计算机组成原理第01章.

计算机组成原理计算机与信息工程学院计算机科学与技术教研室何霖[e-mail]教材：计算机组成原理与汇编语言程序设计（第三版）徐洁、俸远祯等电子工业出版社,2012年1月第三版参考教材：1：计算机组成原理（第三版）白中英科学出版社2000年11月2：计算机组成原理与汇编语言程序设计俸远祯、王正智、徐洁等电子工业出版社,1999年7月第二版3：计算机组成原理唐塑飞高等教育出版社，2000年第1版一、存储程序工作方式与诺依曼机1945年提出：冯·诺依曼体制(结构)–––存储程序。第一节基本概念计算机：是一种能够存储程序，能够自动连续地执行程序，对各种数字化信息进行算术运算或逻辑运算的快速工具。1、采用二进制代码表示数据和指令数据：计算机所处理的信息。指令：程序的最终可执行形态，即机器指令---产生控制信息。均由二进制代码表示（0、1序列），易用二值逻辑电路处理----处理功能逻辑化2、采用存贮程序工作方式1)事先编制程序2)将程序存贮于计算机的存储器中３）计算机在运行时将自动地、连续地从存储器中依此取出指令加以执行。指令记数器PC－存放当前指令所在存储单元的地址以控制指令序列的执行顺序。以ＰＣ内容作为地址读取指令，再按指令给出的操作数地址去读取数据。数据区一般，数据、程序分区存放代码区3.由运算器、存贮器、控制器、输入装置、输出装置等五大部件，构成计算机硬件系统。运算器：在控制器的控制下进行各种运算存储器：按地址存放或读取内容，存放数据、程序和运算的中间结果控制器：神经中枢，控制计算机各部分有序地工作输入设备：I/O准备好，向计算机发请求，控制器输出设备：发I/O命令，进行I/O操作简单框图如下：运算器存贮器控制器输入设备输出设备程序和数据结果数据结果地址指令请求信号控制信号控制信号请求信号状态信息操作命令图1-1数字计算机的简单框图信息控制信息流：指令代码序列→微命令（控制信号，控制计算机的工作)数据信息流：计算机加工处理的对象数值型：非数值型：字符、文字、图像声音、逻辑值等二、信息的数字化表示1.在计算机中的各种信息用数字代码表示数值大小、正负：符号位0－正数，１－负数字符：１B表示（ASCII码），中文字符2B指令：每种指令按约定的指令格式，用一种数字代码表示设备状态：不同编码表示不同状态，00－空闲,01－忙，10－完成一次操作。图像（点阵）；声音（采样）；逻辑信息等等。善于用约定的代码表示各种需描述的信息________编码2、在物理机制上，数字代码以数字型信号表示脉冲数字电信号用脉冲的有无表示0、1定时作用：脉冲的上升沿或下降沿表某一时刻，定时电平数字电信号利用电平信号的高低表不同的状态高电平+5V－１，低电平0V－０模拟信号数字信号（时间上离散）采样1101tvt1t1t0t11vvvv抗干扰能力强，可靠性高；可获得很宽的表示范围及高的精度。增加位数，硬件代价高；物理上易实现，并可存储信息（用双稳态触发器或电容）；能用数字逻辑技术处理—硬件设计的基础。数字化方法表示信息的优点三、数字计算机的特点1.能在程序控制下自动连续地工作2.运算速度快3.运算精度高4.具有较强的信息存贮能力5.通用性强一、硬件系统硬件：系统中可触模得到的物理设备实体。以及将它们组织为一个计算机系统的体系结构。此外，构成的方法及工艺技术都属于硬件设计。第二节计算机系统的硬软组成与层次结构CPU：核心。运算器+控制器组合逻辑控制器：由若干组合逻辑主控制器电路产生微命令序列。微程序控制器：将微命令序列以代码形式编成微程序，存入控制存机储器；CPU运行程序时，读取并执行微程序，产生微命令序列，解释执行机器指令序列。主存：内存，CPU按地址直接访问。半导体存储器硬件包括哪些部件；具备那些基本功能；采用何种电路、器件构成；工艺上如何组装；各部件按什么体系结构连成有机整体。硬件设计的范畴主存外存：辅存，主机之外，容量大，CPU不能直接访问。高速缓冲：CPU与主存之间，当前正使用的程序、数据复制于其中，提高CPU访存速度。存储器外部设备：I/O设备总线：主机通过一组总线连接各种I/O设备外围接口：I/O接口，位于总线与各种I/O设备之间，起缓冲与连接作用的部件。1.以总线为基础的系统结构——小、微型机采用总线结构实现数据传递－数据通路结构总线BUS:一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。（数据线、地址线、控制线）共享：一组总线挂多个部件。分时：同一时刻同一组总线只接受一个发送源，否则冲突。不同的计算机系统采用不同的总线结构。系统总线(地址、数据、控制)CPU主存公共接口接口接口I/OI/O图1–2以总线为基础的系统结构例：1、PDP-11，16位小型机，单总线结构（下图）2、IBM-PC，局部总线：与CPU直接连接，可访问属于主机范畴的部件；系统总线：局部总线上的信息经总线控制器和锁存器再与外部相连，形成I/O扩展总线－系统总线图1–3带通道的大中型计算机系统结构CPU主存通道通道I/O控制器I/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/O控制器I/O控制器I/O控制器2.采用通道或I0P的大型系统结构–––大、中型机使CPU与I/O操作并行执行，I/O设备种类与数量增多3.提高系统性能的若干技术一是提高单CPU性能，二是用多个CPU构成多机系统。