片上计算机系统01-概论课件

计算机组成原理计算机组成原理第一章 计算机系统概论姓姓 名：杨慧晶名：杨慧晶单单 位：软件学院位：软件学院EmailEmail：大连理工大学 软件学院 赖晓晨课程概论课程概论教学目的、任务：教学目的、任务：p掌握计算机系统各部件的组成，最终达到从系统的角度、整机的角度完整、准确的理解和掌握计算机系统的理论、组成原理，为学习其它专业基础课和专业课打下一个良好的基础。教学内容：教学内容：p本课程的教学分理论和实验教学两部分。理论教学注重基本问题的解决方法、基本系统的分析方法、设计方法，从而掌握基本的计算机理论与概念。实验教学注重培养动手能力、分析和解决问题的能力，从而提高学生的系统设计方面的能力。大连理工大学 软件学院 赖晓晨课程概论课程概论基本要求：基本要求：p掌握数字化信息编码及运算方法，运算器的逻辑构成与设计；p熟悉半导体存储器、磁表面存储器基本原理，掌握存储体系构成；p掌握寻址和指令系统；p熟悉中央处理器组成、时序控制方法，掌握控制器设计技术；p熟悉系统总线和I/O系统。大连理工大学 软件学院 赖晓晨什么是计算机？什么是计算机？什么是计算机？什么是计算机？一种快速高效地完成信一种快速高效地完成信一种快速高效地完成信一种快速高效地完成信息处理的息处理的息处理的息处理的数字化电子设备数字化电子设备数字化电子设备数字化电子设备。它能按照编写的程序对它能按照编写的程序对它能按照编写的程序对它能按照编写的程序对原始输入数据进行加工处理、原始输入数据进行加工处理、原始输入数据进行加工处理、原始输入数据进行加工处理、存储或传送，以便获得所期存储或传送，以便获得所期存储或传送，以便获得所期存储或传送，以便获得所期望的输出信息，从而利用这望的输出信息，从而利用这望的输出信息，从而利用这望的输出信息，从而利用这些信息来提高社会生产效率，些信息来提高社会生产效率，些信息来提高社会生产效率，些信息来提高社会生产效率，改善生活质量。改善生活质量。改善生活质量。改善生活质量。大连理工大学 软件学院 赖晓晨计算工具的发展历史计算工具的发展历史计算工具的发展历史计算工具的发展历史早期计算工具的发展早期计算工具的发展早期计算工具的发展早期计算工具的发展 筹算法珠算计算尺筹算法珠算计算尺筹算法珠算计算尺筹算法珠算计算尺近代计算机器的发展近代计算机器的发展近代计算机器的发展近代计算机器的发展 计算器计算机器差分机与分析机计算器计算机器差分机与分析机计算器计算机器差分机与分析机计算器计算机器差分机与分析机现代计算机的发展现代计算机的发展现代计算机的发展现代计算机的发展 采用了先进的电子技术，基于大规模和超大采用了先进的电子技术，基于大规模和超大采用了先进的电子技术，基于大规模和超大采用了先进的电子技术，基于大规模和超大规模集成电路的计算机器系统规模集成电路的计算机器系统规模集成电路的计算机器系统规模集成电路的计算机器系统 （CPUCPU出现）出现）出现）出现）大连理工大学 软件学院 赖晓晨计算机结构和组成概念指计算机硬件的具体实现系统程序员所能见到的计算机硬件特性计算机结构计算机组成大连理工大学 软件学院 赖晓晨程序员所见到的计算机系统的属性即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）计算机体系结构和计算机组成大连理工大学 软件学院 赖晓晨计算机的软硬件概念由具有各类特殊功能的信息（程序）组成计算机系统计算机的实体，如主机、外设等硬件软件大连理工大学 软件学院 赖晓晨计算机的软件主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确保高效运行。系统软件应用软件软件它是用户根据任务需要所编制的各种程序。标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序数据库管理系统、网络软件科学计算程序，数据处理程序，过程控制程序，事务管理程序大连理工大学 软件学院 赖晓晨p计算机语言经历了由机器语言汇编语言高级语言的发展过程。p机器语言是和计算机的硬件设计同时产生的，是一组由二进制代码（0和1）组成的指令和数据。p由于机器语言烦琐、单调，难于看懂，给使用和记忆都带来很多困难。所以，人们对它进行了改进，赋予每条指令一个名称，这种指令码的名称叫“助记符”。采用这种助记符的语言就是汇编语言。p汇编语言虽然比机器语言便于记忆和书写，但还是有许多不足：如功能有限，编程工作繁重而费时，依赖处理器，这些都限制了汇编语言的应用范围。因此，又导致了高级语言的诞生。大连理工大学 软件学院 赖晓晨p常用于科学计算和数据处理的高级语言有：C，BASIC，FORTRAN，ALGOL，PASCAL，COBOL，Ada等。