组成原理课程第一章(2011版).pptVIP

计算机组成原理,主讲教师：李汉菊,L,2,同学们大家好！ 谢谢大家的支持和协作！,3,20112012学年度第一学期课表 2011.9 （计算机组成原理）七校联合（二学位） 0901,0902,0903班 90人 1.上课：52学时 星期六下午5-8节 3-9 周 西五楼220室 星期日上午1-4节 4-9 周 西五楼220室 2.考试：第10周周日下午，考试地点另行通知 3.实验：12学时 3次 南一楼807 tel: 87543785 4.教材： 计算机组成原理 清华大出版社 秦磊华等,4,实验安排：3个实验12学时,1. 运算器组成实验 1次 74181芯片 2. 半导体存储器实验 6116芯片2K*8位 3. 时序电路 实验指导书： 计算机组成原理实验指导书 王晓兰 编 实验指导老师： TEL：87543785 实验地址：南一楼 807,5,计算机组成原理是计算机专业的核心专业基础课，主要介绍计算机各大组成部件的结构、工作原理、设计方法以及组成整机的有关技术。 B： 本课程的主要内容 计算机系统概论 数据信息的表示及运算方法 信息的存储 指令系统的分析与设计 控制器的原理和设计 系统总线 输入/输出系统,A ：课程介绍,6,计算机 组成原理,数字逻辑电路,汇编语言,计算机系统结构,微机接口技术,操作系统,应用,其它基础课,7,参考书:,1.(美)RANDAL E.BRYANT；DAVID OHALLARON. 深入理解计算机系统（修订版）.(08年度畅销榜TOP50) .中国电力出版社. 2. (荷)ANDREW S.TANENBAUM.计算机组成结构化方法（英文影印版）（第5版）.人民邮电出版社. 3.(美)DAVID A.PATTERSON；JOHN L.HENNESSY.计算机组成与设计硬件/软件接口(原书第3版).机械工业出版社. 4.Carl Hamacher Zvonko Vranesic Safwat Zaky著.计算机组成. 机械工业出版社. 5. 唐朔飞. 计算机组成原理(第2版).高等教育出版社 6.白中英；戴志涛；周锲；杨旭东；张杰.计算机组成原理.科学出版社.,教材:,秦磊华 吴非 莫正坤. 计算机组成原理. 清华大学出版社,2011,8,学时安排 第一章 计算机系统概述 3学时 第二章 数据信息的表示 5学时 第三章 运算方法与运算器 8学时 第四章 存储系统 12学时 第五章 指令系统 4学时 第六章 中央处理器 10学时 第七章 流水线 （系统结构中学习） 第八章 系统总线 4学时 第九章 输入/输出系统 6学时 共计 52学时,9,本课程的学习过程中应注意的问题方法,站在设计者的角度看计算机组成 站在系列课程的角度学组成 要动手：查阅相关资料并动手实验 （Quartus II） 查阅学科前言资料、阅读经典著作，多思考 独立完成作业,答疑网站：,10,一、计算机系统概述 （知识点） 1 计算机系统的组成及各部分的功能 冯诺依曼计算机的思想 五大组成部分及其功能 2计算机的性能指标和性能评价 非时间指标:字长、主存容量 时间相关的性能指标： 主频、CPU执行时间、CPI 、MIPS、MFLOPS 3 计算机系统的层次结构 分层结构及分层的优点 每层的作用和特点 硬件与软件功能的逻辑等价性,11,1. 冯诺依曼计算机计算机系统的组成及各部分的功能,基本思想：存储程序和程序控制 关注: 原理与结构之间的对应关系,12,1)硬件结构及各部分的功能,(1)运算器 算术/逻辑运算、比较、转移和测试等功能 根据运算的结果设置条件状态寄存器,13,指挥协调计算机其他部件进行工作的重要部件。控制器根据不同的指令，产生指令执行过程中所需要的控制信号。,(2)控制器,14,保存程序、数据和中间结果的场所 常用的单位和之间的换算关系 位bit 字节-Byte 1Byte=8bit KB 1KB=1024B (需要10位地址线) MB 1MB=1024KB（需要20位地址线） GB 1GB=1024MB（需要30位地址线） TB 1TB=1024GB （需要40位地址线） PB 1PB=1024TB (需要50位地址线),(3)内存储器(Memory),15,(4)输入和输出设备,常用的 输入设备： 键盘、鼠标、扫描仪、磁盘机、磁带机等,常用的输出设备： 显示器、打印机、绘图仪、磁盘机、磁带机等,提供人-机接口,16,(5)系统总线: 计算机内各大部件之间的连接部件,17, 冯诺依曼计算机的基本体系结构和哈佛结构,冯诺依曼体系结构计算机:Intel 80X86、 ARM7、 MIPS等。 