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1、计算机组成原理概论现在学习的是第1页，共50页第一节第一节 计算机的基本概念计算机的基本概念1.1.1 冯冯 诺依曼思想诺依曼思想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.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.计算机硬件由存储器、运算器、控制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。器、输入设备和输出设备组成。3.计算机硬件由存储器、运算器、控制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。器、输入设备和输出设备组成。现在学习的是第2页，共50页输入设备输入设备控制器控制器存储器存储器输出设备输出设备程序程序指
2、指令令地地址址结结果果数数据据运算器运算器命命令令状状态态请请求求命命令令命命令令请请求求现在学习的是第3页，共50页 冯冯 诺依曼思想诺依曼思想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.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.计算机硬件由存储器、运算器、控制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。器、输入设备和输出设备组成。现在学习的是第4页，共50页1.1.2 信息的数字化表示信息的数字化表示 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 用数字代码表示数据用数字代码表示
3、数据 5-5 表示为表示为 0 101 表示为表示为 1 101 现在学习的是第5页，共50页例例2 用数字代码表示字符用数字代码表示字符 A B 表示为表示为 1000001 表示为表示为 1000010 例例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 停止停止 正在工作正在工作 工作结束工作结束 表示为表示为 00 表示为表示为 01 表示为表示为 10 表示为表示为 11 现在学习的是第6页，共50页 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 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
4、 低电平低电平 高电平高电平 0 1 例例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实现并行实现并行操作操作实现串行实现串行操作操作现在学习的是第7页，共50页 3.数字化方法表示信息的数字化方法表示信息的优点优点（1 1）物理上易实现信息的表示与存储）物理上易实现信息的表示与存储（2 2）抗干扰能力强，可靠性高）抗干扰能力强，可靠性高（3 3）数值的表示范围大，精度高）数值的表示范围大，精度高（4 4）可表示的信息类型广泛）可表示的信息类型广泛（5 5）能用数字逻辑技术进行处理）能用数字逻辑技术进行处理现在学习的是第8页，共50页 冯冯 诺依
5、曼思想诺依曼思想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.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.计算机硬件由存储器、运算器、控制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。器、输入设备和输出设备组成。现在学习的是第9页，共50页1.1.3 存储程序工作方式存储程序工作方式 1.事先编制程序事先编制程序 3.自动、连续地执行程序自动、连续地执行程序 2.事先存储程序事先存储程序 传统诺依曼机串行执行指令。传统诺依曼机串行执行指令。对传统诺依曼机的改造：增加对传统诺依曼机的改造：增加并行并行处理处理功能。功能。现在学习的是第10页，
6、共50页1150编写程序编写程序输入程序输入程序存储程序存储程序输出结果输出结果执行指令执行指令将程序转换为将程序转换为指令序列指令序列图图 计算机的工作流程计算机的工作流程现在学习的是第11页，共50页1.1.4计算机的分类计算机的分类 计算机从总体上来说分为两大类计算机从总体上来说分为两大类:模拟计算机模拟计算机和和数字计算机数字计算机。各自主要特点各自主要特点：模模拟拟计计算算机机：由由模模拟拟运运算算器器件件构构成成，处处理理在在时时间间和和数值上连续的模拟量（如：电压、电流等）；数值上连续的模拟量（如：电压、电流等）；数数字字计计算算机机：由由逻逻辑辑电电子子器器件件构构成成，处处理
7、理离离散散的的数数字量。字量。现在学习的是第12页，共50页数字计算机又可分为数字计算机又可分为:专用计算机专用计算机和和通用计算机通用计算机。专用机专用机是以快速、经济和高集成度为主要指标的是以快速、经济和高集成度为主要指标的特殊计算机，它是针对某一任务设计的计算机，但是特殊计算机，它是针对某一任务设计的计算机，但是它的适应性较差（如：工控机、它的适应性较差（如：工控机、ATM等）等）。通用机通用机适应性较高，但是牺牲了效率、速度和经济适应性较高，但是牺牲了效率、速度和经济性，如个人电脑。性，如个人电脑。现在学习的是第13页，共50页按照计算机的体积、简易性、功率损耗、性能指按照计算机的体积