常用于人工智能的语言有LISP和PROLOG等。后期发展出来的面向对象语言C+,JAVA,.NET等。p计算机只能执行机器语言，因此，汇编语言和高级语言都要先经过编译，将其翻译成机器语言，然后计算机才能执行。大连理工大学 软件学院 赖晓晨计算机的解题过程计算机高级语言程序目标程序结果翻译运行大连理工大学 软件学院 赖晓晨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大连理工大学 软件学院 赖晓晨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大连理工大学 软件学院 赖晓晨p不同计算机系统之间的多层次结构的划分与实现方法是有差别的，一般来说，相邻级语言的语法结构的差别不要太大，这样才便于编译或解释，但最后总是要翻译成能在机器上执行的机器语言程序。大连理工大学 软件学院 赖晓晨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存储器输入设备运算器控制器输出设备计算机的计算机的硬件硬件大连理工大学 软件学院 赖晓晨p运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件，经常进行的是算术运算和逻辑运算，所以在其内部有一个算术及逻辑运算部件（ALU）。算术运算是按照算术规则进行的运算，如加、减、乘、除、求绝对值、求负值等。逻辑运算是指非算术性质的运算，如比较大小、移位、逻辑乘、逻辑加等。在计算机中，一些复杂的运算往往被分解成一系列算术运算和逻辑运算。p控制器主要用来实现计算机本身运行过程的自动化，即实现程序的自动执行。p由于电路集成度的提高，现在已把运算器和控制器集成在一个芯片中，称为中央处理器又叫CPU大连理工大学 软件学院 赖晓晨p存储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存储和交流中心。存储器又分为主存储器和辅助存储器，当前在计算机上运行的程序和数据是存放在主存储器中的。p输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程序（输入数据和程序）。输入的信息有数字符、字母和控制符，这些字符通常用ASCII码表示，它用7位二进制码来表示一个字符，因此有27即128个，最高一位（第8位）可用于奇偶校验或作其他用处，如果第8位也用作字符编码，则有28即256个，第128255称为扩展ASCII码。在计算机中，一般把8位二进制码称为一个字节。最常用的输入设备是键盘。p输出设备用来输出计算机的处理结果，可以是数字、字母、表格、图形等。最常用的输出设备是显示器和打印机。大连理工大学 软件学院 赖晓晨p在计算机中，各部件间来往的信号可分为三种类型：即地址、数据和控制信号，通常这些信号是通过总线传送的。因此计算机中的总线有地址总线、数据总线和控制总线三类。大连理工大学 软件学院 赖晓晨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大连理工大学 软件学院 赖晓晨计算机的基本组成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7.以运算器为中心2.指令序列构成的程序存放在存储器中，计算机的运行受程序控制一、冯诺依曼计算机的特点5.数据和程序存储在同一个存储器中6.指令和数据都可以送到运算器中参与运算大连理工大学 软件学院 赖晓晨计算机硬件框图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大连理工大学 软件学院 赖晓晨2.现代计算机硬件框图ALUCPU主机I/O设备CU主存ALU主存辅存CPU主机I/O设备硬件CU存储器输入设备运算器输出设备控制器计算机硬件框图大连理工大学 软件学院 赖晓晨第一代第一代第一代第一代 电子管计算机电子管计算机电子管计算机电子管计算机 19461946194619461957195719571957第二代第二代第二代第二代 晶体管计算机晶体管计算机晶体管计算机晶体管计算机 19581958195819581964 1964 1964 1964 第三代第三代第三代第三代 中、小规模集成电路计算机中、小规模集成电路计算机中、小规模集成电路计算机中、小规模集成电路计算机 19651965196519651971 1971 1971 1971 中小规模集成电路中小规模集成电路中小规模集成电路中小规模集成电路 19721972197219721977 