第１章计算机系统概论ppt课件

计算机组成原理计算机组成原理姓名：向征邮箱：电话：13244831858Q Q：81349010 人生来就不是为了被打败的人生来就不是为了被打败的,人能够被毁灭人能够被毁灭,但是但是不能够被打败。不能够被打败。 美国著名的小说学家，迷惘的一代的代表人物，美国著名的小说学家，迷惘的一代的代表人物，战地记者。战地记者。 失败固然痛苦失败固然痛苦,但更糟糕的是从未去尝试。但更糟糕的是从未去尝试。 石刻山石刻山拉什莫尔山拉什莫尔山(Mount Rushmore)学会举一反一子曰：子曰：“不愤不启，不悱不发，举一隅不以不愤不启，不悱不发，举一隅不以三隅反，则不复也。三隅反，则不复也。” -先秦先秦孔子孔子论语论语述而述而孔子说：孔子说：“不到他想弄懂而弄不懂的时候不去启不到他想弄懂而弄不懂的时候不去启发他；不到他想说什么而说不出的时候不去引导发他；不到他想说什么而说不出的时候不去引导他；告诉他一方，他不能类推其余的三方也就他；告诉他一方，他不能类推其余的三方也就不再重复告诉他了。不再重复告诉他了。” 本课成绩评定：期末考试占70%实验占20%考勤和平时表现10%第章第章 计算机系统概论计算机系统概论第章第章 系统总线系统总线第章第章 存储器存储器第章第章 输入输出系统输入输出系统第章第章 计算机的运算方法计算机的运算方法第章第章 指令系统指令系统第章第章 CPU 的结构和功能的结构和功能第章第章 控制单元的功能控制单元的功能第第10章章 控制单元的设计控制单元的设计第章第章 计算机的发展及应用计算机的发展及应用第章第章 计算机系统概论计算机系统概论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本章重点本章重点了解计算机系统的层次结构。了解计算机系统的层次结构。熟悉什么是编译程序和解释程序。熟悉什么是编译程序和解释程序。掌握计算机体系结构和计算机组成的概念。掌握计算机体系结构和计算机组成的概念。掌握主存的组成及存储字长。掌握主存的组成及存储字长。熟悉存储器地址寄存器、存储器数据寄存器、熟悉存储器地址寄存器、存储器数据寄存器、 程序计数器、指令寄存器、控制单元等。程序计数器、指令寄存器、控制单元等。熟悉控制器的基本组成及完成一条指令的过程。熟悉控制器的基本组成及完成一条指令的过程。熟悉主机完成一条指令的过程。熟悉主机完成一条指令的过程。掌握机器字长、存储容量和运算速度。掌握机器字长、存储容量和运算速度。1.1 计算机系统简介计算机系统简介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、外设等一、一、 计算机的软硬件概念计算机的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高级语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 #include #define LEN 9using namespace std;int main()int nArrayLEN;for(int i=0;iLEN;i+)nArrayi=LEN-i;cout原始数据为：原始数据为：endl;for(int i=0;iLEN;i+)coutnArrayi ;cout0;i-)for(int j=0;jnArrayj+1)temp=nArrayj;nArrayj=nArrayj+1;nArrayj+1=temp;/结束冒泡结束冒泡cout排序结果排序结果:endl;for(int i=0;iLEN;i+)coutnArrayi预编译处理预编译处理(cpp)编译程序本身编译程序本身优化程序优化程序汇编汇编程序程序链接程序链接程序-可执行文件可执行文件(1) 虚拟机：由软件实现的机器。虚拟机：由软件实现的机器。(2)将高级语言程序翻译成机器语言的软件称为翻将高级语言程序翻译成机器语言的软件称为翻译软件。翻译程序有两种：译软件。翻译程序有两种： 编译：将用户编写的高级语言程序的全部语编译：将用户编写的高级语言程序的全部语句一次全部翻译成机器语言程序，而后再执行句一次全部翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序。机器语言程序。 解释：将源程序的一条语句翻译成对应于机解释：将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的一条语句，并且立即执行这条语句，器语言的一条语句，并且立即执行这条语句，接着翻译源程序的下一条语句，并执行这条语接着翻译源程序的下一条语句，并执行这条语句，如此重复直至完成源程序的全部翻译任务。句，如此重复直至完成源程序的全部翻译任务。 解释执行比编译花的时间多，但存储空间占用解释执行比编译花的时间多，但存储空间占用较少。较少。二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 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 M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 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把汇编程序翻译把汇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 M4虚拟机器虚拟机器 M3虚拟机器虚拟机器 M2实际机器实际机器 M1微程序机器微程序机器 M0 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体系结构计算机体系结构计算机组成计算机组成 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）（具体指令的实现）三、三、计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成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. 以运算器为中心以运算器为中心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. 存储程序存储程序一、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图诺依曼计算机硬件框图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二、计算机硬件框图二、计算机硬件框图1. 以存储器为中心的计算机硬件框图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(1) 机器以运算器为中心；机器以运算器为中心；(2) 采用存储程序原理；采用存储程序原理；(3) 存储器是按地址访问的、线性编址的空间；存储器是按地址访问的、线性编址的空间；(4) 控制流由指令流产生；控制流由指令流产生；(5) 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) 数据以二进制编码表示，采用二进制运算。数据以二进制编码表示，采用二进制运算。ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O设备设备硬件硬件CU2. .现代计算机硬件框图现代计算机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ALUCPU主机主机I/O设备设备CU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 - -+ +- -+ +- -= =!