计算机组成原理第一章-系统概论.

计算机组成原理课程研究内容•计算机原理——ComputerPrinciple–基本结构BasicArchitecture–工作原理Principle–设计方法LayoutMethods•讲解重点–透视计算机：计算机组成与结构–理解计算机：计算机基本原理和工作过程•课程目的–掌握计算机的基本组成、内部结构及其工作原理–培养学生分析和设计计算机或计算机部件的能力与其它课程的关系计算机组成原理数字逻辑数字电路计算机导论计算机体系结构微机原理及接口技术操作系统第一章计算机系统概论1.1计算机系统简介1.2计算机的基本组成1.3计算机硬件的主要技术指标第1.1节计算机系统简介一个完整人的系统包含哪些组成部分？大脑眼睛、耳朵嘴巴、手脚意识、推理、判断信息的输入模块信息的输出模块外界信息的处理和决策身体的总控制单元记忆脑细胞信息存储部分神经脉冲我们身边的计算机的组成如何？CPU显示器、音响等鼠标、键盘、耳麦存储器系统软件、应用软件信息输入模块信息输出模块信息存储模块算法，逻辑，判断此模块可以看得见，摸得着吗？一、计算机的软硬件概念由具有各类特殊功能的信息（程序）组成计算机系统构成计算机的物理实体，如主机、外设等硬件软件1.计算机系统按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统，使系统资源得到合理的利用。系统软件应用软件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软件第1.2节计算机的基本组成1.2、计算机的基本组成•存储程序思想美籍科学家冯·诺依曼1945年提出的存储程序思想，奠定了计算机自动计算的基础存储程序原理计算机要自动完成解题任务，必须将事先设计好、用以描述计算机解题过程的程序如同数据一样，采用二进制形式存储在机器中，计算机在工作时自动高速地从机器中逐条取出指令加以执行。1.2、计算机的基本组成经典冯.诺依曼计算机框架控制流数据流运算器ALU输出设备存储器控制器输入设备程序数据计算结果将信息转换成机器能识别的形式存放数据和程序将结果转换成人们熟悉的形式算术运算逻辑运算指挥程序运行1.2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6.以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访5.存储程序一、冯·诺依曼计算机的特点5.存储程序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二、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ALU主存辅存CPU主机I/O设备硬件CU2.现代计算机硬件框图存储器输入设备运算器输出设备控制器ALUCPU主机I/O设备CU主存人从外界接受信息到对外界作出反应的完整过程是怎样的？耳朵接收语言语言释义脑电波伺服机制（手脚，口）那么面对C语言等高级语言，电脑怎么解释到机器能够执行的机器语言呢？计算机高级语言程序目标程序结果翻译运行1.1计算机的解题过程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1.1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人的思想如何反应在行为上？脑电波大脑控制部分肌肉控制肢体行动高级语言既然解释到机器语言，那么机器语言又是如何在计算机中执行的？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——运算的全部步骤指令——每一个步骤计算机的工作步骤取x至运算器（ACC）中乘以x在ACC中乘以a在ACC中存ax2在ACC中取b至ACC中乘以x在ACC中加ax2在ACC中加c在ACC中=(ax+b)x+c取x至ACC中乘以a在ACC中加b在ACC中乘以x在ACC中加c在ACC中计算ax2+bx+c编程举例停机0000010000001000取数x[x]ACC存数y[ACC]y加z[ACC]+[z]ACC指令格式举例操作码地址码乘w[ACC]×[w]ACC打印r[r]打印机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ACC10001000000001001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ACC50000100000001100将ax2+bx+c,存于主存单元60001010000001100打印7000110停机8x原始数据x9a原始数据a10b原始数据b11c原始数据c12存放结果计算ax2+bx+c程序清单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MAR计算机的解题过程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(1)存储器的基本组成MDR主存储器存储体MARACCMQX(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运算器MQACCALUXACC被加数ACC初态①加法操作过程[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M②减法操作过程运算器MQACCALUX指令减MACC被减数ACC初态[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC运算器MQACCALUXACCACC被乘数初态MQ[M]MQ指令乘M③乘法操作过程X[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ运算器MQACCALUXACC被除数ACC初态[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余数在ACC中指令除M[M]XX④除法操作过程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12356798以存数指令为例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(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MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC•第1.3节计算机硬件的主要技术指标如何提高人的反应速度？•这个问题需要参考人的一系列生理指标1.人的敏捷能力2.人的意识反应速度•其余指标省略•那么,计算机又该如何提高程序的执行效率？1.3、计算机硬件的主要技术指标•性能指标–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–主频：5MHz(8086)～3GHz(奔腾4)•决定计算机运行的速度，主频越高，运算速度越快•提高主频的方法工艺外频和倍频1.3、计算机硬件的主要技术指标•性能指标–存储容量•主存越大，处理问题的速度越快•与外存交换次数越少，效率越高？213=1KB如：主存容量辅存容量存储单元个数×存储字长字节数如：MARMDR容量1081K=2101G=2301K×8位字节数80GB1.3、计算机硬件的主要技术指标•性能指标–运算速度•计算机工作能力和工作效率的主要表征•实际测试、模拟分析=ni=1fitiTM吉普森法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FLOPS1.3、计算机硬件的主要技术指标•性能指标–运算精度•用计算机能直接处理的二进制信息位数衡量•精度与寄存器的位数的关系，位数越多，精度越高•精度与操作系统的关系•整数边界原则1.3、计算机硬件的主要技术指标•性能指标–存取周期•对主存储器连续两次访问所允许的最小时间间隔•存取周期愈小，系统性能愈高•M的类型•内存的存取周期与总线频率1.3、计算机硬件的主要技术指标•计算机的工作特点–运算速度快——主频–运算精度高——数据表示–记忆功能强——存储器–通用性广——处理对象–自动运算——程序计算机未来发展的方向讨论•计算机在未来发展中还能融入哪些先进技术和理念？1.智能语音技术2.仿生机器人应用3.神经网络技术（作业提交形式：小组论文答辩）