1977 1977 1977 大规模集成电路大规模集成电路大规模集成电路大规模集成电路未来代未来代未来代未来代 光子计算机光子计算机光子计算机光子计算机利用光子取代电子进行运算和存储利用光子取代电子进行运算和存储利用光子取代电子进行运算和存储利用光子取代电子进行运算和存储 DNADNADNADNA生物计算机生物计算机生物计算机生物计算机通过控制通过控制通过控制通过控制DNADNADNADNA分子间的生化反应分子间的生化反应分子间的生化反应分子间的生化反应 量子计算机量子计算机量子计算机量子计算机利用原子所具有的量子特性利用原子所具有的量子特性利用原子所具有的量子特性利用原子所具有的量子特性 神经计算机神经计算机神经计算机神经计算机用人意识脑电波直接控制用人意识脑电波直接控制用人意识脑电波直接控制用人意识脑电波直接控制第四代第四代第四代第四代 大、超大规模集成电路计算机大、超大规模集成电路计算机大、超大规模集成电路计算机大、超大规模集成电路计算机 1978197819781978现在现在现在现在 超大规模集成电路超大规模集成电路超大规模集成电路超大规模集成电路计算机的发展史计算机的发展史大连理工大学 软件学院 赖晓晨19461946美美美美 历史上第一台电子计算机历史上第一台电子计算机历史上第一台电子计算机历史上第一台电子计算机ENIACENIAC（Numerical Integrator And Calculator ComputerNumerical Integrator And Calculator Computer）ENIAC:ENIAC:ENIAC:ENIAC:18000180001800018000电子管电子管电子管电子管1500150015001500继电器继电器继电器继电器占地占地占地占地1 1 1 1万平米万平米万平米万平米重重重重30303030余吨余吨余吨余吨耗耗耗耗150150150150千瓦千瓦千瓦千瓦Pentium:Pentium:Pentium:Pentium:几百万晶体管几百万晶体管几百万晶体管几百万晶体管25252525平方厘米平方厘米平方厘米平方厘米小于小于小于小于15151515瓦瓦瓦瓦大连理工大学 软件学院 赖晓晨大连理工大学 软件学院 赖晓晨（1 1 1 1）19711971197119714004400440044004全球第一块微处理器全球第一块微处理器全球第一块微处理器全球第一块微处理器 4 4 4 4位带宽位带宽位带宽位带宽 工作频率为工作频率为工作频率为工作频率为108kHz108kHz108kHz108kHz 集成了集成了集成了集成了2300230023002300多个晶体管多个晶体管多个晶体管多个晶体管 寻址空间只有寻址空间只有寻址空间只有寻址空间只有640B640B640B640B 主要用来处理算术运算主要用来处理算术运算主要用来处理算术运算主要用来处理算术运算微处理器的发展史微处理器的发展史大连理工大学 软件学院 赖晓晨（2 2 2 2）19741974197419748080808080808080新一代新一代新一代新一代8 8 8 8位微处理器位微处理器位微处理器位微处理器 8 8 8 8位位位位 时钟频率为时钟频率为时钟频率为时钟频率为2MHz2MHz2MHz2MHz 集成了集成了集成了集成了6000600060006000个晶体管个晶体管个晶体管个晶体管 8080808080808080是一个划时代的产品是一个划时代的产品是一个划时代的产品是一个划时代的产品大连理工大学 软件学院 赖晓晨（3 3 3 3）19781978197819788086808680868086第一代第一代第一代第一代16161616位的微处理机位的微处理机位的微处理机位的微处理机 16bit16bit16bit16bit 10MHz 10MHz 10MHz 10MHz 29000 29000 29000 29000个晶体管个晶体管个晶体管个晶体管 1MB1MB1MB1MB寻址空间寻址空间寻址空间寻址空间 19791979197919798088808880888088简化版本，减低成本简化版本，减低成本简化版本，减低成本简化版本，减低成本 4MHz4MHz4MHz4MHz主频主频主频主频 8 8 8 8位数据线位数据线位数据线位数据线16161616位地址线的的准位地址线的的准位地址线的的准位地址线的的准16161616位位位位CPUCPUCPUCPU 引入实模式的工作方式引入实模式的工作方式引入实模式的工作方式引入实模式的工作方式8088CPU大连理工大学 软件学院 赖晓晨过渡产品，未推向市场过渡产品，未推向市场大连理工大学 软件学院 赖晓晨（4 4 4 