《计算机组成原理》PPT课件.ppt

计算机组成原理,教材及参考书,教材： 计算机组成原理 电子工业出版社，黄钦胜 朱娟 编著 参考书： 计算机组成原理教程 清华大学出版社，张基温 编著 计算机组成原理 科学出版社，白中英 编著,课程性质和要求,性质：计算机科学与技术及相关专业基础课程。 主要内容：以Von Neumann计算机结构为主线，讲述单处理机系统各大部件的组成、工作原理以及各大部件连接成整机的工作原理。 特点：内容覆盖面广，基本概念多、抽象，难以建立计算机的整机概念。 考核方式： 笔试（70）平时(10)实验(20)=100 平时成绩包括出勤、作业、测验等。,目 录,第一章 计算机系统概论 第二章 运算方法和运算器 第三章 存储系统 第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线及互连结构 第七章 输入输出系统,第一章 计算机系统概论,主要内容： 计算机的发展、分类及应用 计算机系统的构成 计算机的工作过程 计算机系统的性能及主要技术指标 目的：建立计算机系统的总体概念及掌握常用的术语。,计算工具的发展,手工时代 十指计数（远古时代起） 机械时代 算盘（公元前五世纪，中国） 对数计算尺（公元17世纪，欧洲） 电子时代 电子计算机在“布尔代数”的理论基础，和“E-J双稳态触发器”的物质基础上，1946年第 一台电子数字计算机ENIAC（electronic numerical integrator and computer)诞生。,一.计算机的发展、分类及应用,第1章 计算机系统概论,五个发展阶段： 第一阶段（19461957）：电子管计算机 第二阶段（19581964）：晶体管计算机 第三阶段（19651973）：中小规模集成 电路计算机 第四阶段（19741985）：大规模集成电 路计算机 第五阶段（1986至今）：新一代计算机,计算机的发展,自计算机诞生以来，大约每58年，计算机的运算速度可提高10倍，可靠性可提高10倍，体积可缩小至原来的1/10，成本也降低为原来的1/10。自20世纪70年代以来，计算机的产量以每年25的速度递增。,一.计算机的发展、分类及应用,第1章 计算机系统概论,采用超大规模集成电路，运算速度达到几亿次/秒，从数值运算过渡到以知识推理为主；计算机语言向自然语言发展，并且可以自动生成程序。,能进行浮点算术运算，运算速度提高到几几十万次/秒，软件采用子程序库、批处理管理程序。高级语言得到迅速发展。,体积进一步缩小，可靠性进一步提高，出现微型机。运算速度达几百万几千万次/秒。数据库管理系统、分布式处理及网络。,采用微程序控制的设计技术、流水线结构以及高速缓冲存储器Cache, 运算速度达到几十万几百万次/秒。软件出现操作系统、虚拟存储系统。,硬件简单，体积大，只能进行定点算术运算，运算速度慢（几千几万次/秒），编程语言采用机器语言和汇编语言。开始出现高级语言,计算机的分类,一.计算机的发展、分类及应用,第1章 计算机系统概论,通用计算机,专用计算机,巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 单片机,按信息的形式和处理方法分：,模拟计算机,数字计算机,模拟计算机与数字计算机的对比,按照功能划分：,计算机的应用,科学计算 自动控制 信息处理 辅助设计和辅助制造 辅助教学和医疗卫生 家用电器 人工智能,一.计算机的发展、分类及应用,第1章 计算机系统概论,计算机系统组成,二.计算机系统组成,计算机系统,硬件,软件,主机,外部设备,外存储器,输入设备,输出设备,中央处理器,内存储器,运算器,控制器,系统软件,应用软件,操作系统,语言处理程序,服务性程序,通用软件,用户程序,第1章 计算机系统概论,Von Neumann计算机的设计思想,采用二进制数表示指令、数据及其它非数据信息（在表示和处理上易于实现） 存储程序控制原理（程序存储控制） 程序存储：将操作步骤连同操作对象预先存入计算机。 