第一章 计算机系统概论-2014秋.

1、计算机组织与机构计算机组织与机构 秦磊华秦磊华abc_L2计算机类专业的计算机类专业的核心专业基础硬件类课程核心专业基础硬件类课程，介绍计算机各主要，介绍计算机各主要组成部件组成部件( (运算器、控制器、存储器、总线运算器、控制器、存储器、总线) )的结构、工作原理、的结构、工作原理、设计方法以及组成整机的有关技术。设计方法以及组成整机的有关技术。为什么学习计算机组织与结构？3已初步学过的内容上层的应用与下层的硬件有关系吗？上层的应用与下层的硬件有关系吗？( (功能、性能功能、性能) )4sum(int a , unsigned len)int i，sum = 0;for(i = 0; i =

2、 len1; i+) sum += ai;return sum;当参数当参数lenlen为为0 0时，返回值应该时，返回值应该是是0 0，但是在机器上执行时，但是在机器上执行时，却发生访存异常。但当却发生访存异常。但当lenlen为为intint型时则正常。型时则正常。在有些在有些3232位系统上位系统上 -2147483648 2147483647 -2147483648 2147483647 结果为结果为false (Why)false (Why)5对程序段A和B进行时间复杂性和空间复杂性分析你认为两段程序的执行时间相同吗？6培养懂硬件的软件工程师或懂软件的硬件工程师！培养懂硬件的软件工程

3、师或懂软件的硬件工程师！ 软件和硬件协同设计软件和硬件协同设计（硬件、（硬件、OSOS和编译器之间的关联更密切）和编译器之间的关联更密切） 对应用程序员的要求更高对应用程序员的要求更高 编写高效程序必需了解计算机底层结构编写高效程序必需了解计算机底层结构 必需掌握并行程序设计技术和工具必需掌握并行程序设计技术和工具 应用问题更复杂，领域更广应用问题更复杂，领域更广系统观!7如何设计中间层：控制器如何设计中间层：控制器- 构造观构造观 +系统观系统观8 计算机计算机组成原理组成原理数字逻辑电路数字逻辑电路 汇编语言汇编语言 计算机系统结构计算机系统结构 微机接口技术微机接口技术操作系统操作系统应

4、用应用其它基础课其它基础课 基础课基础课 专业基础课专业基础课 专业课专业课9第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述 3学时学时 第二章第二章 数据信息的表示数据信息的表示 5学时学时第三章第三章 运算方法与运算器运算方法与运算器 8学时学时 (习题课与测试习题课与测试)第四章第四章 存储系统存储系统 12学时学时第五章第五章 指令系统指令系统 4学时学时 ( 习题课与测试习题课与测试 )第六章第六章 中央处理器中央处理器 10学时学时第七章第七章 流水线技术流水线技术 9学时学时第八章第八章 系统总线系统总线 4学时学时 （习题课与测试习题课与测试）第九章第九章 输入输入/输出系统输出系

5、统 5学时学时 (最后一次课总复习最后一次课总复习) 10作业与考勤作业与考勤: 10%: 10%三次测试的平均成绩三次测试的平均成绩:10%:10%课程实验课程实验:20%:20% -要求按照实验报告要求书写要求按照实验报告要求书写课外实验课外实验/ /报告报告:10%-:10%-要求按照实验报告要求书写要求按照实验报告要求书写期末考试期末考试:50%:50% 无故缺课无故缺课1/3(201/3(20节节) )或无故不交作业达到或无故不交作业达到1/3(21/3(2次次), ),不能参加课程的不能参加课程的期末考试期末考试; ; 发现抄袭作业者发现抄袭作业者, ,作业平时成绩按作业平时成绩按

6、0 0分记分记; ;发现实验报告抄袭者发现实验报告抄袭者, ,实实验成绩按验成绩按0 0分记分记. .11 系统观系统观+ +构造观的学习视角和学习方法构造观的学习视角和学习方法 勤动手：查阅相关资料并动手实验勤动手：查阅相关资料并动手实验 ( (做中学做中学) ) Xilinx ISE(Integrated Software Environment)硬 多阅读多阅读: :阅读学科前沿资料、阅读经典著作阅读学科前沿资料、阅读经典著作( (研究性学习研究性学习) )本课程的学习过程中应注意的问题方法121(1(美美)RANDAL E.BRYANT)RANDAL E.BRYANT；DAVID OD

