计算机组成原理1-概论.ppt

主要内容：1.1计算机的基本概念信息的数字化表示、存储程序与计算机分类。1.2计算机的诞生和发展冯诺依曼体制、计算机发展历程和未来发展趋势。1.3计算机系统的硬件组成主要功能部件的组成与功能、硬件系统结构。1.4计算机系统的性能指标,第一章概论,第一节计算机的基本概念,1.1.1冯诺依曼思想,1.用二进制代码表示程序和数据；,2.计算机采用存储程序的工作方式；,3.计算机硬件由存储器、运算器、控制,器、输入设备和输出设备组成。,3.计算机硬件由存储器、运算器、控制,器、输入设备和输出设备组成。,输入设备,控制器,存储器,输出设备,运算器,1.1.2信息的数字化表示,1.在计算机中用数字代码表示各种信息,二进制代码,例1用数字代码表示数据,5,-5,表示为0101,表示为1101,例2用数字代码表示字符,A,B,表示为1000001,表示为1000010,例3用数字代码表示命令、状态,启动,停止,正在工作,工作结束,表示为00,表示为01,表示为10,表示为11,2.在物理机制上用数字信号表示数字代码,数字型电信号,例1用电平信号表示数字代码,高电平,1,低电平,高电平,0,1,例2用脉冲信号表示数字代码,有脉冲,无脉冲,有脉冲,1,0,1,实现并行操作,实现串行操作,3.数字化方法表示信息的优点,（1）物理上易实现信息的表示与存储（2）抗干扰能力强，可靠性高（3）数值的表示范围大，精度高（4）可表示的信息类型广泛（5）能用数字逻辑技术进行处理,1.1.3存储程序工作方式,1.事先编制程序,3.自动、连续地执行程序,2.事先存储程序,传统诺依曼机串行执行指令。,对传统诺依曼机的改造：增加并行处理功能。,11/50,图计算机的工作流程,1.1.4计算机的分类,计算机从总体上来说分为两大类:模拟计算机和数字计算机。,各自主要特点：模拟计算机：由模拟运算器件构成，处理在时间和数值上连续的模拟量（如：电压、电流等）；数字计算机：由逻辑电子器件构成，处理离散的数字量。,数字计算机又可分为:专用计算机和通用计算机。专用机是以快速、经济和高集成度为主要指标的特殊计算机，它是针对某一任务设计的计算机，但是它的适应性较差（如：工控机、ATM等）。通用机适应性较高，但是牺牲了效率、速度和经济性，如个人电脑。,按照计算机的体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模、机器价格和应用范围等条件，将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机等。,它们的结构规模和性能指标依次递减。随着超大规模集成电路的迅速发展，类型也会发生动态变化。,计算机类别对比：,16/50,中文名：约翰冯诺依曼外文名：JohnVonNeumann国籍：美籍匈牙利人出生地：布达佩斯出生日期：1903年12月28日逝世日期：1957年2月8日毕业院校：苏黎世大学、布达佩斯大学称谓：计算机之父,第二节计算机的诞生和发展,17/50,冯诺依曼思想的产生背景,冯诺依曼在1944年加入了美国军方ENIAC计算机的研制项目。在此项目基础之上，在1945年提出并发表了一个全新的“存储程序通用电子计算机”方案EDVAC（冯诺依曼思想）。,在这份方案中，冯诺依曼具体介绍了电子计算机和程序设计的新思想。这份方案是计算机发展史上一个划时代的文献，它向世界宣告了电子计算机时代的来临。,EDVAC方案的直接成果：,催生了第1台严格意义上的电子计算机（宾夕法尼亚大学，1946年2月）,1.2.2发展历程,1.2.3未来的发展趋势,1、巨型化,2、微型化,3、多媒体化,4、网络化,5、智能化,第三节计算机系统的硬件组成,1.3.1主要功能部件,1.CPU由运算器、控制器、寄存器组成。,（1）运算器1）功能：加工信息。2）组成：,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,ALU:通过加法器实现运算操作（由全加器求和、由进位链传递进位信号）。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,通用寄存器组：提供操作数，存放运算结果。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,选择器：选择操作数；选择控制条件，实现各种算法。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,移位器：直接或者移位送出运算结果。