白中英計算機組成原理第1章計算機系統(tǒng)概論.ppt

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第1章計算機系統(tǒng)概論 2020年3月30日星期一 2 目錄 1 0預備知識1 1計算機的分類1 2計算機的發(fā)展簡史1 3計算機的硬件1 4計算機的軟件1 5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 2020年3月30日星期一 3 學習要求 了解計算機的發(fā)展歷程 清楚計算機的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 計算機硬件的基本組成 五大部件的構(gòu)成 計算機軟件的分類 以及計算機的基本工作過程 了解計算機性能評價指標和相關(guān)參數(shù) 吞吐量 響應時間 CPU時鐘周期 主頻 CPI CPU執(zhí)行時間 MIPS MFLOPS等 要求初步掌握計算機系統(tǒng)的基本概念及基本結(jié)構(gòu) 為進一步深入學習打下基礎(chǔ) 2020年3月30日星期一 4 一個程序的CPU時間可以用下面兩種方式來描述 CPU時間 一個程序的CPU時鐘周期數(shù) 時鐘周期長度或者 除了執(zhí)行程序所需的時鐘周期數(shù) 我們還需要計算程序執(zhí)行的指令數(shù) IC 如果我們知道了一個程序執(zhí)行的指令數(shù)和執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù) 我們就可以計算出執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù) CPI 這一CPU性能指標不論是對不同的指令集或是對不同的實現(xiàn)都提供了直觀的看法 在后面 我們還要經(jīng)常使用它 將上式中 時鐘周期數(shù)可定義為指令數(shù) CPI 這使我們能夠在執(zhí)行時間公式中使用CPI CPU時間 IC CPI 時鐘周期的長度 2020年3月30日星期一 5 將第一個公式展開成度量單位后 可看出各項的組合方式 正象上面公式顯示的那樣 CPU時間與三個因素有關(guān) 時鐘周期的長度 執(zhí)行每條指令所需的時鐘周期數(shù)和程序的指令數(shù) 此外 這三個因素對CPU時間的影響是相同的 這三個因素中的任何一個改進10 CPU時間就會改進10 不幸的是 孤立地改變一個參數(shù)是很困難的 因為改變各因素的技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)的 1 時鐘周期的長度是由硬件技術(shù)和計算機組成決定 2 CPI是由計算機組成和指令集的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定 3 指令數(shù)是由指令集的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和編譯器決定 幸運的是 許多很有潛力的會帶來計算機性能提高的技術(shù)主要影響CPU性能三個因素中的一個 而對另外兩個因素影響較小或是可預測的 2020年3月30日星期一 6 1 0預備知識 問題1 一臺計算機一般有哪幾部分組成 顯示器 鍵盤 鼠標 音箱 主機箱等 主機箱中有 主板 CPU 硬盤 內(nèi)存 顯卡 聲卡等 問題2 如何對以上設(shè)備分類 輸入輸出設(shè)備中央處理設(shè)備存儲設(shè)備接口轉(zhuǎn)換卡部件連接線問題3 有了以上設(shè)備 計算機是否能發(fā)揮其功效 一個完整的計算機系統(tǒng)應包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分 顯示器 鍵盤 鼠標 音箱 CPU 集處理和控制于一身 硬盤 內(nèi)存 顯卡 聲卡 總線 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內(nèi)存條 SDRAM內(nèi)存條 2020年3月30日星期一 13 80G硬盤 2020年3月30日星期一 14 硬盤數(shù)據(jù)線 2020年3月30日星期一 15 DVD光驅(qū) 2020年3月30日星期一 16 機內(nèi)電源插頭 2020年3月30日星期一 17 1 1計算機的分類 數(shù)字計算機 模擬計算機 專用計算機 通用計算機 處理數(shù)字量信息按位運算 不連續(xù)地跳動計算 處理模擬量信息數(shù)值連續(xù) 運算過程連續(xù) 是針對某一任務設(shè)計的最有效 最經(jīng)濟和最快速的計算機 但適應性很差 適應性很大 但犧牲了效率 速度和經(jīng)濟性 單片機 微型機 服務器 大型機 超級計算機 低 高 體積功能數(shù)據(jù)存儲量指令系統(tǒng)價格 低 高 簡易性 分類 雙核機 如P2圖1 1 2020年3月30日星期一 18 1 2計算機的發(fā)展簡史 1972 1990年 1946 1957年 第一代計算機 1965 1971年 