程序控制：依据预存的程序，控制各部件完成任务。,二.计算机系统组成,第1章 计算机系统概论,计算机系统的硬件组成,输入设备,输出设备,存储器,运算器,控制器,适 配 器,C P U,系统总线,二.计算机系统组成,主机,外围设备,第1章 计算机系统概论,运算器ALU,功能： 实现算术逻辑运算功能。 构成： 全加器FA，通用寄存器组GRS，输入接收门和移位输出门。,二.计算机系统组成,第1章 计算机系统概论,控制器CU,二.计算机系统组成,第1章 计算机系统概论,结构：,功能：,根据指令的要求向计算机各部件发出控制信号，使之协调有序工作。,内存储器,二.计算机系统组成,第1章 计算机系统概论,结构：,特点：,内存储器是用于存放计算机运行期间 所需要的大量程序和数据的部件，是 CPU能直接访问的存储器。,功能：,存放信息（程序和数据）,系统总线,数据总线DB：负责传送数据，双向。 地址总线AB：发出CPU所访问部件的地址信号，用于选择访问对象。单向。 控制总线CB：传送控制信号和一些部件的状态信号。单向。,二.计算机系统组成,第1章 计算机系统概论,存储器读操作,CPU送出地址 地址译码器选择对应单元。 RD信号有效CPU读入数据,第1章 计算机系统概论,MOV AL,(0000H),存储器写操作,CPU送出地址。 地址译码器选择对应单元。 CPU送出数据WR信号有效,20H,第1章 计算机系统概论,MOV (0020H),AL AL=4CH,存储器的有关术语,二.计算机系统组成,第1章 计算机系统概论,1TB210GB220MB230KB240B,存储容量：,内存储器中存储单元的总数。通常以KB、MB、GB、TB表示。,单元地址：,存储单元的地址编号。地址编号以二（八或十六）进制数表示，从0开始。,存储单元：,存储一个字（或字节)的编址单元。,二.计算机系统组成,第1章 计算机系统概论,通过通信线路与主机连接的既可输入又可输出的设备。如触摸屏等。,终端设备：,将计算机的输出信息转换为人可接收的形式。如显示器、打印机等。,输出设备：,将各种形式的输入信息，转换为计算机可接收的形式。如键盘、鼠标等。,输入设备：,外围设备,系统程序： 使用和管理计算机系统的各种程序。如操作系统、数据库管理系统、语言程序、服务性程序等。 应用程序： 计算机用户为解决各种问题而编制的程序。,发展过程： 机器语言汇编语言高级语言 发展方向： 标准化、积木化、产品化，最终向自然语言 发展，并且能自动生成程序。,计算机系统的软件,二.计算机系统组成,第1章 计算机系统概论,计算机系统的层次结构,二.计算机系统组成,微程序直接由硬件执行,第1章 计算机系统概论,利用计算机解题的一般步骤,建立数学模型 选择计算方法 编写解题程序 输入程序、调试程序、运行程序,三.计算机工作过程,第1章 计算机系统概论,利用计算机解题的一般步骤,2019/6/10,利用计算机解题的一般步骤,三.计算机工作过程,第1章 计算机系统概论,数学模型,描述受控对象输入和输出之间的逻辑结构和数量关系的一整套数学表达式。,示例：,问题：输入一个人的身高x，若数值在1米以下则无需购票（输出N），否则需购票（输出Y）。 建立数学模型：,确定算法：,输入程序、调试程序、运行程序,MOV AH,01H INT 21H CMP AL,31H JC NEXT MOV DL,59H JMP DONE NEXT: MOV DL,4EH DONE: MOV AH,02H INT 21H INT 20H,第1章 计算机系统概论,三.计算机工作过程,存放地址 机器码 指令 0AF8:0100 B401 MOV AH,01 0AF8:0102 CD21 INT 21 0AF8:0104 3C31 CMP AL,31 0AF8:0106 7204 JB 010C 0AF8:0108 B259 MOV DL,59 0AF8:010A EB02 JMP 010E 0AF8:010C B24E MOV DL,4E 0AF8:010E B402 MOV AH,02 0AF8:0110 CD21 INT 21 0AF8:0112 CD20 INT 20,用C语言编写的例子程序,#include void main( ) float heigth; char ch; coutheigth; if (heigth1.0) cout“您无需购票“endl; else cout“您需要购票“endl; while(ch=cin.get()!