计算机组成原理第一讲.pptVIP

计算机组成原理 一 本课程的性质 性质 前导课程 后续课程 数字逻辑 专业课 编译原理 二 本课程的重要性 一名好的程序员所必须掌握的课程 研究生入学考试的专业课之一 是后续课程的基础 三 课程的学习方法 首先建立一个整机意识 逐步深入机器内核 四 课程内容和结构 第 篇概论 第 篇计算机系统的硬件结构 第 篇CPU 第 篇CU 第 章计算机系统概论 1 1计算机系统简介 1 4本书结构 前面已讲 1 3计算机硬件的主要技术指标 1 2计算机的基本组成 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 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 按任务需要编制成的各种程序 用来管理整个计算机系统 语言处理程序 操作系统 服务性程序 数据库管理系统 网络软件 软件 二 计算机系统的层次结构 1 计算机的解题过程 2 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 翻译程序 高级语言 机器语言 编译 全部翻译 再执行解释 翻译一条执行一条 早期的计算机没有操作系统 纯机械操作第一个操作系统经典之作 IBM360 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 固件 三 计算机体系结构和计算机组成 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 如何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 不同层次上的程序员所见的计算机属性不同 如对于高级语言程序员 PC和服务器是同一属性 但对于汇编语言程序员 两者截然不同 不同指令集 数据类型 寻址方式等 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 I O与存储器间的数据传送通过运算器完成 5 指令在存储器内按顺序存放 一 冯 诺依曼计算机的特点 2 指令和数据以同等地位存于存储器 可按地址寻访 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 冯 诺依曼计算机硬件框图 数据线 控制 反馈线 二 计算机硬件框图 1 以存储器为中心的计算机硬件框图 控制线 反馈线 数据线 ALU 主存辅存 CPU 主机 I O设备 硬件 CU 2 现代计算机硬件组成及主要功能 1 存储器 Memory 存储程序和数据的部件 功能 存储信息 组成 存储体MB 存储信息的实体 存储元件的有序集合 用于存储二进制代码 地址寄存器MAR 寄存访问内存储器的地址码 数据寄存器MDR 暂存要写入MB或从MB读出的二进制代码 读写控制电路 控制存储器进行读或写的操作 动画 主存读写 内存储器组成框图 术语 存储单元 存放一个字 或字节 的编址单元 单元地址 存储单元的地址编号 存储元 每个存储单元有若干个存储元构成 能寄存一位二进制代码 存储字长 每个存储单元可以存放二进制代码的位数 存储容量 存储体能存放的二进制代码位数 常用容量单位 1KB 210B 1024B1MB 210KB1GB 210MB1TB 210GB 2 运算器ALU 实现算术运算和逻辑运算功能的部件 功能 运算 完成数字信息的加工 寄存 移位等 组成 算术逻辑单元 移位器 选择器 寄存器组 输入输出门等 图1 3运算器的组成结构 3 控制器 ControlUnit 向计算机各部件发出控制信息的部件 功能 控制指令的读出 解释和执行 中断事件的处理等 组成 指令部件 程序计数器PC 提供要执行的指令地址 指令寄存器IR 寄存现行指令 指令译码器ID 解释现行指令 产生相应的控制电位 时序部件 产生计算机运行所需的时序信号 微操作信号发生器 产生执行指令的微操作控制信号 4 输入 输出 I O 设备 输入设备 将各种形式的输入信息转换为机器可接受的编码形式的设备 例如键盘 鼠标等 输出设备 将计算机的输出信息转换为人可接受的信息形式的设备 例如显示器 打印机等 1 上机前的准备 建立数学模型 确定计算方法 1 2 三 计算机的工作步骤 编制解题程序 用机器指令描述运算步骤 程序 运算的全部步骤 指令 每一个步骤 2 上机 计算机的工作过程 周而复始地取出指令 解释指令和执行指令的过程 指令的执行过程 例 nADDR2 R0 R0 R2 R2 1 第一阶段 取出指令和解释指令 公共操作 1 PC n AR 送指令地址 2 M n DR 启动内存储器中读指令 通过数据总线将内存储器中的指令暂存到DR中 内存的读 写原理 3 DR IR 将从内存储器中读出的指令通过数据总线送到IR 寄存器R0的内容 PC把该指令的地址号n送到地址寄存器AR 内存中的指令 DB 数据存储器DR 取指周期 DR DB 指令寄存器IR 4 PC 1 PC 使PC得到程序顺序执行时的下一条指令地址 5 操作码经译码器ID译码 2 第二阶段 执行ADDR0 R2指令的过程 R0 FA R2 FA R0和R2的内容送全加器FA FA R2 经运算后 从FA输出 和数 送R2 动画 计算机的工作过程 对不同的指令产生不同的控制电位 配合时序电路产生的时序信号 由微操作信号发生器产生执行指令的微操作信号 控制功能部件的执行 1 3计算机硬件的主要技术指标 1 机器字长 CPU一次能处理数据的位数与CPU中的寄存器位数有关 字长标志着机器表示数的精度 字长位数越多 精度越高 字长通常是8的整倍数 使能存放整数个字符的编码 例如字长为8 16 32 64位等 2 存储容量 存放二进制信息的总位数 决定计算机可以处理的数据量和程序的大小 存储容量越大 存储的信息越多 解题的功能越强 221 256KB 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 1K 8位 64K 32位 3 运算速度 计算机每秒钟执行指令的条数 单位 MIPS 百万条指令每秒 衡量 平均运算速度 吉普森Gibson法 求法 先求平均运算时间Tm 式中 n 指令的种类 fi 第i种指令出现的频度 ti 第i种指令的指令周期 秒 则平均运算速度 Vm 1 Tm 例1 1 某台计算机指令系统按指令周期长短可以分为4种 t1 10ns t