计算机原理课件chap1-2-概论

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1、第1篇 概论计算机与通信工程学院第章 计算机系统概论1.1 计算机系统简介1.4 本书结构1.3 计算机硬件的主要技术指标1.2 计算机的基本组成2计算机与通信工程学院1.1 计算机系统简介由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成1. 计算机系统计算机系统计算机的实体， 如主机、外设等一、 计算机的软硬件概念硬件软件3计算机与通信工程学院按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统 系统软件应用软件语言处理程序操作系统服务性程序数据库管理系统网络软件软 件1.11.14计算机与通信工程学院计算机高级语 言程序目标程序结果翻译运行1.11.12. 计算机的解题过程5计算机与通信工程学院二、计算

2、机系统的层次结构高级语言虚拟机器 M3汇编语言虚拟机器 M2操作系统虚拟机器机器语言实际机器 M1微指令系统微程序机器 M01.11.16计算机与通信工程学院用编译程序翻译 成汇编语言程序用汇编程序翻译 成机器语言程序用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令软 件硬 件1.11.1 虚拟机器 M4虚拟机器 M3虚拟机器 M2实际机器 M1微程序机器 M0 7计算机与通信工程学院程序员所见到的计算机系统的属性 概念性的结构与功能特性计算机 体系结构计算机 组成实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）（具体指令的实

3、现）1.11.1三、计算机体系结构和计算机组成8计算机与通信工程学院1.2 计算机的基本组成1. 计算机由五大部件组成3. 指令和数据用二进制表示4. 指令由操作码和地址码组成6. 以运算器为中心2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访5. 存储程序一、冯诺依曼计算机的特点5. 存储程序9计算机与通信工程学院算术运算 逻辑运算存放数据 和程序将信息转换成机 器能识别的形式将结果转换成 人们熟悉的形式指挥程序 运行1.21.2冯诺依曼计算机硬件框图存储器输入设备运算器控制器输出设备10计算机与通信工程学院1.21.2冯诺依曼计算机硬件框图存储器输入设备运算器控制器输出设备11计算机与通

4、信工程学院二、计算机硬件框图1.21.21. 以存储器为中心的计算机硬件框图程序存储器输出设备输入设备运算器控制器数据结果计算12计算机与通信工程学院ALU主存 辅存CPU 主机I/O设备硬件CU2.现代计算机硬件框图存储器输入设备运算器输出设备控制器1.21.2ALUCPU主机I/O设备CU主 存13计算机与通信工程学院1.上机前的准备 建立数学模型 -+-+-=!x9 !x7 !x5 !x3xx9753sin 编制解题程序 确定计算方法程序 运算的 全部步骤0, 1, 2,)( )(21nynxynx=+=指令 每 一个步骤1.21.2三、计算机的工作步骤14计算机与通信工程学院取x 至运

5、算器中乘以x 在运算器中乘以a 在运算器中存ax2 在存储器中取b 至运算器中乘以x 在运算器中加ax2 在运算器中加c 在运算器中= (ax + b)x + c 取x 至运算器中乘以a 在运算器中加b 在运算器中乘以x 在运算器中加c 在运算器中计算 ax2 + bx + c1.21.2编程举例15计算机与通信工程学院000001 0000001000打印 停机取数 ACC存数 ACC 加 ACC+ ACC乘 ACC ACC指令格式举例1.21.2操作码地址码 打印机16计算机与通信工程学院指令和数据存于 主存单单元的地址指令注释释 操作码码 地址码码00000010000001000取数x

6、至ACC10001000000001001乘a得ax ,存于ACC中20000110000001010加b得ax+b ,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2 + bx + c ,存于ACC50000100000001100将ax2 + bx +c ,存于主存单单元60001010000001100打印7000110停机8 x原始数据x9 a原始数据a10 b原始数据b11 c原始数据c12存放结结果1.21.2计算 ax2 + bx + c 程序清单17计算机与通信工程学院存储体大楼存储单元 存放一串二进

7、制代码存储字 存储单元中二进制代码的组合存储字长 存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访 存储单元 存储元件（0/1） 房间 床位（无人/ 有人）(1)存储器的基本组成1.21.2MDR主存储器存储体MAR2.计算机的解题过程18计算机与通信工程学院MARMDR存储单元个数 16存储字长 8设 MAR = 4 位 MDR = 8 位1.21.2存储器地址寄存器 反映存储单元的个数存储器数据寄存器 反映存储字长(1)存储器的基本组成MDR主存储器存储体MAR19计算机与通信工程学院ACC MQ X (2)运算器的基本组成及操作过程1.21.2运算器MQACCALUX被加数

