)及緩沖技術(shù)等器件技術(shù)、組裝技術(shù)等器件技術(shù)、組裝技術(shù)等 * *計算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計算機(jī)實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)計算機(jī)組成時實(shí)現(xiàn)計算機(jī)組成時所體現(xiàn)的計算機(jī)屬性所體現(xiàn)的計算機(jī)屬性16 * *相互關(guān)系：相互關(guān)系： 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定軟硬件功能分配及其界面特性；確定軟硬件功能分配及其界面特性； 計算機(jī)組成計算機(jī)組成邏輯實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容；邏輯實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容； 計算機(jī)實(shí)現(xiàn)計算機(jī)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)現(xiàn)計算機(jī)組成的內(nèi)容物理實(shí)現(xiàn)計算機(jī)組成的內(nèi)容舉例舉例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機(jī)組成計算機(jī)組成計算機(jī)實(shí)現(xiàn)計算機(jī)實(shí)現(xiàn)乘法功能乘法功能是否有乘法指令是否有乘法指令

15、乘法器還是加法乘法器還是加法+ +移位移位器件、電路器件、電路主存系統(tǒng)主存系統(tǒng)最大容量、編址方式最大容量、編址方式 速度保證、單體速度保證、單體/ /多體多體MEMMEM總線總線帶寬帶寬信號線數(shù)、時鐘、傳輸方式信號線數(shù)、時鐘、傳輸方式171.2 1.2 計算機(jī)系統(tǒng)基本組成計算機(jī)系統(tǒng)基本組成一、一、馮馮諾依曼模型計算機(jī)諾依曼模型計算機(jī) * *結(jié)構(gòu)與組成：結(jié)構(gòu)與組成： 由運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入及輸出設(shè)備組成，由運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入及輸出設(shè)備組成， 以運(yùn)算器為中心以運(yùn)算器為中心；輸入設(shè)備輸入設(shè)備存儲器存儲器運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備注：注： 數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息 指令信息指令

16、信息 控制信息控制信息 狀態(tài)信息狀態(tài)信息 * *數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算：數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算： 指令及數(shù)據(jù)均用指令及數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制方式二進(jìn)制方式表示，運(yùn)算亦采用表示，運(yùn)算亦采用二進(jìn)制方式二進(jìn)制方式18 * *指令組成：指令組成： 由由操作碼操作碼及及地址碼地址碼組成；組成；010 010 01000 01000 1000010000 例：若加法運(yùn)算的操作碼用例：若加法運(yùn)算的操作碼用010010表示，第表示，第0100001000號與第號與第1000010000號兩個存儲單元內(nèi)容相加的操作可表示為：號兩個存儲單元內(nèi)容相加的操作可表示為：表示操作的性質(zhì)表示操作的性質(zhì)表示操作數(shù)在存儲器中的位置表示操作數(shù)在存儲器中

17、的位置 * *存儲程序原理存儲程序原理程序存儲方式：程序存儲方式： 指令及數(shù)據(jù)預(yù)先存放指令及數(shù)據(jù)預(yù)先存放( (以等同地位以等同地位) )在存儲器中；在存儲器中； * *存儲器結(jié)構(gòu)：存儲器結(jié)構(gòu)： 由由定長單元定長單元構(gòu)成構(gòu)成的的一維一維空間空間，存儲器，存儲器按地址按地址訪問訪問；操作碼操作碼 地址碼地址碼1 1 地址碼地址碼2 219 * *存儲程序原理存儲程序原理程序控制機(jī)制：程序控制機(jī)制： 按程序邏輯順序、自動地、逐條地取出指令并執(zhí)行。按程序邏輯順序、自動地、逐條地取出指令并執(zhí)行。物理順序物理順序( (指令地址指令地址) )指令內(nèi)容指令內(nèi)容程序程序邏輯順序邏輯順序A+0A+0 int nC

