《计算机组成原理-白中英-第5版.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理-白中英-第5版.（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第1章 计算机系统概论 *2 目录 1.0 预备知识 1.1 计算机的分类 1.2 计算机的发展简史 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 *3 学习要求 l了解计算机的发展历程； l清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成(五大部件 的构成)、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程； l了解计算机性能评价指标和相关参数； 吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间 ；MIPS、MFLOPS等。 l要求 初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构，为进一步深入学习 打下基础。 *4 1.0 预备知识 l问题1：一台计算机一般有哪几部
2、分组成？ 显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等； 主机箱中有：主板、CPU、硬盘、内存、显卡、声卡等； l问题2：如何对以上设备分类？ 输入输出设备 中央处理设备 存储设备 接口转换卡 部件连接线 l问题3：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？ 一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两部分。 显示器，键盘，鼠标，音箱 CPU（集处理和控制于一身） 硬盘、内存 显卡、声卡 总线 *5 *6 *7 *8 *9 *10 DDR内存条 SDRAM内存条 *11 80G硬盘 *12 硬盘数据线 *13 DVD光驱 *14 机内电源插头 *15 1.1 计算机的分类 数字计算机 模拟计算机 专用计算
3、机 通用计算机 处理数字量信息 按位运算， 不连续地跳动计算 处理模拟量信息 数值连续、运算过程连续 是针对某一任务设计的最有 效、最经济和最快速的计算 机，但适应性很差。 适应性很大，但 牺牲了效率、速 度和经济性。 单片机 微型机 服务器 大型机 超级计算机 低 高 体积 功能 数据存储量 指令系统 价格 低 高 简 易 性 分 类 双核机 如P2 图1.1 *16 1.2 计算机的发展简史 超大规模集成电路 中小规模 集成电路 晶体管 电子管 19721990年 19461957年，第一代计算机 19651971年 19581964年 第二代计算机 巨大规模 集成电路 1991年至今 摩
4、尔定律 1.2.1 计算机的五代变化 *17 第一代计算机 l第一代计算机(1946年1957年) 采用电子管。 l代表机型：ENIAC（电子数字积分计算机 ） 1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制； 它于1946年2月15日在美国宣告诞生 主要是为了解决美陆军提出的弹道计算问题 ； ENIAC长30.48米，宽1米，占地面积约170平方米，30 个操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达30吨， 耗电量150千瓦，造价48万美元。 包含了17,468 真空管7,200水晶 二极管, 1,500 中转, 70,000 电阻器, 10,000 电容器，1500继电器，6000多 个开关，每秒执
5、行5000次加法或400次乘法，是继电器 计算机的1000倍、手工计算的20万倍。 1955年10月2日最后切断电源。 *18 ENIAC *19 第二代计算机(19581964) 晶体管 *20 *21 摩尔定律 1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（Gordon Moore）在一 篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍 ，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。 作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被 集成电路40多年的发展历史准确无误地验证着。 摩尔定律有另外一种表述方法，即每过10年计算机系统性能将 会增加100倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费
6、的资金不会增 加。 *22 1.2.2 半导体存储器的发展 l20世纪5060年代，磁芯存储器 价格昂贵，体积大，破坏性读出 l1970年，半导体存储器 价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写 l1974年之后，半导体存储器 价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。 l有关存储器的介绍详见第3章 *23 1.2.3 微处理器的发展 l20世纪70年代的处理器 4004（4位） 8008 （8位） 8080（8位通用） 8086（16位） 8088 l20世纪80年代的处理器 80286 386TM DX 386TM SX 486TM DX l20世纪90年代的处理器 486TM SX Penti
7、um Pentium Pro Pentium II Pentium l最近10年的处理器 Pentium 4 Itanium Itanium 2 I系列 *24 *25 *26 *27 双核CPU三核CPU *28 1.2.4 计算机的性能指标（1/3） l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。 l响应时间 从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。 l利用率 在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比 表示。 l处理机字长（机器字长） 处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位； 机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性（
8、不一定完全一样） 。 *29 1.2.4 计算机的性能指标（2/3） l总线宽度 一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。 u注意课本上的表述错误！ l主存储器容量 主存储器所能存储二进制数据的位数。 u或者说“主存储器中所有存储元的总数目。”，而非“存储单元”！（8位） l主存储器带宽 单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。 l主频/时钟周期 CPU主时钟的频率主频；其倒数为CPU的时钟周期(T周期)。 *30 1.2.4 计算机的性能指标（3/3） lCPU的运算速度 CPU执行时间：CPU执行一般程序所占用的CPU时间； CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期数；
