计算机组成原理课件PPT第一章

计算机组成原理侯艳艳参考书籍：1)计算机组成原理白中英主编科学出版社2）计算机组成原理解题指南白中英主编科学出版社3)计算机组成原理-学习指导与习题解答唐朔飞主编，高等教育出版社学习网站：=1476计算机组成原理第一篇概论本书结构内部互连ALUCU寄存器中央处理单元寄存器解码器控制单元排队逻辑控制存储器第二篇计算机系统硬件结构第三篇CPU第四篇CU计算机I/O系统总线存储器CPU第一章计算机系统概论1.1计算机系统简介1.3计算机硬件的主要技术指标1.2计算机的基本组成本节重点：1、计算机软硬件的组成2、计算机的层次结构3、冯诺依曼计算机的主要特点4、计算机参数的基本指标主频、时钟周期、CPI、MIPS。解剖一台计算机个人计算机由主机和外设组成主机中包含多个电路板每个电路板中有十几个集成电路每个集成电路中有十几个模块每个模块中有上千万个单元每个单元中有十几个门电路每个门电路实现基本的逻辑运算所有信息都用二进制编码表示1.1计算机系统简介由具有各类特殊功能的信息（程序）组成1.计算机系统计算机系统计算机的实体如主机、外设等一、计算机软、硬件的概念硬件软件按任务需要编制成的各种程序科学计算、数据处理过程控制、事务管理用来管理整个计算机系统系统软件应用软件标准程序库、语言处理程序操作系统服务性程序（磁盘碎片管理、备份程序）数据库管理系统网络软件软件购买计算机系统时自带的软件计算机高级语言程序目标程序结果翻译运行1.12.计算机的解题过程实际机器M1（机器语言程序）机器语言程序直接在M1上执行。二、计算机系统的层次结构虚拟机器M2（汇编语言机器）实际机器M1（机器语言机器）第二级第一级虚拟机器M2（汇编语言机器）实际机器M1（机器语言机器）第二级第一级虚拟机器M3（高级语言机器）第三级虚拟机器M2（汇编语言机器）传统机器M1（机器语言机器）第二级第一级虚拟机器M3（高级语言机器）第三级微程序机器M0（微指令系统）第零级高级语言虚拟机器M4汇编语言虚拟机器M3操作系统虚拟机器M2机器语言传统机器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虚拟机器M4虚拟机器M3虚拟机器M2传统机器M1微程序机器M01.2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，顺序存放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/OCU主存1.上机前的准备•建立数学模型•编制解题程序•确定计算方法程序—运算的全部步骤指令—每一个步骤三、计算机的工作步骤y=ax+b主存单元的地址存储内容注释012345678x原始数据x9a原始数据a10b原始数据b11y存放结果y[ACC]*[9]ACC[ACC]+[10]ACC1.取x至运算器中2.乘以a在运算器中3.加b在运算器中y=ax+b程序步骤分解[8]ACC4.结果存在y中ACCy5.跳转到程序结束77PC指令和数据存于主存单元的地址指令/数据注释操作码地址码00000010000001000取x至ACC10001000000001001乘a得ax存于ACC中20000110000001010加b得ax+b,存于ACC中30000100000001011将ax+b存于主存单元40001010000000111程序跳转到地址7执行567000110停机8x原始数据x9a原始数据a10b原始数据b11y存放结果y12…..y=ax+b程序清单(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/OACCMQX2.计算机的解题过程(1)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）(2)存储器的基本组成主存储器存储体MARMDR存储字长、指令字长、数据字长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(2)存储器的基本组成主存储器存储体MARMDR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LDAACC,[7]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/O12356798以存数指令为例4CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O(4)主机完成一条指令的过程STA[8],ACC(5)ax+b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)MARMMDRACCPC1.3计算机硬件的主要技术指标1.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存储字长、指令字长221=256KB213=1KB如：2.存储容量主存容量辅存容量存储单元个数×存储字长字节数字节数80GB如：MARMDR容量1081632存放二进制信息的总数量1K=2101Byte=231G=2301K×8位64K×32位3.运算速度=ni=1fitiTM吉普森法主频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FLOPS1.CPU时钟周期、主频CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是赫兹（Hz）。主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是秒（s）。对于不同指令，执行所需要的时钟周期数不同。频率在数学表达式中用“f”表示，其相应的单位有：Hz（赫）、kHz（千赫）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）。1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz时钟周期单位及相应的换算关系是：s（秒）、ms（毫秒）、μs（微妙）、ns（纳秒）。1s=1000ms，1ms=1000μs，1μs=1000ns。知识扩展：（1）睿频是指当启动一个运行程序后，处理器会自动加速到合适的频率，而原来的运行速度会提升10%~20%，以保证程序流畅运行的一种技术。（2）倍频与外频，外频是CPU的基准频率，单位也是MHz。外频是CPU与主板之间同步运行的速度，也是内存与主板之间的同步运行的速度。倍频即主频与外频之比的倍数。主频、外频、倍频，其关系式：主频=外频×倍频。（3）超频通过人为方式将CPU、显卡等硬件的工作频率提高（实际就是提高电压），在高于其额定的频率状态下稳定工作。以IntelP4C2.4GHz的CPU为例，它的额定工作频率是2.4GHz，工作频率提高到2.6GHz。CPU超频是为了提高CPU的工作频率，也就是CPU的主频。CPU的主频又是外频和倍频的乘积。例：CPU的外频100MHz,倍频8.5主频=外频×倍频=100MHz×8.5=850MHz。2.吉普森法综合考虑每条指令的执行时间及在全部操作中占的百分比。=ni=1fitiTM吉普森法3.MIPS每秒百万条指令数，用下式计算：4.CPI表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。5.FLOPS表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器速度越快。MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。补充：6.CPU执行时间CPU执行一段程序所占用的CPU时间，CPU执行时间＝CPU时钟周期数×CPU时钟周期长。7.吞吐量单位时间内完成的工作量，单位是字节/秒（B/S）。8.响应时间从作业提交到作业完成所需要的时间，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。1.假设某计算机的CPU主频为80MHz，CPI为4。该计算机的MIPS数是多少？2.下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是()A.MIPSB.CPIC.IPCD.MFLOPS3.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作业：P19页，1.2,1.5,1.7考研考点：计算机发展历程计算机系统层次结构计算机硬件的基本组成计算机软件的分类计算机的工作过程计算机性能指标1)吞吐量、响应时间；2)CPU时钟周期，主频，CPI，CPU执行时间,MIPS,FLOPS