第一章 計算機 組成原理

第一章計算機組成原理第一頁，共三十三頁，2022年，8月28日計算機組成原理是計算機專業(yè)的核心專業(yè)基礎課，主要介紹計算機各大組成部件的結(jié)構(gòu)、工作原理、設計方法以及組成整機的有關技術。B：本課程的主要內(nèi)容?計算機系統(tǒng)概論?數(shù)據(jù)信息的表示方法?信息的存儲?指令系統(tǒng)的分析與設計?控制器的原理和設計?系統(tǒng)總線?輸入輸出A：課程介紹第二頁，共三十三頁，2022年，8月28日計算機組成原理在計算機系列課程中的地位和作用

計算機組成原理數(shù)字邏輯電路匯編語言計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機接口技術計算機網(wǎng)絡操作系統(tǒng)應用其它基礎課

基礎課

專業(yè)基礎課

專業(yè)課第三頁，共三十三頁，2022年，8月28日參考書目：1.(美)RANDALE.BRYANT；DAVIDO‘HALLARON.深入理解計算機系統(tǒng)（修訂版）.(08年度暢銷榜TOP50).中國電力出版社.2.(荷)ANDREWS.TANENBAUM.計算機組成結(jié)構(gòu)化方法（英文影印版）（第5版）.人民郵電出版社.3.(美)DAVIDA.PATTERSON；JOHNL.HENNESSY.計算機組成與設計硬件/軟件接口(原書第3版).機械工業(yè)出版社.4.CarlHamacherZvonkoVranesicSafwatZaky著.計算機組成.機械工業(yè)出版社.5.唐朔飛.計算機組成原理(第2版).高等教育出版社6.白中英；戴志濤；周鍥；楊旭東；張杰.計算機組成原理.科學出版社.第四頁，共三十三頁，2022年，8月28日

全書教學學時安排第一章計算機系統(tǒng)概述3學時第二章數(shù)據(jù)信息的表示5學時第三章運算方法與運算器8學時第四章存儲系統(tǒng)12學時第五章指令系統(tǒng)4學時第六章中央處理器10學時第七章流水線（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中學習）第八章系統(tǒng)總線4學時第九章輸入/輸出系統(tǒng)6學時共計52學時第五頁，共三十三頁，2022年，8月28日

本章主要知識點：?計算機硬件系統(tǒng)由哪幾部分構(gòu)成、各有何作用？?馮諾依曼計算機的工作原理?計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)?透明性概念?固件?計算機系統(tǒng)的性能評價第一章計算機系統(tǒng)概論第六頁，共三十三頁，2022年，8月28日一、計算機系統(tǒng)的概念1、計算機系統(tǒng)的構(gòu)成：硬件+軟件構(gòu)成的復雜的自動化設備，由多層次結(jié)構(gòu)構(gòu)成。?硬件：由有形的電子器件構(gòu)成,如運算器、控制器、存儲器等?軟件：為了方便用戶使用計算機而編制的各種程序。2、計算機的分類（可從不同的角度進行）模擬計算機(analoguecomputer):數(shù)據(jù)的表示和處理以模擬信號進行。數(shù)字計算機(digitalcomputer)：數(shù)據(jù)的表示和處理以數(shù)字信號進行。第七頁，共三十三頁，2022年，8月28日3、數(shù)字計算機的分類

專用機：為某些特定的應用需求而設計的計算機通用機：巨、大、中、小、微、單片第八頁，共三十三頁，2022年，8月28日4、計算機的應用科學計算自動控制測量和測試信息處理教育、衛(wèi)生家用電器人工智能第九頁，共三十三頁，2022年，8月28日二、計算機硬件第十頁，共三十三頁，2022年，8月28日二、計算機硬件1)運算器：完成算術運算、邏輯運算、比較、轉(zhuǎn)移和測試等功能的部件。另外還具有傳輸數(shù)據(jù)的功能。條件狀態(tài)寄存器第十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日指揮協(xié)調(diào)計算機其他部件進行工作的重要部件?？刂破鞲鶕?jù)不同的指令，產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的控制信號。運算器+控制器件=？2)控制器CPU第十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日第十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日?保存程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果的場所;

?常用的單位和之間的換算關系位—bit字節(jié)---Byte1Byte=8bitKBIKB=1024B(需要10位表示)MB1MB=1024KB（需要20位表示）GB1GB=1024MB（需要30位表示）TB1TB=1024GB（需要40位表示）⑦PB1PB=1024TB(需要50位表示)3)內(nèi)存儲器(Memory)第十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日?存儲器的結(jié)構(gòu)及訪問機制示意圖ＣＰＵ＋存儲器=？主機第十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日4)輸入和輸出設備?常用的輸入設備：鍵盤、鼠標、掃描儀、磁盤機、磁帶機等?常用的輸出設備：顯示器、打印機、繪圖儀、磁盤機、磁帶機等?提供人---機接口第十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日5)系統(tǒng)總線計算機內(nèi)各大部件之間的連接部件。第十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.馮諾依曼計算機的體系結(jié)構(gòu)由五大部分組成;基本原理：存儲程序和程序控制;計算機的大體工作過程可描述如下：①通過輸入設備將解題程序和數(shù)據(jù)送入主存。(存儲程序)①②③③③③④⑤②控制器從主存中逐條取出程序的指令，并控制實現(xiàn)指令功能。③在指令功能實現(xiàn)過程中，由運算器完成對數(shù)據(jù)的運算處理。④將運算結(jié)果送主存。⑤通過輸出設備反饋程序運行結(jié)果。②~⑤稱為程序控制第十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日

馮諾依曼計算機的基本體系結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機:Intel80X86ARM7MIPS等。