4）198219821982198280286802868028680286第二代微处理机第二代微处理机第二代微处理机第二代微处理机 16161616位的位的位的位的CPUCPUCPUCPU 主频达到了主频达到了主频达到了主频达到了20MHz 20MHz 20MHz 20MHz 集成集成集成集成13131313万多个晶体管万多个晶体管万多个晶体管万多个晶体管 寻址寻址寻址寻址16MB16MB16MB16MB 虚拟地址空间达到虚拟地址空间达到虚拟地址空间达到虚拟地址空间达到1GB1GB1GB1GB 两种两种两种两种CPUCPUCPUCPU工作方式：实模式、保护模式工作方式：实模式、保护模式工作方式：实模式、保护模式工作方式：实模式、保护模式大连理工大学 软件学院 赖晓晨（5 5 5 5）198519851985198580386803868038680386第三代微处理机第三代微处理机第三代微处理机第三代微处理机 全全全全32323232位，数据总线和地址总线均为位，数据总线和地址总线均为位，数据总线和地址总线均为位，数据总线和地址总线均为32323232位位位位 时钟频率达到时钟频率达到时钟频率达到时钟频率达到33MHz33MHz33MHz33MHz 集成集成集成集成27.527.527.527.5万个晶体管万个晶体管万个晶体管万个晶体管 具有具有具有具有4GB4GB4GB4GB的物理寻址能力的物理寻址能力的物理寻址能力的物理寻址能力 64TB64TB64TB64TB虚拟存储空间（有分段存储管理、分页虚拟存储空间（有分段存储管理、分页虚拟存储空间（有分段存储管理、分页虚拟存储空间（有分段存储管理、分页 存储存储存储存储管理单元）管理单元）管理单元）管理单元）虚拟虚拟虚拟虚拟8086808680868086工作方式工作方式工作方式工作方式 协处理器协处理器协处理器协处理器80387803878038780387，主要用于浮点运算，主要用于浮点运算，主要用于浮点运算，主要用于浮点运算大连理工大学 软件学院 赖晓晨（6 6 6 6）198919891989198980486804868048680486第四代微处理机第四代微处理机第四代微处理机第四代微处理机 32323232位的全新位的全新位的全新位的全新CPUCPUCPUCPU 100MHz 100MHz 100MHz 100MHz，时钟倍频技术出现，时钟倍频技术出现，时钟倍频技术出现，时钟倍频技术出现 集成集成集成集成120120120120万个晶体管，突破万个晶体管，突破万个晶体管，突破万个晶体管，突破100100100100万只万只万只万只 集成有集成有集成有集成有CacheCacheCacheCache（高速缓冲存储器）（高速缓冲存储器）（高速缓冲存储器）（高速缓冲存储器）8KB8KB8KB8KB 采用了采用了采用了采用了RISCRISCRISCRISC（精简指令系统）结构（精简指令系统）结构（精简指令系统）结构（精简指令系统）结构大连理工大学 软件学院 赖晓晨（7 7 7 7）1993199319931993PentiumPentiumPentiumPentium第五代微处理机第五代微处理机第五代微处理机第五代微处理机（Classic PentiumClassic PentiumClassic PentiumClassic Pentium经典奔腾）经典奔腾）经典奔腾）经典奔腾）32323232位地址线位地址线位地址线位地址线64646464位数据线的高性能处理机位数据线的高性能处理机位数据线的高性能处理机位数据线的高性能处理机 芯片内部集成进芯片内部集成进芯片内部集成进芯片内部集成进310310310310万个晶体管万个晶体管万个晶体管万个晶体管 66MHz66MHz66MHz66MHz100MHz100MHz100MHz100MHz，后者比，后者比，后者比，后者比33MHz80486DX33MHz80486DX33MHz80486DX33MHz80486DX快快快快68686868倍倍倍倍 16KBCache16KBCache16KBCache16KBCache 两条超标量流水线（两条超标量流水线（两条超标量流水线（两条超标量流水线（U U U U流水线、流水线、流水线、流水线、V V V V流水线）流水线）流水线）流水线）大连理工大学 软件学院 赖晓晨(8)1995(8)1995(8)1995(8)1995Pentium ProPentium ProPentium ProPentium Pro高能奔腾高能奔腾高能奔腾高能奔腾 64bit64bit64bit64bit数据总线，数据总线，数据总线，数据总线，36bit36bit36bit36bit地址总线地址总线地址总线地址总线 