《计算机组成原理 第一章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理 第一章.ppt（33页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、计算机组成原理 第一章1现在学习的是第1页，共33页教学内容教学内容第第1 1章章 计算机系统概论计算机系统概论第第2 2章章 计算机的发展及应用计算机的发展及应用第第3 3章章 系统总线系统总线第第4 4章章 存储器存储器第第5 5章章 输入输出系统输入输出系统第第6 6章章 计算机的运算方法计算机的运算方法第第7 7章章 指令系统指令系统第第8 8章章 CPU CPU的结构和功能的结构和功能第第9 9章章 控制单元的功能控制单元的功能第第1010章章 控制单元的设计控制单元的设计第第1篇篇 概论概论第第2篇篇 计算机系统的硬件结构计算机系统的硬件结构第第3篇篇 中央处理器中央处理器第第4
2、4篇篇 控制单元控制单元2现在学习的是第2页，共33页第一篇第一篇 概论概论第一章第一章 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 1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成 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 3现在学习的是第3页，共33页本章重点本章重点突出计算机组成的概貌和框架，如下图所示。4现在学习的是第4页，共33页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.11.1计算机系统简介计算机系统简介一、计算机的软硬件概念一、计算机的软硬件概念 硬件硬件组成计算机的各种实际装置的总称。组成计算机的各种实际装置的总称。特点：看得见摸得着。特点：
3、看得见摸得着。软件软件计算机运行所需的各种计算机运行所需的各种程序程序及相关及相关 资料。分类是？资料。分类是？特点：看不见摸不着。特点：看不见摸不着。两者的关系两者的关系：相辅相成，缺一不可。：相辅相成，缺一不可。（硬件是（硬件是基础基础，软件是，软件是灵魂灵魂）5现在学习的是第5页，共33页二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构计算机系统计算机系统由由硬件和软件硬件和软件两大部分组成。两大部分组成。组织方法：分层组织方法：分层层次结构。层次结构。分层方法：从硬件开始，按与其结合的紧分层方法：从硬件开始，按与其结合的紧 密程密程度，一层一层向外分层。层次图如下：度，一层一层向外分层
4、。层次图如下：6现在学习的是第6页，共33页高级语言机器（软、虚）高级语言机器（软、虚）汇编语言机器（软、虚）汇编语言机器（软、虚）操作系统机器（软、虚）操作系统机器（软、虚）操作系统机器（软、虚）操作系统机器（软、虚）传统机器（硬、实）传统机器（硬、实）传统机器（硬、实）传统机器（硬、实）微程序机器（硬、实）微程序机器（硬、实）微程序机器（硬、实）微程序机器（硬、实）计算机系统的多级层次结构：计算机系统的多级层次结构：M4(M4(翻译成汇编语言翻译成汇编语言翻译成汇编语言翻译成汇编语言)M3(M3(翻译成机器语言翻译成机器语言翻译成机器语言翻译成机器语言)M2(M2(机器语言解释机器语言解释
5、机器语言解释机器语言解释os)os)M1(M1(用微程序解释机器指用微程序解释机器指用微程序解释机器指用微程序解释机器指令令令令)M0(M0(硬件执行微指令硬件执行微指令硬件执行微指令硬件执行微指令)7现在学习的是第7页，共33页 虚拟机虚拟机计算机系统对于不同计算机系统对于不同层次上的使用者来说，可看成是一台层次上的使用者来说，可看成是一台具有这一层次功能的计算机，而具有这一层次功能的计算机，而不考不考虑虑实际机器（硬件）的功能。为与实实际机器（硬件）的功能。为与实机相区别，称机相区别，称“虚拟机虚拟机”。8现在学习的是第8页，共33页三、区别三、区别“结构结构”、“组成组成”计算机系统结构
