白中英计算机组成原理第1章计算机系统概论.ppt

第1章计算机系统概论 2020年3月30日星期一 2 目录 1 0预备知识1 1计算机的分类1 2计算机的发展简史1 3计算机的硬件1 4计算机的软件1 5计算机系统的层次结构 2020年3月30日星期一 3 学习要求 了解计算机的发展历程 清楚计算机的系统层次结构 计算机硬件的基本组成 五大部件的构成 计算机软件的分类 以及计算机的基本工作过程 了解计算机性能评价指标和相关参数 吞吐量 响应时间 CPU时钟周期 主频 CPI CPU执行时间 MIPS MFLOPS等 要求初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构 为进一步深入学习打下基础 2020年3月30日星期一 4 一个程序的CPU时间可以用下面两种方式来描述 CPU时间 一个程序的CPU时钟周期数 时钟周期长度或者 除了执行程序所需的时钟周期数 我们还需要计算程序执行的指令数 IC 如果我们知道了一个程序执行的指令数和执行所需的时钟周期数 我们就可以计算出执行一条指令所需的平均时钟周期数 CPI 这一CPU性能指标不论是对不同的指令集或是对不同的实现都提供了直观的看法 在后面 我们还要经常使用它 将上式中 时钟周期数可定义为指令数 CPI 这使我们能够在执行时间公式中使用CPI CPU时间 IC CPI 时钟周期的长度 2020年3月30日星期一 5 将第一个公式展开成度量单位后 可看出各项的组合方式 正象上面公式显示的那样 CPU时间与三个因素有关 时钟周期的长度 执行每条指令所需的时钟周期数和程序的指令数 此外 这三个因素对CPU时间的影响是相同的 这三个因素中的任何一个改进10 CPU时间就会改进10 不幸的是 孤立地改变一个参数是很困难的 因为改变各因素的技术是相互关联的 1 时钟周期的长度是由硬件技术和计算机组成决定 2 CPI是由计算机组成和指令集的系统结构决定 3 指令数是由指令集的系统结构和编译器决定 幸运的是 许多很有潜力的会带来计算机性能提高的技术主要影响CPU性能三个因素中的一个 而对另外两个因素影响较小或是可预测的 2020年3月30日星期一 6 1 0预备知识 问题1 一台计算机一般有哪几部分组成 显示器 键盘 鼠标 音箱 主机箱等 主机箱中有 主板 CPU 硬盘 内存 显卡 声卡等 问题2 如何对以上设备分类 输入输出设备中央处理设备存储设备接口转换卡部件连接线问题3 有了以上设备 计算机是否能发挥其功效 一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两部分 显示器 键盘 鼠标 音箱 CPU 集处理和控制于一身 硬盘 内存 显卡 声卡 总线 2020年3月30日星期一 7 2020年3月30日星期一 8 2020年3月30日星期一 9 2020年3月30日星期一 10 2020年3月30日星期一 11 2020年3月30日星期一 12 DDR内存条 SDRAM内存条 2020年3月30日星期一 13 80G硬盘 2020年3月30日星期一 14 硬盘数据线 2020年3月30日星期一 15 DVD光驱 2020年3月30日星期一 16 机内电源插头 2020年3月30日星期一 17 1 1计算机的分类 数字计算机 模拟计算机 专用计算机 通用计算机 处理数字量信息按位运算 不连续地跳动计算 处理模拟量信息数值连续 运算过程连续 是针对某一任务设计的最有效 最经济和最快速的计算机 但适应性很差 适应性很大 但牺牲了效率 速度和经济性 单片机 微型机 服务器 大型机 超级计算机 低 高 体积功能数据存储量指令系统价格 低 高 简易性 分类 双核机 如P2图1 1 2020年3月30日星期一 18 1 2计算机的发展简史 1972 1990年 1946 1957年 第一代计算机 1965 1971年 1958 1964年第二代计算机 1991年 至今 摩尔定律 1 2 1计算机的五代变化 2020年3月30日星期一 19 第一代计算机 第一代计算机 1946年 1957年 采用电子管 代表机型 ENIAC 电子数字积分计算机 1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制 它于1946年2月15日在美国宣告诞生主要是为了解决美陆军提出的弹道计算问题 ENIAC长30 48米 宽1米 占地面积约170平方米 30个操作台 约相当于10间普通房间的大小 重达30吨 耗电量150千瓦 造价48万美元 包含了17 468真空管7 200水晶二极管 1 500中转 70 000电阻器 10 000电容器 1500继电器 6000多个开关 每秒执行5000次加法或400次乘法 是继电器计算机的1000倍 手工计算的20万倍 1955年10月2日最后切断电源 2020年3月30日星期一 20 ENIAC 2020年3月30日星期一 21 第二代计算机 1958 1964 晶体管 2020年3月30日星期一 22 2020年3月30日星期一 23 摩尔定律 1964年 英特尔公司创始人戈登 摩尔 GordonMoore 在一篇很短的论文里断言 每18个月 集成电路的性能将提高一倍 而其价格将降低一半 这就是著名的摩尔定律 作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律 摩尔定律被集成电路40多年的发展历史准确无误地验证着 摩尔定律有另外一种表述方法 即每过10年计算机系统性能将会增加100倍 通讯带宽也会提高100倍 而花费的资金不会增加 2020年3月30日星期一 24 1 2 2半导体存储器的发展 20世纪50 60年代 磁芯存储器价格昂贵 体积大 破坏性读出1970年 