时钟频率为时钟频率为时钟频率为时钟频率为133MHz 133MHz 133MHz 133MHz 集成集成集成集成550550550550万个晶体管万个晶体管万个晶体管万个晶体管 二级二级二级二级CacheCacheCacheCache（8KB8KB8KB8KB指令指令指令指令+8KB+8KB+8KB+8KB数据数据数据数据+256KB+256KB+256KB+256KB二级）二级）二级）二级）64GB64GB64GB64GB寻址寻址寻址寻址 “动态执行动态执行动态执行动态执行”技术技术技术技术大连理工大学 软件学院 赖晓晨（9 9 9 9）1997199719971997PentiumPentiumPentiumPentium奔腾二代奔腾二代奔腾二代奔腾二代 64646464位位位位 主频分主频分主频分主频分233MHz233MHz233MHz233MHz、266MHz266MHz266MHz266MHz、300MHz300MHz300MHz300MHz和和和和333MHz333MHz333MHz333MHz等等等等 含含含含750750750750万晶体管万晶体管万晶体管万晶体管 “多媒体扩展指令集多媒体扩展指令集多媒体扩展指令集多媒体扩展指令集”（MMXMMXMMXMMX）技术）技术）技术）技术 slot1slot1slot1slot1结构结构结构结构 1998199819981998celeronceleronceleronceleron塞扬芯片，与塞扬芯片，与塞扬芯片，与塞扬芯片，与PentumPentumPentumPentum同系列的不同档次的低端产品同系列的不同档次的低端产品同系列的不同档次的低端产品同系列的不同档次的低端产品大连理工大学 软件学院 赖晓晨（10101010）1999199919991999PentiumPentiumPentiumPentium奔腾三代奔腾三代奔腾三代奔腾三代 64646464位位位位 32KB+512KB/1MB/2MB32KB+512KB/1MB/2MB32KB+512KB/1MB/2MB32KB+512KB/1MB/2MB，二级片内，二级片内，二级片内，二级片内CacheCacheCacheCache 总计含总计含总计含总计含2810281028102810万晶体管万晶体管万晶体管万晶体管 MMX+SSEMMX+SSEMMX+SSEMMX+SSE（流式扩展指令）技术（流式扩展指令）技术（流式扩展指令）技术（流式扩展指令）技术 可以构成多处理器系统可以构成多处理器系统可以构成多处理器系统可以构成多处理器系统大连理工大学 软件学院 赖晓晨（11111111）2000200020002000PentiumPentiumPentiumPentium奔腾四代奔腾四代奔腾四代奔腾四代 64646464位位位位 400MHz400MHz400MHz400MHz系统总线，系统总线，系统总线，系统总线，1.7GHz1.7GHz1.7GHz1.7GHz主频主频主频主频 集成集成集成集成4200420042004200万晶体管万晶体管万晶体管万晶体管 超流水线技术，超流水线技术，超流水线技术，超流水线技术，144144144144条条条条SSE2SSE2SSE2SSE2指令，分支预测技术，指令，分支预测技术，指令，分支预测技术，指令，分支预测技术，超深度无序指令执行技术超深度无序指令执行技术超深度无序指令执行技术超深度无序指令执行技术 NetBurstNetBurstNetBurstNetBurst微结构微结构微结构微结构大连理工大学 软件学院 赖晓晨（12121212）2001200120012001ItaniumItaniumItaniumItanium安腾安腾安腾安腾 全新全新全新全新64646464位体系结构位体系结构位体系结构位体系结构 44444444位地址线支持位地址线支持位地址线支持位地址线支持16TB16TB16TB16TB物理存储器寻址物理存储器寻址物理存储器寻址物理存储器寻址 128128128128位数据总线支持全新位数据总线支持全新位数据总线支持全新位数据总线支持全新64646464位指令系统位指令系统位指令系统位指令系统 集成集成集成集成3 3 3 3亿晶体管亿晶体管亿晶体管亿晶体管 3 3 3 3级级级级CacheCacheCacheCache 