《计算机组成原理》教程第1章概述.ppt

计算机组成原理第一章 概论,张连姣Z,教学目的,硬件系列课程之一计算机组成原理对计算机系统的基本组成和工作机制有比较透彻的理解本课程的目的深入理解计算机系统的硬件组成和工作原理系统构成、总线、存储器、I/O系统等深入理解处理器的内部结构和工作原理对计算机系统当前的发展动向和水平有明确的概念,课程内容,系统硬件结构系统总线（总线性能、总线结构、总线控制）存储器（主存储器、高速缓存、辅助存储器）输入输出系统（外设、I/O接口、I/O控制方式）中央处理器（CPU）计算机的运算方法指令系统CPU的结构控制单元设计,教材,Textbook：陈明王智广，计算机组原理清华大学出版社，2004Reference:白中英，计算机组成原理，科学出版社,2001,成绩考核,期末考试：70（闭卷）作业：20，不能抄袭课堂练习：10,本章教学内容,1.计算机的发展、分类、特点与应用；2.计算机硬件和软件的基本概念；3.计算机硬件系统的组织，各部分的功能及其组成框图；4.计算机的工作过程，即执行指令的过程；5.冯.努依曼型计算机的设计思想；6.计算机系统的层次结构。,1.计算机系统组成,2.计算机系统组成硬件系统,华硕P4S533-MX主板,内存条插槽,CPU风扇支架,PCI扩展槽,IDE硬盘接口,各种外设接口，包括：键盘、鼠标、显示器、USB、声卡、网卡、并行口等,CPU插槽,3 计算机的软件系统 计算机硬件是载体，软件是灵魂。,软件的组成与分类 分类：系统程序、应用程序 软件的发展演变 手编程序（目的程序）汇编程序算法语言(高级语言）高级语言与机器语言的转换：编译系统、解释系统,机器语言由0/1代码表示机器能完成的各种操作（指令）例：MCS-51两个寄存器相加的机器语言指令：00101000依赖于机器（处理器指令集），难于理解汇编语言用便于书写和记忆的符号表示机器的各种操作ADD、SUB、MUL、DIV、JMP、CMP等例：MCS-51两个寄存器相加汇编语言指令：ADD A，R0依赖于机器高级语言程序描述方式适合人类的习惯与平台无关性,需要将高级语言程序转换成机器语言程序，才能在实际机器上执行编译执行：利用编译器一次性将高级语言程序翻译成机器语言程序C、FORTRAN解释执行：语句翻译一条，执行一条，直至结束BASIC,用户采用程序设计语言描述问题的求解过程，计算机在程序的控制下完成问题的求解计算机只能识别用0/1代码表示的程序用户需要使用高级语言编程,4.Von Neumann(冯诺依曼)机的特征,计算机由五个部分构成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备指令和数据“以同等地位”存放于存储器内，分别按地址访问指令和数据均用二进制码表示指令由操作码和地址码构成指令按顺序存放，顺序执行机器以运算器为中心,Von Neumann机的组织结构,5.指令的执行过程,取指根据PC访存读取当前要执行的指令PC1译码识别指令字中的操作类型，产生相应的控制信号取操作数根据指令字的地址域访存执行写回,计算机的工作过程,执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所以，计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令。,存储器的组织,存储单元按字节或字寻址程序和数据顺序存放数据段代码段读写操作以数据总线宽度为单位,示例操作过程,寄存器使用规则ACC：操作数之一和结果MQ：操作数之一和结果X：操作数之一加法M-X;ACC+X-ACC减法M-X;ACC-X-ACC乘法M-MQ;ACC-X;0-ACC;X*MQ-ACC/MQ除法M-X;ACC/X-MQ;余数在ACC中,示例ax2+bx+c,(ax+b)x+cx-ACCx*a-ACCax+b-ACCx*(ax+b)-ACC(ax+b)x+c-ACC,示例程序的执行过程,计算1+2=?,汇编语言程序对应的机器指令 对应的操作MOV AL,110110000将立即数1传送到累加寄存器AL中00000001ADD AL,200000100计算两个数的和，结果存放到AL中00000010MOV 0008,AL10100010将AL中的数传送到地址单元00080000100100000000HLT11110100停机,6.计算机硬件的性能指标,机器字长CPU一次能处理数据的位数寄存器、ALU、总线、存储器等字长越长，数的表示范围越大，精度越高4位、8位、16位、32位、64位存储容量存储器可存储的二进制数据总数容量存储单元个数存储字长MAR16位，则有64K个存储单元；MDR32位，则共可存储64K322Mb,运算速度依赖于机器的主频、操作类型、存储器访问时间等主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频的单位是MHzMIPS：每秒能执行多少百万条指令由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值。