计算机组成原理课件第1章.ppt

1、 主要内容：主要内容：计算机的基本概念计算机的基本概念 系统硬件组成（主要部件、系统结构）系统硬件组成（主要部件、系统结构）软件和硬件的关系软件和硬件的关系 计算机的特点和性能指标计算机的特点和性能指标第第 1 1 章章 概概 论论 1.1 计算机的基本概念计算机的基本概念1.1.11.1.1 计算机与冯计算机与冯 诺依曼体制诺依曼体制 1.1.用二进制代码表示程序和数据；用二进制代码表示程序和数据；2.2.计算机采用存储程序的工作方式；计算机采用存储程序的工作方式；3.3.计算机硬件由存储器、运算器、控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。制器、输入设备和输出设备组成。

2、1.1.2 1.1.2 信息的数字化表示信息的数字化表示 1.1.在计算机中用数字代码表示各种信息在计算机中用数字代码表示各种信息 二进制代码二进制代码 例例1 1：用数字代码表示数据：用数字代码表示数据 6 6 表示为表示为 0 10 11010-6 6 表示为表示为 1 11 11010 例例2 2：用数字代码表示字符：用数字代码表示字符 A A表示为表示为 10000011000001 B B表示为表示为 10000101000010 例例3 3：用数字代码表示命令、状态：用数字代码表示命令、状态 启动启动 表示为表示为 0000 停止停止 表示为表示为 0101 正在工作正在工作 表示

3、为表示为 1010 工作结束工作结束 表示为表示为 1111 2.2.在物理机制上用数字信号表示数字代码在物理机制上用数字信号表示数字代码。数字型电信号数字型电信号例例1 1：用电平信号表示数字代码用电平信号表示数字代码 高电平高电平 1 低电平低电平 高电平高电平 0 1 例例2 2：用脉冲信号表示数字代码：用脉冲信号表示数字代码 有脉冲有脉冲无脉冲无脉冲 有脉冲有脉冲101 3.3.数字化方法表示信息的优点数字化方法表示信息的优点（1 1）容易实现）容易实现（2 2）可靠性高）可靠性高（3 3）范围大、精度高）范围大、精度高（4 4）通用性强）通用性强（5 5）能用数字逻辑技术）能用数字逻

4、辑技术1.1.3 1.1.3 存储程序工作方式存储程序工作方式 1.1.事先编制程序事先编制程序 3.3.自动、连续地执行程序自动、连续地执行程序 2.2.事先存储程序事先存储程序 传统冯诺依曼机传统冯诺依曼机串行执行指令串行执行指令。对传统对传统冯冯诺依曼机的改造：增加诺依曼机的改造：增加并行处理并行处理功能功能。1.2 计算机系统的组织计算机系统的组织1.2.1 硬件系统硬件系统 硬件：硬件：构成计算机的物理设备。构成计算机的物理设备。1.1.常见计算机硬件系统组成常见计算机硬件系统组成 （图（图1-51-5）存存储储器器 控控制制器器 运运算算器器(ALU)输输入入设设备备 输输出出设设

5、备备 数数据据流流 控控制制流流 （1 1）CPU：中央处理器的简称，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，是能执行系统程序和用户程序的处理器，主要主要由运算器、控制器组成，由运算器、控制器组成，通常集成在通常集成在一块芯片上。一块芯片上。运算器：运算器：1）功能：完成算术运算和逻辑运算，）功能：完成算术运算和逻辑运算，即加工信息的部件。即加工信息的部件。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 2 2）组成：）组成：控制器控制器 1 1）功能：）功能：产生控制命令产生控制命令(微命令微命令)，控制，控制全机操作。全机操作。2 2）组成：）组成：微命令