18、ount=0 int nCount=0； A+1A+1 int nSum=0 int nSum=0；A+2A+2LP: nSum+=nCountLP: nSum+=nCount； A+3A+3 nCount+ nCount+； A+4A+4if (nCount3)if (nCountnSum COUTnSum；20 馮馮諾依曼計算機(jī)模型。諾依曼計算機(jī)模型。2）存儲器以）存儲器以二進(jìn)制形式二進(jìn)制形式存儲指令和數(shù)據(jù)；存儲指令和數(shù)據(jù)；3）存儲程序存儲程序工作方式；工作方式；4）五部件以）五部件以運(yùn)算器為中心運(yùn)算器為中心進(jìn)行組織。進(jìn)行組織。1）計算機(jī)計算機(jī)由由運(yùn)算器、存儲器、控制器運(yùn)算器、存儲器、控制

19、器和和輸入輸入/輸出輸出五個部件組成；五個部件組成；21二、二、計算機(jī)硬件的基本組成計算機(jī)硬件的基本組成1 1、計算機(jī)硬件的結(jié)構(gòu)、計算機(jī)硬件的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代計算機(jī)均在馮現(xiàn)代計算機(jī)均在馮諾依曼模型基礎(chǔ)上進(jìn)行諾依曼模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)改進(jìn) * *采用采用以存儲器為中心以存儲器為中心的結(jié)構(gòu)：的結(jié)構(gòu)： 使數(shù)據(jù)傳送與數(shù)據(jù)處理并行，有利于提高系統(tǒng)性能使數(shù)據(jù)傳送與數(shù)據(jù)處理并行，有利于提高系統(tǒng)性能存儲器存儲器輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備結(jié)果結(jié)果程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制器控制器運(yùn)算器運(yùn)算器直接存儲器訪直接存儲器訪問問(DMA)(DMA)技術(shù)技術(shù)緩沖器緩沖器緩沖器緩沖器緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)822 * *由由多種存儲器多種存

20、儲器構(gòu)成存儲系統(tǒng)：構(gòu)成存儲系統(tǒng)： 解決速度解決速度- -容量容量- -價格間的矛盾，有利于提高性能價格間的矛盾，有利于提高性能/ /價格價格主存主存( (內(nèi)存內(nèi)存) )輔存輔存( (外存外存) )計算機(jī)計算機(jī)硬件硬件運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備CPUCPU主機(jī)主機(jī)I/OI/O設(shè)備設(shè)備( (外設(shè)外設(shè)) )I/O設(shè)備設(shè)備主主存存儲儲器器MM控制單元控制單元CUCPU算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元ALU主機(jī)主機(jī)包含輔存包含輔存( (如如DISKDISK等等) )23 * *采用采用總線互連總線互連形式：形式： 實(shí)現(xiàn)部件操作標(biāo)準(zhǔn)化，有利于提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性實(shí)現(xiàn)部件操作

21、標(biāo)準(zhǔn)化，有利于提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性CPUCPU主存主存I/OI/O接口接口1 1MEMMEM總線總線I/OI/O設(shè)備設(shè)備1 1I/OI/O接口接口nI/OI/O設(shè)備設(shè)備n總線橋總線橋I/OI/O接口接口I/OI/O設(shè)備設(shè)備I/OI/O接口接口I/OI/O設(shè)備設(shè)備I/OI/O總線總線非標(biāo)準(zhǔn)格式非標(biāo)準(zhǔn)格式標(biāo)準(zhǔn)格式標(biāo)準(zhǔn)格式按地址訪問按地址訪問min 所連所連I/OI/O設(shè)備設(shè)備速度速度 242 2、計算機(jī)部件的基本組成、計算機(jī)部件的基本組成(1)(1)存儲器存儲器 * *功能：功能：存儲存儲程序和數(shù)據(jù)、通過讀程序和數(shù)據(jù)、通過讀/ /寫操作寫操作接收接收/ /提供提供信息信息地址地址存儲陣列存儲陣列I/

