单元计算机系统概论.pptx

计算机组成原理计算机组成原理Computer Organization 尹尹 辉辉Email:Tel:[phone](O)Addr:九教学楼北515计算机与信息技术学院计算机组成原理计算机组成原理 教学大纲1.理解理解单单处理器计算机系统中各部件的内部工作原处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有理、组成结构以及相互连接方式，具有完整完整的计的计算机系统的整机概念。算机系统的整机概念。2.理解计算机系统理解计算机系统层次层次化结构概念，熟悉硬件与软化结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。和基本实现方法。3.能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计计算、分析算、分析，并能对一些基本部件进行，并能对一些基本部件进行简单设计简单设计。参考教材：执行顺序执行顺序 教材章节教材章节0第章第章 计算机系统概论计算机系统概论第章第章 计算机的发展及应用计算机的发展及应用 自学自学8第章第章 系统总线系统总线2第章第章 存储器存储器7第章第章 输入输出系统输入输出系统1第章第章 计算机的运算方法计算机的运算方法3第章第章 指令系统指令系统4第章第章 CPU CPU 的结构和功能的结构和功能5第章第章 控制单元的功能控制单元的功能6第第1010章章 控制单元的设计控制单元的设计教学安排：l课程总共64学时理论课48学时实验16学时l考核：实验成绩：20分作业及平时测验（研究性教学研究性教学）：30分期末开卷考试：50分教学安排：http:/ （2）理解冯诺依曼的两种体系结构特点）理解冯诺依曼的两种体系结构特点 （3）理解计算机系统层次的划分方法及）理解计算机系统层次的划分方法及 各个层次在计算机系统中的作用各个层次在计算机系统中的作用教学单元一：教学单元一：计算机系统概论计算机系统概论第第章章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机系统简介计算机系统简介1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成1.1 计算机系统简介计算机系统简介由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序）组成1.计算机系统计算机系统计计算算机机系系统统计算机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等一、一、计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件软软件件1.1计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标程序程序结果结果翻译翻译运行运行1.12.计算机的解题过程计算机的解题过程i=0i=i+1Move R0,0Add R0,1000 0 000 0001 0 000 1二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用用汇编汇编程序翻译程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释用机器语言解释操作系统操作系统机器语言机器语言由硬件直接执行由硬件直接执行微指令微指令软软件件硬硬件件1.1虚拟机器虚拟机器 M4虚拟机器虚拟机器 M3虚拟机器虚拟机器 M2实际机器实际机器 M1微程序机器微程序机器 M0高级语言高级语言i=i+1Add R0,1001 0 000 1计算机体系结构计算机体系结构计算机组成计算机组成1.1三、三、计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成Architecture Organization是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性，（指令集，寻址技术等抽象的属性，如乘法指令）指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。（乘法指令的实现）i=i*2*21.2 计算机的基本组成计算机的基本组成1.计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成3.指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器指令和数据以同等地位存于存储器 可按地址寻访可按地址寻访5.存储程序存储程序一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点5.存储程序（顺序存放）存储程序（顺序存放）001 0 000 1001 0 000 1(Add R0,1)算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行1.2冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备1.2冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备二、计算机硬件框图二、计算机硬件框图1.21.以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O设备设备硬件硬件CU2.现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器1.2ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存1.上机前的准备上机前的准备 建立数学模型建立数学模型 -+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin 编制解题程序编制解题程序 确定计算方法确定计算方法程序程序 运算的运算的 全部步骤全部步骤0,1,2,)()(21nyn xynx=+=指令指令 每每 一个步骤一个步骤1.2三、计算机的工作步骤三、计算机的工作步骤Yn+1=取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中存存ax2 在存储器中在存储器中取取b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加ax2 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中=(ax +b)x +c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中加加b 在运算器中在运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中计算计算 ax2+bx+c1.2编程举例编程举例ax2bxX=6000001 0000001000打印打印 停机停机取数取数 ACC存数存数 ACC 加加 ACC+ACC乘乘 ACC ACC指令格式举例指令格式举例1.2操作码操作码地址码地址码 打印机打印机主存单元的主存单元的地址（十）地址（十）指令指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 00000010000001000取数取数x至至ACC 10001000000001001乘乘a得得ax,存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b ,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011加加c得得ax2+bx+c,存于存于ACC 50000100000001100将将ax2+bx+c,存于主存单元存于主存单元 60001010000001100打印打印 7000110停机停机 8 x原始数据原始数据x 9 a原始数据原始数据a 10 b原始数据原始数据b 11 c原始数据原始数据c 12存放结果存放结果1.2计算计算 ax2+bx+c 程序清单程序清单存储体存储体大楼大楼存储单元存储单元 存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字存储字 存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长存储字长 存储单元中二进制代码的位数存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0/1）房间房间 床位床位（无人（无人/有人）有人）(1)存储器的基本组成存储器的基本组成1.2MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR2.