哈佛結(jié)構(gòu)計算機：MotorolaMC68、ZilogZ8、ARM9、ARM10、ARM11等?，F(xiàn)代計算機多是Cache采用哈佛結(jié)構(gòu)，主存采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)。?未來的計算機體系結(jié)構(gòu)(馮諾依曼結(jié)構(gòu)的不足：并行能力不夠)

數(shù)據(jù)流計算機第十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日

應用軟件：為解決某些具體的問題而編制的各種程序

系統(tǒng)軟件：為簡化程序設計，方便計算機的使用、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而編制的各種程序。

?各種服務程序：診斷、排錯程序

?語言程序：匯編、C、編譯等

?操作系統(tǒng)OS

?DBMS三、計算機軟件軟件的分類：

未來軟件的發(fā)展趨勢：人--機界面不斷提升、智能化第二十頁，共三十三頁，2022年，8月28日四、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1、五級結(jié)構(gòu)，不同的級面向不同的用戶對象，采用不同的方法進行程序設計。2、分級的好處：有利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，單級的修改只需要修改相鄰級的接口或相鄰級，不會影響其它級。第二十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日?第1、2級由硬件實現(xiàn)，3~5級由軟件實現(xiàn)，稱為虛擬機。?第1微程序設計級，用戶只能用微指令編寫程序，并由計算機硬件直接執(zhí)行。采用硬布線的計算機沒有該級。?第2級一般機器級，(稱傳統(tǒng)機器級)用機器語言編寫程序。該級也是硬件級。?第3級操作系統(tǒng)級，由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。用機器語言或操作系統(tǒng)級指令編程3、各級的說明：第二十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日4、各級的說明：?第4級匯編語言級，用匯編語言編程。?高級語言級，用高級語言編程，程序設計不需要太多的硬件支持，程序設計簡單、程序界面友好、但程序的效率較低。?語言與虛擬機之間存在著對應關系：機器定義了語言，語言也定義了機器。第二十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日各級之間的關系?高層是低層功能的擴展和虛擬化，低層是高層的基礎。?站在不同層次，得到不同的概念，看到不同的計算機屬性，使用不同的編程工具。第二十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日

5、軟件和硬件的邏輯等價性?從邏輯功能看，任何由軟件實現(xiàn)的操作都可以由硬件來完成；反過來，任何由硬件實現(xiàn)的指令都可以由軟件來模擬。?進行計算機設計時，要進行軟/硬件功能界面的劃分。即確定計算機的功能，哪些采用硬件實現(xiàn)、哪些采用軟件實現(xiàn)。?劃分的原理就是軟件和硬件的邏輯等價性?劃分的依據(jù)是性能/價格。6、固件軟件的固化。從功能上看是軟件，從形態(tài)上看是硬件。第二十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日1)本來存在的事物，從某個角度去看卻好象不存在。2)計算機分層結(jié)構(gòu)中的透明性:一般機器級的特性，如通用寄存器的數(shù)量對高級語言程序設計者透明微指令的格式對一般機器級程序設計者透明還存在很多透明性7、透明性第二十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日7、計算機系統(tǒng)的性能評價1)幾個常用指標(1)機器字長指參與運算的數(shù)的基本位數(shù)；由加法器、寄存器的位數(shù)決定；一般等于內(nèi)部寄存器的位數(shù)；字長越長，表示數(shù)據(jù)的范圍就越大，計算精確度就越高；目前常見的計算機為32位和64位計算機。第二十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日(2)數(shù)據(jù)總線寬度數(shù)據(jù)總線寬度是指數(shù)據(jù)總線一次能并行傳送的信息位數(shù)。一般指CPU內(nèi)部運算器與存儲器之間的數(shù)據(jù)總線。有些計算機內(nèi)部與外部數(shù)據(jù)總線寬度不一致：8086、80286、80386內(nèi)外數(shù)據(jù)總線等寬；8088、80386SX外部總線寬度小于內(nèi)部總線寬度；Pentium外總線64位，內(nèi)總線32位（兩條32位流水線）第二十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日(3)主存儲器容量和帶寬主存容量是指其包含的存儲單元總數(shù)量。主存可以字節(jié)編址、也可以字

編址。存儲帶寬指單位時間內(nèi)從存儲器中讀出的二進制數(shù)的信息量，常用單位B/s（字節(jié)/秒）表示。第二十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日(4)CPU執(zhí)行時間表示執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間(程序的執(zhí)行時間除CPU時間外還包括I/O、存儲訪問、各類排隊時延等)。CPU時間的公式：CPU時間=程序中所有指令的時鐘周期數(shù)之和時鐘周期時間=程序中所有指令的時鐘周期數(shù)之和/時鐘頻率

(回顧匯編語言課程中延時子程序的設計原理)(5)CPI(ClockcyclesPerInstruction)執(zhí)行一條指令所需要的平均時鐘周期數(shù)CPI=程序中所有指令的時鐘周期數(shù)之和/指令條數(shù)=程序中各類指令的CPI程序中該類指令的比例考慮CPI后的CPU時間可表示為:CPU時間=ICi表示第i條指令的條數(shù)第三十頁，共三十三頁，2022年，8月28日(6)MIPS(MillionInstructionsPerSecond)表示每秒執(zhí)行多少百萬條指令MIPS106=指令條數(shù)執(zhí)行時間CPU時鐘周期總數(shù)=指令條數(shù)106/ffCPI=106MIPS指令條數(shù)106程序的執(zhí)行時間Te=第三十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日2)應用舉例例1假設一臺計算機主頻為1GHZ，在其上運行200000條指令的目標代碼，程序主要由4條指令組成，他們所占的比例和各自的CPI如下表所示。指令類型CPI指令混合比例算術和邏輯160%Load/Store218%轉(zhuǎn)移41