6、计算机系统结构（Computer Architecture）指那些能被程序员（汇编、机器语言指那些能被程序员（汇编、机器语言编程编程）所见到的计算机系统的所见到的计算机系统的属性（指令集、数据类型等）属性（指令集、数据类型等）。计算机组成计算机组成（Computer Organization）指计算机系统结构所给属性的指计算机系统结构所给属性的逻辑实现逻辑实现（指令的实现、如何传送指令、运算等）。（指令的实现、如何传送指令、运算等）。注意注意区别区别两个概念！两个概念！9现在学习的是第9页，共33页四、系列机的概念四、系列机的概念 系列机系列机同一厂家生产、具有相同的系统结同一厂家生产、具有相
7、同的系统结构，但有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。构，但有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。特点：特点：软件具有软件具有向上兼容，向后兼容性向上兼容，向后兼容性。10现在学习的是第10页，共33页一、计算机的特点（优点）：一、计算机的特点（优点）：a、记忆能力能力强 计算机可以算机可以长久的存久的存储大量的文字、大量的文字、图形、声音形、声音等信息等信息资料。料。b、快速快速处理能力理能力 数据数据处理是人理是人类社会的重要活社会的重要活动，很多，很多场合合处理速度起着决定作用。理速度起着决定作用。1.2 1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成11现在学习的是第11页，共33页c、
8、足足够高的高的计算精度算精度 通常情况下，数通常情况下，数值精度精度预置置为15位有效数字。位有效数字。d、自、自动完成各种操作完成各种操作 计算机能自算机能自动执行存放在内存中的程序。行存放在内存中的程序。e、复复杂的的逻辑判断能力判断能力 计算机的智能特点主要表算机的智能特点主要表现在它的在它的逻辑判断能力判断能力上。上。12现在学习的是第12页，共33页二、冯二、冯诺依曼计算机的特点：诺依曼计算机的特点：1、由五大部件组成、由五大部件组成；2、指令和数据以二进制存放，可按地址寻访；、指令和数据以二进制存放，可按地址寻访；3、指令由操作码和地址码组成；、指令由操作码和地址码组成；4、指令在
9、存储器内一般按顺序存放；、指令在存储器内一般按顺序存放；5、机器以运算器为中心，各设备间数据传送均经过、机器以运算器为中心，各设备间数据传送均经过运算器。运算器。13现在学习的是第13页，共33页三、计算机的硬件组成：三、计算机的硬件组成：典型的冯典型的冯诺依曼机组成框图：诺依曼机组成框图：（各硬件作用？缺点？）（各硬件作用？缺点？）存储器输入设备运算器输出设备控制器结结果果数数据据指令指令以运算器为中心以运算器为中心计算步骤和计算步骤和开始数据开始数据计算结果计算结果现在学习的是第14页，共33页现代计算机（对冯诺依曼机进行了许多改进）：现代计算机（对冯诺依曼机进行了许多改进）：现代计算机（
10、对冯诺依曼机进行了许多改进）：现代计算机（对冯诺依曼机进行了许多改进）：以以以以存储器存储器存储器存储器为中心的计算机组成框图（存储器要改进什么？）为中心的计算机组成框图（存储器要改进什么？）为中心的计算机组成框图（存储器要改进什么？）为中心的计算机组成框图（存储器要改进什么？）：计算步骤和计算步骤和开始数据开始数据计算结果计算结果控制器输入设备存储器输出设备运算器以存储器为中心以存储器为中心数数据据结结果果地地址址指指令令现在学习的是第15页，共33页几个概念：几个概念：CPU、I/O设备、设备、ALU、CU、MM、主机、主机。计算机也可看成由计算机也可看成由主机和主机和I/O设备设备两两大
