《计算机系统概论》PPT课件.ppt

1 计算机组成原理 教师 李秀芳 PRINCIPLESOFCOMPUTERORGANIZATION 2 课程性质 目的及任务 计算机组成原理是硬件类课程 是计算机及其相关专业的主干课程之一 使学生能够从本质上来认识计算机的组成及其工作原理 并且初步掌握计算机硬件系统的分析方法 为后续的专业课程打基础 也为将来更好地利用计算机从事科学研究 工程设计 数据处理及自动控制等方面的工作典定基础知识 3 计算机主机箱示意图 4 教学的主要内容 以逻辑电路为基础 以单机系统为对象 讲解计算机各主要部件的组成 工作原理 逻辑实现方法 从而了解计算机最低层硬件软件的配合与功能的划分 系统地了解计算机内部的运行机制 单机 非多机系统 非多处理机结构基本 不一定是最高性能 最合理的组成 而是最基础的必要的组成部分 5 计算机硬件系统组成 6 与其它课程的关系 7 实验教学学时安排 8 教材与教学参考书 教材 计算机组成原理 第二版 唐朔飞 高教出版社参考书 计算机组成原理 学习指导与习题解答 唐朔飞 高教出版社 计算机组成原理 第四版 白中英 科学出版社 计算机组成原理解题指南 第四版 白中英 科学出版社 9 本课程学习方法及考核方式 1 针对本课程具有比较抽象的特点 应克服畏难情绪 注意在学习过程中能够把概念与现实生活相联系 可以有效地降低问题的抽象程度 2 组成原理的学习应抓住信息变换 表示 处理 传送 存储的信息流为主线 3 建立整机思想 避免孤立地学习各部分的内容 在掌握基本概念之前不要过早地陷入细节的学习 而应将各组成部分的作用 结构 逻辑实现与计算机的整机目标结合起来学习 10 第 章计算机系统概论 第 章系统总线 第 章存储器 第 章输入输出系统 第 章计算机的运算方法 第 章指令系统 第 章CPU的结构和功能 第 章控制单元的功能 第10章控制单元的设计 第 章计算机的发展及应用 概论 硬件结构 CPU CU 主要内容 11 第 章计算机系统概论 1 1计算机系统简介 1 4本书结构 1 3计算机硬件的主要技术指标 1 2计算机的基本组成 12 学习目标 掌握冯 诺依曼机的特点了解计算机的层次结构掌握计算机的五大部件的功能掌握计算机硬件的主要技术指标了解计算机的工作过程 13 重点掌握下列概念 硬件 计算机 主机 CPU 主存 辅存 外部设备 固件 软件 系统软件 应用软件高级语言 汇编语言 机器语言 解释程序 编译程序计算机组成和计算机体系结构存储单元 存储字 存储字长 存储容量 机器字长 指令字长 指令 数据 程序英文缩写的含义 CPU PC IR MAR MDR ALU CU ACC MQ MIPS CPI FLOPS 14 1 1计算机系统简介 由具有各类特殊功能的信息 程序 组成 1 计算机系统 计算机系统 计算机的实体 如主机 外设等 一 计算机的软硬件概念 15 1 1 计算机系统的构成 16 2 计算机是如何工作的 17 计算机硬件框图 18 1 1 3 计算机的解题过程 19 二 计算机系统的层次结构 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 1 20 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 1 21 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 1 1 三 计算机体系结构和计算机组成 22 1 2计算机的基本组成 1 计算机由五大部件组成 3 指令和数据用二进制表示 4 指令由操作码和地址码组成 6 以运算器为中心 一 冯 诺依曼计算机的特点 5 采用存储程序工作方式 把程序的指令序列放到存储器中 23 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 冯 诺依曼计算机硬件框图 24 1 2 冯 诺依曼计算机硬件框图 25 二 计算机硬件框图 1 2 1 以存储器为中心的计算机硬件框图 26 ALU 主存辅存 CPU 主机 I O设备 硬件 CU 2 现代计算机硬件框图 1 2 27 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 1 2 三 计算机的工作步骤 28 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 1 2 编程举例 29 0000010000001000 打印 停机 取数 存数 加 乘 指令格式举例 1 2 30 1 2 计算ax2 bx c程序清单 31 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 