计算机组成原理ppt课件第1章.ppt
主要内容： 计算机的基本概念 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 软件和硬件的关系 计算机的特点和性能指标,第 1 章 概 论,1.1 计算机的基本概念,1.1.1 计算机与冯 诺依曼体制,1. 用二进制代码表示程序和数据；,2. 计算机采用存储程序的工作方式；,3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备组成。,1.1.2 信息的数字化表示,1.在计算机中用数字代码表示各种信息,二进制代码,例1：用数字代码表示数据,6 表示为 0 110,- 6 表示为 1 110,例2 ：用数字代码表示字符,A表示为 1000001,B表示为 1000010,例3：用数字代码表示命令、状态,启动 表示为 00,停止 表示为 01,正在工作 表示为 10,工作结束 表示为 11,2. 在物理机制上用数字信号表示数字代码。,数字型电信号,例1： 用电平信号表示数字代码,高电平,1,低电平,高电平,0,1,例2：用脉冲信号表示数字代码,有脉冲,无脉冲,有脉冲,1,0,1,3. 数字化方法表示信息的优点,（1）容易实现（2）可靠性高（3）范围大、精度高（4）通用性强（5）能用数字逻辑技术,1.1.3 存储程序工作方式,1.事先编制程序,3.自动、连续地执行程序,2.事先存储程序,传统冯诺依曼机串行执行指令。,对传统冯诺依曼机的改造：增加并行处理功能。,1.2 计算机系统的组织,1.2.1 硬件系统,硬件：构成计算机的物理设备。 1.常见计算机硬件系统组成 （图1-5）,（1）CPU：中央处理器的简称，CPU是能执行系统程序和用户程序的处理器，主要由运算器、控制器组成，通常集成在一块芯片上。 运算器： 1）功能：完成算术运算和逻辑运算，即加工信息的部件。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,2）组成：,控制器 1）功能：产生控制命令(微命令)，控制全机操作。 2）组成：,微命令序列,微命令产生方式（指令执行控制方式 ）：,3）讨论 两种控制器组成原理与控制机制。 模型机的数据通路结构和指令执行过程。,组合逻辑控制方式：,微程序控制方式：,由组合逻辑电 路产生微命令,由微指令产生微命令,（2）存储器 1）功能: 存储信息。 2）组成（主存储器）：,存储体: 存放信息的实体。寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂存读/写数据。控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作。3）讨论存储单元读/写原理、存储器逻辑设计,（3） 输入/输出设备 1）功能：转换信息。输入设备：原始信息转换成代码送入主机；输出设备：处理结果转换成人所能接受的形式并输出。 2）种类：显示器、打印机、扫描仪、键盘、绘图仪、鼠标等。,（4）总线 1）定义：一组能为多个部件分时共享的信息传输线及逻辑控制部件。 2）功能：传输信息。 （5）接口 1）定义：连接系统总线和I/O设备的逻辑控制部件。 2）功能：数据传送与缓冲、数据格式变换、逻辑控制等功能。,2.典型的硬件系统结构（1）以总线为基础的系统结构特点：结构简单、控制方便、扩展容易。,单总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,（2）采用通道或IOP的系统结构带通道的系统（图1-6）,I/O控制器,主机,I/O,通道,规模较小的系统可将通道部件设置在CPU内部。较大大的系统可将通道设置在CPU之外。更大的系统可将通道发展成功能更为强大的输入/输出处理机，称为IOP。,（3）多机系统简介 主要在系统结构中介绍。 图1-7为紧耦合系统，以总线或开关矩阵连接多个节点（CPU）。 图1-8为松耦合系统，以通信网络连接多个节点（CPU）。,1.2.2 软件系统,软件：计算机使用的所有程序和数据文件的集合。 系统软件：操作系统、语言处理程序、数据库系统等。 应用软件：计算、控制、管理、设计等各种软件。,1.2.3 系统组成的层次结构,图1-9 从软件、硬件组成角度划分的层次结构模型。 系统分析级用户程序级应用程序 语言处理程序操作系统级传统机器级微程序级逻辑部件级,图1-10 从语言功能角度划分的层次结构模型。专用语言高级语言汇编语言机器语言 虚拟机 实际机器 层次结构模型便于不同的人从不同的层次观察、分析计算机的组成、性能和工作机理。,1.2.4 软、硬件的功能划分与逻辑上的等价性,1.在逻辑功能上等价 硬件的功能可以用软件完成，软件的功能可以用硬件完成。举例：乘法运算、浮点运算、数组运算、中断排队、按键识别。 硬件软化-软件硬化-软件固化固件：软件固化在只读存储器中。,2.在物理实现上不等价 在实现速度、价格、灵活性等方面不同。 硬件实现速度快、价格高、灵活性差，软件反之。 3.软、硬件的功能分配及界面 随时间变化，随机器档次变化。 指令系统是软件和硬件的分界面。,1.3 计算机的特点及性能指标,1.3.1 数字计算机的特点 1. 自动连续地执行程序 2. 运算速度快 3. 运算精度高 4. 存储能力强 5. 通用性好,1.3.2 计算机的主要性能指标,1.基本字长 指操作数的基本位数。 和运算器、寄存器、总线有关，它影响计算精度、指令功能。 8 16 32 64位,2. 运算速度 （1）定点/浮点四则运算时间 （2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（Hz） 5M 100M 1G 2.0G 3.2G （4）典型程序执行时间 （5）每条指令平均执行周期数：CPI,3.数据传输率与数据通路宽度 （1）数据通路宽度: 数据总线一次能并行传输的数据位数。 （2）数据传输率（带宽）：数据总线每秒传输的数据量。,总线带宽 =,总线位数总线时钟频率 8,（B/S）,主存带宽 =？,4.存储容量 1）主存容量 K、M、G、T 1024 指存储单元个数 位数。,表示为：字数字长（按字编址） 或字节数（按字节编址）。,（2）外存容量 常表示为字节数； 外存容量与地址码位数无关。,5.外设配置 外设的种类、数量、性能。 6.软件配置（和硬件有关） 软件的种类、数量、性能。,第 1 章作业（教材第20页）2、3、4、8补充作业：1.计算机是如何区分指令和数据的。2.论述计算机软硬件之间的关系。,