=EOF) ,第1章 计算机系统概论,三.计算机工作过程,模型机执行指令 ADD R0,R2 的过程,功能：,第1章 计算机系统概论,把程序计数器PC中的指令地址送存储器的地址寄存器AR，按该地址取出指令送指令寄存器IR； 根据IR中的地址码，由地址计算部件形成操作数地址送存储器，取出数据，送到运算器中的寄存器（寄存器组）； 将IR中的操作码OP送指令译码器进行译码； 计算机有关部件在控制器发出的操作控制信号的控制下，执行操作码OP规定的操作； 程序计数器PC加1，形成下一条指令地址。 执行指令,具体步骤：,R0R2R2,三.计算机工作过程,执行过程示意图,第1章 计算机系统概论,三.计算机工作过程,把PC中的指令地址送存储器的地址寄存器AR,2019/6/10,执行过程示意图,第1章 计算机系统概论,三.计算机工作过程,按该地址取出指令送指令寄存器IR,2019/6/10,执行过程示意图,第1章 计算机系统概论,三.计算机工作过程,PC+1,2019/6/10,执行过程示意图,第1章 计算机系统概论,三.计算机工作过程,将IR中的操作码OP送指令译码器,2019/6/10,执行过程示意图,第1章 计算机系统概论,三.计算机工作过程,在指令译码器中进行译码,2019/6/10,执行过程示意图,第1章 计算机系统概论,三.计算机工作过程,控制器发出微操作控制信号，控制计算机有关部件执行操作码OP规定的操作,2019/6/10,执行过程示意图,第1章 计算机系统概论,三.计算机工作过程,根据IR中的地址码，由地址计算部件形成操作数地址送存储器，取出数据，送到运算器中的寄存器（寄存器组）；,2019/6/10,执行过程示意图,第1章 计算机系统概论,三.计算机工作过程,R0和R2中的数据在运算器中进行加法运算,2019/6/10,执行过程示意图,第1章 计算机系统概论,三.计算机工作过程,运算结果送回R2,计算机的工作过程,第1章 计算机系统概论,三.计算机工作过程,具体步骤：,周而复始地取出指令、解释指令和 执行指令的过程,CPU送出指令地址PC给存储器的AR。 PC自动加1，形成下一条指令的地址。 地址译码器选择对应单元。 CPU读操作读取指令。 指令经DB至CPU的DR，IR由ID形成相应的微操作信号。 各个部件在微操作信号的控制下执行指令。 重复16。,实质：,字长：,字长是指计算机中每次运算的数所包含的二进制数的位数。 字长是8的倍数。 字长标志着机器表示数的精度，位数越多，表示数的精度就越高。,主频率：,字长和主频,四.计算机主要性能指标,第1章 计算机系统概论,计算机的主时钟不断地产生固定频率的时钟脉冲，时钟脉冲的频率就是CPU的主频率。 CPU工作的节拍是由主频率控制。 主频率越高，CPU工作节拍越快。是影响计算机运行速度的重要参数。,主存储器的容量,外存储器的容量,主存是CPU可直接访问的存储器 主存的容量是指主存储器存储单 元的总数 例：具有16位地址码的计算机， 主存的容量为216字节，即64K,存储容量,四.计算机主要性能指标,第1章 计算机系统概论,外存容量是指计算机系统中联机的外 存储器的容量 外存存放暂不参与运行的程序和数据,运算速度,运算速度 运算速度是指机器每秒执行指令的条数 平均运算时间Tm 平均运算速度 Vm,n：指令的种类 fi：第i种指令出现的频率 ti：第i种指令的指令周期,单位：MIPS（百万条指令每秒）,四.计算机主要性能指标,第1章 计算机系统概论,可靠性、可用性和可维修性,可靠性可用故障平均间隔时间MTBF来衡量 可用性