計(jì)算機(jī)組成原理.ppt

2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,1,計(jì)算機(jī)組成原理,主講：劉鳳格 2012.9.3,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,2,課 程 簡 介,“計(jì)算機(jī)組成原理”是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門核心課程，是必修課。在先導(dǎo)課和后續(xù)課之間起著承上啟下的作用。 本課程脫離具體機(jī)型和具體芯片，以計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)為中心闡述基本概念和原理。具體講述計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中各大部件的組成原理、邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法及互連構(gòu)成整機(jī)的技術(shù)，目的在于培養(yǎng)學(xué)生在硬件系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、使用和維護(hù)等方面的能力。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,3,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,教學(xué)目的： 對(duì)計(jì)算機(jī)的組成原理有一個(gè)總體概述。 教學(xué)內(nèi)容： 1.1 計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用 1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史 1.3 計(jì)算機(jī)的硬件（重點(diǎn)） 1.4 計(jì)算機(jī)的軟件 1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,4,1.1 計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用,一、分類 1、電子模擬計(jì)算機(jī)： 數(shù)值由連續(xù)量來表示，運(yùn)算過程也是連續(xù)的 2、電子數(shù)字計(jì)算機(jī)： 電腦按位運(yùn)算，并且不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,5,數(shù)字計(jì)算機(jī)根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來劃分，可以劃分為兩類： 專用計(jì)算機(jī)：專用機(jī)是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，但是它的適應(yīng)性很差。 通用計(jì)算機(jī)：通用計(jì)算機(jī)適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,6,通用計(jì)算機(jī)的分類：通用計(jì)算機(jī)根據(jù)體積、簡易性、功率損耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機(jī)器價(jià)格等可以分為：,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,7,二、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,科學(xué)計(jì)算、信息處理、自動(dòng)控制、測(cè)量和測(cè)試、教育和衛(wèi)生、家用電器、人工智能等。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,8,1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史,一、計(jì)算機(jī)的五代變化 第一代為19461957年，電子管計(jì)算機(jī)：數(shù)據(jù)處理 第二代為19581964年，晶體管計(jì)算機(jī)：工業(yè)控制 第三代為19651971年，中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：小型計(jì)算機(jī) 第四代為19721990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：微型計(jì)算機(jī) 第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：單片機(jī),2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,9,二、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展 20世紀(jì)5060年代，所有計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器都是由微小的鐵磁體環(huán)（磁芯）做成。 1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個(gè)較大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。 從1970年起，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器經(jīng)歷了11代：單個(gè)芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB。 其中1K=210,1M=220,1G=230,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,10,三、微處理器的發(fā)展 1971年Intel公司開發(fā)出Intel 4004。這是第一個(gè)將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品，于是，微處理器誕生了。 1972年出現(xiàn)的Intel 8008，這是第一個(gè)8位微處理器，它比4004復(fù)雜一倍。 20世紀(jì)70年代末才出現(xiàn)強(qiáng)大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。 1981年，貝爾實(shí)驗(yàn)室和HP公司開發(fā)出了32位單片微處理器。 Intel于1985年推出了32位微處理器Intel 80386。后來到現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,11,四、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) 1.吞吐量：表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）。2.