計算機組成原理2012-1

1、 計算機組成原理 2012.9.3課 程 簡 介 “計算機組成原理”是計算機專業(yè)的一門核心課程，是必修課。在先導課和后續(xù)課之間起著承上啟下的作用。 本課程脫離具體機型和具體芯片，以計算機組成結(jié)構(gòu)為中心闡述基本概念和原理。具體講述計算機硬件系統(tǒng)中各大部件的組成原理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計方法及互連構(gòu)成整機的技術(shù)，目的在于培養(yǎng)學生在硬件系統(tǒng)分析、設(shè)計、開發(fā)、使用和維護等方面的能力。第一章 計算機系統(tǒng)概論教學目的： 對計算機的組成原理有一個總體概述。教學內(nèi)容： 1.1 計算機的分類與應用 1.2 計算機的發(fā)展簡史 1.3 計算機的硬件（重點） 1.4 計算機的軟件 1.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1 計算機

2、的分類和應用一、分類1、電子模擬計算機： 數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算過程也是連續(xù)的 2、電子數(shù)字計算機： 電腦按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算 數(shù)字計算機根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應性來劃分，可以劃分為兩類：專用計算機：專用機是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但是它的適應性很差。通用計算機：通用計算機適應性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。通用計算機的分類：通用計算機根據(jù)體積、簡易性、功率損耗、性能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機器價格等可以分為：二、計算機的應用 科學計算、信息處理、自動控制、測量和測試、教育和衛(wèi)生、家用電器、人工智能等。1.2 計算機的發(fā)展簡史一、計算

3、機的五代變化 第一代為19461957年，電子管計算機：數(shù)據(jù)處理 第二代為19581964年，晶體管計算機：工業(yè)控制 第三代為19651971年，中小規(guī)模集成電路計算機：小型計算機 第四代為19721990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機：微型計算機 第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計算機：單片機二、半導體存儲器的發(fā)展 20世紀5060年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán)（磁芯）做成。 1970年，仙童半導體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半導體存儲器。 從1970年起，半導體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64M

4、B、256MB、1GB。 其中1K=210,1M=220,1G=230三、微處理器的發(fā)展 1971年Intel公司開發(fā)出Intel 4004。這是第一個將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品，于是，微處理器誕生了。 1972年出現(xiàn)的Intel 8008，這是第一個8位微處理器，它比4004復雜一倍。 20世紀70年代末才出現(xiàn)強大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。 1981年，貝爾實驗室和HP公司開發(fā)出了32位單片微處理器。 Intel于1985年推出了32位微處理器Intel 80386。后來到現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器。四、計算機的性能指標1.吞吐量：表征一臺計算機在某一時

5、間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）。2.響應時間：表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應之間的時間度量，用時間單位來度量，例如微秒（10-6S）、納秒（10-9S）。3.利用率：表示在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，一般用百分比表示。4.處理機字長：指處理機運算器中一次能夠完成二進制數(shù)運算的位數(shù)。當前處理機的字長有8位、16位、32位、64位。字長越長，表示計算的精度越高。5.總線寬度：一般指CPU中運算器與存儲器之間進行互連的內(nèi)部總線二進制位數(shù)。6.存儲器容量：存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。其中K=210，M=220，G=230，T

6、=240，B=8位（1個字節(jié)）。存儲器容量越大，記憶的二進制數(shù)越多。7.存儲器帶寬：存儲器的速度指標，單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。8.主頻/時鐘周期：CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機為60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。主頻的倒數(shù)稱為CPU時鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。9. CPU執(zhí)行時間：表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間。公式：CPU執(zhí)行時間 CPU時鐘周期數(shù) CPU時鐘周

7、期10. CPI：表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。 CPI 執(zhí)行某段程序所需的CPU時鐘周期數(shù)程序包含的指令條數(shù) 11. MIPS：表示每秒百萬條指令數(shù)，即單位時間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)。用下式計算： MIPS 指令條數(shù)(程序執(zhí)行時間 106 )12. MFLOPS：表示每秒百萬次浮點操作次數(shù)，用下式計算：MFLOPS 程序中的浮點操作次數(shù)(程序執(zhí)行時間 106 )1.3 計算機的硬件硬件組成：1、運算器： 功能：進行算術(shù)和邏輯運算，數(shù)據(jù)采用二進制形式。運算器長度：8、16、32、64位 運算器的位數(shù)越多，計算的精度就越高，但同時所需的電子器件也越多。2、存儲器： 功能：保存或