7、AVID OHALLARON. HALLARON. 深入理解计算机系统深入理解计算机系统( (修订版修订版). ). (08(08年度畅销榜年度畅销榜TOP50) .TOP50) .中国电力出版社中国电力出版社. .2(2(荷荷)ANDREW S.TANENBAUM.)ANDREW S.TANENBAUM.计算机组成结构化方法计算机组成结构化方法( (英文影印版英文影印版)()(第第5 5版版).).人人民邮电出版社民邮电出版社. .3(3(美美)DAVID A.PATTERSON)DAVID A.PATTERSON；JOHN L.HENNESSY.JOHN L.HENNESSY.计算机组成与

8、设计硬件计算机组成与设计硬件/ /软件接软件接口口( (原书第原书第3 3版版).).机械工业出版社机械工业出版社. .4Carl 4Carl HamacherHamacher ZvonkoZvonko VranesicVranesic SafwatSafwat ZakyZaky著著. .计算机组成计算机组成. . 机械工业出机械工业出版社版社. .55唐朔飞唐朔飞. . 计算机组成原理计算机组成原理( (第第2 2版版).).高等教育出版社高等教育出版社66白中英；戴志涛；周锲等白中英；戴志涛；周锲等. .计算机组成原理计算机组成原理. .科学出版社科学出版社. .秦磊华秦磊华 吴非吴非 莫

9、正坤莫正坤. . 计算机组成原理计算机组成原理. . 清华大学出版社清华大学出版社,2012,2012教材及参考书13/cs61c/su08/ (UC Berkeley Machine Structure)/cs150/sp09/ (UC Berkeley Components and Design Techniques for Digital System)/cs152/sp09/ (美国UC Berkeley Compute

10、r Architecture and Engineering)/class/ee108b (美国Stanford Digital SystemII )/ece447/ ( Carnegie Mellon Introduction to Computer Architecture )/courses/electrical-engineering-and-computer-science/ Mit计算机科学与工程系计算机系列课程网站计算机科学与工程系计算机系列课程网站http:/

11、7/2013/jsjzcyl/ (国家精品资源共享课网站国家精品资源共享课网站)学习资源参考1415第一章第一章:计算机系统概论计算机系统概论导导 学学171. 1.学习目标学习目标1) 1)理解冯理解冯 诺依曼体系结构计算机的特点、工作原理；诺依曼体系结构计算机的特点、工作原理；2) 2)熟悉计算机系统的组成及各部分的作用；熟悉计算机系统的组成及各部分的作用；3) 3)了解计算机的性能指标及其意义，能运用这些指标进行了解计算机的性能指标及其意义，能运用这些指标进行初步的计算机系统性能评价；初步的计算机系统性能评价；4) 4)理解计算机系统的层次结构理解计算机系统的层次

12、结构。18 2. 2.学习重点与难点学习重点与难点 1) 1)冯诺依曼体系结构计算机的工作原理冯诺依曼体系结构计算机的工作原理 深入理解深入理解“存储程序存储程序”和和“程序控制程序控制”的本质的本质2) 2)计算机系统性能评价指标计算机系统性能评价指标 （较难理解）（较难理解） 性能评价指标的含义性能评价指标的含义 性能评价指标的局限性性能评价指标的局限性 性能评价指标的应用性能评价指标的应用3) 3)计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 理解不同层次的程序员视角理解不同层次的程序员视角 理解透明性概念理解透明性概念193. 3.学习方法与建议学习方法与建议1) 1)综合利用本课程的教学

13、资源，加强对重、难点知识的学习、综合利用本课程的教学资源，加强对重、难点知识的学习、理解和应用。理解和应用。7/2013/jsjzcyl/202) 2)充分利用本章的拓展资源，全面了解计算机发展的历史，并充分利用本章的拓展资源，全面了解计算机发展的历史，并就有关问题进行广泛的沟通与交流。就有关问题进行广泛的沟通与交流。213) 3)完成本章实践教学部分的实践内容完成本章实践教学部分的实践内容 学习基准测试工具学习基准测试工具3DMark3DMark的安装和使用方法；的安装和使用方法； 学习硬件检测工具学习硬件检测工具CPU-ZCPU-Z的安装和使用方法；的安