響應(yīng)時(shí)間：表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間度量，用時(shí)間單位來度量，例如微秒（10-6S）、納秒（10-9S）。3.利用率：表示在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占的比率，一般用百分比表示。4.處理機(jī)字長：指處理機(jī)運(yùn)算器中一次能夠完成二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算的位數(shù)。當(dāng)前處理機(jī)的字長有8位、16位、32位、64位。字長越長，表示計(jì)算的精度越高。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,12,5.總線寬度：一般指CPU中運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行互連的內(nèi)部總線二進(jìn)制位數(shù)。 6.存儲(chǔ)器容量：存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1個(gè)字節(jié)）。存儲(chǔ)器容量越大，記憶的二進(jìn)制數(shù)越多。 7.存儲(chǔ)器帶寬：存儲(chǔ)器的速度指標(biāo)，單位時(shí)間內(nèi)從存儲(chǔ)器讀出的二進(jìn)制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,13,8.主頻/時(shí)鐘周期：CPU的工作節(jié)拍受主時(shí)鐘控制，主時(shí)鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘，主時(shí)鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機(jī)為60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。 主頻的倒數(shù)稱為CPU時(shí)鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,14,9. CPU執(zhí)行時(shí)間：表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時(shí)間。 公式：CPU執(zhí)行時(shí)間 CPU時(shí)鐘周期數(shù) CPU時(shí)鐘周期 10. CPI：表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)。 CPI 執(zhí)行某段程序所需的CPU時(shí)鐘周期數(shù)程序包含的指令條數(shù),2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,15,11. MIPS：表示每秒百萬條指令數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)。用下式計(jì)算： MIPS 指令條數(shù)(程序執(zhí)行時(shí)間 106 ) 12. MFLOPS：表示每秒百萬次浮點(diǎn)操作次數(shù)，用下式計(jì)算：MFLOPS 程序中的浮點(diǎn)操作次數(shù)(程序執(zhí)行時(shí)間 106 ),2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,16,1.3 計(jì)算機(jī)的硬件,硬件組成：,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,17,1、運(yùn)算器： 功能：進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制形式。運(yùn)算器長度：8、16、32、64位 運(yùn)算器的位數(shù)越多，計(jì)算的精度就越高，但同時(shí)所需的電子器件也越多。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,18,2、存儲(chǔ)器： 功能：保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟 單位： 位 bit: 0或1 ；1個(gè)半導(dǎo)體觸發(fā)器。 字節(jié)byte: 1byte=8bit 存儲(chǔ)單元:一連串0或1組成的整體，也是存儲(chǔ)器的劃分單位。 字word: 1word=nbyte 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,19,存儲(chǔ)容量：所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)，一般以KB、MB、GB為單位 存儲(chǔ)地址：存儲(chǔ)單元的編號(hào) 內(nèi)存：半導(dǎo)體器件 存儲(chǔ)器分類： 外存：磁盤或光盤,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,20,3、控制器 功能： 發(fā)號(hào)施令,控制計(jì)算機(jī)的各部件有條不紊地進(jìn)行工作。即控制器的任務(wù)是從內(nèi)存中取出解題步驟加以分析,然后執(zhí)行某種操作。 （1）指令和程序 指令：每一個(gè)基本操作 程序：解決某一問題的一串指令序列,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,21,（2）指令的形式： 程序控制：控制器依據(jù)存儲(chǔ)的程序來控制全機(jī)協(xié)調(diào) 地完成計(jì)算任務(wù) 指令系統(tǒng)：一種型號(hào)的機(jī)器所適用的所有指令的集合,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,22,（3）控制器的基本任務(wù)： 按照計(jì)算程序所排的指令序列,先從存儲(chǔ)器取出一條指令放到控制器中,對(duì)該指令的操作碼由譯碼器進(jìn)行分析判別,然后根據(jù)指令性質(zhì),執(zhí)行這條指令,進(jìn)行相應(yīng)的操作。 取指周期：取指令的一段時(shí)間 指令 執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時(shí)間 周期,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,23,（4）指令流與數(shù)據(jù)流 數(shù)據(jù)字：某字代表要處理的數(shù)據(jù) 指令字：某字代表一條指令 區(qū)分方法： 取指周期從內(nèi)存讀出的信息流指令流控制器 執(zhí)行周期從內(nèi)存讀出的信息流數(shù)據(jù)流運(yùn)算器,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,24,4、適配器與輸入輸出設(shè)備 輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式轉(zhuǎn)換成機(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式 輸出設(shè)備：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為人或其他機(jī)器所能接收和識(shí)別的信息形式 適配器：也稱為轉(zhuǎn)換器,保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)所要求的形式發(fā)送或接受信息 系統(tǒng)總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架,是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路，在各系統(tǒng)部件之間實(shí)現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,25,1.4 計(jì)算機(jī)的軟件,一、軟件的組成和分類 1.