计算机系统概论

计算机系统概论演示文稿目前一页\总数三十六页\编于十一点（优选）计算机系统概论目前二页\总数三十六页\编于十一点教学目的：让学生了解硬件和软件、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个较粗的总体概念，以便于展开后续各章内容。重点：计算机系统的层次结构、硬件框图、“存储程序”的思想、硬件技术指标。难点：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数据？教学要求目前三页\总数三十六页\编于十一点引入新课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、播放音乐等的呢？

目前四页\总数三十六页\编于十一点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1.1.1计算机软、硬件概念硬件软件目前五页\总数三十六页\编于十一点按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统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1.1.1计算机软、硬件概念目前六页\总数三十六页\编于十一点计算机高级语言程序目标程序结果翻译运行（2）计算机的解题过程1.1.1计算机软、硬件概念目前七页\总数三十六页\编于十一点1.1.2计算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目前八页\总数三十六页\编于十一点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问题1：随计算机技术发展而逐渐出现的几个概念？（1）硬件软化？（2）软件硬化？（3）固件化？问题2：在层次结构中，针对计算机本身的构成，还可抽象出一些层次结构，如：4GL级、寄存器级、微操作控制级、机器指令级等等？1.1.2计算机系统的层次结构本书主要讨论M1和M0的组成原理和设计思想。目前九页\总数三十六页\编于十一点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计算机体系结构计算机组成实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）（具体指令的实现）1.1.3计算机体系结构和计算机组成目前十页\总数三十六页\编于十一点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（典型的）（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1.2.1冯·诺依曼计算机的特点（5）存储程序目前十一页\总数三十六页\编于十一点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（典型的）存储器输入设备运算器控制器输出设备1.2.1冯·诺依曼计算机的特点目前十二页\总数三十六页\编于十一点（1）现代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1.2.2计算机硬件框图目前十三页\总数三十六页\编于十一点ALU主存辅存CPU主机I/O硬件CU（2）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/OCU主存1.2.2计算机硬件框图目前十四页\总数三十六页\编于十一点（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0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令—每一个步骤1.2.3计算机的工作步骤对很难直接用物理模型来模拟变化规律的研究对象，总能找到一系列反映其变化规律的数学方程组。目前十五页\总数三十六页\编于十一点取x

至运算器中乘以x

在运算器中乘以a在运算器中存ax2在存储器中取b至运算器中乘以x

在运算器中加ax2

在运算器中加c在运算器中=(ax+b)x+c取x

至运算器中乘以a在运算器中加b在运算器中乘以x

在运算器中加c在运算器中计算ax2+bx+c编程举例问题3：计算机中为什么通常要降幂运算？1.2.3计算机的工作步骤目前十六页\总数三十六页\编于十一点0000010000001000打印

停机取数α[α]ACC存数β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]

ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式举例操作码地址码

[

]打印机1.2.3计算机的工作步骤目前十七页\总数三十六页\编于十一点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ACC10001000000001001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程序清单目前十八页\总数三十六页\编于十一点ACCMQX（2）计算机的解题过程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1.2.3计算机的工作步骤目前十九页\总数三十六页\编于十一点运算器MQACCALUXACC被加数ACC初态①加法操作过程[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M1.2.3计算机的工作步骤目前二十页\总数三十六页\编于十一点②减法操作过程运算器MQACCALUX指令减MACC被减数ACC初态[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC1.2.3计算机的工作步骤目前二十一页\总数三十六页\编于十一点运算器MQACCALUXACCACC被乘数初态ACCMQ[M]MQ指令乘M③乘法操作过程X[ACC]X00ACCALU[X]×[MQ]ACC∥MQACCMQ1.2.3计算机的工作步骤目前二十二页\总数三十六页\编于十一点运算器MQACCALUXACC被除数ACC初态[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余数在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作过程1.2.3计算机的工作步骤目前二十三页\总数三十六页\编于十一点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）存储器的基本组成主存储器存储体MARMDR1.2.3计算机的工作步骤目前二十四页\总数三十六页\编于十一点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主存储器存储体MARMDR存储器的基本组成1.2.3计算机的工作步骤目前二十五页\总数三十六页\编于十一点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）+

1PCIR存放当前欲执行的指令访存访存完成一条指令控制器的基本组成1.2.3计算机的工作步骤目前二十六页\总数三十六页\编于十一点123567894主机完成一条指令的过程——取数指令CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O1.2.3计算机的工作步骤目前二十七页\总数三十六页\编于十一点123567984CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O主机完成一条指令的过程——存数指令1.2.3计算机的工作步骤目前二十八页\总数三十六页\编于十一点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

)+

1PC执行指令

MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC1.2.3计算机的工作步骤目前二十九页\总数三十六页\编于十一点1.3计算机硬件的主要技术指标（1）机器字长（2）运算速度CPU

一次能处理数据的位数与

CPU

中的

寄存器位数

有关=ni

=1fi

tiTM∑吉普森法主频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FLOPS目前三十页\总数三十六页\编于十一点全国硕士研究生入学考试题：某计算机主频为1.2

GHz，其指令分为4类，它们在基准程序中所占比例及CPI如下表所示。

该机的MIPS数是：

A.

100

B.

200

C.

400

D.

600

答案：C目前三十一页\总数三十六页\编于十一点221

=

256KB213=

1KB如：（3）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10

816

32存放二进制信息的总数量1K=2101Byte=231G=2301K

×

8位64K

×

32位1.3计算机硬件的主要技术指标目前三十二页\总数三十六页\编于十一点第一篇概论内部互连ALUCU寄存器中央处理单元寄存器解码器控制单元排队逻辑控制存储器第二篇计算机系统硬件结构第三篇CPU第四篇CU计算机I/O系统总线存储器CPU1.4本书结构目前三十三页\总数三十六页\编于十一点课堂练习题：1.下列有关运算器的描述中，______是正确的。A.只做算术运算，不做逻辑运算B.只做加法C.能暂时存放运算结果D.既做算术运算，又做逻辑运算

答