9、 MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数； u针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果） MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。 u针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果） l其他的性能指标 主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性 *31 1.3 计算机的硬件 1.3.1 硬件的组成要素 用算盘模拟一下计算机 y=ax+b-c 行数解题步骤和数据说明 1取数 （9）算盘（9）表示第9行的数a，下同 2乘法 （12）算盘完成 a x , 结果在算盘上 3加法 （10）算盘完成 axb, 结果在算盘上 4减法 （11）算盘完成 yax
10、bc, 结果在算盘上 5存数 y13算盘上的y值记到第13行 6输出把算盘上的y值写出给人看 7停止运算完毕，暂停 8 10 b数据 11c数据 12 x数据 13 y数据 9a数据 纸 - 存储器 算盘 - 运算器 笔 - 输入/输出设备 人 - 控制器 *32 冯诺依曼机的特点 l由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设 备五个部分组成； l存储器以二进制形式存储指令和数据； l指令由操作码和地址码组成； l存储程序并按地址顺序执行； 冯诺依曼机的核心设计思想，机器自动化工作 的关键； l以运算器为中心。 *33 冯诺依曼机与现代微机 冯诺依曼机结构 输入设备 存储器 输出设备运算器 控
11、制器 输入设备 控制器 输出设备存储器 运算器 现代微机结构 *34 现代计算机的特点 1. 将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称 为CPU；而将CPU、主存储器、输入/输出接口 和系统总线统称为主机；其余的设备均为外设。 主机内仅包含主存储器，辅助存储器属于I/O 设备； 2. 以存储器为中心。 减轻CPU的数据传送负担，提高系统的整体 性能； *35 1.3.2 运算器 l功能： 处理所有的算术及逻辑运算。 通常称为ALU(算术逻辑单元) l特点： 采用二进制数据进行运算； 运算器一次可以处理的数据 位数称为机器字长； 机器字长一般为8、16、32、 64位，机器字长直接决定着运算的精度
12、和能力； 运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成。 l运算器结构示意图演示 *36 1.3.3 存储器（1/2） l功能：保存所有的程序和数据。 l特点： 二进制形式保存程序和数据； 存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址； l相关的概念 存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件； 存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成； 单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号； 存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。 l存储器结构示意图演示 *37 1.3.3 存储器（2/2） l存储器的分类： 外存（辅助存储器） u磁盘存储器、光盘存储器；
13、uCPU不可直接访问； 内存（主存储器） u半导体存储器； uCPU直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。 l两个与主存相关的寄存器 MAR(存储器地址寄存器)：接收由CPU送来的地址信息； MDR(存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。 存储器地址寄存器 MAR 主存储器 存储器数据寄存器 MDR *38 1.3.4 控制器 l功能： 根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令， 协调计算机的各个部件的工作。 l主要任务： 解释并执行指令； 控制指令的执行顺序； 负责指令执行过程中，操作数的寻址； 根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对 标志寄
14、存器的影响设置。 l指令的形式 操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等； 地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。 *39 9a数据a存放在9号单元 指令地址 指令 数据地址数据 计算机运算yaxbc 1取数存储器9号地址的数a送运算器A9（9） A 2乘法完成 a * x , 结果保留在运算器A12(A) (12) A 3加法完成 axb, 结果保留在运算器A10(A) (10) A 4减法完成 yaxbc, 结果保留在A11 (A) (11) A 5存数运算器A中的结果y送存储器13号地址13 A 13 6打印将A中的结果经打印机打印出来 A Print 7停止机器停止工作 S
15、top 8 说明 10b数据b存放在10号单元 11c数据c存放在11号单元 12x数据x存放在12号单元 13y运算结果y存放在13号单元 操作码地址码 说明指令操作内容 9a数据a存放在9号单元 *40 设指令系统如下， 试写出该指令序列 。 指令操作码 说明 加法001(A)+(M)A 减法010(A)-(M)A 乘法011(A)*(M)A 除法100(A)/(M)A 取数101(M)A 存数110(A)M 打印111(A)显示器 停机000PCPC 0实际存储 1取数9 2乘法12 3加法10 4减法11 5存数13 6打印 7停止 8 9a 10b 11c 12x 13y 14 15 1011001 0111100 0011010 0101011 1101101 111xxxx 000xxxx a(二进制数) b c x y 如课本P9 图1.5 表1.5 *41 1.3.4 控制器（续） l控制器工作的周期 取指周期：取指令的一段时间 执行周期：执行指令的一段时间 l指令按顺序执行的控制部件：指令计数器 每取出一条指令，指令计数器就加1； 遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值； l相关概念 数据字：该字代表要处理的数据； 指令字：该字为一条指令； 指令流：取