系統(tǒng)程序：用來簡化程序設(shè)計(jì),簡化使用方法,提高計(jì)算機(jī)的使用效率,發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途 各種服務(wù)性程序： 語言程序： 操作系統(tǒng)： 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,26,2.應(yīng)用程序：用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題所編制的程序,如工程設(shè)計(jì)程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動(dòng)控制程序、企業(yè)管理程序、情報(bào)檢索程序、科學(xué)計(jì)算程序等,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,27,二、軟件的發(fā)展,1、機(jī)器語言： 手編（目的）程序：計(jì)算機(jī)可識(shí)別并執(zhí)行 2、匯編語言： 用助記符來表示不同的指令，計(jì)算機(jī)不能識(shí)別并執(zhí)行 匯編程序：源程序目的程序,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,28,3、算法語言： 按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號(hào)以及由這套基本符號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則。 源程序：由算法語言編寫的程序 編譯程序：把源程序翻譯成目標(biāo)程序，然后再執(zhí)行。 解釋程序：直接逐一解釋語句并得出計(jì)算機(jī)結(jié)果。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,29,1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),一、多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,30,二、軟件與硬件的邏輯等價(jià)性,任何操作可以由軟件來實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件來實(shí)現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。對(duì)于某一功能采用硬件方案還是軟件方案，取決于器件價(jià)格、速度、可靠性、存儲(chǔ)容量、變更周期等因素。 固件：將程序固化在ROM中組成的部件。它是一種具有軟件功能的硬件，既具有硬件的快速性，又具有軟件的靈活性。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,31,習(xí)題與解答,一、填空題： 計(jì)算機(jī)中有_在流動(dòng)：一股是控制信息，即操作命令，其發(fā)源地是_，它分散流向各個(gè)部件；另一股是_，它受控制信息的控制，從一個(gè)部件流向另一個(gè)部件 ，邊流動(dòng)邊加工處理。 答案：1、兩股信息 2、控制器 3、數(shù)據(jù)信息 二、選擇題： 1、CPU的組成中不包含_。 A、存儲(chǔ)器 B、寄存器 C、控制器 D、運(yùn)算器 答案：A 2、微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展以_技術(shù)為標(biāo)志。 A、操作系統(tǒng) B、微處理器 C、磁盤 D、軟件 答案：B,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,32,3、下列關(guān)于微處理器的描述中，哪個(gè)是正確的？ A、微處理器就是一臺(tái)微機(jī) B、微處理器是微機(jī)系統(tǒng) C、微處理器就是主機(jī) D、微處理器可以用作微機(jī)的CPU 答案：D 4、下面的敘述中，只有一個(gè)是正確的，它是_。 A、系統(tǒng)軟件就是買的軟件，應(yīng)用軟件就是自己編寫的軟件 B、外存上的信息可以直接進(jìn)入CPU被處理 C、用機(jī)器語言編寫的程序可以由計(jì)算機(jī)直接執(zhí)行，用高級(jí)語言編寫的程序必須經(jīng)過翻譯才能執(zhí)行 D、說一臺(tái)計(jì)算機(jī)配置了FORTRAN語言，就是說它一開機(jī)就可以用FORTRAN語言編寫和執(zhí)行程序 答案：C,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,33,5.完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括（） A.運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器 B.外部設(shè)備和主機(jī) C.主機(jī)和實(shí)用程序 D.配套的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng) 6.計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)是指（） A. RAM B. ROM C. 主存儲(chǔ)器 D. cache、主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器 7、電子計(jì)算機(jī)可分為數(shù)字計(jì)算機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)，它們是按照（）分類的。 A.計(jì)算機(jī)的用途 B.計(jì)算機(jī)的使用方式 C.信息的形式和處理方式 D.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)規(guī)模,答案：D,答案：D,答案：C,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,34,三：判斷題： 1、在微型計(jì)算機(jī)廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域中，會(huì)計(jì)電算化屬于科學(xué)計(jì)算方面的應(yīng)用。 