第01讲——第1章 计算机系统概论(1113)

1、第第01讲讲第第1章章 计算机系统概论（计算机系统概论（1.1-1.3）主讲人：李淑芝主讲人：李淑芝1.1 计算机系统简介计算机系统简介1.4 本书结构本书结构1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成让学生了解硬件和软件、让学生了解硬件和软件、计算机系统层次结构、分类和应用，计算机系统层次结构、分类和应用，目的在于使学生对计算机系统先有一目的在于使学生对计算机系统先有一个较粗的总体概念，以便于展开后续个较粗的总体概念，以便于展开后续各章内容。各章内容。计算机系统的层次结构、硬件计算机系统的层次结构、硬件框图、框图、“存储程序存储程序”的的

2、 思想、硬件技思想、硬件技术指标。术指标。计算机是如何区分同样以计算机是如何区分同样以0、1代码的形式存放在存储器中的指令和代码的形式存放在存储器中的指令和数据？数据？l计算机接通电源之后是怎么样有序的计算机接通电源之后是怎么样有序的为人们计算工程量、绘制图形、播放为人们计算工程量、绘制图形、播放音乐等的呢？音乐等的呢？ 由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序）组成（1） 计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统计算机的实体计算机的实体如主机、外设等如主机、外设等1.1.1 计算机软、硬件概念计算机软、硬件概念硬件硬件软件软件按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制

3、成的各种程序用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件软软件件计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标程序程序结果结果翻译翻译运行运行（2）计算机的解题过程）计算机的解题过程高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 M M2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器实际机器 M M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M M0用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇

4、编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令软软件件硬硬件件虚拟机器虚拟机器 M M4虚拟机器虚拟机器 M M3虚拟机器虚拟机器 M M2实际机器实际机器 M M1微程序机器微程序机器 M M0问题问题1 1：随计算机技术发展：随计算机技术发展而逐渐出现的几个概念？而逐渐出现的几个概念？（1 1）硬件软化？）硬件软化？（2 2）软件硬化）软件硬化？（3 3）固件化？）固件化？ 问题问题2 2：在层次结构中，针：在层次结构中，针对计算机本身的构成，还对计算机本身的构成，还可抽象出

5、一些层次结构，可抽象出一些层次结构，如：如：4GL4GL级、寄存器级、微级、寄存器级、微操作控制级、机器指令级操作控制级、机器指令级等等？等等？本书主要讨论本书主要讨论M1和和M0的的组成原理和设计思想。组成原理和设计思想。程序员所见到的计算机系统的属性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概念性的结构与功能特性计算机计算机体系结构体系结构计算机计算机组成组成实现计算机体系结构所体现的属性实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令有无乘法指令如何实现乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、（指令系统、数据类型、寻址技术、I/OI/O机理）机理）（具体指令的实现）（

6、具体指令的实现）（1）计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成（3）指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示（4）指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成（6）以运算器为中心（典型的）以运算器为中心（典型的）（2）指令和数据以同等地位存于存储器指令和数据以同等地位存于存储器 可按地址寻访可按地址寻访（5）存储程序存储程序1.2.1 冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行冯冯诺依曼计算机硬件框

7、图（典型的）诺依曼计算机硬件框图（典型的）存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备（1）现代以存储器为中心的计算机硬件框图）现代以存储器为中心的计算机硬件框图程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算ALUALU主存主存辅存辅存CPUCPU主机主机I/OI/O硬件硬件CUCU（2）现现代计算机代计算机硬件框图硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器ALUALUCPU主机主机I/OI/OCUCU主主存存（1）上机前的准备上机前的准备 建立数学模型建立数学模型 - -+ +-

8、-+ +- -= =!x9!x7!x5!x3xx9753sin 编制解题程序编制解题程序 确定计算方法确定计算方法程序程序 运算的运算的 0, 1, 2,)( )(21nyn xynx= =+ += =指令指令 每每 对很难直接用物理模型对很难直接用物理模型来模拟变化规律的研究来模拟变化规律的研究对象，总能找到一系列对象，总能找到一系列反映其变化规律的数学反映其变化规律的数学方程组。方程组。取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a a 在运算器中在运算器中存存a ax2 在存储器中在存储器中取取b b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加a a

9、x2 在运算器中在运算器中加加c c 在运算器中在运算器中= (= (a ax + + b b) )x + + c c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a a 在运算器中在运算器中加加b b 在运算器中在运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加c c 在运算器中在运算器中计算计算 ax2 + bx + c编程举例编程举例问题问题3 3：计算机：计算机中为什么通常要中为什么通常要降幂运算？降幂运算？000001 0000001000000001 0000001000打印打印 停机停机取数取数 ACC ACC存数存数 ACC ACC 加加 ACC+ ACC+ ACCACC乘乘 ACCACC

10、 ACC ACC指令格式举例指令格式举例操作码操作码地址码地址码 打印机打印机指令和数据存于指令和数据存于主存单元的地址主存单元的地址 指令指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 00000010000001000取数取数x至至ACC 10001000000001001乘乘a得得ax存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011加加c得得ax2 + bx + c,存于存于ACC 50000100000001100将将ax2 + b

11、x + c存于主存单元存于主存单元 60001010000001100打印打印 7000110停机停机 8 x原始数据原始数据x 9 a原始数据原始数据a 10 b原始数据原始数据b 11 c原始数据原始数据c 12存放结果存放结果 ACC MQ X（2）计算机的解题过程计算机的解题过程u运算器的基本组成及操作过程运算器的基本组成及操作过程运算器运算器MQACCALUX被加数被加数被减数被减数被除数被除数乘数乘数商商加数加数减数减数被乘数被乘数除数除数加法加法减法减法乘法乘法除法除法和和差差余数余数乘积高位乘积高位乘积低位乘积低位运算器运算器MQACCALUXACC ACC 被加数被加数ACC

