组成原理——chp1讲述

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1、计算机组成原理 l主讲人：刘俊杰 l教材：计算机组成原理（第五版） l参考书籍： l计算机组成原理试题解析白中英 科学出版社2013.3 l计算机组成原理 唐朔飞 高等教育出版社2008.1 l总学时：72周学时：4 l实验数：8 l分别安排在第5.7.9.10.12.14.16.17周 实403 *1 *2 实验名称类型大纲 要求 时间学时备注 课 内 课 外 实验一 寄存器实验 实验二 运算器实验 实验三 双端口存储器原理实验 实验四 数据通路组成实验 实验五 常规型微过程控制器组成实 验 实验六 CPU组成与机器指令执行实 验 验证 验证 验证 验证 综合 综合 必做 必做 必做 必做

2、必做 必做 第5周周一3、4节 第7周周一3、4节 第9周周一3、4节 第10周周一3、4节 第12周周一3、4节 第14周周一3、4节 第16周周一3、4节 第17周周一3、4节 2 2 2 2 2 2 2 2 2人/组 平时（作业、实验、课堂上机考勤） 20% 实验上机操作 20% 期末上机考试 60% Total 100% 成绩评估 课堂讲授学时72、实验教学16学时。 *4 第一章 计算机系统概论 1.1计算机的分类 *1.2计算机发展简史 1.3计算机的硬件 1.4计算机的软件 1.5计算机系统的层次结构 *5 1.1计算机的分类 一、电子计算机从总体上来说分为两大类。 l电子模拟计

3、算机。“模拟”就是相似的意思。 模拟计算机的特点是数值由连续量来表示， 运算过程也是连续的。 l电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展 起来的，是用数目字来表示数量的大小。数 字计算机的主要特点是按位运算，并且不连 续地跳动计算。 *6 1.1计算机的分类 数字计算机模拟计算机 数据表示方式数字0/1电压 计算方式数字计数电压组合和测量值 控制方式程序控制盘上连线 精度高低 数据存储量大小 逻辑判断能力强无 数字计算机与模拟计算机的主要区别 *7 1.1计算机的分类 二、数字计算机分类 数字计算机根据计算机的效率、速度、价 格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分 为两类： l专用计算机：专用

4、机是最有效、最经济和最快速的 计算机，但是它的适应性很差。 l通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了 效率、速度和经济性。 *8 1.1计算机的分类 三、通用计算机分类 通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、 性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器 价格等可以分为： l超级计算机 l大型机 l服务器 lPC机 l单片机 l多核机 演示 1.2 计算机发展简史 1.2.1 计算机的五代变化 1.2.2 半导体存储器的发展 1.2.3 微处理器的发展 1.2.4 计算机的性能指标 *9 *10 1.2计计算机发发展简简史 1.2.1 计算机的五代变化 l第一代为19461957年，电子管

5、计算机：数据处 理 l第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控 制 l第三代为19651971年，中小规模集成电路计算 机：小型计算机 l第四代为19721990年，大规模和超大规模集成 电路计算机：微型计算机 l第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机 ：单片机 *11 1.2计计算机发发展简简史 1.2.2 半导体存储器的发展 l20世纪5060年代，所有计算机存储器都是 由微小的铁磁体环 l1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大 容量半导体存储器 l从1970年起，半导体存储器经历了11代：单 个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、 1MB、4MB、1

6、6MB、64MB、256MB、GB。 l其中1K=210,1M=220,1G=230 *12 1.2计计算机发发展简简史 1.2.3 微处理器的发展 l1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所有元件 都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。 l微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这 是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。 l1974年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而4004和 8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而设计的中央处 理器。 l20世纪70年代末才出现强大的通用16位

7、微处理器，8086便是其中 之一。 l这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP公司开 发出了32位单片微处理器。 lIntel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。 l到现在的64位处理器和多核处理器 1.2计计算机发发展简简史 1.2.4 计算机的性能指标 吞吐量 表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信 息量，单位是字节/秒（B/S）。 响应时间 表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度 量，用时间单位来度量，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。 利用率 表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时 间所占的比率，一般用百分比表示。 处理机字长 指

8、处理机运算器中一次能够完成二进制数运 算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。 字长越长，表示计算的精度越高。 *13 1.2计计算机发发展简简史 1.2.4 计算机的性能指标 总线宽度 一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内 部总线二进制位数。 存储器容量 存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、 MB、GB、TB来表示。 其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节）。 存储器容量越大，记忆的二进制数越多。 存储器带宽 存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的 二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。 主频/时钟周期 CPU的工作节拍受主