,运算器主要解决如何通过运算方法将各种运算转换为加法运算。,（2）控制器1）功能：产生控制命令(微命令)，控制全机操作。2）组成：,微命令序列,微命令产生方式（指令执行控制方式）：,组合逻辑控制方式：,微程序控制方式：,微命令由组合逻辑电路产生,微命令由微指令产生,组合逻辑控制器,微程序控制器,控制器主要解决如何产生微命令控制指令的执行（组合逻辑方式、微程序方式）,2.存储器1）功能:存储信息。2）组成（主存储器）：,存储体:存放信息的实体。,寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。,读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂存读/写数据。,控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作。,3.输入/输出设备1）功能：转换信息。,输入：原始信息,代码，送入主机,输出：处理结果,人所能接受的形式，并输出,（代码）,I/O设备主要解决如何转换信息。,存储器主要解决如何根据地址找到所要访问的存储单元。,1.3.2硬件系统结构1.以总线为基础的系统结构总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。,总线,总线,功能内总线外总线局部总线系统总线,信息地址总线数据总线控制总线,时序同步总线异步总线,格式并行总线串行总线,方向单向总线双向总线,（1）以CPU为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,I/O总线,M总线,（2）单总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系统总线,（3）以M为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系统总线,M总线,（4）多级总线结构,CPU,RAM,ROM,公共接口,总线控制逻辑,M扩展板,I/O接口板,局部总线,系统总线,2.采用通道或IOP的大型系统结构（1）带通道的系统,I/O控制器,主机,I/O,通道,（2）带IOP的系统,CPU,M,接口,I/O,IOP,LM,接口,I/O,系统总线,I/O总线,3.模型机系统结构,系统总线,CPU,M,公共接口,接口,接口,I/O,I/O,建立总线概念，用总线连接各部件。,多机系统结构,特点：用多处理器CPU构成,根据处理器之间连接的紧密程度，分为：,紧密偶合系统松散偶合系统,41/50,紧密偶合多机系统,特点：多个（CPU+LM）组，通过系统总线构成多机系统，且共享全局M,42/50,松散偶合多机系统,特点：多个节点，由通信接口CAS并通过MTS构成多机系统。,1.3.3软件系统,软件类别：系统程序和应用程序。系统程序：负责系统调度管理，提供运行和开发环境、各种服务，确保系统运行良好。,应用程序：利用计算机来解决应用问题所编制的程序,如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等等。,1.3.4硬、软件系统的层次结构,计算机系统是一个由多层次结构组成的系统，其层次结构示意图，见教材。,第四节计算机系统的性能指标,1.基本字长指操作数的基本位数。它影响计算精度、指令功能。2.存储容量（1）主存容量指存储单元个数位数。,决定地址位数,表明编址单位,表示为：字数字长（按字编址）或字节数（按字节编址）,（2）外存容量常表示为字节数。外存容量与地址码位数无关。,3.运算速度（1）定点/浮点四则运算时间（2）每秒平均执行的指令条数（MIPS）MIPS=程序所含指令数/程序执行时间,（3）每秒执行的浮点指令数（MFLOPS）MFLOPS=程序所含浮点操作次数程序执行时间（4）CPU时钟频率（MHz）即CPU主频，等于每秒时钟周期数。（5）CPI每条指令时钟周期数。CPI=程序所需时钟周期数程序所含指令数,总线位数总线时钟频率8总线周期时钟数,总线带宽=,4.数据传输率,（B/S）,即：单位时间内传输的数据量,注意：计算总线的带宽时，一般还要考虑编码方式、单双工模式和通道的路数等因素。,5.外围配置（1）硬件系统配置（2）系统软件配置,【思考】计算机主频为500MHz，CPI为5。某外设的带宽为0.5MB/s，中断方式32位传输，中断服务程序包含18条指令，中断服务的其他开销相当于2