计算机组成原理课件PPT第一章

计算机组成原理,侯艳艳,参考书籍：1)计算机组成原理白中英主编科学出版社2）计算机组成原理解题指南白中英主编科学出版社3)计算机组成原理-学习指导与习题解答唐朔飞主编，高等教育出版社学习网站：02/eol/jpk/course/welcome.jsp?courseId=147602/eol/homepage/common/index.jsp计算机组成原理,第一篇概论,本书结构,第二篇计算机系统硬件结构,第三篇CPU,第四篇CU,第一章计算机系统概论,1.1计算机系统简介,1.3计算机硬件的主要技术指标,1.2计算机的基本组成,本节重点：1、计算机软硬件的组成2、计算机的层次结构3、冯诺依曼计算机的主要特点4、计算机参数的基本指标主频、时钟周期、CPI、MIPS。,解剖一台计算机,个人计算机由主机和外设组成,主机中包含多个电路板,每个电路板中有十几个集成电路,每个集成电路中有十几个模块,每个模块中有上千万个单元,每个单元中有十几个门电路,每个门电路实现基本的逻辑运算,所有信息都用二进制编码表示,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、计算机软、硬件的概念,按任务需要编制成的各种程序科学计算、数据处理过程控制、事务管理,用来管理整个计算机系统,标准程序库、语言处理程序,操作系统,服务性程序（磁盘碎片管理、备份程序）,数据库管理系统,网络软件,软件,购买计算机系统时自带的软件,1.1,2.计算机的解题过程,实际机器M1（机器语言程序）,机器语言程序直接在M1上执行。,二、计算机系统的层次结构,虚拟机器M2（汇编语言机器）,实际机器M1（机器语言机器）,第二级,第一级,虚拟机器M2（汇编语言机器）,实际机器M1（机器语言机器）,第二级,第一级,虚拟机器M3（高级语言机器）,第三级,虚拟机器M2（汇编语言机器）,传统机器M1（机器语言机器）,第二级,第一级,虚拟机器M3（高级语言机器）,第三级,微程序机器M0（微指令系统）,第零级,高级语言,虚拟机器M4,汇编语言,虚拟机器M3,机器语言,传统机器M1,微指令系统,微程序机器M0,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,1.2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,5.存储程序,一、冯诺依曼计算机的特点,5.存储程序，顺序存放,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,冯诺依曼计算机硬件框图,二、计算机硬件框图,1.以存储器为中心的计算机硬件框图,ALU,主存辅存,CPU,主机,I/O,硬件,CU,2.现代计算机硬件框图,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,三、计算机的工作步骤,y=ax+b,y=ax+b程序清单,(4)主机完成一条指令的过程,2.计算机的解题过程,(1)运算器的基本组成及操作过程,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,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）,(2)存储器的基本组成,存储字长、指令字长、数据字长,MAR,MDR,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,(2)存储器的基本组成,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,(3)控制器的基本组成,以取数指令为例LDAACC,7,(4)主机完成一条指令的过程,以存数指令为例,(4)主机完成一条指令的过程,STA8,ACC,(5)ax+b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,MAR,M,MDR,IR,PC,CU,OP(IR),Ad(IR),MAR,M,MDR,ACC,PC,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,存储字长、指令字长,221=256KB,2.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数量,1K8位,64K32位,3.运算速度,主频,1.CPU时钟周期、主频CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是赫兹（Hz）。主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是秒（s）。对于不同指令，执行所需要的时钟周期数不同。,频率在数学表达式中用“f”表示，其相应的单位有：Hz（赫）、kHz（千赫）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）。1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz时钟周期单位及相应的换算关系是：s（秒）、ms（毫秒）、s（微妙）、ns（纳秒）。1s=1000ms，1ms=1000s，1s=1000ns。,知识扩展：（1）睿频是指当启动一个运行程序后，处理器会自动加速到合适的频率，而原来的运行速度会提升10%20%，以保证程序流畅运行的一种技术。（2）倍频与外频，外频是CPU的基准频率，单位也是MHz。外频是CPU与主板之间同步运行的速度，也是内存与主板之间的同步运行的速度。倍频即主频与外频之比的倍数。主频、外频、倍频，其关系式：主频=外频倍频。,（3）超频通过人为方式将CPU、显卡等硬件的工作频率提高（实际就是提高电压），在高于其额定的频率状态下稳定工作。以IntelP4C2.4GHz的CPU为例，它的额定工作频率是2.4GHz，工作频率提高到2.6GHz。CPU超频是为了提高CPU的工作频率，也就是CPU的主频。CPU的主频又是外频和倍频的乘积。例：CPU的外频100MHz,倍频8.5主频=外频倍频=100MHz8.5=850MHz。,2.吉普森法综合考虑每条指令的执行时间及在全部操作中占的百分比。,3.MIPS每秒百万条指令数，用下式计算：,4.CPI表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。,5.FLOPS表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器速度越快。MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。,补充：6.CPU执行时间CPU执行一段程序所占用的CPU时间，CPU执行时间CPU时钟周期数CPU时钟周期长。7.吞吐量单位时间内完成的工作量，单位是字节/秒（B/S）。8.响应时间从作业提交到作业完成所需要的时间，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。,1.假设某计算机的CPU主频为80MHz，CPI为4。该计算机的MIPS数是多少？,2.下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是()A.MIPSB.CPIC.IPCD.MFLOPS,3.冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，CPU区分它们的依据是()A.指令操作