1958 1964年第二代計算機 1991年 至今 摩爾定律 1 2 1計算機的五代變化 2020年3月30日星期一 19 第一代計算機 第一代計算機 1946年 1957年 采用電子管 代表機型 ENIAC 電子數(shù)字積分計算機 1941年美國賓夕法尼亞大學開始研制 它于1946年2月15日在美國宣告誕生主要是為了解決美陸軍提出的彈道計算問題 ENIAC長30 48米 寬1米 占地面積約170平方米 30個操作臺 約相當于10間普通房間的大小 重達30噸 耗電量150千瓦 造價48萬美元 包含了17 468真空管7 200水晶二極管 1 500中轉(zhuǎn) 70 000電阻器 10 000電容器 1500繼電器 6000多個開關(guān) 每秒執(zhí)行5000次加法或400次乘法 是繼電器計算機的1000倍 手工計算的20萬倍 1955年10月2日最后切斷電源 2020年3月30日星期一 20 ENIAC 2020年3月30日星期一 21 第二代計算機 1958 1964 晶體管 2020年3月30日星期一 22 2020年3月30日星期一 23 摩爾定律 1964年 英特爾公司創(chuàng)始人戈登 摩爾 GordonMoore 在一篇很短的論文里斷言 每18個月 集成電路的性能將提高一倍 而其價格將降低一半 這就是著名的摩爾定律 作為迄今為止半導體發(fā)展史上意義最深遠的定律 摩爾定律被集成電路40多年的發(fā)展歷史準確無誤地驗證著 摩爾定律有另外一種表述方法 即每過10年計算機系統(tǒng)性能將會增加100倍 通訊帶寬也會提高100倍 而花費的資金不會增加 2020年3月30日星期一 24 1 2 2半導體存儲器的發(fā)展 20世紀50 60年代 磁芯存儲器價格昂貴 體積大 破壞性讀出1970年 半導體存儲器價格更加昂貴 體積小 非破壞性讀寫1974年之后 半導體存儲器價格不斷降低 體積不斷減少 讀寫速度更快 有關(guān)存儲器的介紹詳見第3章 2020年3月30日星期一 25 1 2 3微處理器的發(fā)展 20世紀70年代的處理器4004 4位 8008 8位 8080 8位通用 8086 16位 808820世紀80年代的處理器80286 386TMDX 386TMSX 486TMDX20世紀90年代的處理器486TMSX Pentium PentiumPro PentiumII Pentium 最近10年的處理器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 雙核CPU 三核CPU 2020年3月30日星期一 30 1 2 4計算機的性能指標 1 3 吞吐量表征一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量 響應時間從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應之間的時間度量 用時間單位來表示 利用率在給定的時間間隔內(nèi) 系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率 用百分比表示 處理機字長 機器字長 處理機運算器中一次能夠完成二進制運算的位數(shù) 如32 64位 機器字長與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度具有一定的相關(guān)性 不一定完全一樣 2020年3月30日星期一 31 1 2 4計算機的性能指標 2 3 總線寬度一般指運算器與存儲器之間的數(shù)據(jù)總線寬度 注意課本上的表述錯誤 主存儲器容量主存儲器所能存儲二進制數(shù)據(jù)的位數(shù) 或者說 主存儲器中所有存儲元的總數(shù)目 而非 存儲單元 8位 主存儲器帶寬單位時間內(nèi)從主存儲器讀出的二進制信息量 一般用字節(jié)數(shù) 秒表示 主頻 時鐘周期CPU主時鐘的頻率 主頻 其倒數(shù)為CPU的時鐘周期 T周期 2020年3月30日星期一 32 1 2 4計算機的性能指標 3 3 CPU的運算速度CPU執(zhí)行時間 CPU執(zhí)行一般程序所占用的CPU時間 CPI 執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù) MIPS 每秒百萬指令數(shù) 即單位時間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù) 針對標量機 執(zhí)行一條指令 只得到一個運算結(jié)果 MFLOPS 每秒百萬次浮點操作數(shù) 衡量機器浮點操作的性能 針對向量機 執(zhí)行一條向量指令 通?？