半导体存储器价格更加昂贵 体积小 非破坏性读写1974年之后 半导体存储器价格不断降低 体积不断减少 读写速度更快 有关存储器的介绍详见第3章 2020年3月30日星期一 25 1 2 3微处理器的发展 20世纪70年代的处理器4004 4位 8008 8位 8080 8位通用 8086 16位 808820世纪80年代的处理器80286 386TMDX 386TMSX 486TMDX20世纪90年代的处理器486TMSX Pentium PentiumPro PentiumII Pentium 最近10年的处理器Pentium4 Itanium Itanium2 I系列 2020年3月30日星期一 26 2020年3月30日星期一 27 2020年3月30日星期一 28 2020年3月30日星期一 29 双核CPU 三核CPU 2020年3月30日星期一 30 1 2 4计算机的性能指标 1 3 吞吐量表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量 响应时间从输入有效到系统产生响应之间的时间度量 用时间单位来表示 利用率在给定的时间间隔内 系统被实际使用的时间所占的比率 用百分比表示 处理机字长 机器字长 处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数 如32 64位 机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性 不一定完全一样 2020年3月30日星期一 31 1 2 4计算机的性能指标 2 3 总线宽度一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度 注意课本上的表述错误 主存储器容量主存储器所能存储二进制数据的位数 或者说 主存储器中所有存储元的总数目 而非 存储单元 8位 主存储器带宽单位时间内从主存储器读出的二进制信息量 一般用字节数 秒表示 主频 时钟周期CPU主时钟的频率 主频 其倒数为CPU的时钟周期 T周期 2020年3月30日星期一 32 1 2 4计算机的性能指标 3 3 CPU的运算速度CPU执行时间 CPU执行一般程序所占用的CPU时间 CPI 执行一条指令所需的平均时钟周期数 MIPS 每秒百万指令数 即单位时间内执行的指令数 针对标量机 执行一条指令 只得到一个运算结果 MFLOPS 每秒百万次浮点操作数 衡量机器浮点操作的性能 针对向量机 执行一条向量指令 通常可得到多个运算结果 其他的性能指标主存储器的读写速度 IO的数据传送率 带宽的均衡性 2020年3月30日星期一 33 1 3计算机的硬件 1 3 1硬件的组成要素用算盘模拟一下计算机y ax b c 纸 存储器算盘 运算器笔 输入 输出设备人 控制器 2020年3月30日星期一 34 冯 诺依曼机的特点 由运算器 存储器 控制器 输入设备和输出设备五个部分组成 存储器以二进制形式存储指令和数据 指令由操作码和地址码组成 存储程序并按地址顺序执行 冯 诺依曼机的核心设计思想 机器自动化工作的关键 以运算器为中心 2020年3月30日星期一 35 冯 诺依曼机与现代微机 冯 诺依曼机结构 现代微机结构 2020年3月30日星期一 36 现代计算机的特点 将运算器 控制器和片内的高速缓存 统称为CPU 而将CPU 主存储器 输入 输出接口和系统总线统称为主机 其余的设备均为外设 主机内仅包含主存储器 辅助存储器属于I O设备 以存储器为中心 减轻CPU的数据传送负担 提高系统的整体性能 2020年3月30日星期一 37 1 3 2运算器 功能 处理所有的算术及逻辑运算 通常称为ALU 算术逻辑单元 特点 采用二进制数据进行运算 运算器一次可以处理的数据位数称为机器字长 机器字长一般为8 16 32 64位 机器字长直接决定着运算的精度和能力 运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成 运算器结构示意图演示 2020年3月30日星期一 38 1 3 3存储器 1 2 功能 保存所有的程序和数据 特点 二进制形式保存程序和数据 存储器是按存储单元组织的 读写存储单元必须给出单元地址 相关的概念存储元 用于保存一位0 1二进制数据的物理器件 存储单元 能够保存一个字数据的器件 由若干个存储元构成 单元地址 能区分每一个存储单元的编号 一般从0开始编号 存储容量 一个存储器所能保存的二进制信息的总量 存储器结构示意图演示 2020年3月30日星期一 39 1 3 3存储器 2 2 存储器的分类 外存 辅助存储器 磁盘存储器 光盘存储器 CPU不可直接访问 内存 主存储器 半导体存储器 CPU直接访问 存放当前系统运行所需的所有的程序和数据 两个与主存相关的寄存器MAR 存储器地址寄存器 接收由CPU送来的地址信息 MDR 存储器数据寄存器 作为外界与存储器之间的数据通路 2020年3月30日星期一 40 1 3 4控制器 功能 根据所要执行指令的功能 按顺序发出各种控制命令 协调计算机的各个部件的工作 主要任务 解释并执行指令 控制指令的执行顺序 负责指令执行过程中 操作数的寻址 根据指令的执行 协调相关部件的工作 如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置 指令的形式操作码 指出指令所进行的操作 如加 减 数据传送等 地址码 指出进行以上操作的数据存放位置 2020年3月30日星期一 41 计算机运算y ax b c 2020年3月30日星期一 42 设指令系统如下 试写出该指令序列 101 1001 011 1100 001 1010 010 1011 110 1101 