计算机组成原理第1章.ppt

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1、2023/9/15,1,2023/9/15,2,2023/9/15,3,(1)专用计算机和通用计算机专用计算机：针对某些特定应用领域或特定任务而设计的计算机。通用计算机：超级计算机、大型机、服务器、工作站、微型机和单片机。,2023/9/15,4,2023/9/15,5,2023/9/15,6,2023/9/15,7,(2)大型机、小型机、PC机、工作站、巨型机、小巨型机,2023/9/15,8,(3)服务器、工作站、台式机、笔记本、手持设备,2023/9/15,9,2023/9/15,10,(5)互联网阶段1.1.3 存储器和微处理器的发展 1.存储器的发展(1)磁芯存储器 制作工艺复杂，体

2、积较大，价格昂贵，速度比较快，破坏性读出。(2)半导体存储器 非破坏性读出，读写速度比磁芯快得多。2.微处理器的发展(1)20世纪70年代的Intel微处理器,2023/9/15,11,2023/9/15,12,(2)20世纪80年代的Intel微处理器,2023/9/15,13,(3)20世纪90年代以后的微处理器,2023/9/15,14,2023/9/15,15,1.1.4 存储程序和程序控制原理计算机硬件由运算器、存储器、控制器、I/O设备构成。用二进制数字0和1表示计算机内部指令和数据。存储程序和程序控制。,2023/9/15,16,1.2 计算机的硬件和软件1.2.1 计算机硬件系

3、统的组成和工作过程1.硬件系统的组成 硬件系统=存储器+运算器+控制器+适配器+输入设备+输出设备。,2023/9/15,17,(1)运算器 完成算术运算和逻辑运算。运算器的核心部件是加法器；还有许多用来暂存指令、数据、位址的寄存器。,2023/9/15,18,(2)存储器 存放数据和程序。一个半导体存储器由若干个存储单元组成。每个存储单元都有一个编号，叫存储单元地址。存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。存储容量越大，计算机记忆存储的信息就越多。,2023/9/15,19,半导体存储器容量有限，计算机系统中又配备了存储容量更大的磁盘、光盘等存储设备，称为外存储器。现代计算机的存储系统

4、=高速缓存+主存+辅存。主存：CPU可直接访问，存取速度较快，容量较小，主要用于存放当前正在执行的程序和数据。辅存：容量大，价格低，速度比主存慢，,2023/9/15,20,主要用来存放暂时不参与运算的程序和数据。缓存(Cache)：位于主存与CPU之间，容量很小，速度比主存快，用于存放最急需处理的程序和数据，以便快速地向CPU提供指令和数据。采用三级存储系统减少存储器的容量、速度、价格三者之间的矛盾，提高了CPU工作效率，改善了计算机系统的整体性能。(3)CPU控制器 控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。其工作原理如图1-12所示。,2023/9/15,21,几个重要概念：取指

5、周期：从内存中取出一条指令所需要的时间。机器周期：机器完成一种基本操作所需要的时间。执行周期：计算机执行一条指令所需要的时间。指令周期：CPU从内存中取出一条指令并执行完这条指令所需要的时间。,2023/9/15,22,(4)输入设备 把某种信息形式变换成机器内部所能接收和识别的二进制形式的设备。,2023/9/15,23,(5)输出设备 把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式的设备。,2023/9/15,24,2.硬件系统的工作过程,2023/9/15,25,1.2.2 计算机软件系统1.计算机软件的分类(1)系统软件 即系统程序。调度、监控和维护计算机系统，管理各种独

6、立硬件，使它们能够协调一致地进行工作。(2)应用软件 即应用程序。用户利用计算机来解决实际问题而编制的程序。2.软件的发展演变情况(1)机器语言与目的程序(2)汇编语言与汇编程序(3)算法语言与源程序(4)OS(5)DBMS,2023/9/15,26,1.3 总线系统1.3.1 总线的基本概念 总线是连接计算机各功能部件的一组信号线，是计算机中用来传送信息代码的公共通道。计算机系统中有三种基本总线：数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB，分别用于传输数据、数据地址和控制信号。计算机系统采用总线结构有以下优点：(1)简化了系统设计。(2)简化了系统结构。(3)便于计算机系统的扩充与升级。,20

7、23/9/15,27,(4)方便系统故障珍断与维护，降低系统管理成本。1.3.2 单处理器系统中的总线分类1.按总线连接的部件分类CPU内部总线：连接CPU内部各个寄存器和运算部件的信息传送线。系统总线：连接CPU与主存或I/O接口之间的信息传送线，它是连接整机系统的基础。2.按数据传送方式分类串行总线：采用一根数据线一位一位地传送数据。并行总线：采用多根数据线同时传送一个字节或一个字的所有位。,2023/9/15,28,3.按总线的通信定时方式分类 同步总线：互联部件或设备均通过统一的时钟进行同步。异步总线：不使用统一时钟信号，而依靠各部件或设备内部的定时操作来确定通信定时方式。1.3.3