12、初态初态 加法操作过程加法操作过程 ACC+XACC+XALU M XM XXACCACCACC指令指令 加加M M 减法操作过程减法操作过程运算器运算器MQACCALUX指令指令 减减M MACC ACC 被减数被减数ACC初态初态 M XM XX ACC-XACC-XALUACCACCACC运算器运算器MQACCALUXACCACC ACC 被乘数被乘数初态初态 ACCMQ MMMQMQ指令指令 乘乘M M 乘法操作过程乘法操作过程X ACCACCX X00ACCACCALU XXMQMQACCACCMQMQACCMQ运算器运算器MQACCALUXACC ACC 被除数被除数ACC初态初态

13、 ACCACCXXALUMQMQACCMQ指令指令 除除M M M M X XX 除法操作过程除法操作过程存储体存储体大楼大楼存储单元存储单元 存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字存储字 存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长存储字长 存储单元中二进制代码的位数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每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0/1） 房间房间 床位床位（无人（无人/ / 有人）有人）u存储器的基本组成存储器的基本组成主存储器主存储器存储体存储体MARMARMDRMDRMARMARMDRMDR 存

14、储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8 设设 MARMAR = = 4 位位 MDRMDR = = 8 位位存储器地址寄存器存储器地址寄存器反映存储单元的个数反映存储单元的个数存储器数据寄存器存储器数据寄存器反映存储字长反映存储字长主存储器主存储器存储体存储体MARMARMDRMDRu存储器的基本组成存储器的基本组成取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCPCIRIRCUCUPCIRCUCU取指取指执行执行PC PC 存放当前欲执行指令的地址存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（具有计数功能（PCPC）+ + 1 PC1 PCIR IR 存放当前欲执行的指令存放当前欲执行的

15、指令访存访存访存访存完成完成一条一条指令指令u控制器的基本组成控制器的基本组成123567894u主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程取数指令取数指令CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O123567984CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/Ou主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程存数指令存数指令uax2 + bx + c 程序的运行程序的运行过程过程 将程序通过输入设备送至计算机将程序通过输入设备送至计算机 程

16、序首地址程序首地址 打印结果打印结果 分析指令分析指令 取指令取指令 停机停机 启动程序运行启动程序运行,(PC,(PC )+)+ 1 PC1 PC 执行指令执行指令 MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC（1）机器字长）机器字长（2）运算速度运算速度CPUCPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与 CPUCPU 中的中的 寄存器位数寄存器位数 有关有关= =ni = =1fi tiTM吉普森法吉普森法主频主频每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPSMIPS执行一条指

17、令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数CPICPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPSFLOPS某计算机主频为某计算机主频为1.2 GHz，其指令分为，其指令分为4类，类，它们在基准程序中所占比例及它们在基准程序中所占比例及CPI如下表所如下表所示。示。 该机的该机的MIPS数是：数是： l A. 100 B. 200 l C. 400 D. 600 l答案：答案：C221 = = 256KB213 = = 1KB如如：（3）存储容量）存储容量主存容量主存容量辅存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长字节数字节数字节数字节数 80GB如：如：MAR MDR MAR M

18、DR 容量容量10 816 32存放二进制信息的总数量存放二进制信息的总数量1K = 2101Byte = 231G = 2301K 8位位64K 32位位第一篇第一篇 概论概论内部内部互连互连ALU CU寄存器寄存器中央处理单元中央处理单元寄存器寄存器解码器解码器控制单元控制单元排队排队逻辑逻辑控制控制存储器存储器第二篇第二篇计算机系统硬件结构计算机系统硬件结构第三篇第三篇 CPUCPU第四篇第四篇 CUCU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU1. 下列有关运算器的描述中，下列有关运算器的描述中，_是正确的。是正确的。 A.只做算术运算，不做逻辑运算只做算术运算，不做逻辑运算

19、 B.只做加法只做加法 C.能暂时存放运算结果能暂时存放运算结果 D.既做算术运算，又做逻辑运算既做算术运算，又做逻辑运算 2. 计算机的计算机的A._是计算机是计算机B._结构的重要结构的重要 组成部分组成部分,也是计算机不同于一般电子设备的本质也是计算机不同于一般电子设备的本质 所在。所在。 3. CPU主要包括主要包括_。 A.控制器控制器 B.控制器、控制器、 运算器、运算器、cache C.运算器和主存运算器和主存 D.控制器、控制器、ALU和主存和主存 4.下列下列_属于应用软件。属于应用软件。 A. 操作系统操作系统 B. 编译系统编译系统 C. 连接程序连接程序 D.文本处理文

20、本处理 5. 主存储器的性能指标主要是主存储器的性能指标主要是A._、B._、 存储周期和存储器带宽。存储周期和存储器带宽。 6. 运算器的两个主要功能是：运算器的两个主要功能是：A._，B._。 7. 说明计算机系统的层次结构。说明计算机系统的层次结构。 8. 目前的计算机，从原理上讲目前的计算机，从原理上讲_。 A.指令以二进制形式、数据以十进制形式存放指令以二进制形式、数据以十进制形式存放 B.指令以十进制形式、数据以二进制形式存放指令以十进制形式、数据以二进制形式存放 C.指令和数据都以二进制形式存放指令和数据都以二进制形式存放 D.指令和数据都以十进制形式存放指令和数据都以十进制形式存放 9. 计算机问世至今，新型机器不断推陈出新，不管计算机问世至今，新型机器不断推陈出新，不管 怎样更