8、“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟 單位： 位 bit: 0或1 ；1個半導體觸發(fā)器。 字節(jié)byte: 1byte=8bit 存儲單元:一連串0或1組成的整體，也是存儲器的劃分單位。 字word: 1word=nbyte 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 存儲容量：所有存儲單元的總數(shù)，一般以KB、MB、GB為單位 存儲地址：存儲單元的編號 內(nèi)存：半導體器件存儲器分類： 外存：磁盤或光盤3、控制器 功能： 發(fā)號施令,控制計算機的各部件有條不紊地進行工作。即控制器的任務(wù)是從內(nèi)存中取出解題步驟加以分析,然后執(zhí)行某種操作。（1）指令和程序 指令：每一個基本操作 程序：解決某

9、一問題的一串指令序列 （2）指令的形式： 程序控制：控制器依據(jù)存儲的程序來控制全機協(xié)調(diào) 地完成計算任務(wù)指令系統(tǒng)：一種型號的機器所適用的所有指令的集合操作碼地址碼（3）控制器的基本任務(wù)： 按照計算程序所排的指令序列,先從存儲器取出一條指令放到控制器中,對該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別,然后根據(jù)指令性質(zhì),執(zhí)行這條指令,進行相應的操作。 取指周期：取指令的一段時間 指令 執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時間 周期（4）指令流與數(shù)據(jù)流 數(shù)據(jù)字：某字代表要處理的數(shù)據(jù) 指令字：某字代表一條指令區(qū)分方法： 取指周期從內(nèi)存讀出的信息流指令流控制器 執(zhí)行周期從內(nèi)存讀出的信息流數(shù)據(jù)流運算器 4、適配器與輸入輸出設(shè)備輸

10、入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式轉(zhuǎn)換成機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為人或其他機器所能接收和識別的信息形式適配器：也稱為轉(zhuǎn)換器,保證外圍設(shè)備用計算機所要求的形式發(fā)送或接受信息系統(tǒng)總線是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架,是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路，在各系統(tǒng)部件之間實現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作1.4 計算機的軟件一、軟件的組成和分類1.系統(tǒng)程序：用來簡化程序設(shè)計,簡化使用方法,提高計算機的使用效率,發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途 各種服務(wù)性程序：語言程序：操作系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：2.應用程序：用戶利用計算機來解決某些問題所編制的程序,如工程設(shè)計程序

11、、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學計算程序等二、軟件的發(fā)展1、機器語言： 手編（目的）程序：計算機可識別并執(zhí)行2、匯編語言： 用助記符來表示不同的指令，計算機不能識別并執(zhí)行 匯編程序：源程序目的程序3、算法語言： 按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則。源程序：由算法語言編寫的程序 編譯程序：把源程序翻譯成目標程序，然后再執(zhí)行。 解釋程序：直接逐一解釋語句并得出計算機結(jié)果。 1.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一、多級組成的計算機系統(tǒng)二、軟件與硬件的邏輯等價性 任何操作可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來

12、完成。對于某一功能采用硬件方案還是軟件方案，取決于器件價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期等因素。固件：將程序固化在ROM中組成的部件。它是一種具有軟件功能的硬件，既具有硬件的快速性，又具有軟件的靈活性。習題與解答一、填空題： 計算機中有_在流動：一股是控制信息，即操作命令，其發(fā)源地是_，它分散流向各個部件；另一股是_，它受控制信息的控制，從一個部件流向另一個部件 ，邊流動邊加工處理。 答案：1、兩股信息 2、控制器 3、數(shù)據(jù)信息 二、選擇題：1、CPU的組成中不包含_。A、存儲器 B、寄存器 C、控制器 D、運算器 答案：A2、微型計算機的發(fā)展以_技術(shù)為標志。A、操作系統(tǒng) B、微處理器 C

13、、磁盤 D、軟件 答案：B3、下列關(guān)于微處理器的描述中，哪個是正確的？A、微處理器就是一臺微機 B、微處理器是微機系統(tǒng)C、微處理器就是主機 D、微處理器可以用作微機的CPU答案：D4、下面的敘述中，只有一個是正確的，它是_。A、系統(tǒng)軟件就是買的軟件，應用軟件就是自己編寫的軟件B、外存上的信息可以直接進入CPU被處理C、用機器語言編寫的程序可以由計算機直接執(zhí)行，用高級語言編寫的程序必須經(jīng)過翻譯才能執(zhí)行D、說一臺計算機配置了FORTRAN語言，就是說它一開機就可以用FORTRAN語言編寫和執(zhí)行程序答案：C5.完整的計算機系統(tǒng)應包括（）A.運算器、存儲器、控制器B.外部設(shè)備和主機C.主機和實用程序D