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 运算的运算的全部步骤全部步骤0, 1, 2,)( )(21nyn xynx= =+ += =指令指令 每每一个步骤一个步骤三、计算机的工作步骤三、计算机的工作步骤取取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 在运算器中在运算器中存存ax2 在存储器中在存储器中取取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ax2 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中= ( (ax + b) )x + c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中加加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 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000001 0000001000打印打印 停机停机取数取数 ACC存数存数 ACC 加加 ACC+ ACC乘乘 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 + bx +c ,存于主存单元存于主存单元 60001010000001100打印打印计算计算 ax2 + bx + c 程序清单程序清单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）( (1) )存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR2. .计算机的解题过程计算机的解题过程MARMDR 存储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8 设设 MAR = = 4 位位 MDR = = 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( (1) )存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR ACC MQ X(2)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 被加数被加数ACC初态初态 加法操作过程加法操作过程 ACC+X ALU M XXACCACC指令指令 加加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MACC 被减数被减数ACC初态初态 M XX ACC-X ALUACCACC运算器运算器MQACCALUXACCACC 被乘数被乘数初态初态 MQ M MQ指令指令 乘乘M 乘法操作过程乘法操作过程X ACC XALU X MQ 00ACCACCMQACCMQ运算器运算器MQACCALUXACC 被除数被除数ACC初态初态 ACC X ALUMQACCMQ余数在余数在ACC中中指令指令 除除M M XX 除法操作过程除法操作过程取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCIRCUPCIRCU取指取指执行执行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（PC）+ + 1 1 PCIR 存放当前欲执行的指令存放当前欲执行的指令访存访存访存访存完成完成一条一条指令指令( (3) )控制器的基本组成控制器的基本组成12356789以取数指令为例以取数指令为例4( (4) )主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程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/O设设备备12356798以存数指令为例以存数指令为例4( (4) )主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程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/O设设备备( (5) ) ax2 + 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 MMDRMDRACCACCPCPC1.3 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. .机器字长机器字长2. .运算速度运算速度CPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与 CPU 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MIPS执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPS221 = = 256 KB213 = = 1 KB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 80 GB如如 MAR MDR 容量容量 10 8 16 32存放二进制信息的总位数存放二进制信息的总位数1K = 210 1B = 23b1GB = 230b1 K 8位位64 K 32位位第第篇篇 概论概论1.4 本书结构本书结构计算机计算机1.4 本书结构本书结构第篇第篇计算机系统的硬件结构计算机系统的硬件结构计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU1.4 本书结构本书结构 CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器第第篇篇 CPU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU1.4 本书结构本书结构 CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器寄存器寄存器和解码器和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篇第篇 CU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPUCoach Teacher Student Coach: C, Collaborate(合作）；，合作）；，Own( 主动）；主动）；A, Acknowledge(认可）；认可）；C，Communicate(沟通）；沟通）；H, Help( 帮帮助）。助）。 Teacher：T，Teach(教育）；教育）；E，Emotion(情感）；情感）；A，Action( 行动）；行动）；C， Communicate(沟通）；沟通）； H, Help( 帮帮助）助）; E，Energy(精力，活力）；精力，活力）；R，Record(记录，借鉴）。记录，借鉴）。 Student?题外话题外话 是人因路的漫长而变的迷茫，还是路因是人因路的漫长而变的迷茫，还是路因人的迷茫而变的漫长人的迷茫而变的漫长 自己拯救自己自己拯救自己英国，塞缪尔斯英国，塞缪尔斯迈尔斯，另外一本叫迈尔斯，另外一本叫品格的力量品格的力量。衷心的祝愿各位同学在新的一年里学衷心的祝愿各位同学在新的一年里学业有成，天道酬勤，加油吧！业有成，天道酬勤，加油吧！