6、发生器微命令发生器指令信息指令信息状态信息状态信息时序信号时序信号微命令序列微命令序列微命令产生方式（指令执行控制方式微命令产生方式（指令执行控制方式 ）：）：3 3）讨论）讨论 两种控制器组成原理与控制机制。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。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：组合逻辑控制方式：微程序控制方式：微程序控制方式：由组合逻辑电由组合逻辑电 路路产生微命令产生微命令由微指令产生微命令由微指令产生微命令存储体存储体地址寄存器地址寄存器译码器译码器读读/写线路写线路数据寄存器数据寄存器控制线路控制线路 （2 2）存储器）存储器 1 1）

7、功能）功能:存储信息。存储信息。2 2）组成（主存储器）：）组成（主存储器）：存储体存储体:存放信息的实体。存放信息的实体。寻址系统：寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。对地址码译码，选择存储单元。读读/写线路和数据寄存器：写线路和数据寄存器：完成读完成读/写操作，暂写操作，暂存读存读/写数据。写数据。控制线路：控制线路：产生读产生读/写时序，控制读写时序，控制读/写操作。写操作。3 3）讨论）讨论存储单元读存储单元读/写原理、写原理、存储器逻辑设计（3 3）输入输入/输出设备输出设备 1 1）功能：）功能：转换信息转换信息。输入设备：原始信息转换成代码送入主机；输入设备：原始信息转换成代码

8、送入主机；输出设备：处理结果转换成人所能接受的形输出设备：处理结果转换成人所能接受的形式并输出。式并输出。2 2）种类：）种类：显示器、打印机、扫描仪、键盘、绘图仪、显示器、打印机、扫描仪、键盘、绘图仪、鼠标等。鼠标等。（4 4）总线）总线 1 1）定义：）定义：一组能为多个部件分时共享的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。信息传输线及逻辑控制部件。2 2）功能：）功能：传输信息传输信息。（5 5）接口）接口 1 1）定义：）定义：连接系统总线和连接系统总线和I/OI/O设备的逻辑设备的逻辑控制部件。控制部件。2 2）功能：）功能：数据传送与缓冲、数据格式变数据传送与缓冲、数据

9、格式变换、逻辑控制等功能。换、逻辑控制等功能。总总 线线部件部件部件部件部件部件 2.2.典型的硬件系统结构典型的硬件系统结构（1 1）以总线为基础的系统结构）以总线为基础的系统结构特点：特点：结构简单、控制方便、扩展容易。结构简单、控制方便、扩展容易。单总线结构单总线结构CPUCPUM M接口接口接口接口I/OI/OI/OI/O系系 统统 总总 线线（2 2）采用通道或）采用通道或IOPIOP的系统结构的系统结构带通道的系统（图带通道的系统（图1-61-6）I/OI/O控制器控制器主机主机I/OI/O通道通道 规模较小的系统可将通道部件设置在规模较小的系统可将通道部件设置在CPUCPU内部。

10、内部。较大大的系统可将通道设置在较大大的系统可将通道设置在CPUCPU之外。之外。更大的系统可将通道发展成功能更为更大的系统可将通道发展成功能更为强大的输入强大的输入/输出处理机，称为输出处理机，称为IOPIOP。（3 3）多机系统简介）多机系统简介 主要在系统结构中介绍。主要在系统结构中介绍。图图1-71-7为紧耦合系统，以总线或开关矩为紧耦合系统，以总线或开关矩阵连接多个节点（阵连接多个节点（CPUCPU）。）。图图1-81-8为松耦合系统，以通信网络连接为松耦合系统，以通信网络连接多个节点（多个节点（CPUCPU）。1.2.2 软件系统软件系统 软件：软件：计算机使用的所有程序和数据文计

11、算机使用的所有程序和数据文件的集合。件的集合。系统软件：操作系统、语言处理程序、系统软件：操作系统、语言处理程序、数据库系统等。数据库系统等。应用软件：计算、控制、管理、设计等应用软件：计算、控制、管理、设计等各种软件。各种软件。1.2.3 系统组成的层次结构系统组成的层次结构 图1-9 1-9 从软件、硬件组成角度划分的层从软件、硬件组成角度划分的层次结构模型。次结构模型。系统分析级系统分析级用户程序级用户程序级应用程序应用程序 语言处理程序语言处理程序操作系统级操作系统级传统机器级传统机器级微程序级微程序级逻辑部件级逻辑部件级 图图1-10 1-10 从语言功能角度划分的层次结从语言功能角