采用显性并行指令计算（采用显性并行指令计算（采用显性并行指令计算（采用显性并行指令计算（EPICEPICEPICEPIC）设计）设计）设计）设计在万亿字节数据处理在万亿字节数据处理在万亿字节数据处理在万亿字节数据处理,应用领域包括高速安全在线应用领域包括高速安全在线应用领域包括高速安全在线应用领域包括高速安全在线购物大型数据库、数据挖掘、电子商务处理、计算购物大型数据库、数据挖掘、电子商务处理、计算购物大型数据库、数据挖掘、电子商务处理、计算购物大型数据库、数据挖掘、电子商务处理、计算机辅助机械工程及高性能科学复杂计算处理机辅助机械工程及高性能科学复杂计算处理机辅助机械工程及高性能科学复杂计算处理机辅助机械工程及高性能科学复杂计算处理大连理工大学 软件学院 赖晓晨时时间间第一代第一代1971-19721971-1972第二代第二代19731973-19771977第三代第三代19781978-19841984第四代第四代19851985-19911991 1992 1992-今今CPUCPU4 4位低档位低档8 8位位中高档中高档8 8位位1616位位3232位位3232、6464位位产产品品400440048008 8008 8080/8080/80858085MC6800MC6800 Z80Z80 8086/80888086/8088，MC68000MC68000Z8000Z8000 8028680286 80386803868048680486MC68030/6804MC68030/68040 0Pentium Pentium Pentium I-Pentium I-IvIvAMDK5/K6AMDK5/K6技技术术丰富指令系丰富指令系统统多多级级中断中断多多寻寻址机制址机制外外设设种种类类多多虚虚拟拟存存储储技技术术协处协处理器理器cachecache MMXMMX技术技术SSESSE技术技术系系统统机器机器语语言言汇编语汇编语言言高高级语级语言言简单简单操作系操作系统统软软件操作系件操作系统统多任多任务务多用多用户户操作系操作系统统服服务务器、网器、网络络操作系操作系统统用用途途家家电电简单简单控制控制数据数据处处理理自自动动控制控制数据数据处处理理事事务务管理管理工工业业控制控制办办公自公自动动化化科学科学计计算算多媒体多媒体应应用用教育、科研教育、科研计计算、算、娱乐娱乐通通讯讯、信息、信息 微型计算机的发展以处理器的发展为微型计算机的发展以处理器的发展为微型计算机的发展以处理器的发展为微型计算机的发展以处理器的发展为主导！主导！大连理工大学 软件学院 赖晓晨计算机的分类计算机的分类按照按照按照按照总线宽度总线宽度总线宽度总线宽度分为：分为：分为：分为：4 4 4 4位机、位机、位机、位机、8 8 8 8位机、位机、位机、位机、16161616位机、位机、位机、位机、32323232位机、位机、位机、位机、64646464位机位机位机位机按照按照按照按照处理器处理器处理器处理器分为：分为：分为：分为：286286286286、386386386386、486486486486、PentiumPentiumPentiumPentium PentiumPentiumPentiumPentium、PentiumPentiumPentiumPentium、PentiumPentiumPentiumPentium按照按照按照按照外形外形外形外形分为：分为：分为：分为：单片机单片机单片机单片机、个人机（个人机（个人机（个人机（PCPCPCPC）、笔记本电脑笔记本电脑笔记本电脑笔记本电脑、掌上电脑掌上电脑掌上电脑掌上电脑按照按照按照按照组装生产组装生产组装生产组装生产分为：分为：分为：分为：品牌机品牌机品牌机品牌机（如（如（如（如IBMIBMIBMIBM机和苹果机）、机和苹果机）、机和苹果机）、机和苹果机）、兼容机兼容机兼容机兼容机按照按照按照按照用途用途用途用途分为：分为：分为：分为：多媒体计算机多媒体计算机多媒体计算机多媒体计算机、工控机工控机工控机工控机、服务器服务器服务器服务器、终端、商业机终端、商业机终端、商业机终端、商业机按照按照按照按照规模规模规模规模分为：分为：分为：分为：巨型机巨型机巨型机巨型机、大型机大型机大型机大型机、中型机中型机中型机中型机、微型机微型机微型机微型机大连理工大学 软件学院 赖晓晨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,)()(21nyn xynx=+=指令每一个步骤计算机的工作步骤大连理工大学 软件学院 赖晓晨取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编程举例大连理工大学 软件学院 赖晓晨000001 0000001000打印（000101）停机（000110）取数（000001）ACC存数（000010）ACC加（000011）ACC+ACC乘（000100）ACCACC指令格式举例操作码地址码 