8、总线的特性物理特性：总线物理连接方式的特性。功能特性：描述总线中每一根线的功能。电气特性：定义每一根线上信号的传递方向及有效电平。,2023/9/15,29,时间特性：定义了每根线在什么时间有效。1.3.4 总线的主要性能指标1.总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。总线带宽Dr=D/T=D(1/T)。例1-1：(1)某总线一个总线周期并行传送4B数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期等于33MHz，求总线带宽Dr。(2)若一个总线周期中并行传送64b数据，总线时钟频率升为66MHz，求总线带宽Dr。,2023/9/15,30,解：(1)Dr=D/T=D(1/T)=4B(33/106)

9、s138MB/s(2)Dr=8B(66/106)s553.6MB/s2.总线位宽：总线一次能够同时传送的数据位数。3.总线频率：控制总线的时钟信号频率。4.总线周期：指一次总线操作所用的时间。1.3.5 系统总线的结构1.单总线结构 使用一条单一的系统总线来连接CPU、内存和I/O设备。,2023/9/15,31,2.多总线结构(1)双总线结构 双总线是指内存总线和I/O总线。内存总线用于CPU、内存和通道之间传送信息；I/O总线用于多个外设与通道之间传送信息。,2023/9/15,32,(2)三总线结构 采用相互独立的内存总线、I/O总线和DMA总线在计算机系统各部件之间构成信息通路。,20

10、23/9/15,33,图1-18是一个比较完整的多总线结构示意图。,2023/9/15,34,2023/9/15,35,1.3.6 总线的内部结构1.早期计算机系统总线的内部结构,2023/9/15,36,早期总线的内部结构一般包括地址线、数据线和控制线三类总线。地址线单向传送主存与设备的地址信息；数据线双向传送数据；对于每一根控制线来说是单向的传送信息，即CPU向接口发送的控制信号，或者接口向CPU发送的反馈信息。早期计算机系统总线的内部结构的缺点：CPU是总线唯一的主控者，不能满足多CPU环境的要求。总线信号是CPU芯片引脚信号的延伸，因此总线结构与CPU密切相关，系统通用性较差。2.当代

11、计算机系统总线内部结构,2023/9/15,37,2023/9/15,38,1.3.7 冯.诺依曼存储结构与哈佛存储结构1.冯.诺依曼存储结构 指令和数据混存于同一存储器且共享DB线，取指令和取操作数不能同时进行。存储器访问成了提高系统运行效率的“瓶颈”。存储程序并按地址顺序执行是冯.诺依曼机型的基本特点。,2023/9/15,39,2.哈佛存储结构 基本特点：指令与数据独立分段存储，CPU取指令与取操作数可以同时进行，程序总线与数据总线分离，指令和数据分开存放，各自可以选择不同的数据宽度，较好地解决了冯.诺依曼结构存储器访问的瓶颈问题。,2023/9/15,40,1.4 计算机系统的多层次结

12、构,2023/9/15,41,1.5 计算机的工作过程和主要性能指标1.5.1 计算机的工作过程 取指令执行一系列指令。,2023/9/15,42,1.5.2 计算机的主要性能指标 1.机器字长。指计算机进行一次定点整数运算时能够处理的二进制数据的位数，也就是运算器进行定点数运算的字长。2.数据通路宽度(数据总线位宽)。数据通路宽度就是数据总线宽度，即数据总线一次能够并行传送的二进制数位数。,2023/9/15,43,3.主存容量。一个主存储器能够存储的全部信息量。4.运算速度 平均运算速度：CPU执行各种不同类型的指令所需要的平均时间。CPI：CPU执行一条指令所需的平均时钟周期数。CPI=

13、总指令周期数/总指令数 总指令周期数=各类指令数CPI之和 总指令数=各类指令数之和,2023/9/15,44,MIPS和MFLOPS运算速度 MIPS：一台计算机平均每秒钟执行的指令数。MIPS=指令条数/(执行时间106)=主频/CPI MFLOPS：一台计算机平均每秒钟执行的浮点数。MFLOPS=浮点操作次数/(执行时间106)例1-2：用一台40MHz处理器执行标准测试程序，其混合指令数和相应所需的时钟周期数如下所示，求该计算机的有效CPI、MIPS速率和程序的执行时间。,2023/9/15,45,解：CPI=总指令周期数/总指令数=(450001+320002+150002+8000

