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