8、被减数被除数乘数商加数减数被乘数除数加法减法乘法除法和差余数乘积高位乘积低位20计算机与通信工程学院运算器MQACCALUXACC 被加数ACC初态 加法操作过程1.21.2ACC+XALUM XXACCACC指令 加M21计算机与通信工程学院1.21.2 减法操作过程运算器MQACCALUX指令 减MACC 被减数ACC初态 M XXACC-XALUACCACC22计算机与通信工程学院运算器MQACCALUXACCACC 被乘数初态 1.21.2MQMMQ指令 乘M 乘法操作过程XACCXALUXMQ00ACCACCMQACCMQ23计算机与通信工程学院运算器MQACCALUXACC 被除数

9、ACC初态 1.21.2ACCXALUMQACCMQ余数在ACC中指令 除MM XX 除法操作过程24计算机与通信工程学院取指令分析指令执行指令PCIRCUPCIRCU取指执行PC 存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（PC）+ 1 PCIR 存放当前欲执行的指令访存访存完成 一条 指令1.21.2(3)控制器的基本组成25计算机与通信工程学院12356 789以取数指令为例4(4)主机完成一条指令的过程1.21.2CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR运算器MQACCALUXI/O设 备26计算机与通信工程学院12356 798以存数指令为例41.21.2(4)主机完成

10、一条指令的过程CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR运算器MQACCALUXI/O设 备27计算机与通信工程学院(5) ax2 + bx + c 程序的运行过程 将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址 打印结果 分析指令 取指令 停机 启动程序运行,(PC )+ 1 PC 执行指令 1.21.2MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC28计算机与通信工程学院1.3 计算机硬件的主要技术指标1.机器字长2.运算速度CPU 一次能处理数据的位数 与 CPU 中的 寄存器位数 有关=ni =1fi tiTM吉普森法主频每秒执行百万条指令MIPS

11、执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒浮点运算次数FLOPS 29计算机与通信工程学院221 = 256 KB213 = 1 KB如3.存储容量主存容量辅存容量存储单元个数 存储字长字节数字节数 80 GB如 MAR MDR 容量10 816 32存放二进制信息的总位数1.31.31K = 2101B = 23b1GB = 230b1 K 8位 64 K 32位30计算机与通信工程学院第篇 概论1.4 本书结构 计算机31计算机与通信工程学院1.4 本书结构第篇 计算机系统的硬件结构计算机I/O系统总线存储器CPU32计算机与通信工程学院1.4 本书结构CPU 内部互连ALUCU寄存器中央处理器

12、第篇 CPU计算机I/O系统总线存储器CPU33计算机与通信工程学院1.4 本书结构CPU 内部互连ALUCU寄存器中央处理器寄存器 和解码器控制单元排队 逻辑控制 存储器第篇 CU计算机I/O系统总线存储器CPU34计算机与通信工程学院第章 计算机的发展及应用2.3 计算机的展望2.2 计算机的应用2.1 计算机的发展史35计算机与通信工程学院2.1 计算机的发展史一、计算机的产生和发展1946年 美国 ENIAC1955年退役十进制运算18 0001 500150301 500多个电子管多个继电器千瓦吨平方英尺5 000次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程36计算机与通信工程学院世界上第

13、一台电子计算机 ENIAC(1946)2.12.137计算机与通信工程学院硬件技术对计算机更新换代的影响100 000 000超大规模集成电路1978现在 五10 000 000大规模集成电路197219771 000 000中小规模集成电路19651971200 000 晶体管 1958196440 000 电子管 19461957速度 （次/秒） 硬件技术 时间 代三四二一2.12.138计算机与通信工程学院第一台von Neumann 系统结构的计算机2.12.139计算机与通信工程学院IBM System360 2.12.140计算机与通信工程学院2.12.11. IBM: BlueG

14、ene/L - eServer Blue Gene Solution212 992 个 CPU 最大平均速度 478 200 GFLOPS最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）41计算机与通信工程学院2.12.12.IBM: JUGENE - Blue Gene/P Solution 65 536个 CPU 最大平均速度 167 300 GFLOPS最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）42计算机与通信工程学院3.SGI: SGI Altix ICE 82002.12.114 336个 CPU 最大平均速度 126 900 GFLOPS最快的五台超级计算机（截止到 2007.1

15、1）43计算机与通信工程学院2.12.14. HP : EKA - Cluster Platform 3000 BL460c14 240个 CPU 最大平均速度 117 900 GFLOPS最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）44计算机与通信工程学院2.12.1最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）5. HP : Cluster Platform 3000 BL460c13 728个 CPU 最大平均速度 102 800 GFLOPS45计算机与通信工程学院2.12.1最权威的超级计算机排名的参考网址http:/www.top500.org46计算机与通信工程学院二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片存储器芯片1971年8位 16位 32位 64位4位（4004）1970年 256位1K位16K位 64K位 256K位 1M位16M位 64M位4K位4M位2.12.147计算机与通信工程学院Moore 定律I