计算机组成原理第一讲.ppt

计算机组成原理,一、本课程的性质,性 质 ： 前导课程 ： 后续课程 ：,数字逻辑,专业课,编译原理,二、本课程的重要性,一名好的程序员所必须掌握的课程。 研究生入学考试的专业课之一。 是后续课程的基础。,三、课程的学习方法,首先建立一个整机意识。 逐步深入机器内核。,四、课程内容和结构,第篇 概论,第篇 计算机系统的硬件结构,第篇 CPU,第篇 CU,第章 计算机系统概论,1.1 计算机系统简介,1.4 本书结构（前面已讲）,1.3 计算机硬件的主要技术指标,1.2 计算机的基本组成,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,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,按任务需要编制成的各种程序,用来管理整个计算机系统,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,二、计算机系统的层次结构,1. 计算机的解题过程,2. 计算机系统的层次结构,高级语言,虚拟机器 M3,汇编语言,虚拟机器 M2,机器语言,实际机器 M1,微指令系统,微程序机器 M0,翻译程序（高级语言机器语言）： 编译：全部翻译，再执行 解释：翻译一条执行一条,早期的计算机没有操作系统，纯机械操作 第一个操作系统经典之作：IBM360,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,固件,三、计算机体系结构和计算机组成,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,如何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）,（具体指令的实现）,不同层次上的程序员所见的计算机属性不同，如对于高级语言程序员，PC和服务器是同一属性，但对于汇编语言程序员，两者截然不同，不同指令集、数据类型、寻址方式等。,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，I/O与存储器间的数据传送通过运算器完成,5. 指令在存储器内按顺序存放,一、冯诺依曼计算机的特点,2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访,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,冯诺依曼计算机硬件框图,数据线,控制、反馈线,二、计算机硬件框图,1. 以存储器为中心的计算机硬件框图,控制线,反馈线,数据线,ALU,主存 辅存,CPU,主机,I/O设备,硬件,CU,2.现代计算机硬件组成及主要功能,（1）存储器 (Memory)：存储程序和数据的部件。,功能：存储信息,组成：,存储体 MB存储信息的实体。 存储元件的有序集合，用于存储二进制代码； 地址寄存器MAR寄存访问内存储器的地址码； 数据寄存器MDR暂存要写入MB或从MB读出的二进制代码； 读写控制电路控制存储器进行读或写的操作。,动画：主存读写,内存储器组成框图,术语：,存储单元：存放一个字(或字节)的编址单元； 单元地址：存储单元的地址编号； 存储元：每个存储单元有若干个存储元构成，能寄存一位二进制代码； 存储字长：每个存储单元可以存放 二进制代码的位数； 存储容量：存储体能存放的二进制 代码位数。,常用容量单位： 1KB=210B=1024B 1MB=210KB 1GB=210MB 1TB=210GB,（2）运算器ALU ：实现算术运算和逻辑运算功能的部件。 功能： 运算完成数字信息的加工、寄存、移位等。 组成： 算术逻辑单元； 移位器； 选择器； 寄存器组，输入输出门等。,图1.3 运算器的组成结构,（3）控制器 (Control Unit)：向计算机各部件发出控制信息的部件。 功能：控制指令的读出、解释和执行，中断事件的处理等 。 组成： 指令部件： 程序计数器PC提供要执行的指令地址； 指令寄存器IR寄存现行指令； 指令译码器ID解释现行指令，产生相应的控制电位。 时序部件：产生计算机运行所需的时序信号。 微操作信号发生器：产生执行指令的微操作控制信号。,（4）输入/输出(I/O)设备,输入设备： 将各种形式的输入信息转换为机器可接受的编码形式的设备。例如键盘、鼠标等。 输出设备： 将计算机的输出信息转换为人可接受的信息形式的设备。例如显示器、打印机等。,1.上机前的准备,建立数学模型,确定计算方法,1.2,三、计算机的工作步骤,编制解题程序：用机器指令描述运算步骤,程序 运算的 全部步骤,指令 每 一个步骤,2.上机，计算机的工作过程,周而复始地取出指令、解释指令和执行指令的过程。,指令的执行过程：例：n ADD R2 ，R0 ；(R0)+(R2)R2,1、第一阶段：取出指令和解释指令-公共操作 （1）(PC)=nAR；送指令地址 （2） (M)n DR;启动内存储器中读指令；通过数据总线将内存储器中的指令暂存到DR中（内存的读/写原理） （3）DRIR；将从内存储器中读出的指令通过数据总线送到IR；,寄存器R0的内容,PC把该指令的地址号n送到地址寄存器AR,内存中的指令DB 数据存储器DR,取指周期，(DR) DB指令寄存器IR,（4）(PC)+1PC；使PC得到程序顺序执行时的下一条 指令地址 （5）操作码经译码器ID译码； 2、第二阶段：执行ADD R0 ，R2 指令的过程 (R0)FA (R2)FA ； R0和R2的内容送全加器FA (FA)R2 ； 经运算后，从FA输出“和数”送R2,动画：计算机的工作过程,对不同的指令产生不同的控制电位，配合时序电路产生的时序信号，由微操作信号发生器产生执行指令的微操作信号，控制功能部件的执行。,1.3 计算机硬件的主要技术指标,1.机器字长,CPU 一次能处理数据的位数 与 CPU 中的 寄存器位数 有关,字长标志着机器表示数的精度。 字长位数越多，精度越高。 字长通常是8的整倍数，使能存放整数个字符的编码。例如字长为8、16、32、64位等。,2、存储容量 :存放二进制信息的总位数。 决定计算机可以处理的数据量和程序的大小； 存储容量越大，存储的信息越多，解题的功能越强。,221 = 256 KB,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 8,16 32,1 K 8位,64 K 32位,3.运算速度：计算机每秒钟执行指令的条数。,单位：MIPS (百万条指令每秒)； 衡量：平均运算速度(吉普森Gibson法)； 求法：先求平均运算时间Tm,式中：n指令的种类；f i第i种指令出现的频度(%) t i第i种指令的指令周期(秒)。 则平均运算速度： Vm1 Tm,【例1.1】某台计算机指令系统按指令周期