打印机大连理工大学 软件学院 赖晓晨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ACC 10001000000001001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ACC 50000100000001100将ax2+bx+c,存于主存单元 60001010000001100打印 7000110停机 8 x原始数据x 9 a原始数据a 10 b原始数据b 11 c原始数据c 12存放结果计算 ax2+bx+c 程序清单大连理工大学 软件学院 赖晓晨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）(1)存储器的基本组成MDR主存储器存储体MAR2.计算机的解题过程大连理工大学 软件学院 赖晓晨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MDR主存储器存储体MAR大连理工大学 软件学院 赖晓晨 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大连理工大学 软件学院 赖晓晨运算器MQACCALUXACC被加数ACC初态加法操作过程ACC+XALUMXXACCACC指令加M大连理工大学 软件学院 赖晓晨减法操作过程运算器MQACCALUX指令减MACC被减数ACC初态MXXACC-XALUACCACC大连理工大学 软件学院 赖晓晨运算器MQACCALUXACCACC 被乘数初态MQMMQ指令乘M乘法操作过程XACCXALUXMQ00ACCACCMQACCMQ大连理工大学 软件学院 赖晓晨运算器MQACCALUXACC被除数ACC初态ACCXALUMQACCMQ余数在ACC中指令除MMXX除法操作过程大连理工大学 软件学院 赖晓晨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(3)控制器的基本组成大连理工大学 软件学院 赖晓晨12356789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设备大连理工大学 软件学院 赖晓晨12356798以存数指令为例4CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR运算器MQACCALUXI/O设备大连理工大学 软件学院 赖晓晨(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)+1PC执行指令MAR M MDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MAR M MDRACCPC大连理工大学 软件学院 赖晓晨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.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字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高。机器的字长也会影响机器的运算速度。倘若CPU字长较短，又要运算位数较多的数据，那么需要经过两次或多次的运算才能完成，这样势必影响整机的运行速度。机器字长对硬件的造价也有较大的影响。它将直接影响加法器(或ALU)、数据总线以及存储字长的位数。所以机器字长的确定不能单从精度和数的表示范围来考虑。大连理工大学 软件学院 赖晓晨221 =256 KB213 =1 KB如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80 GB如MAR MDR容量 108 1632存放二进制信息的总位数1K=210 1B=23b1GB=230b1 K 8位64 K 32位大连理工大学 软件学院 赖晓晨计算机硬件的主要技术指标3.运算速度=ni=1fi tiTM吉普森法普通法一次加法或乘法所需的时间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（主频、主存速度，操作类型）大连理工大学 软件学院 赖晓晨数据单位数据单位数据单位数据单位l 计算机能表示的计算机能表示的最小最基本最小最基本的数据单元的数据单元l 计算机内部表示数据是采用二进制，所以计算机内部表示数据是采用二进制，所以:“比特位比特位”就是就是“二进制的位二进制的位”，有两种状态，有两种状态“0 0”和和“1 1”l 相邻的相邻的8 8位位二进制数称为一个二进制数称为一个字节字节 1 Byte=8 bit1 Byte=8 bit如：如：1100 0011 0101 0111 1100 0011 0101 0111 1.1.