计算机组成原理第一章系统概述t课件

第 一章计算机系统概论,一、考试范围： （一）计算机发展历程 （二）计算机层次结构 1、计算机硬件的基本组成 2、计算机软件的分类 3、计算机的工作过程 （三）计算机性能指标 吞吐量、响应时间；CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；MIPS、MFLOPS。,1,二、复习要点 了解计算机发展历程 了解计算机系统的层次结构及其相关的硬件基本组成、软件分类和工作过程。 了解计算机性能指标及有关的计算和术语解释 软件、系统软件、应用软件。 高级语言、汇编语言、机器语言。 存储单元、存储元件、存储基元、存储字、存储字长、存储容量。 机器字长、指令字长、存储字长。 英文缩写：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MAR、MDR、IO、MIPS、CPI、MIPS、MIPS。,2,一、硬件的发展 第一代 电子管时代(1946-1957) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 第二代 晶体管时代(1958-1964) 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 第三代 中小规模集成电路时代(1965-1971) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒 第四代 大规模集成电路时代(1971至今) 向大型机和微型机两个方向发展 现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化，多核。,3,1.1计算机的发展历程,二、计算机的分类 信号类型分类：模拟计算机和数字计算机。 规模分类：嵌入式、单片机、微型机、小型机、中型机、大型机和巨型机。 发展历程分：电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路计算机。 指令流和数据流： 1）单指令流和单数据流SISD（冯诺依曼体系结构）； 2）单指令流和多数据流SIMD（向量处理机）； 3）多指令流和单数据流MISD（实际不存在）； 4）多指令流和多数据流MIMD（多处理机和多计算机系统）。,4,1.1计算机的发展历程,1.2 计算机系统层次结构,一、 计算机硬件的基本组成 1、 冯诺依曼计算机 1945年，冯诺依曼提出了存储程序的概念，即将程序和数据一起存放在存储器中，称为冯.诺依曼机。其特点为： (1)计算机硬件由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成。 (2)指令和数据以同等地位存于存储器内并可按地址寻访。,5,(3)指令和数据均用二进制代码表示。 (4)指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。 (5)指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。 (6)早期的冯.诺依曼机以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据。,6,1.2 计算机系统层次结构,2、 计算机硬件的组成,CPU（包括运算器和控制器） 存储器 ROM RAM 输入/输出设备(I/O设备) 总线 DBUS ABUS CBUS,7,运算器 和控制 器 CPU,存储器,输入输 出设备,地址总线,数据总线,控制总线,1.2 计算机系统层次结构,冯诺依曼计算机硬件框图,8,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,1.2 计算机系统层次结构,二、 计算机软件的组成,9,软件组成,系统软件,应用软件,操作系统或管理软件 汇编程序 高级语言的编译或解释程序 故障诊断或检验程序 系统调试程序 数据库管理程序,使用者根据需要采用各类语言 编写的各种应用程序，包括各 类应用软件包,没有配备任何软件的“裸机”无法投入使用，没有配备足够的软件，其功能就不能很好的发挥。计算机软件的分类如下：,1.2 计算机系统层次结构,计算机的语言简介,10,自然语言：人类相互交流信息所用的语言,高级语言：由于当前的计算机还不具备理解自然 语言的能力，于是人们希望找到一种和自然语言 接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为 计算机的高级语言 。,汇编语言：用助记符和符号地址表示的语言，属于 低级语言。,机器语言：然而目前的通用计算机不会直接执行用高级语言编写的程序，因而要先将其翻译成机器能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由二进制代码表示的指令组成）。,1.2 计算机系统层次结构,三、计算机系统层次结构 计算机系统是一个非常复杂的系统它由硬件和软件两大部分组成。读者必颁清楚地认识到硬件和软件各自在计算机系统中的地位和作用以及它们相互之间的依存关系。 硬件是指计算机的实体部分。它由看得见摸得着的各种电子元器件及各类光、电、机设备的实物组成，包括主机、外设等。 软件是看不见摸不着的，由人们事先编制成的具有各类特殊功能的信息组成。通常把这些信息，诸如各类程序存储于各类媒体中，如RAM、ROM、磁盘、光盘、磁带甚至纸带等。,11,1.2 计算机系统层次结构,硬件必须依靠软件来发挥其自身的各种功能及提高自身的工作效率。软件甚至还能使硬件发挥类似人脑思维的功能。计算机系统倘若失去了软件，其硬件将一筹莫展，犹如人类失去了大脑。而软件必须依托硬件的支撑才能真正施展其才华，一旦失去了硬件，犹如人类失去了躯体，软件也毫无意义。因此，计算机系统的软、硬件互依互存，互相发展，缺一不可。,12,1.2 计算机系统层次结构,13,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 M0,1.2 计算机系统层次结构,14,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,1.2 计算机系统层次结构,15,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,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）,计算机体系结构和计算机组成,1.2 计算机系统层次结构,四、计算机的工作过程,本节要求读者掌握一个较细化的计算机组成框图，如下图所示。而且要求根据此图描述计算机内部的控制流和数据流的变化，从而初步认识计算机内部的工作过程。 图中主存储器由存储体M、MAR和MDR组成。