12、度划分的层次结构模型。构模型。专用语言专用语言高级语言高级语言汇编语言汇编语言机器语言机器语言 虚拟机虚拟机 实际机器实际机器 层次结构模型便于不同的人从不同的层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、性能和工作机次观察、分析计算机的组成、性能和工作机理。理。1.2.4 软、硬件的功能划分与逻辑上的等价性软、硬件的功能划分与逻辑上的等价性 1.1.在逻辑功能上等价在逻辑功能上等价 硬件的功能可以用软件完成，软件的功能硬件的功能可以用软件完成，软件的功能可以用硬件完成。可以用硬件完成。举例：乘法运算、浮点运算、数组运算、中断举例：乘法运算、浮点运算、数组运算、中断排队、按键识

13、别。排队、按键识别。硬件软化硬件软化-软件硬化软件硬化-软件固化软件固化固件：软件固化在只读存储器中。固件：软件固化在只读存储器中。2.2.在物理实现上不等价在物理实现上不等价 在实现速度、价格、灵活性等方面不同。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，硬件实现速度快、价格高、灵活性差，软件反之。软件反之。3.3.软、硬件的功能分配及界面软、硬件的功能分配及界面 随时间变化，随机器档次变化。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。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计算机的特点及性能指标1.3.1 1.3.1 数字计算机的

14、特点数字计算机的特点 1.1.自动连续地执行程序自动连续地执行程序 2.2.运算速度快运算速度快 3.3.运算精度高运算精度高 4.4.存储能力强存储能力强 5.5.通用性好通用性好1.3.2 计算机的主要性能指标计算机的主要性能指标 1.1.基本字长基本字长 指操作数的基本位数。指操作数的基本位数。和运算器、寄存器、总线有关，它影响和运算器、寄存器、总线有关，它影响计算精度、指令功能。计算精度、指令功能。8 8 16 16 32 32 64 64位位 2.2.运算速度运算速度 （1 1）定点）定点/浮点四则运算时间浮点四则运算时间 （2 2）每秒平均执行的指令条数（）每秒平均执行的指令条数（

15、MIPSMIPS）（3 3）CPUCPU时钟频率（时钟频率（HzHz）5M 100M 1G 2.0G 3.2G 5M 100M 1G 2.0G 3.2G （4 4）典型程序执行时间）典型程序执行时间 （5 5）每条指令平均执行周期数：）每条指令平均执行周期数：CPICPI 3.3.数据传输率与数据通路宽度数据传输率与数据通路宽度 （1 1）数据通路宽度）数据通路宽度:数据总线一次能并行数据总线一次能并行传输的数据位数。传输的数据位数。（2 2）数据传输率（带宽）：）数据传输率（带宽）：数据总线每秒数据总线每秒传输的数据量。传输的数据量。总线带宽总线带宽=总线位数总线时钟频率总线位数总线时钟频率

16、 8（B/S）主存带宽主存带宽=？4.4.存储容量存储容量 1 1）主存容量）主存容量 K K、M M、G G、T 1024T 1024 指存储单元个数指存储单元个数 位数。位数。表示为：表示为：字数字长字数字长（按字编址）（按字编址）或或字节数字节数（按字节编址）。（按字节编址）。表明编址单位表明编址单位决定地址位数决定地址位数 （2 2）外存容量）外存容量 常表示为常表示为字节数；字节数；外存容量与地址码位数无关外存容量与地址码位数无关。5.5.外设配置外设配置 外设的外设的种类、数量、性能。种类、数量、性能。6.6.软件配置（和硬件有关）软件配置（和硬件有关）软件的种类、数量、性能。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。