位位(bit(bit）2.2.字节字节(Byte)(Byte)大连理工大学 软件学院 赖晓晨l 字长字长:字的长度，是每一个字所包含的字的长度，是每一个字所包含的二进制位数二进制位数。常与常与CPUCPU内部的内部的寄存器、运算器、总线寄存器、运算器、总线的的宽度宽度一致。一致。字长可以衡量计算机字长可以衡量计算机CPUCPU的工作性能。如的工作性能。如IntelCPUIntelCPU ：40044 40044 位位 80808 80808 位位 80386/804863280386/8048632位位 Pentium64Pentium64位位 8086/8088/80286168086/8088/8028616位位3.3.字字(word(word）与字长、双字）与字长、双字l 字字:CPUCPU内部内部进行数据处理的基本单位进行数据处理的基本单位区别：指令字长、存储字长、机器字长区别：指令字长、存储字长、机器字长区别：指令字长、存储字长、机器字长区别：指令字长、存储字长、机器字长1Word=2Byte1Word=2Byte1Word=2Byte1Word=2Byte（高字节（高字节（高字节（高字节+低字节）低字节）低字节）低字节）=16bit=16bit=16bit=16bit大连理工大学 软件学院 赖晓晨l l 双字（双字（双字（双字（Double WordDouble WordDouble WordDouble Word）含含含含两个字两个字两个字两个字1DW=2Word=4Byte=32bit1DW=2Word=4Byte=32bit1DW=2Word=4Byte=32bit1DW=2Word=4Byte=32bit1000 1101 0101 0011 0000 1111 1000 1110 高高高高 字字字字 低低低低 字字字字 高字高字节高字高字节高字高字节高字高字节 高字低字节高字低字节高字低字节高字低字节 低字高字节低字高字节低字高字节低字高字节 低字低字节低字低字节低字低字节低字低字节3116 1503116 150双字双字双字双字1DW2Word4Byte32bit4.4.双字双字大连理工大学 软件学院 赖晓晨存储容量单位存储容量单位存储容量单位存储容量单位1.KB1.KBKilobyteKilobyte，千字节，千字节故：故：KBKB的容量需要的容量需要 1010位位 二进制二进制表示表示KBKBKBKB常用于：常用于：常用于：常用于：16161616位微机系统中存储器的容量量度单位位微机系统中存储器的容量量度单位位微机系统中存储器的容量量度单位位微机系统中存储器的容量量度单位目前一个电子文件的大小量度目前一个电子文件的大小量度目前一个电子文件的大小量度目前一个电子文件的大小量度32323232位微机中位微机中位微机中位微机中CacheCacheCacheCache的容量的容量的容量的容量大连理工大学 软件学院 赖晓晨2.MB2.MBMegabyteMegabyte，兆字节，兆字节故：故：MBMB的容量需要的容量需要 2020位位 二进制二进制表示表示MBMBMBMB常用于：常用于：常用于：常用于：32323232位微机系统中存储器的容量量度位微机系统中存储器的容量量度位微机系统中存储器的容量量度位微机系统中存储器的容量量度一个软件的大小量度一个软件的大小量度一个软件的大小量度一个软件的大小量度64646464位微机中内存的容量位微机中内存的容量位微机中内存的容量位微机中内存的容量大连理工大学 软件学院 赖晓晨3.GB3.GBGigabyteGigabyte，吉字节，吉字节故：故：GBGB的容量需要的容量需要 3030位位 二进制二进制表示表示GBGBGBGB常用于：常用于：常用于：常用于：64646464位微机系统中存储器的容量量度位微机系统中存储器的容量量度位微机系统中存储器的容量量度位微机系统中存储器的容量量度一个大型软件系统的大小量度一个大型软件系统的大小量度一个大型软件系统的大小量度一个大型软件系统的大小量度移动存储介质的容量移动存储介质的容量移动存储介质的容量移动存储介质的容量大连理工大学 软件学院 赖晓晨4.TB4.TBTerabyteTerabyte，太拉字节，太拉字节故：故：TBTB的容量需要的容量需要 4040位位 二进制二进制表示表示TBTB常用于：常用于：6464位微机系统中虚拟存储器的容量量度位微机系统中虚拟存储器的容量量度大连理工大学 软件学院 赖晓晨