存储体由很多存储单元组成，用来存放指令或数据，MAR存放欲访问的存储单元的地址，MDR存放从存储单元读出的信息或即将存入某存储单元的信息。运算器由累加器Acc、操作数寄存器x和算术逻辑部件ALU组成，用来完成算术运算和逻辑运算。控制器由PC、IR、CU组成，PC存放欲执行指令的地址，IR存放欲执行的指令，CU用来发出各种操作命令。,16,1.2 计算机系统层次结构,17,1.2 计算机系统层次结构,1.上机前的准备,建立数学模型,编制解题程序,确定计算方法,程序 运算的 全部步骤,指令 每 一个步骤,（一）、计算机的工作步骤,1.2 计算机系统层次结构,取x 至运算器中,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 + c,编程举例,1.2 计算机系统层次结构,000001 0000001000,打印 ,停机,取数 ,存数 ,加 ,乘 ,指令格式举例,1.2 计算机系统层次结构,计算 ax2 + bx + c 程序清单,1.2 计算机系统层次结构,2.计算机的解题过程,(1)运算器的基本组成及操作过程,被加数,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,1.2 计算机系统层次结构, 加法操作过程,1.2 计算机系统层次结构, 减法操作过程,1.2 计算机系统层次结构, 乘法操作过程,1.2 计算机系统层次结构, 除法操作过程,1.2 计算机系统层次结构,存储体,大楼,存储单元 存放一串二进制代码,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）,(2)存储器的基本组成,1.2 计算机系统层次结构,MAR,MDR,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,(2)存储器的基本组成,1.2 计算机系统层次结构,取指令,分析指令,执行指令,PC,IR,CU,取指,执行,IR 存放当前欲执行的指令,访存,访存,完成 一条 指令,(3)控制器的基本组成,1.2 计算机系统层次结构,以取数指令为例,(4)主机完成一条指令的过程,1.2 计算机系统层次结构,以存数指令为例,(4)主机完成一条指令的过程,1.2 计算机系统层次结构,(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,执行指令,MAR,M,MDR,IR,PC,CU,OP(IR),Ad(IR),MAR,M,MDR,ACC,PC,1.2 计算机系统层次结构,计算机的工作过程是本章的重点。人们需将事先编好的程序(指令序列)送至计算机的存储器内，然后计算机按此指令序列逐条完成全部指令的功能，直至程序结束。因此，要了解计算机的工作过程，必须首先了解计算机完成一条指令的信息流程。 1）完成一条指令的信息流程 以取数指令(即将指令地址码指示的存储单元中的操作数取出后送至运算器的ACC中)为例,其信息流程是： 取指令 PC MAR M MDR IR 分析指令 OP(IR) CU 执行指令 Ad(IR) MAR M MDR ACC 此外，每完成一条指令，还必须为取下条指令作准备，形成下一条指令的地址，即(PC)+1 PC。,33,1.2 计算机系统层次结构,2） 计算机的工作过程 计算机的工作过程实质就是不断从存储器中逐条取出指令，送至控制器，经分析后由CU发出各种操作命令，指挥各部件完成各种操作，直至程序中全部指令执行结束。,34,1.2 计算机系统层次结构,1.3 主要技术指标,计算机的性能是由多项技术指标综合确定的。硬件的主要技术指标有： 机器字长：CPU一次能处理数据的位数。通常与通用寄存器的位数有关。 存储容量：包括主存容量和辅存容量。 运算速度：与主频、执行什么样的操作、主存本身的速度等许多因数有关。现在普遍采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，并用MIPS作为计量单位，即每秒执行百万条指令。也有用CPI及执行一条指令所需的时钟周期（主频的倒数）数，或用FLOPS即每条浮点运算次数来衡量运算速度。 吞吐量：计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出系统的信息的速率，它主要取决于主存的存取周期。,35,f=CPIMIPS106,36,1.3 主要技术指标,四、例 题 精 选 （一）单项选择题,完整的计算机系统应包括 。 A 运算器、存储器、控制器 B 外部设备和主机 C 主机和实用程序 D配套的硬件设备和软件系统 2. 至今为止，计算机中的所有信息仍以二进制方式表示的理由是 。 A节约元件 B 运算速度快 C 物理器件的性能决定 D 信息处理方便 3. 从器件角度看，计算机经历了四代变化。但从系统结构看，至今绝大多数计算机仍属于 型计算机。 A.并行 B.冯.诺依曼 C.智能 D.实时处理,37,D,C,B,4. 冯诺依曼机工作的基本方式的特点是 。 A. 多指令流单数据流 B. 按地址访问并顺序执行指令 C. 堆栈操作 D. 存贮器按内容选择地址 5. 带有处理器的设备一般称为 设备。 A 智能化； B 交互式； C 远程通信； D过程控制。 6. 用于笔记本电脑的外存储器是 。 A 软磁盘 B 硬磁盘 C 固态盘 D 光盘 7. 冯. 诺依曼型计算机的基本工作方式是 。 A. 微程序方式 B. 控制流启动方式 C. 多指令流多数据流方式 D. 数据流启动方式,38,B,A,C,B,（二）综合应用题,1.1 什么是计算机系统?说明计算机系统的层次结构。 答：计算机系统包括硬件和软件。 计算机系统通常有六个层次，由下至上可排序为： 第一级微程序机器级，微指令由硬件直接执行； 第二级传统机器级，用微程序解释机器指令； 第三级操作系统级，一般用机器语言程序解释作业控制语句；第四级汇编语言机器级，这一级由汇编程序支持和执行； 第五级高级语言机器级，采用高级语言，由各种高级语言编译程序支持和执行。 第六级应用语言机器级，采用各种面向问题的应用语言。,39,1.2 画出计算机硬件基本组成框图，通过解题过程说明每一功能部件的作用及它们之间的信息流向。 答：计算机硬件系统由五大部件组成。控制器指挥各部件协调工作；运算器能完成算术运算和逻辑运算；存储器用来存放程序和数据；输入设备可将人们熟悉的信息转换成机器能识别的信息；输出设备可将机器运行结果转换成人们能接受的信息。,40,计算机硬件系统组成,41,1.3 什么是硬件?什么是软件?两者谁更重要? 为什么？ 答：硬件是计算机系统的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件及各类光、电、机设备的实物组成，包括主机和外部设备等。 软件是指用来充分发挥硬件功能，