14、装和使用方法； 分别用上述测试工具对不同计算机进行性能测试分别用上述测试工具对不同计算机进行性能测试, ,并对测试并对测试结果进行对比分析，给出你关于性能测试工具使用的建议。结果进行对比分析，给出你关于性能测试工具使用的建议。 224) 4)及时进行测试，检查学习效果及时进行测试，检查学习效果利用系统提供的自测试题对本章知识的掌握情况进行测试利用系统提供的自测试题对本章知识的掌握情况进行测试计算机组成原理第一章计算机组成原理第一章知识点一：冯诺伊曼计算机工作原理知识点一：冯诺伊曼计算机工作原理241. 1.问题引入问题引入冯诺伊曼计算机的工作原理？掌握工作原理的意义？冯诺伊曼计算机的工作原理？

15、掌握工作原理的意义？ 一般用户：一般用户： 能正确使用计算机；能正确使用计算机； 系统维护者：系统维护者： 使计算机更稳定地工作，出现问题能及时解决；使计算机更稳定地工作，出现问题能及时解决； 系统设计者：系统设计者： 熟悉基本功能部件和系统的设计及优化方法；熟悉基本功能部件和系统的设计及优化方法；252. 2.冯诺伊曼结构计算机的基本工作原理冯诺伊曼结构计算机的基本工作原理存储程序：存储程序：将解题的步骤编成程序并存于主存；将解题的步骤编成程序并存于主存；程序控制程序控制：控制器根据指令要完成的功能产生控制信号，控制相关控制器根据指令要完成的功能产生控制信号，控制相关 功能部件的操作，完成指

16、令的功能。功能部件的操作，完成指令的功能。263. 3.冯诺伊曼结构计算机的基本结构冯诺伊曼结构计算机的基本结构1)1)主存主存 功能：保存程序和数据功能：保存程序和数据 访问机制：按地址访问访问机制：按地址访问 关注的指标：容量、速度关注的指标：容量、速度272) 2) 运算器运算器 功能：功能：算术运算与逻辑运算算术运算与逻辑运算 结构：算术逻辑单元（结构：算术逻辑单元（ALUALU）、寄存器）、寄存器条件状态寄存器283) 3) 控制器控制器 功能：功能： 解释指令并产生系列控制信号，控制相关功能部件的操作。解释指令并产生系列控制信号，控制相关功能部件的操作。 结构：内部结构复杂结构：内

17、部结构复杂294)4)输入输入/ /输出设备输出设备 功能：功能： 实现主机信息与外部设备间进的信息交换实现主机信息与外部设备间进的信息交换305)5)系统总线系统总线 功能：功能： 功能部件的连接线（地址线、数据线、控制线）功能部件的连接线（地址线、数据线、控制线）31知识点一回顾知识点一回顾 工作原理：工作原理：存储程序、程序控制存储程序、程序控制 基本结构：基本结构：运算器、控制器、存储器、运算器、控制器、存储器、I/OI/O设备、总线设备、总线计算机组成原理第一章计算机组成原理第一章知识点二：计算机系统性能评价指标知识点二：计算机系统性能评价指标 330. 0.问题引入问题引入评价计算

18、机系统常哪些性能指标？如何才能客观评价计评价计算机系统常哪些性能指标？如何才能客观评价计算机系统的性能？算机系统的性能？341. 1. 基本性能指标基本性能指标 字长字长 ：CPUCPU一次处理的二进制数据位数，通常与一次处理的二进制数据位数，通常与CPUCPU内部寄存器、内部寄存器、 加法器、数据总线的位数有关。加法器、数据总线的位数有关。 存储容量存储容量：存储系统能存储的二进制信息总量，常用单位存储系统能存储的二进制信息总量，常用单位MB、GB。352. 2.与时间有关的性能指标与时间有关的性能指标 1)1)主频主频 指指CPU的时钟频率，目前以的时钟频率，目前以GHZ为主流。主频并不直

19、接代表为主流。主频并不直接代表CPU的运算速度快，需综合考量。的运算速度快，需综合考量。2)2)时钟周期时钟周期 是计算机内处理操作最基本的时间单位。数值是主频倒数是计算机内处理操作最基本的时间单位。数值是主频倒数,也称节拍周期或也称节拍周期或T周期周期 。主频。主频100MHz 时钟周期为时钟周期为10ns(纳纳秒秒)，主频为，主频为1GHz 时钟周期为时钟周期为1ns。36CPI = 程序中所有指令的时钟周期数总和程序中所有指令的时钟周期数总和/程序所包含的指令条数程序所包含的指令条数2. 2.与时间有关的性能指标与时间有关的性能指标 3) CPI (Clock cycles Per In

