计算机组成原理第一章-系统概论

1、课程研究内容 基本结构 Basic Architecture 工作原理Principle 设计方法 Layout Methods 讲解重点 透视计算机：计算机组成与结构 理解计算机：计算机基本原理和工作过程 课程目的 掌握计算机的基本组成、内部结构及其工作原理 培养学生分析和设计计算机或计算机部件的能力与其它课程的关系第一章计算机系统概论第1.1节计算机系统简介一个完整人的系统包含哪些组成部分？大脑眼睛、耳朵嘴巴、手脚意识、推理、判断信息的输入模块信息的输出模块外界信息的处理和决策身体的总控制单元记忆脑细胞信息存储部分神经脉冲我们身边的计算机的组成如何？CPU显示器、音响等鼠标、键盘、耳麦存储

2、器系统软件、应用软件信息输入模块信息输出模块信息存储模块算法，逻辑，判断此模块可以看得见，摸得着吗？一、计算机的软硬件概念由具有各类特殊功能的信息（程序）组成计算机系统构成计算机的物理实体，如主机、外设等硬件软件1. 计算机系统按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统，使系统资源得到合理的利用。 系统软件应用软件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第1.2节计算机的基本组成1.2、计算机的基本组成 存储程序思想美籍科学家冯诺依曼1945年提出的存储程序思想，奠定了计算机自动计算的基础存储程序原理 计算机要自动完成解题任务，必须将事先设计好、用以描述计算机解题过程的程

3、序如同数据一样，采用二进制形式存储在机器中，计算机在工作时自动高速地从机器中逐条取出指令加以执行。1.2、计算机的基本组成经典冯.诺依曼计算机框架控制流数据流 运算器 ALU输出设备 存储器 控制器输入设备将信息转换成机器能识别的形式存放数据和程序将结果转换成人们熟悉的形式算术运算逻辑运算指挥程序运行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2. 指令和数据以同等地位存于存储器， 可按地址寻访5. 存储程序一、冯诺依曼计算机的特点5. 存储程序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

4、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存储器输入设备运算器控制器输出设备冯诺依曼计算机硬件框图存储器输入设备运算器控制器输出设备二、计算机硬件框图1. 以存储器为中心的计算机硬件框图程序存储器输出设备输入设备运算器控制器数据结果计算ALU主存辅存CPU主机I/O设备硬件CU2.现代计算机硬件框图存储器输入设备运算器输出设备控制器ALUCPU主机I/O设备CU主存人从外界接受信息到对外界作出反应的完整过程是怎样的？耳朵接收语言语言释义脑电波伺服机制（手脚，口）那么面对C语言等高级语言， 电脑怎么解释到机器能够执行的机器语言呢？计算机高级语言程序目标程序结果翻译运行计算机的解题过程计算

5、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操作系统虚拟机器机器语言实际机器 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软件硬件虚拟机器 M4虚拟机器 M3虚拟机器 M2实际机器 M1微程序机器 M0人的思想如何反应在行为上？脑电波大脑控制部分肌肉控制肢体行动高级语言既然解释到机器语言，那么机器语言又是如何在计算机中执行的？1.上机前的准备 建立数学模型 -+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin 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

6、计算机的工作步骤取x 至运算器（ACC）中乘以x 在ACC中乘以a 在ACC中存ax2 在ACC中取b 至ACC中乘以x 在ACC中加ax2 在ACC中加c 在ACC中= (ax + b)x + c 取x 至ACC中乘以a 在ACC中加b 在ACC中乘以x 在ACC中加c 在ACC中计算 ax2 + bx +c 编程举例停机000001 0000001000取数 xx ACC存数 yACC y加 zACC+z ACC指令格式举例操作码地址码乘 wACCw ACC打印 r r 打印机指令和数据存于主存单元的地址 指令 注释操作码 地址码00000010000001000取数x至ACC100010

7、00000001001乘a得ax ,存于ACC中20000110000001010加b得ax+b ,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2 + bx + c ,存于ACC50000100000001100将ax2 + bx +c ,存于主存单元60001010000001100打印7000110停机8 x原始数据x9 a原始数据a10 b原始数据b11 c原始数据c12存放结果计算 ax2 + bx + c 程序清单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

8、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）(1)存储器的基本组成MDR主存储器存储体MAR计算机的解题过程MARMDR 存储单元个数 16存储字长 8 设 MAR = 4 位 MDR = 8 位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(1)存储器的基本组成MDR主存储器存储体MAR ACC MQ X(2)运算器的基本组成及操作过程运算器MQACCALUX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乘积高位乘积低位运算器MQACCALUXACC 被加数ACC初态 加法操作过程ACC+X

9、ALUM XXACCACC指令 加M 减法操作过程运算器MQACCALUX指令 减MACC 被减数ACC初态 M XXACC-XALUACCACC运算器MQACCALUXACCACC 被乘数初态 MQMMQ指令 乘M 乘法操作过程XACCXALUXMQ00ACCACCMQACCMQ运算器MQACCALUXACC 被除数ACC初态 ACCXALUMQACCMQ余数在ACC中指令 除MM XX 除法操作过程取指令分析指令执行指令PCIRCUPCIRCU取指执行PC 存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（PC）+ 1 PCIR 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123

10、56789以取数指令为例4(4)主机完成一条指令的过程CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR运算器MQACCALUXI/O设备12356798以存数指令为例4(4)主机完成一条指令的过程CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR运算器MQACCALUXI/O设备(5) ax2 + bx + c 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,(PC )+ 1 PC 执行指令 MARMMDR IRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC 第1.3节 计算机硬件的主要技术指标如何提高人的反

11、应速度？ 这个问题需要参考人的一系列生理指标1. 人的敏捷能力2. 人的意识反应速度 其余指标省略 那么,计算机又该如何提高程序的执行效率？1.3、计算机硬件的主要技术指标 性能指标 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 主频：5MHz(8086)3GHz(奔腾4)决定计算机运行的速度，主频越高，运算速度越快提高主频的方法工艺外频和倍频1.3、计算机硬件的主要技术指标 性能指标 存储容量主存越大，处理问题的速度越快与外存交换次数越少，效率越高？213 = 1KB如：主存容量辅存容量存储单元个数 存储字长字节数如：MAR MDR 容量10 81K = 2101G = 2301K 8位字节数 80GB1.3、计算机硬件的主要技术指标 性能指标 运算速度计算机工作能力和工作效率的主要表征实际测试、模拟分析=ni =1fi tiTM吉普森法每秒执行百万条指令MIPS执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒浮点运算次数FLOPS1.3、计算机硬件的主要技术指标 性能指标 运算精度用计算机能直接处理的二进制信息位数衡量精度与寄存器的位数的关系，位数越多，精度越高精度与操作系统的关系整数边界原则1.3、计算机硬件的主要技术指标 性能指标 存取周期 对主存储器连续两次访问所允