9、时钟控制，主时钟不断 产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是 MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。例如Pentium系列机为60MHz 266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。 *14 1.2计计算机发发展简简史 1.2.4 计算机的性能指标 主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳 秒。 CPU执行时间 表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下 式计算： CPU执行时间 CPU时钟周期数 CPU时钟周期长 CPI 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。 用下式计算： CPI MIPS 表示每秒百万条指

10、令数，用下式计算： MIPS *15 1.2计计算机发发展简简史 1.2.4 计算机的性能指标 程序执行时间Te为： Te MFLOPS 表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算： MFLOPS MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器 速度越快。 MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作 的性能，而不能体现机器的整体性能。 TFLOPS 表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术指标一般 在超级计算机中使用。 *16 1.2计计算机发发展简简史 1.2.4 计算机的性能指标 例1.1：对于一个给定的程序，IN表示执行程 序中的指令总数，tCPU表示执行该程序所需的

11、CPU 时间，T为时钟周期，f为时钟频率（T的倒数）， NC为CPU时钟周期数。设CPI表示每条指令的平均 时钟周期数，MIPS表示每秒钟执行的百万条指令数 ，请写出如下四种参数的表达式： (1) tCPU (2) CPI (3) MIPS (4) NC *17 1.2计计算机发发展简简史 *18 1.2.4 计算机的性能指标 1.3计算机的硬件 1.3.1 硬件组成要素 1.3.2 运算器 1.3.3 存储器 1.3.4 控制器 1.3.5 适配器与I/O设备 *19 *20 1.3计算机的硬件 1.3.1 硬件组成要素 通过一个例子我们来了解数字计算机的主 要组成和工作原理。 l假设给一个

12、算盘、一张带有横格的纸和一支笔 ，要求我们计算y=ax+b-c这样一个题目。 l解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。 *21 一、手工模仿计算机工作 *22 1.3计算机的硬件 二、数字计算机基本组成 l控制器：人的大脑的操作控制功能 l运算器：人的大脑的计算功能 l存储器：人的大脑记忆功能 l输入设备：交互接口，笔 l输出设备：交互接口，纸 *23 1.3计算机的硬件 三、冯诺依曼型计算机 l存储程序 l按地址自动执行 l五大部件：包括控制器、运算器、存储器、 输入设备、输出设备 l以运算器为中心 *24 1.3计算机的硬件 冯诺依曼型计算机 存储器 输出输入 运算器 控制器 数据信号

13、控制信号 地址信号 1.3 计算机的硬件 计算机的组成结构 *25 *26 1.3计算机的硬件 1.3.2 运算器 l算术运算和逻辑运算 l在计算机中参与运算的数 是二进制的 l运算器的长度一般是8、 16、32或64位 演示 *27 1.3计算机的硬件 1.3.3 存储器 l存储数据和程序（指令） l容量（存储单元、存储单元地址、容量单位 ） l分类内存（ROM、RAM）、外存 l存储器单位： l1KB 210B l1MB 220B l1GB 230B l1TB 240B 演示 *28 1.3计算机的硬件 1.3.4 控制器 l指令和程序:指令的形式（操作和地址码、存储程序的 概念、指令中程

14、序和数据的存放、指令系统） l指令和数据存储 演示计算机执行模拟过程 *29 1.3计算机的硬件 七、控制器的基本任务 l控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取 指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期 l控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一 般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流 向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据 流，它由内存流向运算器。 演示 *30 1.3计算机的硬件 1.3.5 适配器与I/O设备 l输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器 内部所能接收和识别的二进制信息形式 l输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器

15、 设备所能接收和识别的信息形式 l适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主 机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作 l总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间 进行数据传送的公共通路。 总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控 制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也是 人们常说的计算机硬件。 *31 1.4计算机的软件 1.4.1 软件的组成与分类 计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算 机系统中不可少的无形部件。主要有两大类： l系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提 高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及 用途。它包括以下四类： 各种服务性程

16、序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等 操作系统 数据库管理系统 l应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制 的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控 制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算 程序等 *32 1.4计算机的软件 1.4.2 软件的发展演变 l编程语言的发展 手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码 汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编 高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解 释程序 l系统软件的发展 操作系统 分布式系统软件 演示 *33 1.5计算机系统的层次结构 1.5.1 多级计算机系统 计算机不能简单地认为是一种电子设备， 而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体 。它通常由五个以上不同的级组成，每一级都 能进行程序设计，如图所示。 演示 *34 1