答案：錯(cuò)。會(huì)計(jì)電算化屬于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用 2、決定計(jì)算機(jī)計(jì)算精度的主要技術(shù)指標(biāo)是計(jì)算機(jī)的字長 答案：對(duì) 3、計(jì)算機(jī)“運(yùn)算速度”指標(biāo)的含義是指每秒鐘能執(zhí)行多少條操作系統(tǒng)的命令。 答案：錯(cuò)?！斑\(yùn)算速度”的含義是指每秒鐘能執(zhí)行多少條指令。 4、利用大規(guī)模集成技術(shù)把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算部件和控制部件做在一塊集成芯片上，這樣的一塊芯片叫做單片機(jī)。 答案：錯(cuò)。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算部件和控制部件做在一塊集成電路芯片上，這樣的一塊芯片叫做CPU。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,35,四、簡答題： 1、馮諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本思想是什么？按此思想設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)應(yīng)由哪些部件組成？它們各起什么作用？ 答：馮諾依曼計(jì)算機(jī)體系的基本思想是存儲(chǔ)程序，也就是將用指令序列描述的解題程序與原始數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)只要一啟動(dòng)，就能自動(dòng)地取出一條條指令并執(zhí)行之，直至程序執(zhí)行完畢，得到計(jì)算結(jié)果為止。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,36,按此思想設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)應(yīng)包含運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個(gè)基本部件。 運(yùn)算器用來進(jìn)行數(shù)據(jù)變換和各種運(yùn)算。 控制器則為計(jì)算機(jī)的工作提供統(tǒng)一的時(shí)鐘，對(duì)程序中的各基本操作進(jìn)行時(shí)序分配，并發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)的各部件按節(jié)拍有序地完成程序規(guī)定的操作內(nèi)容。 存儲(chǔ)器用來存放程序、數(shù)據(jù)及運(yùn)算結(jié)果。 輸入/輸出設(shè)備接收用戶提供的外部信息或用來向用戶提供輸出信息。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,37,2、存儲(chǔ)器是怎樣編址的？128K字、512K字和1M字容量的存儲(chǔ)器按十六進(jìn)制編址，范圍如何表示？ 答：存儲(chǔ)單元按順序編號(hào)，每個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)編號(hào)，此編號(hào)稱為存儲(chǔ)單元地址，簡稱地址。地址與存儲(chǔ)單元是一一對(duì)應(yīng)的，每個(gè)存儲(chǔ)單元只有一個(gè)地址。需要注意的是，此時(shí)每個(gè)存儲(chǔ)單元存放的數(shù)據(jù)位為一個(gè)字。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,38,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,39,3、試說明計(jì)算機(jī)硬件的主要性能參數(shù)。 答：衡量計(jì)算機(jī)硬件的主要性能參數(shù)包括： 主頻：主頻或時(shí)鐘周期是計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)之一，它在很大程度決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。主頻通常用1s內(nèi)處理器所能發(fā)出電子脈沖數(shù)來表示，單位一般為兆赫茲(MHz)或吉赫茲(GHz). 運(yùn)算速度：運(yùn)算速度是計(jì)算機(jī)工作能力和工作效率的主要表征，它取決于在給定的時(shí)間內(nèi)處理器所能處理的數(shù)據(jù)量以及處理器的時(shí)鐘頻率。運(yùn)算速度通常用每秒執(zhí)行指令的條數(shù)來表示，其計(jì)量單位為：MIPS或MFLOPS.,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,40,運(yùn)算精度：運(yùn)算精度通常用計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制信息位數(shù)來衡量。這個(gè)位數(shù)一般和CPU中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)寄存器的位數(shù)相同，一般位數(shù)越多，精度越高。 主存存儲(chǔ)容量：主存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序，直接與CPU交換信息。主存的容量越大，可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和程序就越多，處理問題的能力也就越強(qiáng).,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,41,主存存儲(chǔ)周期：將信息存入主存，稱為寫入；將信息從主存中取出，稱為讀出；對(duì)主存的讀寫，簡稱訪存。對(duì)主存連續(xù)兩次訪存所允許的最小時(shí)間間隔，叫主存存取周期。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,42,4.下圖所示為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖。請(qǐng)?jiān)诿恳患?jí)框內(nèi)填入適當(dāng)?shù)膶Ｓ眯g(shù)語，并說明哪些是硬件級(jí)？哪些是軟件級(jí)？,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,43,解： 1. 微程序設(shè)計(jì)級(jí)(或邏輯電路級(jí)) 2. 一般機(jī)器級(jí) 3. 操作系統(tǒng)級(jí) 4. 匯編語言級(jí) 5. 高級(jí)語言級(jí) 其中：1、2級(jí)屬于硬件級(jí)；3、4、5級(jí)屬于軟件級(jí)。,2012,計(jì)算機(jī)系 劉鳳格,44,課后習(xí)題,練習(xí)：P15 ex4 、 ex5、 ex7,