计算机的解题过程计算机的解题过程MARMDR 存储单元：存储单元：16存储字长存储字长 8 设设 MAR =4 位位 MDR =8 位位1.2存储器地址寄存器存储器地址寄存器反映存储单元的个数反映存储单元的个数存储器数据寄存器存储器数据寄存器反映存储字长反映存储字长(1)存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR ACC MQ X(2)运算器的基本组成及操作过程运算器的基本组成及操作过程1.2运算器运算器MQACCALUX被加数被加数被减数被减数被除数被除数乘数乘数商商加数加数减数减数被乘数被乘数除数除数加法加法减法减法乘法乘法除法除法和和差差余数余数乘积高位乘积高位乘积低位乘积低位ACC 被加数被加数ACC初态初态 加法操作过程加法操作过程1.2 ACC+X ALU M XXACCACC指令指令 加加M运算器运算器MQACCALUXAccumulator1.2 减法操作过程减法操作过程运算器运算器MQACCALUX指令指令 减减MACC 被减数被减数ACC初态初态 M XX ACC-X ALUACCACC运算器运算器MQACCALUXACCACC 被乘数被乘数初态初态 1.2MQ M MQ指令指令 乘乘M 乘法操作过程乘法操作过程X ACC XALU X MQ 00ACCACCMQACCMQ运算器运算器MQACCALUXACC 被除数被除数ACC初态初态 1.2 ACCX ALUMQACCMQ余数在余数在ACC中中指令指令 除除M M XX 除法操作过程除法操作过程取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCIRCU取指取指执行执行PC 存放当前欲执行指令的地址，存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（具有计数功能（PC）+1 1 PCIR 存放当前欲执行的指令存放当前欲执行的指令访存访存访存访存完成完成一条一条指令指令1.2(3)控制器的基本组成控制器的基本组成CU 控制单元控制单元PCIRCU12356789以取数指令为例以取数指令为例4(4)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程1.2CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备12356798以以存数存数指令为例指令为例41.2(4)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体I/O设设备备CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUX(5)ax2+bx+c 程序的运行程序的运行过程过程 将程序通过输入设备送至计算机将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址程序首地址 打印结果打印结果 分析指令分析指令 取指令取指令 停机停机 启动程序运行启动程序运行,(PC,(PC )+)+1 PC1 PC 执行指令执行指令 1.2MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.机器字长机器字长2.运算速度运算速度CPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与 CPU 中的中的 寄存器位数寄存器位数 有关有关=fi tiTM吉普森法吉普森法主频主频每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令Million Instruction Per SecondMillion Instruction Per SecondMIPS执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数Cycle Per InstructionCycle Per InstructionCPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数Floating Point OpeFloating Point Oper ration Per Secondation Per SecondFLOPSfi第第i条指令在全部操作的百分比条指令在全部操作的百分比ti第第i条指令执行时间条指令执行时间221b=256 KB213 b=1 KB如如3.存储容量存储容量主存容量主存容量辅存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长字节数字节数字节数字节数 80 GB如如 MAR MDR 容量容量 10 8 16 32存放二进制信息的总位数存放二进制信息的总位数1.31K=210 1B=23b1GB=230b1 K 8位位64 K 32位位 概论概论1.4 课程主要内容课程主要内容计算机计算机1.4 计算机系统的硬件结构计算机系统的硬件结构计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU1.4 CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器 CPU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU1.4 CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器寄存器寄存器和解码器和解码器控制单元控制单元排队排队逻辑逻辑控制控制存储器存储器 CU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU思考题：思考题：1.2 计算机系统从功能上可划分为哪些层次？各层计算机系统从功能上可划分为哪些层次？各层次在计算机系统中起什么作用？次在计算机系统中起什么作用？1.5 冯冯.诺依曼计算机体系的基本思想是什么？按诺依曼计算机体系的基本思想是什么？按照此思想设计的计算机硬件系统应由哪些部件组照此思想设计的计算机硬件系统应由哪些部件组成？各起什么作用？成？各起什么作用？1.11.指令和数据都存于存储器中，计算机如何指令和数据都存于存储器中，计算机如何区分它们？区分它们？【计算机内部由哪两种信息在流动？计算机内部由哪两种信息在流动？它们彼此有什么关系？它们彼此有什么关系？】单选例题冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，CPU区分它们的依据是A.指令操作码的译码结果B.指令和数据的寻址方式C.指令周期的不同阶段D.指令和数据所在的存储单元09年-11题单选 10.12下列选项中，能缩短程序执行时间的措施是()I提高CPU时钟频率，II优化数据通路结构，III对程序进行编译优化A：仅I和IIB：仅I和IIIC：仅II和IIID：I，II，III程序执行时间程序执行时间=程序指令数程序指令数*每条指令时钟（每条指令时钟（CPI）*时钟周期时钟周期T，单选例题(11年.12）下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是（）。A.MIPSB.CPIC.IPCD.MFLOPSMillionInstructionsPerSecondClockcyclePerInstructionInstructionperClockMillionFloating-pointOperationsperSecond单选例题计算机使用的语言是（）A.专属软件范畴，与计算机体系结构无关B.分属于计算机系统各个层次C.属于用以建立一个用户的应用环境D.属于符号化的机器指令单选例题输入输出系统硬件的功能对（）是透明的。A.操作系统程序员B.应用程序员C.系统结构设计人员D.机器语言程序设计员教学单元小结：教学单元小结：1.计算机的层次结构计算机的层次结构2.指令和数据都存于存储器中，计算机指令和数据都存于存储器中，计算机区分它们的方法区分它们的方法3.计算机的主要技术指标计算机的主要技术指标