11、部分组成。用这种观点描述的计算机大部分组成。用这种观点描述的计算机组成框图如下：组成框图如下：16现在学习的是第16页，共33页现代计算机硬件组成层次示意图：现代计算机硬件组成层次示意图：I/O设设备备MM主机主机CPU控制器控制器运算器运算器ALUCU现在学习的是第17页，共33页四、计算机的工作过程：四、计算机的工作过程：两大步骤：准备，上机两大步骤：准备，上机 1.上机前的准备工作：三步上机前的准备工作：三步 建立数学模型；建立数学模型；确定计算方法；确定计算方法；编程。编程。18现在学习的是第18页，共33页实 例例：计算例：计算ax2+bx+c的机器语言程序清单如下图所示：的机器语言
12、程序清单如下图所示：19现在学习的是第19页，共33页2.计算机的工作过程：计算机的工作过程：细化的计算机组成框图（整体）：细化的计算机组成框图（整体）：图中示出了一台计算机寄存器级的最简结构（连接省去图中示出了一台计算机寄存器级的最简结构（连接省去图中示出了一台计算机寄存器级的最简结构（连接省去图中示出了一台计算机寄存器级的最简结构（连接省去)。ACCACCMQMQALUALUX XIRIRPCPCMDRMDRMARMARCPUCPUI/OI/O控制控制控制控制单元单元单元单元CUCU存存存存储储储储体体体体MM运算器运算器运算器运算器控控控控制制制制器器器器主存储器主存储器主存储器主存储器
13、接口接口接口接口I/oI/o设设设设备备备备现在学习的是第20页，共33页细化的计算机组成框图（运算器）：细化的计算机组成框图（运算器）：ACCACCMQMQALUALUX X运算器运算器运算器运算器.运算器：三个寄存器和运算器：三个寄存器和运算器：三个寄存器和运算器：三个寄存器和ALU ACCACC：累加器累加器累加器累加器 MQ：乘商寄存器乘商寄存器乘商寄存器乘商寄存器 X X：操作数寄存器操作数寄存器操作数寄存器操作数寄存器 三个寄存器作用见表三个寄存器作用见表1.1 现在学习的是第21页，共33页表表1.1 各寄存器存放的操作数含义各寄存器存放的操作数含义 运算运算 寄存器寄存器操作数
14、操作数加法加法 减法减法 乘法乘法 除法除法 ACC 被加数被加数 和和 被减数被减数 差差乘积高位乘积高位 被除数被除数 余数余数 MQ 乘数乘数乘积低位乘积低位 商商 X 加数加数 减数减数 被乘数被乘数 除数除数现在学习的是第22页，共33页 寄存器操作常用描述方法寄存器操作常用描述方法寄存器操作常用描述方法寄存器操作常用描述方法 寄存器传送语言寄存器传送语言寄存器传送语言寄存器传送语言：X：X X寄存器名寄存器名寄存器名寄存器名 XX：X X寄存器中的内容寄存器中的内容寄存器中的内容寄存器中的内容 MM：存储器某一单元名：存储器某一单元名：存储器某一单元名：存储器某一单元名 MM：存储
15、器某单元内容：存储器某单元内容：存储器某单元内容：存储器某单元内容23现在学习的是第23页，共33页 加法：加法：加法：加法：M M X X ACC ACC X ACCX ACC 减法：减法：减法：减法：MM X X ACC ACC X ACCX ACC 乘法：乘法：乘法：乘法：M M MQ MQ，ACC XACC X，0 0 ACC ACC X X MQ MQ ACCACC MQMQ 除法：除法：除法：除法：M M X X ACC ACC X X MQMQ，R R ACC ACC 24现在学习的是第24页，共33页细化的计算机组成框图（控制器）：细化的计算机组成框图（控制器）：IRIRPCP
16、C控制控制控制控制单元单元单元单元CUCU控控控控制制制制器器器器.控制器的结构控制器的结构：CU：控制单元控制单元 IRIR：指令寄存器指令寄存器指令寄存器指令寄存器 PC：程序计数器程序计数器 现在学习的是第25页，共33页细化的计算机组成框图（细化的计算机组成框图（I/O设备）：设备）：I/OI/O.I/OI/O：I/O设备设备设备设备：完成输入完成输入完成输入完成输入/输出操作输出操作输出操作输出操作；I/OI/O接口接口：完成完成I/O设备与主机之设备与主机之设备与主机之设备与主机之间的连接。间的连接。间的连接。间的连接。设设设设备备备备接口接口接口接口26现在学习的是第26页，共3