111 xxxx 000 xxxx a 二进制数 b c x y 如课本P9图1 5表1 5 2020年3月30日星期一 43 1 3 4控制器 续 控制器工作的周期取指周期 取指令的一段时间执行周期 执行指令的一段时间指令按顺序执行的控制部件 指令计数器每取出一条指令 指令计数器就加1 遇到转移类指令 控制器根据所执行指令设置指令计数器的值 相关概念数据字 该字代表要处理的数据 指令字 该字为一条指令 指令流 取指周期中 从内存读出的信息流 数据流 执行周期中 从内存读出的信息流 1条指令的字节数 2020年3月30日星期一 44 1 3 5适配器与输入输出设备 输入设备将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式的设备 输出设备把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备 适配器保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息 系统总线构成计算机系统的骨架 是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路 2020年3月30日星期一 45 使用计算机的工作过程 1 提出问题 计算y ax b c 2 按照指令系统编制程序 3 将指令变为机器代码 送入主存储器 4 控制器控制执行程序PC 程序计数器 其位数与MAR相同 IR 指令寄存器 其位数与MDR相同 用简化模型描述使用计算机工作过程 2020年3月30日星期一 46 程序计数器PC 指令寄存器IR 控制单元CU MAR MM MDR ALU 暂存器X 累加器ACC 乘商寄存器MQ 高4位 低4位 运算器 存储器 控制字 控制器 2020年3月30日星期一 47 PC IR CU MAR M M MDR ALU X ACC MQ 高4位 低4位 控制字 1 01011001 0101 1001 2 a 请思考 计算机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据 运算器 存储器 控制器 2020年3月30日星期一 48 1 指令系统 设有6条指令汇编语言助记符操作码地址码功能LMAn0001n M ACCSAMn0010n ACC MADDn0011n ACC M ACCMULn0100n ACC M ACCOUTn0101n输出 M HLT0110停机 地址n假设为4位的二进制数 举例 假设简化计算机模型的指令格式如下 2020年3月30日星期一 49 序号指令注释0LMAx M ACC1MULx ACC M ACC2MULa ACC M ACC3SAMy ACC M 4LMAx5MULb6ADDy7ADDc8SAMy9HLT10Xdb 11Adb 12Bdb 13Cdb 14Ydb 0000110101010010102010010113001011104000110105010011006001111107001111010010111090110000010 x11a12b13c14y 2 试编制程序 计算y ax2 bx c 汇编后内存分配情况 指令系统LMAn 0001nSAMn 0010nADDn 0011nMULn 0100nOUTn 0101nHLTn 0110n 2020年3月30日星期一 50 简化模型 几位 几位 几位 几位 几位 几位 简化模型演示 2020年3月30日星期一 51 1 4计算机的软件 系统程序用来简化程序设计 简化使用方法 提高计算机的使用效率 发挥和扩大计算机的功能及用途 包括 服务性程序 如诊断程序 排错程序 练习程序等 语言类程序 如汇编程序 编译程序 解释程序等 操作系统 数据库管理系统 应用程序用户利用计算机来解决某些实际问题所编制的程序 工程设计程序 数据处理程序 自动控制程序 企业管理程序 情报检索程序 科学计算程序等等 2020年3月30日星期一 52 1 5计算机系统的层次结构 从不同角度看到的计算机的构成 微程序设计级硬件级 硬件信号作用于计算机 一般机器级硬件级 使用微程序解释机器语言 操作系统级混合级 使用机器指令和广义指令 汇编语言级软件级 使用汇编语言 高级语言级软件级 使用高级语言 计算机系统的层次结构图演示 2020年3月30日星期一 53 1 5 2软件与硬件的逻辑等价性 硬件指计算机系统中使用的电子线路和物理装置 软件指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合 由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成 固件具有某软件功能的硬件 一般用ROM实现 功能上是软件 形态上是硬件 2020年3月30日星期一 54 本章小结 了解计算机的分类和发展简史掌握几个常用的计算机的性能指标 吞吐量 响应时间 CPU时钟周期 主频 CPI CPU执行时间 MIPS MFLOPS掌握计算机的硬件组成 及整机的基本工作原理冯 诺依曼机的特点 与现代微机的异同 以简化模型理解整机的工作过程 了解计算机软件的组成和分类理解计算机系统的层次结构5级结构 及其各级的执行命令 指令 2020年3月30日星期一 55 09年考研真题 11 冯 诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中 CPU区分它们的依据是 A 指令操作码的译码结果B 指令和数据的寻址方式C 指令周期的不同阶段D 指令和数据所在的存储单元答案为 C取指阶段获取的是指令 执行阶段获取的是数据 2020年3月30日星期一 56 本章作业 P154 5 6 7 8