哈佛结构计算机：Motorola MC68、 Zilog Z8、 ARM9、ARM10、 ARM11等。 现代计算机多是Cache采用哈佛结构，主存采用冯诺依曼结构。,未来的计算机体系结构,18,(1)应用软件：为解决某些具体的问题而编制的各种程序 (2)系统软件：为简化程序设计，方便计算机的使用、提 高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机 的功能及用途而编制的各种程序。 各种服务程序：诊断、排错程序 语言处理程序 ：汇编、C、编译等 操作系统OS DBMS,2)软件的分类,19,1)非时间指标,(1)机器字长, 指参与运算的数的基本位数； 由加法器、寄存器的位数决定； 一般等于内部寄存器的位数； 字长越长，表示数据的范围就越大，计算精确度就越高； 目前常见的计算机为32位和64位计算机。,2. 计算机系统的性能评价,20,(2)数据总线宽度,指数据总线一次能并行传送的信息位数。 一般指CPU内部运算器与存储器之间的数据总线。 有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致： 8086、80286、80386内外数据总线等宽； 8088、80386SX 外部总线宽度小于内部总线宽度； Pentium外总线64位，内总线32位（两条32位流水线）,21,(3)主存储器容量和带宽,主存容量是指其包含的存储单元总数量。 主存可以字 节 编址、也可以字 编址。 存储带宽:指单位时间内从存储中读出的二进制信息量，常用单位B/s（字节/秒）表示。,22,(1)CPU执行时间,执行一段程序所占用的CPU时间(程序的执行时间除CPU时间外还包括I/O、存储访问、各类排队时延等)。 CPU时间= 程序中所有指令的时钟周期数之和 时钟周期时间 =程序中所有指令的时钟周期数之和 / 时钟频率 (回顾汇编语言课程中延时子程序的设计原理),2)时间指标,23,(2)CPI (Clock cycles Per Instruction), 执行一条指令所需要的平均时钟周期数 CPI =程序中所有指令的时钟周期数之和 / 指令条数 =程序中各类指令的CPI程序中该类指令的比例 考虑CPI后的CPU时间可表示为: CPU时间=,ICi表示程序中第i类指令的条数,24,(3)MIPS (Million Instructions Per Second),表示每秒执行多少百万条指令 , 程序的执行时间Te =,25,(4) MFLOPS(Million Floating-Point Operations Per Second),描述计算机每秒执行浮点操作次数，而不是MIPS所衡量的单位时间内执行的指令条数。 MFLOPS = 程序中的浮点运算次数/(执行时间 106 ）,26,(5)应用举例,例1 假设一台计算机主频为1GHZ，在其上运行2105条指令的目标代码，程序主要由4类指令组成，它们所占的比例和各自的CPI如下表所示，求程序的平均CPI和MIPS。,解： CPI = 1*60% + 2*18% + 4*12% +8*10% = 2.24 MIPS = f/(CPI * 10 6) = 1*10 9/ (2.24 *106 ) = 446.4,27,(6)关于 计算机系统的性能评价的思考,(1)CPU时间、CPI、MIPS、MFLOPS在评价计算机性能方面的特点和不足? (2)如何科学合理测试计算机系统的综合性能?有哪些常用测试工具?测试结果能否真实反映计算机的实际性能?,28,3. 计算机系统的层次结构,不同的级面向不同的用户， 采用不同的方法和不同的程序设计工具,得到的目标代码也性能也不同。,29,1)软件和硬件的逻辑等价性 2)透明性: 本来存在的事物，从某个角度去看却好象不存在。 3)计算机分层结构中的透明性: 一般机器级