22、OI/O電路電路地址譯碼器地址譯碼器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)命令命令 * *組成：組成： * *完成操作的過程：完成操作的過程： 讀操作讀操作接收地址及命令，內(nèi)部操作；接收地址及命令，內(nèi)部操作； 輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù) 寫操作寫操作接收地址及命令；接收地址及命令； 接收數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作接收數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作25(2)(2)運(yùn)算器運(yùn)算器 * *功能：功能：實(shí)現(xiàn)算術(shù)實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算運(yùn)算及邏輯運(yùn)算，并及邏輯運(yùn)算，并暫存暫存運(yùn)算結(jié)果運(yùn)算結(jié)果 * *組成：組成：寄存器寄存器組組( (堆堆) )Func存儲器存儲器ALUALU寄存器型運(yùn)算器寄存器型運(yùn)算器ACACFunc存儲器存儲器ALUALU累加器型運(yùn)算器累加器型運(yùn)算器TEMPTEMP

23、 * *(AC)+YAC(AC)+YAC的運(yùn)算過程：的運(yùn)算過程： (0) (AC)(0) (AC)為被加數(shù)為被加數(shù)ACAC存儲器存儲器ALUALUTEMPTEMPACACFuncTEMPTEMP (1) (1) 加數(shù)加數(shù)YTEMPYTEMP (2) (AC) (2) (AC)(TEMP)(TEMP) (3) ALU (3) ALU結(jié)果結(jié)果ACAC(X)(X)表示寄存器表示寄存器X X中內(nèi)容，中內(nèi)容，YY表示存儲單元表示存儲單元Y Y中內(nèi)容中內(nèi)容26(3)(3)控制器控制器 * *功能：功能：指揮及控制指揮及控制各部件協(xié)調(diào)地工作，以各部件協(xié)調(diào)地工作，以實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行過程實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行過程 * *程序

24、執(zhí)行過程：程序執(zhí)行過程： 循環(huán)循環(huán)的的指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程( (取指令及執(zhí)行指令取指令及執(zhí)行指令) )； 下條指令地址下條指令地址由當(dāng)前指令產(chǎn)生由當(dāng)前指令產(chǎn)生( (按程序邏輯順序按程序邏輯順序) )取指令取指令取指階段取指階段分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令執(zhí)行階段執(zhí)行階段1027(4)(4)輸入輸入/ /輸出設(shè)備輸出設(shè)備 * *功能：功能：實(shí)現(xiàn)外部實(shí)現(xiàn)外部- -內(nèi)部信息的內(nèi)部信息的輸入輸入/ /輸出輸出及及格式轉(zhuǎn)換格式轉(zhuǎn)換； * *種類：種類：鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、磁盤等；鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、磁盤等； * *連接：連接：通過通過I/OI/O接口接口( (又稱適配器或控制器又

25、稱適配器或控制器) )與總線連接，與總線連接， I/OI/O接口實(shí)現(xiàn)信息傳送時的緩沖、中轉(zhuǎn)等功能接口實(shí)現(xiàn)信息傳送時的緩沖、中轉(zhuǎn)等功能主存主存系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線主存控制器主存控制器CPUCPU用戶交互接口用戶交互接口鍵盤、鼠標(biāo)等鍵盤、鼠標(biāo)等磁盤適配器磁盤適配器磁盤磁盤通信接口通信接口串口等串口等總線接口總線接口BIUBIU28三、計算機(jī)軟件的基本組成三、計算機(jī)軟件的基本組成1 1、計算機(jī)軟件分類、計算機(jī)軟件分類 軟件分為軟件分為系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件及及應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件兩大類。兩大類。語言處理程序語言處理程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)服務(wù)性程序服務(wù)性程序網(wǎng)絡(luò)管理程序網(wǎng)絡(luò)管理程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)科學(xué)計算

26、科學(xué)計算信息管理信息管理自動控制自動控制人工智能人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器軟硬件軟硬件交界面交界面系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器應(yīng)用語言環(huán)境應(yīng)用語言環(huán)境高級語言環(huán)境高級語言環(huán)境匯編語言環(huán)境匯編語言環(huán)境操作系統(tǒng)環(huán)境操作系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)用語言程序應(yīng)用語言程序高級語言程序高級語言程序匯編語言程序匯編語言程序操作系統(tǒng)命令串操作系統(tǒng)命令串29四、計算機(jī)工作過程四、計算機(jī)工作過程 計算機(jī)的工作過程就是執(zhí)行程序的過程。計算機(jī)的工作過程就是執(zhí)行程序的過程。 圖圖1.4 CPU組成以及和存儲器的連接組成以及和存儲器的連接 考查考查指令指令A(yù)DD NUM，R0的執(zhí)行過程。的執(zhí)行過程。 3