1 存储器的基本组成 1 2 2 计算机的解题过程 32 MAR MDR 1 2 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 1 存储器的基本组成 33 2 运算器的基本组成及操作过程 1 2 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 34 加法操作过程 1 2 35 1 2 减法操作过程 36 1 2 乘法操作过程 37 1 2 除法操作过程 38 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 1 2 3 控制器的基本组成 39 以取数指令为例 4 主机完成一条指令的过程 1 2 40 以存数指令为例 1 2 4 主机完成一条指令的过程 41 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 1 2 MAR M MDR IR PC CU OP IR Ad IR MAR M MDR ACC PC 42 早期只用字长 运算速度和存储容量三大指标来衡量 实际使用证明 只考虑这三个指标是很不够的 其次还有以下几项 系统的可靠性 平均无故障工作时间MTBF MeanTimeBetweenFailures 系统的可维护性 平均修复时间MTTR MeanTimeToRepair 机器允许配置的外部设备的最大数目 计算机系统的汉字处理能力 数据库管理系统及网络功能等 1 3计算机硬件的主要技术指标 43 一 机器字长 字长是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数 通常是字节的整倍数 字长决定了计算机的运算精度 字长较长 计算机的运算精度就高 因此 高性能的计算机 其字长较长 字长也影响机器的运算速度 字长越长 计算机的运算速度越快 从字的内容来分又有指令字和数据字之分 与CPU中的寄存器位数有关 44 英特尔X86数据总线 寄存器位宽 45 二 运算速度 方法1 采用单位时间内平均执行指令条数来衡量 单位 MIPS MillionofInstructionPerSecond 每秒执行多少百万条指令例如 3MIPS表示每秒执行300万条指令 0 6MIPS表示每秒执行60万条指令 46 方法2 主频即时钟频率 是指计算机的CPU在单位时间内发出的脉冲数 它在很大程度上决定了计算机的运行速度 主频的单位是兆赫兹 MHz 对于结构相同的计算机在相同时间内执行更多的指令 例如 486DX 66的主频为66MHz Pentium 100的主频为100MHz P 233的主频为233MHz P 的主频有450MHz 500MHz 733MHz等 P4的主频在1GHz以上 目前发展的趋势是不能无限地提高主频 因为有功耗大等负面作用 所以现在采用的技术是双核 47 例题 1 设某甲机主频为200MHZ 平均每5个时钟执行完一条指令 问该机平均指令执行速度为多少MIPS 解 200 5 106 40MIPS2 若乙机主频为300MHZ 其它条件不变 问其MIPS是多少 解 300 5 106 60MIPS 48 运算速度 主频 衡量运算速度还有如下方法 49 221 256KB 三 存储容量 主存容量 辅存容量 存储单元个数 存储字长 字节数 字节数80GB 如MARMDR容量 108 1632 存放二进制信息的总位数 1 3 1K 8位 64K 32位 50 第 篇概论 1 4本书结构 51 1 4本书结构 第 篇计算机系统的硬件结构 52 1 4本书结构 第 篇CPU 53 1 4本书结构 第 篇CU 54 课后思考题 1 冯 诺依曼结构计算机的主要思想是什么 什么是存储程序的工作方式 2 衡量计算机性能有哪些主要的技术指标 3 为什么要按层次结构划分计算机系统 什么是虚拟计算机 4 计算机最终能够辨识和执行的是什么程序 高级语言和汇编语言通过什么办法转换成机器能够认识和执行的程序 55 作业 1 61 71 111 9选做 56 习题1 1 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 主机和应用程序D 配套的硬件设备和软件系统2 计算机系统中的存储器系统是指 A RAM存储器B ROM存储器C 主存储器D 主存储器和外存储器3 冯 诺依曼机工作方式的基本特点是 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 存储器按内容选择地址 57 4 双字节是指 位二进制数 A 1B 8C 16D 325 CPU组成中不包括 A 存储器B 寄存器C 控制器D 运