14、2)/(45000+32000+15000+8000)=1.55MIPS=主频/CPI=40/1.55=25.81程序执行时间t=(450001+320002+150002+80002)1/40106)=3.87510-3秒5.吞吐量和响应时间。吞吐量指在给定的时间段内系统完成的数据交换量；响应时间指从提出请求到得到响应所需要的时间。6.CPU时钟周期和CPU执行时间。CPU时钟周期也叫主频周期，是控制计算机操作的最小单位时间。CPU执,2023/9/15,46,行时间是指执行一条指令所需要的时间。CPU执行时间=CPU时钟周期数/时钟频率。例1-3：微机A和B采用不同主频CPU芯片，但片内逻

15、辑电路完全相同，问：(1)若微机A的CPU主频为8MHz，B的主频为12MHz，则微机A的CPU时钟周期是多少？(2)若微机A的平均指令执行速度为0.4MIPS，那么其平均指令周期是多少？(3)微机B的平均指令执行速度是多少？解：(1)微机A的CPU主频为8MHz，则其CPU时钟周期=18MHz=0.125s。,2023/9/15,47,(2)微机A的平均执行速度为0.4MIPS，那么，其平均指令周期=10.4MIPS=2.5s。(3)微机A平均每条指令的时钟周期数CPIA=2.5s0.125s=20。因微机A和B片内逻辑电路完全相同，故微机B每条指令时钟周期数CPIB=20，微机B的平均指令

16、执行速度=主频CPIB=1220MIPS=0.6MIPS。,2023/9/15,48,第一章 课后练习题一.填空1.电子数字计算机可以分为_和_两类。2.硬件采用LSI或VLSI的电子计算机属于计算机发展过程中的第四代。3.存储器中存放_。4.一台计算机包括_、_、_、_及_五个单元。5.完成算术运算和逻辑运算的部件是_；运算器的核心是_；控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果的部件是_。6.CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线是_；CPU同存储器、通道等互相连接的总线是_；中、低速I/O设备之间互相连接的总线是_。7.在多总路线结构中，CPU总线、系统总线和高速总线相连通过_

17、实现。8.计算机软件一般分为_和_。9.完整的计算机系统由_和_构成。10.机器字长是指_。11.数据分类、统计、分析属于计算机在_方面的应用。,2023/9/15,49,12.计算机是一种_处理机，它最能准确地反映计算机的主要功能。13.个人台式商用机属于_机。14.对计算机软硬件进行管理，是_的功能。15.用于科学技术的计算机中，标志系统性能的主要参数是_。16.通用计算机又可以分为_、_、_、_、_和_六类。17.“存储程序控制”原理是_提出的。18._和_构成CPU，CPU和主存构成_。19.取指令所用的时间叫_，执行指令所用的时间叫_。20.每个存储单元都有一个编号，该编号称为地址。

18、21.现代计算机存储系统一般由_、_和_构成。22.计算机能够自动完成运算或处理过程的基础是_原理。二.单选1.存储器用来存放()。A.数据 B.程序 C.数据和程序 D.正在被执行的数据和程序2.下面的描述中，正确的是()A.控制器能够理解、解释并执行所有的指令及存储结果。B.一台计算机包括输入、输出、控制、存储及运算逻辑五个单元。C.所有的数据运算都在CPU的控制器中完成。,2023/9/15,50,D.以上答案都是正确的。3.存储字长是指()。A.存放在一个存储单元中的二进制代码组合。B.存放在一个存储单元中的二进制代码位数。C.存储单元的个数。D.机器指令的位数。4.对有关数据进行分类

19、、统计、分析是计算机的()应用。A.数值计算 B.辅助设计 C.数据处理 D.实时控制5.下面的四句话中，最能准确反映计算机主要功能的是()A.计算机可以存储大量信息 B.计算机能代替人的脑力劳动 C.计算机是一种信息处理机 D.计算机可实现高速运算6.我们通常所说的个人台式商用机属于()。A.巨型机 B.中型机 C.小型机 D.微型机7.对计算机软、硬件资源进行管理，是()的功能。A.操作系统 B.数据库管理系统 C.语言处理程序 D.用户程序8.微型计算机的发展以()技术为标志。A.操作系统 B.微处理器 C.外存储器 D.软件9.用于科学计算的计算机中，标志系统性能的主要参数是()。A.

20、主时钟频率 B.主存容量 C.MFLOPS D.MIPS,2023/9/15,51,三.简答和应用题1.比较数字计算机和模拟计算机的特点。2.数字计算机如何分类？分类的依据是什么？3.什么叫总线？单总线结构和多总线结构各有什么特点？4.冯.诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些主要组成部分？5.什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据字？什么是指令字？6.什么是内存？什么是外存？什么是CPU？什么是适配器？7.用一台40MHz处理器执行标准测试程序，它的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下表所示，求这台计算机的有效CPI、MIPS速率和程序的执行时间。8.现代计算机系统如何进行多级划分？这种分级观点对计算机设计会产生什么影响？9.计算机系统软件包括哪几类？说明它们的用途。,