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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VonNeumann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 electronicnumericalintegratorandcomputer 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 1946 1957 电子管计算机第二阶段 1958 1964 晶体管计算机第三阶段 1965 1973 中小规模集成电路计算机第四阶段 1974 1985 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5 8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 VonNeumann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 CPU 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 MOVAL 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 ALAL 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 1TB 210GB 220MB 230KB 240B 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 2020 1 1 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 MOVAH 01HINT21HCMPAL 31HJCNEXTMOVDL 59HJMPDONENEXT MOVDL 4EHDONE MOVAH 02HINT21HINT20H 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 0100B401MOVAH 010AF8 0102CD21INT210AF8 01043C31CMPAL 310AF8 01067204JB010C0AF8 0108B259MOVDL 590AF8 010AEB02JMP010E0AF8 010CB24EMOVDL 4E0AF8 010EB402MOVAH 020AF8 0110CD21INT210AF8 0112CD20INT20 用C语言编写的例子程序 includevoidmain floatheigth charch cout heigth if heigth 1 0 cout 您无需购票 endl elsecout 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ADDR0 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 R0 R2 R2 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 2020 1 1 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 2020 1 1 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 2020 1 1 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 2020 1 1 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 2020 1 1 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 2020 1 1 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 2020 1 1 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 2020 1 1 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1 6 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来衡量可用性可维修性