傻玫蕉鄠€運算結(jié)果 其他的性能指標主存儲器的讀寫速度 IO的數(shù)據(jù)傳送率 帶寬的均衡性 2020年3月30日星期一 33 1 3計算機的硬件 1 3 1硬件的組成要素用算盤模擬一下計算機y ax b c 紙 存儲器算盤 運算器筆 輸入 輸出設(shè)備人 控制器 2020年3月30日星期一 34 馮 諾依曼機的特點 由運算器 存儲器 控制器 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個部分組成 存儲器以二進制形式存儲指令和數(shù)據(jù) 指令由操作碼和地址碼組成 存儲程序并按地址順序執(zhí)行 馮 諾依曼機的核心設(shè)計思想 機器自動化工作的關(guān)鍵 以運算器為中心 2020年3月30日星期一 35 馮 諾依曼機與現(xiàn)代微機 馮 諾依曼機結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代微機結(jié)構(gòu) 2020年3月30日星期一 36 現(xiàn)代計算機的特點 將運算器 控制器和片內(nèi)的高速緩存 統(tǒng)稱為CPU 而將CPU 主存儲器 輸入 輸出接口和系統(tǒng)總線統(tǒng)稱為主機 其余的設(shè)備均為外設(shè) 主機內(nèi)僅包含主存儲器 輔助存儲器屬于I O設(shè)備 以存儲器為中心 減輕CPU的數(shù)據(jù)傳送負擔 提高系統(tǒng)的整體性能 2020年3月30日星期一 37 1 3 2運算器 功能 處理所有的算術(shù)及邏輯運算 通常稱為ALU 算術(shù)邏輯單元 特點 采用二進制數(shù)據(jù)進行運算 運算器一次可以處理的數(shù)據(jù)位數(shù)稱為機器字長 機器字長一般為8 16 32 64位 機器字長直接決定著運算的精度和能力 運算器主要由ALU和各類通用寄存器構(gòu)成 運算器結(jié)構(gòu)示意圖演示 2020年3月30日星期一 38 1 3 3存儲器 1 2 功能 保存所有的程序和數(shù)據(jù) 特點 二進制形式保存程序和數(shù)據(jù) 存儲器是按存儲單元組織的 讀寫存儲單元必須給出單元地址 相關(guān)的概念存儲元 用于保存一位0 1二進制數(shù)據(jù)的物理器件 存儲單元 能夠保存一個字數(shù)據(jù)的器件 由若干個存儲元構(gòu)成 單元地址 能區(qū)分每一個存儲單元的編號 一般從0開始編號 存儲容量 一個存儲器所能保存的二進制信息的總量 存儲器結(jié)構(gòu)示意圖演示 2020年3月30日星期一 39 1 3 3存儲器 2 2 存儲器的分類 外存 輔助存儲器 磁盤存儲器 光盤存儲器 CPU不可直接訪問 內(nèi)存 主存儲器 半導體存儲器 CPU直接訪問 存放當前系統(tǒng)運行所需的所有的程序和數(shù)據(jù) 兩個與主存相關(guān)的寄存器MAR 存儲器地址寄存器 接收由CPU送來的地址信息 MDR 存儲器數(shù)據(jù)寄存器 作為外界與存儲器之間的數(shù)據(jù)通路 2020年3月30日星期一 40 1 3 4控制器 功能 根據(jù)所要執(zhí)行指令的功能 按順序發(fā)出各種控制命令 協(xié)調(diào)計算機的各個部件的工作 主要任務 解釋并執(zhí)行指令 控制指令的執(zhí)行順序 負責指令執(zhí)行過程中 操作數(shù)的尋址 根據(jù)指令的執(zhí)行 協(xié)調(diào)相關(guān)部件的工作 如運算類指令執(zhí)行時對標志寄存器的影響設(shè)置 指令的形式操作碼 指出指令所進行的操作 如加 減 數(shù)據(jù)傳送等 地址碼 指出進行以上操作的數(shù)據(jù)存放位置 2020年3月30日星期一 41 計算機運算y ax b c 2020年3月30日星期一 42 設(shè)指令系統(tǒng)如下 試寫出該指令序列 101 1001 011 1100 001 1010 010 1011 110 1101 111 xxxx 000 xxxx a 二進制數(shù) b c x y 如課本P9圖1 5表1 5 2020年3月30日星期一 43 1 3 4控制器 續(xù) 控制器工作的周期取指周期 取指令的一段時間執(zhí)行周期 執(zhí)行指令的一段時間指令按順序執(zhí)行的控制部件 指令計數(shù)器每取出一條指令 指令計數(shù)器就加1 遇到轉(zhuǎn)移類指令 控制器根據(jù)所執(zhí)行指令設(shè)置指令計數(shù)器的值 相關(guān)概念數(shù)據(jù)字 該字代表要處理的數(shù)據(jù) 指令字 該字為一條指令 指令流 取指周期中 從內(nèi)存讀出的信息流 數(shù)據(jù)流 執(zhí)行周期中 從內(nèi)存讀出的信息流 1條指令的字節(jié)數(shù) 2020年3月30日星期一 44 1 3 5適配器與輸入輸出設(shè)備 輸入設(shè)備將人們熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式的設(shè)備 輸出設(shè)備把計算機的處理結(jié)果變成人或其他機器設(shè)備所能接收和識別的信息形式的設(shè)備 適配器保證外圍設(shè)備用計算機系統(tǒng)特性要求的形式發(fā)送或接收信息 系統(tǒng)總線構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架 是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路 