17、3页细化的计算机组成框图（存储器）：细化的计算机组成框图（存储器）：MDRMDRMARMAR存存存存储储储储体体体体MM主存储器主存储器主存储器主存储器.主存：主存：主存：主存：存储体存储体：由许多存储单元组成：由许多存储单元组成 存储单元存储单元存储单元存储单元：由若干存储元组成：由若干存储元组成：由若干存储元组成：由若干存储元组成 存储元存储元存储元存储元：存放一位二进制代码的物理：存放一位二进制代码的物理：存放一位二进制代码的物理：存放一位二进制代码的物理 元元元元件。件。件。件。MDR：存储器数据寄存器存储器数据寄存器存储器数据寄存器存储器数据寄存器 MARMAR：存储器地址寄存器存储
18、器地址寄存器存储器地址寄存器存储器地址寄存器 27现在学习的是第27页，共33页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一、机器字长一、机器字长：CPU能同时处理的数据位数，即能同时处理的数据位数，即数据字长数据字长。相关概念：相关概念：存储字长存储字长：一个存储单元可存放的二进制位数。：一个存储单元可存放的二进制位数。指令字长指令字长：一条指令所具有的二进制代码位数。：一条指令所具有的二进制代码位数。字节（字节（Byte）：）：计算机中另一种数据的表示单位。计算机中另一种数据的表示单位。一个标准字节被规定为一个标准字节被规定为8位二进制代码。位二进制代码。28现在学习的是第2
19、8页，共33页三种字长的关系：三种字长的关系：早期：三者相同；早期：三者相同；当前：通常规定：当前：通常规定：存储字长存储字长=机器字长机器字长=字节的字节的2n倍；倍；例：常见字长例：常见字长=8位、位、16位、位、32位、位、64位等，位等，分别称为分别称为8位机、位机、16位机、位机、32位机、位机、64位机。位机。指令字长指令字长=字节的整数倍；字节的整数倍；例：单字节指令、双字节指令、三字节指令例：单字节指令、双字节指令、三字节指令等。等。29现在学习的是第29页，共33页二、存储容量：（仅讨论主存）二、存储容量：（仅讨论主存）主存中可存放的二进制代码的总数主存中可存放的二进制代码的
20、总数。容量的具。容量的具体表示与主存的编址方式有关。体表示与主存的编址方式有关。主存编址方式：主存编址方式：按字编址：按字编址：存储容量存储容量=存储单元个数存储单元个数存储字长存储字长 单位：位（单位：位（b）按字节编址：按字节编址：存储容量存储容量=存储单元个数存储单元个数 单位：字节（单位：字节（B）30现在学习的是第30页，共33页 例例1：64K32位（或位（或21632位位）表示存储容量为表示存储容量为64K个存储单元，存储个存储单元，存储字长为字长为32位。位。例例2：256KB 表示存储容量为表示存储容量为256K个字节。个字节。此时，此时，256KB相当于相当于256K8位。
21、位。31现在学习的是第31页，共33页1B=8b 1K=210 X 8=213b1K=210=1024B;1M=220=1024KB 1G=230=1024MB;1T=240=1024GB 常用的辅存容量缩写及其换算关系常用的辅存容量缩写及其换算关系32现在学习的是第32页，共33页三、三、运算速度运算速度 计算机运算速度与计算机运算速度与CPU主频、指令复杂程度主频、指令复杂程度等有关。等有关。常用表示方法：常用表示方法：单位时间内执行指令的单位时间内执行指令的平均条数平均条数。常用计量单位：常用计量单位：MIPS每秒执行百万条指令数。每秒执行百万条指令数。CPI执行一条指令所需的时钟周期（时钟主频执行一条指令所需的时钟周期（时钟主频的倒数）。的倒数）。FLOPS每秒浮点运算次数。每秒浮点运算次数。33现在学习的是第33页，共33页