FLOPS：每秒钟浮点运算次数,电子计算机,ENIAC，运算速度 5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2，造价100万美元。,7.电子计算机的发展,电子管计算机（Vacuum Tubes）1946-1958：磁鼓存储器，机器语言、汇编语言编程。ENIAC晶体管计算机（Transistors）1958-1964：磁芯作主存储器,磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。IBM 700/7000系列，50万次/s集成电路计算机1964-1971：使用半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络IBM 360系列，百万次/s大规模集成电路计算机1971-：出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化人工智能计算机1981-：模拟人的智能和交流方式,8.电子计算机分类,巨型机功能极其强大，速度达上万亿次典型产品有：Cray-1、Cray-2、Cray-3、国产银河I、银河II、银河III等大型机大中型企事业作为计算机中心的主机使用，统一调度计算机资源，典型产品有：IBM360,370,3400等小型机它可以满足部门性的要求，供小型企事业单位使用.典型产品有：IBM/AS-400,DEC-VAX系列等微型机个人家庭使用，PC机个人计算机，价格低廉，目前广泛使用单片机将计算机基本部件集成在集成在一片集成芯片上，体积小功耗低，价格便宜，广泛用于家用电器和智能仪表中,.微型计算机的典型应用,信息技术：微电子是基础，计算机、通信、网络是载体，软件是核心数值计算、数据管理、信息处理通用微机要求功能强、使用方便过程控制、智能化仪器仪表、数据通讯专用微机：单片机（MCS51等）、单板机（Z80）、工控机要求可靠性高、实时性强应用程序相对简单、数据处理量较小,10.计算机发展趋势,微型化 便携式、低功耗巨型化 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度智能化 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和升级网络化 网络计算机和信息高速公路多机系统 大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、故障分散、资源共享),11.计算机系统的层次结构 计算机系统是一个有硬件、软件组成的多级层次结构。第1级：微程序级 硬件级。执行一系列微指令，解释执 行机器指令第2级：物理机器级 硬件级。执行机器指令，完成相应的功能第3级：操作系统级 虚拟机。为系统的操作和程序设计提供平台第4级：汇编语言级 虚拟机。为程序员提供一种符号形式语言第5级：高级语言级 虚拟机。提供与计算机结构无关的程序设计语言,每一级上都能进行程序设计，且得到下面各级的支持；第1级第3级所用语言基本为二进制语言，机器执行和解释容易；第4级、第5级采用符号语言，有利于不了解硬件的人使用计算机；级数越低越靠近硬件，级数越高使用计算机越方便；从语言功能层次进行划分，引入虚拟机概念，有助于了解计算机和设计计算机,补充知识：两个著名定律,Computing power and miniaturizationMoores Law(1965,Gordon Moore):Processor speed and storage capacity double every 18 monthsCommunicationGilders Law(1996?):Bandwidth grows three times faster than computing power and storage capacity,现代嵌入式系统的应用,新一代智能设备 掌上电脑车载智能设备笔记本计算机手表智能卡智能手机机顶盒POS销售机屏幕电话（除了普通话机的功能还可以浏览因特网）,任天堂可视电话游戏机,The third wave in computing,普适计算(ubiquitous computing),由Mark Weiser(1952-1999，Xerox)在1988年提出An integration of human factors,computer science,engineering,and social sciences IBM在1999年创造了一个名词，即“pervasive computing（普及计算）”Any ContentAny PlaceAny DeviceAny Time,Personal Server,Washable Computing,小结,计算机系统由软件和硬件组成计算机组成 vs.计算机体系结构Von Neumann机计算机硬件系统由五大部件组成信息以二进制表示指令由op和addr构成“存储程序控制顺序执行”,