2020年3月30日星期一 45 使用計算機的工作過程 1 提出問題 計算y ax b c 2 按照指令系統(tǒng)編制程序 3 將指令變?yōu)闄C器代碼 送入主存儲器 4 控制器控制執(zhí)行程序PC 程序計數(shù)器 其位數(shù)與MAR相同 IR 指令寄存器 其位數(shù)與MDR相同 用簡化模型描述使用計算機工作過程 2020年3月30日星期一 46 程序計數(shù)器PC 指令寄存器IR 控制單元CU MAR MM MDR ALU 暫存器X 累加器ACC 乘商寄存器MQ 高4位 低4位 運算器 存儲器 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 請思考 計算機如何區(qū)分從主存中取出的數(shù)據(jù)是指令還是數(shù)據(jù) 運算器 存儲器 控制器 2020年3月30日星期一 48 1 指令系統(tǒng) 設(shè)有6條指令匯編語言助記符操作碼地址碼功能LMAn0001n M ACCSAMn0010n ACC MADDn0011n ACC M ACCMULn0100n ACC M ACCOUTn0101n輸出 M HLT0110停機 地址n假設(shè)為4位的二進制數(shù) 舉例 假設(shè)簡化計算機模型的指令格式如下 2020年3月30日星期一 49 序號指令注釋0LMAx M ACC1MULx ACC M ACC2MULa ACC M ACC3SAMy ACC M 4LMAx5MULb6ADDy7ADDc8SAMy9HLT10Xdb 11Adb 12Bdb 13Cdb 14Ydb 0000110101010010102010010113001011104000110105010011006001111107001111010010111090110000010 x11a12b13c14y 2 試編制程序 計算y ax2 bx c 匯編后內(nèi)存分配情況 指令系統(tǒng)LMAn 0001nSAMn 0010nADDn 0011nMULn 0100nOUTn 0101nHLTn 0110n 2020年3月30日星期一 50 簡化模型 幾位 幾位 幾位 幾位 幾位 幾位 簡化模型演示 2020年3月30日星期一 51 1 4計算機的軟件 系統(tǒng)程序用來簡化程序設(shè)計 簡化使用方法 提高計算機的使用效率 發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途 包括 服務性程序 如診斷程序 排錯程序 練習程序等 語言類程序 如匯編程序 編譯程序 解釋程序等 操作系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 應用程序用戶利用計算機來解決某些實際問題所編制的程序 工程設(shè)計程序 數(shù)據(jù)處理程序 自動控制程序 企業(yè)管理程序 情報檢索程序 科學計算程序等等 2020年3月30日星期一 52 1 5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 從不同角度看到的計算機的構(gòu)成 微程序設(shè)計級硬件級 硬件信號作用于計算機 一般機器級硬件級 使用微程序解釋機器語言 操作系統(tǒng)級混合級 使用機器指令和廣義指令 匯編語言級軟件級 使用匯編語言 高級語言級軟件級 使用高級語言 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖演示 2020年3月30日星期一 53 1 5 2軟件與硬件的邏輯等價性 硬件指計算機系統(tǒng)中使用的電子線路和物理裝置 軟件指揮整個計算機硬件系統(tǒng)工作的程序集合 由人們事先編制成具有各類特殊功能的信息組成 固件具有某軟件功能的硬件 一般用ROM實現(xiàn) 功能上是軟件 形態(tài)上是硬件 2020年3月30日星期一 54 本章小結(jié) 了解計算機的分類和發(fā)展簡史掌握幾個常用的計算機的性能指標 吞吐量 響應時間 CPU時鐘周期 主頻 CPI CPU執(zhí)行時間 MIPS MFLOPS掌握計算機的硬件組成 及整機的基本工作原理馮 諾依曼機的特點 與現(xiàn)代微機的異同 以簡化模型理解整機的工作過程 了解計算機軟件的組成和分類理解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5級結(jié)構(gòu) 及其各級的執(zhí)行命令 指令 2020年3月30日星期一 55 09年考研真題 11 馮 諾依曼計算機中指令和數(shù)據(jù)均以二進制形式存放在存儲器中 CPU區(qū)分它們的依據(jù)是 A 指令操作碼的譯碼結(jié)果B 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式C 指令周期的不同階段D 指令和數(shù)據(jù)所在的存儲單元答案為 C取指階段獲取的是指令 執(zhí)行階段獲取的是數(shù)據(jù) 2020年3月30日星期一 56 本章作業(yè) P154 5 6 7 8