20、struction)3) CPI (Clock cycles Per Instruction)指令执行所需要的平均时钟周期数。可从多角度去理解指令执行所需要的平均时钟周期数。可从多角度去理解CPICPI,如如某某类指类指令的令的CPI（如运算类指令）、某段程序的（如运算类指令）、某段程序的CPI、指令系统的、指令系统的CPI等等.niiiICICCPI1)(CPIi表示程序中某类指令的表示程序中某类指令的CPI、ICi表示程序中某类指令的条数、表示程序中某类指令的条数、IC表示程序中的指令总数。表示程序中的指令总数。37应用举例应用举例: :某程序的目标代码主要由某程序的目标代码主要由4 4类

21、指令组成，它们在类指令组成，它们在程序中所占的比例和各自的程序中所占的比例和各自的CPICPI下表所示。下表所示。求该程序的求该程序的CPICPICPI = 1CPI = 1 0.6 + 2 0.6 + 2 0.18 + 4 0.18 + 4 0.12 + 8 0.12 + 8 0.1 = 2.24 0.1 = 2.24解：解： 根据根据 CPICPIniiiICICCPI1)(384)CPU4)CPU时间时间 指执行程序时实际消耗的指执行程序时实际消耗的CPU时间；时间； 延时子程序的延时时间就是程序中指令执行时间的总和；延时子程序的延时时间就是程序中指令执行时间的总和； 计算方法：计算方法

22、： CPU时间时间 = 程序中所有指令的时钟周期数之和程序中所有指令的时钟周期数之和/时钟频率时钟频率 = 时钟周期时钟周期 CPI 程序包含的指令总数程序包含的指令总数 =( CPI 指令总数指令总数)/时钟频率时钟频率395)MIPS (Million Instruction Per Second)5)MIPS (Million Instruction Per Second)用用CPU每秒执行的指令数量每秒执行的指令数量(单位：百万条单位：百万条)作为衡量计算机作为衡量计算机性能的指标。性能的指标。MIPS = 程序中指令的条数程序中指令的条数/（程序（程序CPU时间时间 106 ）6C

23、P I 1 0时 钟 频 率MIPS = 时钟频率的单位采用时钟频率的单位采用HZ 将将CPU时间时间=( CPI 指令总数指令总数)/时钟频率时钟频率 代入上代入上式式40主频主频f /时钟周期时钟周期T 最基本的时间单位最基本的时间单位 （只与硬件相关）（只与硬件相关）CPI平均每条指令需要的基本时间单位平均每条指令需要的基本时间单位（与硬件、软件及编译系统优化技术有关）（与硬件、软件及编译系统优化技术有关）CPU时间时间 程序完成所基本时间单位时间的总值程序完成所基本时间单位时间的总值 （与编程序质量及其它综合因素有关）（与编程序质量及其它综合因素有关）MIPS 单位时间内完成的指令总数

24、单位时间内完成的指令总数（与硬件体系结构和其它综合因素有关）（与硬件体系结构和其它综合因素有关）性能指标的对比分析性能指标的对比分析6C P I 1 0时 钟 频 率MIPS = 客观评价计算机性能是一件富有挑战性的工作，本章的实践教学部分，客观评价计算机性能是一件富有挑战性的工作，本章的实践教学部分，提供了提供了2款开源性能测试工具，请大家对自己的计算机性能进行测试，款开源性能测试工具，请大家对自己的计算机性能进行测试，并对结果进行对比分析。并对结果进行对比分析。41应用举例应用举例: :某程序的目标代码主要由某程序的目标代码主要由4 4类指令组成，它们在类指令组成，它们在程序中所占的比例和

25、各自的程序中所占的比例和各自的CPICPI下表所示。下表所示。1) 1)求该程序的求该程序的CPI;CPI;2) 2)若该若该CPUCPU的主频为的主频为400MHZ400MHZ，求该机的，求该机的MIPS.MIPS.CPI = 1CPI = 1 0.6 + 2 0.6 + 2 0.18 + 4 0.18 + 4 0.12 + 8 0.12 + 8 0.1 = 2.24 0.1 = 2.24解：解： 1) 1)根据根据CPICPIniiiICICCPI1)(MIPS = (400MIPS = (400 10106 6)/(2.24)/(2.24 10106 6) = 178.6) = 178.62) 2)根据根据 公式公式MIPS =MIPS =6C P I 1 0时钟频率42知识点二知识点二 回顾回顾 理解各性能指标的涵义及其之间的关系理解各性能指标的涵义及其之间的关系 学会应用两个基