14、.配套的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)6.計算機的存儲系統(tǒng)是指（）A. RAM B. ROM C. 主存儲器D. cache、主存儲器和輔助存儲器7、電子計算機可分為數(shù)字計算機和模擬計算機，它們是按照（）分類的。A.計算機的用途 B.計算機的使用方式C.信息的形式和處理方式 D.計算機系統(tǒng)規(guī)模答案：D答案：D答案：C三：判斷題：1、在微型計算機廣闊的應用領(lǐng)域中，會計電算化屬于科學計算方面的應用。答案：錯。會計電算化屬于計算機數(shù)據(jù)處理方面的應用2、決定計算機計算精度的主要技術(shù)指標是計算機的字長 答案：對3、計算機“運算速度”指標的含義是指每秒鐘能執(zhí)行多少條操作系統(tǒng)的命令。答案：錯?！斑\算速度”的含義是指每秒

15、鐘能執(zhí)行多少條指令。4、利用大規(guī)模集成技術(shù)把計算機的運算部件和控制部件做在一塊集成芯片上，這樣的一塊芯片叫做單片機。答案：錯。計算機的運算部件和控制部件做在一塊集成電路芯片上，這樣的一塊芯片叫做CPU。四、簡答題：1、馮諾依曼計算機體系結(jié)構(gòu)的基本思想是什么？按此思想設(shè)計的計算機硬件系統(tǒng)應由哪些部件組成？它們各起什么作用？ 答：馮諾依曼計算機體系的基本思想是存儲程序，也就是將用指令序列描述的解題程序與原始數(shù)據(jù)一起存儲到計算機中。計算機只要一啟動，就能自動地取出一條條指令并執(zhí)行之，直至程序執(zhí)行完畢，得到計算結(jié)果為止。 按此思想設(shè)計的計算機硬件系統(tǒng)應包含運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個

16、基本部件。 運算器用來進行數(shù)據(jù)變換和各種運算。 控制器則為計算機的工作提供統(tǒng)一的時鐘，對程序中的各基本操作進行時序分配，并發(fā)出相應的控制信號，驅(qū)動計算機的各部件按節(jié)拍有序地完成程序規(guī)定的操作內(nèi)容。 存儲器用來存放程序、數(shù)據(jù)及運算結(jié)果。 輸入/輸出設(shè)備接收用戶提供的外部信息或用來向用戶提供輸出信息。2、存儲器是怎樣編址的？128K字、512K字和1M字容量的存儲器按十六進制編址，范圍如何表示？ 答：存儲單元按順序編號，每個存儲單元對應一個編號，此編號稱為存儲單元地址，簡稱地址。地址與存儲單元是一一對應的，每個存儲單元只有一個地址。需要注意的是，此時每個存儲單元存放的數(shù)據(jù)位為一個字。 存儲器的容量

17、(字)十六進制編址范圍128K00000H 1FFFFH512K00000H 7FFFFH1M00000H FFFFFH3、試說明計算機硬件的主要性能參數(shù)。答：衡量計算機硬件的主要性能參數(shù)包括： 主頻：主頻或時鐘周期是計算機的主要性能指標之一，它在很大程度決定了計算機的運行速度。主頻通常用1s內(nèi)處理器所能發(fā)出電子脈沖數(shù)來表示，單位一般為兆赫茲(MHz)或吉赫茲(GHz).運算速度：運算速度是計算機工作能力和工作效率的主要表征，它取決于在給定的時間內(nèi)處理器所能處理的數(shù)據(jù)量以及處理器的時鐘頻率。運算速度通常用每秒執(zhí)行指令的條數(shù)來表示，其計量單位為：MIPS或MFLOPS.運算精度：運算精度通常用計算機能直接處理的二進制信息位數(shù)來衡量。這個位數(shù)一般和CPU中存儲數(shù)據(jù)寄存器的位數(shù)相同，一般位數(shù)越多，精度越高。主存存儲容量：主存儲器用來存儲數(shù)據(jù)和程序，直