27、0程序執(zhí)行過程程序執(zhí)行過程 * *程序執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)方法：程序執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)方法： -控制器指揮與控制控制器指揮與控制 取指取指(PC)MMIR(PC)MMIR，； 分析分析(IR)IDCU(IR)IDCU； 執(zhí)行執(zhí)行實(shí)現(xiàn)指令約定操作實(shí)現(xiàn)指令約定操作( (指令轉(zhuǎn)移時指令轉(zhuǎn)移時) )； 循環(huán)循環(huán)若無若無中斷執(zhí)行的要求中斷執(zhí)行的要求，17 * *程序執(zhí)行的初始條件：程序執(zhí)行的初始條件： (a)(a)程序及數(shù)據(jù)程序及數(shù)據(jù)已存放在已存放在主存儲器主存儲器MMMM中；中； (b)(b)PCPC內(nèi)容內(nèi)容已經(jīng)為已經(jīng)為即將執(zhí)行的程序首條指令地址即將執(zhí)行的程序首條指令地址311.3 1.3 計算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)計算機(jī)系

28、統(tǒng)的性能指標(biāo)一、計算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、計算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo) * *系統(tǒng)性能：系統(tǒng)性能：指在指在計算機(jī)硬件計算機(jī)硬件上運(yùn)行的上運(yùn)行的計算機(jī)軟件的性能計算機(jī)軟件的性能1 1、硬件性能參數(shù)、硬件性能參數(shù) * *機(jī)器字長：機(jī)器字長：指指CPUCPU一次能處理一次能處理的二進(jìn)制位數(shù)。的二進(jìn)制位數(shù)。 指指ALUALU一次能處理的一次能處理的 n n位位CPUCPU指機(jī)器字長為指機(jī)器字長為n n個二進(jìn)制位的個二進(jìn)制位的CPUCPU； 例如，例如，Core 2 CPUCore 2 CPU為為6464位位CPUCPU 對系統(tǒng)性能的影響對系統(tǒng)性能的影響機(jī)器字長越長，數(shù)據(jù)處理性能越好；機(jī)器字長越長，數(shù)據(jù)處理性能越

29、好； (應(yīng)用數(shù)據(jù)長度機(jī)器字長時，需分次運(yùn)算應(yīng)用數(shù)據(jù)長度機(jī)器字長時，需分次運(yùn)算) ) 對其它硬件的影響對其它硬件的影響直接影響直接影響ALUALU、REGREG長度，長度， 間接影響存儲字長、數(shù)據(jù)總線位數(shù)間接影響存儲字長、數(shù)據(jù)總線位數(shù)32 * *機(jī)器主頻：機(jī)器主頻：指指CPUCPU內(nèi)部內(nèi)部主時鐘主時鐘脈沖的頻率，常用脈沖的頻率，常用f f 表示。表示。 主頻單位主頻單位1GHz=11GHz=110103 3MHz=1MHz=110106 6KHz=1KHz=110109 9HzHz； * *存儲容量：存儲容量：指存儲器可存儲二進(jìn)制信息的總位數(shù)。指存儲器可存儲二進(jìn)制信息的總位數(shù)。 主存容量主存容量

30、容量容量S S = =存儲單元個數(shù)存儲單元個數(shù)存儲字長；存儲字長； 輔存容量輔存容量容量容量S S = =存儲塊個數(shù)存儲塊個數(shù)存儲塊長度；存儲塊長度；最大主存容量最大主存容量CPUCPU能夠訪問的主存最大容量，它決定了能夠訪問的主存最大容量，它決定了CPUCPU的地址和數(shù)據(jù)引腳數(shù)量的地址和數(shù)據(jù)引腳數(shù)量 時鐘周期時鐘周期CPUCPU內(nèi)部基本操作的時長，常用內(nèi)部基本操作的時長，常用T TC C表示；表示； f f 與與T TC C關(guān)系關(guān)系倒數(shù)關(guān)系，即倒數(shù)關(guān)系，即f f =1/=1/T TC C 容量單位容量單位1GB=11GB=12 21010MB=1MB=12 22020KB=1KB=12 23