总之是增强并行处理能力。7)多存贮休交叉访问技术（并行主存系统）8)多机系统（多个CPU构成多机系统）4)超标量方式（同时执行多条指令）5)超长指令字（相当于多条常规指令，提高并行速度）6)阵列机（多个处理部件组成一个阵列-单指令流多数据流）1)流水处理（利用时间重叠提高并行处理能力）2)向量机（用向量运算器并行处理适于向量化的任务）3)精减指令系统计算机RISC（提高单机运算速度）二、软件系统软件：各类程序和文件，是一些触摸不到的二进制信息。1.系统软件：负责系统的调度管理，提供程序的运行环境和开发环境，为方便用户使用，提高计算机系统的效率或扩展硬件功能而编制的程序。1)操作系统：核心，作业调度、处理机调度、存储管理、文件系统、外围设备管理，任何其它软件必须在OS的支持下才能运行。3)数据库管理程序：DBMS4)各种服务性支撑软件：为帮助用户使用与维护计算机提供一种集成环境。5)各种标准程序库2)语言处理程序解释方式编译方式源程序→机器指令2.应用软件：用户为解决某一特定问题而编制的程序。1)科学计算类程序2)工程设计类程序3)数据处理类程序4)信息管理类程序5)自动控制类程序6)情报检索类程序数学模型，算法用户程序作为软件资源的应用程序语言处理程序(解释、编译)操作系统机器语言(指令系统)硬核微程序控制器硬件逻辑部件系统分析级用户程序级操作系统级机器语言级微程序级图1-4硬软件组成的层次结构模型1.硬软组成的层次结构三、层次结构模型上图中，自下而上，反映了计算机系统的逐级生成过程：1、拟定指令系统：CPU硬软界面2、制作硬件系统：能实现指令功能硬连逻辑部件微程序控制器3、配置OS4、配置语言处理程序及夹各种软件资源：在OS管理下执行5、用户应用程序数学模型，算法用户程序作为软件资源的应用程序语言处理程序(解释、编译)操作系统机器语言(指令系统)硬核微程序控制器硬件逻辑部件系统分析级用户程序级操作系统级机器语言级微程序级图1-4硬软件组成的层次结构模型自上而下，反映了应用计算机求解问题的过程。1、系统分析级：模型、算法2、用户程序级：用程序设计语言编写程序3、操作系统级：源程序→目标程序。编辑、编译、调试源程序4、机器语言级：执行目标代码5、微程序级：对用户透明数学模型，算法用户程序作为软件资源的应用程序语言处理程序(解释、编译)操作系统机器语言(指令系统)硬核微程序控制器硬件逻辑部件系统分析级用户程序级操作系统级机器语言级微程序级图1-4硬软件组成的层次结构模型图1-5从语言角度划分的层次结构模型专用语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机实际机器(机器语言物理机)程序2.从语言功能角度划分层次结构机器语言物理机：执行机器语言虚拟机：配置软件扩充机器功能后所形成的计算机，实际硬件并不具备这种机器功能。汇编语言虚拟机：与指令系统一一对应高级语言虚拟机：与物理机无关，算法语言专用语言虚拟机：1.基本字长：参与一次运算的数的位数。位数越多，计算精度越高。微机：8、16、32、64位机2.数据通路宽度：第三节计算机的性能指标数据总线一次所能并行传送的位数。CPU内部的一般等于基本字长，而外部的取决于系统总线，可与内部的相等，也可小于内部的。内外相等：Intel80386，均为32位，32位机外部宽度小于内部：Intel8088，内16位，外8位，准16位机反映了寄存器、运算部件、数据总线的位数。硬件实现基本字长运算，软件支持实现多字长运算。影响信息传送能力，从而影响计算机的有效处理速度。3.主存容量：CPU可以直接访问的存贮器容量。影响计算机的处理能力1)按字节编址：每个存储单元为8位，即1B用字节数表示。1MB、640KB2）按字编址：每个存储单元为一个字，字长超过8位用单元数（字数）×位数表示。64K×16位4.外存容量：与计算机联机的外存容量。以字节数表示5.运算速度：1）CPU时钟频率：很大程度反映CPU速度的快慢2)每秒平均执行指令数(IPS)3)几种典型四则运算所需的时间高速计算机以浮点运算速度为指标6.所配置的外围设备及其性能指标。7.系统软件配置情况。一、填空题1、计算机系统由系统和系统构成。2、计算机系统的三个层次结构由内到外分别是、系统软件和。3、计算机软件一般分为两大类：一类叫，另一类叫。操作系统属于类。4、现在主要采用结构作为计算机硬件之间的连接方式。5、在计算机术语中，将运算器、控制器、高速缓存合在一起，称为，而将、存储器、输入输出接口和系统总线合在一起，称为。6、存储，并按顺序执行，这是型计算机的工作原理。7、计算机系统是一个由硬件、软件组成的多级层次结构。它通常由、、、汇编语言级、高级语言级组成。在每一级上都能进行。二、选择题1、冯·诺依曼机工作方式的基本特点是。A、多指令流单数据流。B、按地址访问并顺序执行指令。C、堆栈操作。D、存储器按内容选择地址。2、CPU的组成中不包含。A、寄存器B、运算器C、控制器D、存储器3、主机中能对指令译码的器件是。A、ALUB、运算器C、控制器D、存储器4、微型计算机的发展以技术为标志。A、操作系统B、微处理器C、磁盘D、软件三、简答题1、按照冯·诺依曼原理，现代计算机应具备哪些功能？2、冯·诺依曼计算机体系结构的基本思想是什么？按此思想设计的计算机硬件系统应由哪些部件组成？它们各起什么作用？3、如何理解软硬件之间的等价性？