31、030B=8B=82 23030bitbit； 33 特點(diǎn)特點(diǎn)反映了反映了多任務(wù)計算機(jī)系統(tǒng)多任務(wù)計算機(jī)系統(tǒng)的的軟硬件總體性能軟硬件總體性能 MIPS(MIPS(每秒百萬次指令每秒百萬次指令) )66Cmax610CPI10CPI1MIPS10MIPS fT主頻程序執(zhí)行時間程序執(zhí)行的指令條數(shù) 表示表示因工作量無統(tǒng)一定義，通常用因工作量無統(tǒng)一定義，通常用MIPSMIPS及及MFLOPSMFLOPS代替代替 * *吞吐量：吞吐量：又稱吞吐率，指單位時間內(nèi)能處理的工作量，又稱吞吐率，指單位時間內(nèi)能處理的工作量， 即即 吞吐量吞吐量 = n n個任務(wù)的總工作量個任務(wù)的總工作量n n個任務(wù)的總時間個任務(wù)的

32、總時間 MFLOPS(MFLOPS(每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算) ) * *其他：其他：RASRAS( (可靠性可靠性/ /可用性可用性/ /可維護(hù)可維護(hù)) )，兼容性等，兼容性等32 * *響應(yīng)時間：響應(yīng)時間：指一個任務(wù)從任務(wù)輸入到結(jié)果輸出的總時間，指一個任務(wù)從任務(wù)輸入到結(jié)果輸出的總時間， 2 2、系統(tǒng)性能指標(biāo)、系統(tǒng)性能指標(biāo) 時間是唯一標(biāo)準(zhǔn)，主要有時間是唯一標(biāo)準(zhǔn)，主要有響應(yīng)時間響應(yīng)時間和和吞吐量吞吐量兩個指標(biāo)。兩個指標(biāo)。341.4 1.4 計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程一、計算機(jī)硬件的發(fā)展歷史一、計算機(jī)硬件的發(fā)展歷史第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代第五代第五代

33、年代年代1946194619571957 1958195819641964 1965196519711971197219721990199019911991元器件元器件電子管電子管晶體管晶體管SSISSI、MSIMSILSILSI、VLSIVLSIULSIULSI主存主存磁心磁心半導(dǎo)體半導(dǎo)體輔存輔存紙帶、磁帶紙帶、磁帶磁盤磁盤光盤光盤字長字長4/84/88/16/328/16/3232/6432/64速度速度( (次次/s)/s)40,00040,000200,000200,0001,000,0001,000,000 10,000,00010,000,000 100,000,000100,00

34、0,0001 1、計算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展、計算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展 * *發(fā)展趨勢：發(fā)展趨勢：向大型機(jī)、微型機(jī)兩個方向發(fā)展向大型機(jī)、微型機(jī)兩個方向發(fā)展 * *研究重點(diǎn)：研究重點(diǎn)：器件技術(shù)、并行化結(jié)構(gòu)器件技術(shù)、并行化結(jié)構(gòu)352 2、微型計算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展、微型計算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展微處理器微處理器字長字長主頻主頻地址線數(shù)地址線數(shù) 數(shù)據(jù)線數(shù)數(shù)據(jù)線數(shù)其他其他年代年代808080808 8實(shí)模式實(shí)模式197419748086808616164.77MHz4.77MHz20201616197819788088808816164.77MHz4.77MHz20208 81979197980286802861616 6MHz 6MHz24241616保護(hù)模式保護(hù)模式198219828038680386323212.5MHz12.5MHz32323232虛擬虛擬80868086模式、模式、虛擬存儲器虛擬存儲器、CacheCache1985198580486804863232 25MHz 25MHz32323232RISCRISC、流水線流水線198919