8、、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模、机器价格和标、数据存储容量、指令系统规模、机器价格和应用范围等条件，将计算机分为应用范围等条件，将计算机分为巨型机、大型机、巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机中型机、小型机和微型机等等。它它们们的的结结构构规规模模和和性性能能指指标标依依次次递递减减。随随着着超超大大规模集成电路的迅速发展，类型也会发生动态变化。规模集成电路的迅速发展，类型也会发生动态变化。现在学习的是第14页，共50页计算机类别对比计算机类别对比：现在学习的是第15页，共50页1650中文名：约翰中文名：约翰冯冯诺依曼诺依曼 外文名：外文名：John Von Ne
9、umann John Von Neumann 国籍：美籍匈牙利人国籍：美籍匈牙利人 出生地：布达佩斯出生地：布达佩斯 出生日期：出生日期：19031903年年1212月月2828日日 逝世日期：逝世日期：19571957年年2 2月月8 8日日 毕业院校：苏黎世大学、布达佩斯大学毕业院校：苏黎世大学、布达佩斯大学称谓：称谓：计算机之父计算机之父 第二节第二节 计算机的诞生和发展计算机的诞生和发展现在学习的是第16页，共50页1750冯冯诺依曼思想的产生背景诺依曼思想的产生背景冯冯诺依曼在诺依曼在1944年加入了美国军方年加入了美国军方ENIAC计算机的研制项目。计算机的研制项目。在此项目基础之
10、上，在在此项目基础之上，在1945年提出并发表了一个全新的年提出并发表了一个全新的“存储存储程序通用电子计算机程序通用电子计算机”方案方案EDVAC（冯（冯诺依曼思想）。诺依曼思想）。在这份方案中，冯在这份方案中，冯诺依曼具体介绍了电子计算机和程序设计诺依曼具体介绍了电子计算机和程序设计的新思想。这份方案是计算机发展史上一个划时代的文献，它的新思想。这份方案是计算机发展史上一个划时代的文献，它向世界宣告了电子计算机时代的来临。向世界宣告了电子计算机时代的来临。EDVAC方案的直接成果：方案的直接成果：催生了第催生了第1台严格意义上的电子计算机（宾夕法尼亚台严格意义上的电子计算机（宾夕法尼亚大学
11、，大学，1946年年2月）月）现在学习的是第17页，共50页类型类型时期时期主要器件主要器件重重 要要 特特 征征第一代第一代1946-1946-19581958电子管电子管机器语言，汇编语言，速度低，体积大，机器语言，汇编语言，速度低，体积大，价格昂贵，可靠性差，用于科学计算价格昂贵，可靠性差，用于科学计算第二代第二代1958-1958-19641964晶体管晶体管算法语言，操作系统，体积缩小，可靠算法语言，操作系统，体积缩小，可靠性提高，从科学计算扩大到数据处理性提高，从科学计算扩大到数据处理第三代第三代1964-1964-19711971中小规模集成中小规模集成电路电路体积小，可靠性大大
12、提高，速度达几体积小，可靠性大大提高，速度达几MIPSMIPS，机种多样化，机种多样化，机种多样化，机种多样化，“小型计算机小型计算机小型计算机小型计算机”出出出出现，现，现，现，软件技术和外设发展迅速应用领域软件技术和外设发展迅速应用领域不断扩大不断扩大第四代第四代1971-1971-目前目前中大及超大规中大及超大规模集成电路模集成电路速度提高至速度提高至GIPSGIPS乃至乃至TIPSTIPS水平，多机并水平，多机并行处理和计算机网络迅速发展。行处理和计算机网络迅速发展。“微型微型计算机计算机”出现出现1.2.2 发展历程发展历程现在学习的是第18页，共50页1.2.3 未来的发展趋势未来
13、的发展趋势1 1、巨型化、巨型化2 2、微型化、微型化3 3、多媒体化、多媒体化4 4、网络化、网络化5 5、智能化、智能化现在学习的是第19页，共50页第三节第三节 计算机系统的硬件组成计算机系统的硬件组成1.3.1 主要功能部件主要功能部件1.CPU由运算器、控制器、寄存器组成。由运算器、控制器、寄存器组成。（1）运算器运算器 1）功能：）功能：加工信息加工信息。2）组成：）组成：现在学习的是第20页，共50页移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器现在学习的是第21页，共50页移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 ALU:ALU:通过加法器实现
14、运算操通过加法器实现运算操作（由全加器求和、由进位链作（由全加器求和、由进位链传递进位信号）。传递进位信号）。现在学习的是第22页，共50页移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 通用寄存器组：提供操作数，通用寄存器组：提供操作数，存放运算结果。存放运算结果。现在学习的是第23页，共50页移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 选择器：选择操作数；选择控制条选择器：选择操作数；选择控制条件，实现各种算法。件，实现各种算法。现在学习的是第24页，共50页移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 移位器：直接或者移位送移位器：直接或者
15、移位送出运算结果。出运算结果。运算器主要解决如何通过运算方法运算器主要解决如何通过运算方法将各种运算转换为加法运算。将各种运算转换为加法运算。现在学习的是第25页，共50页（2）控制器）控制器 1）功能：）功能：产生控制命令产生控制命令(微命令微命令)，控制全机操作控制全机操作。2）组成：）组成：微命令发生器微命令发生器指指令令信信息息状状态态信信息息时时序序信信号号微命令序列微命令序列现在学习的是第26页，共50页微命令产生方式（指令执行控制方式）：微命令产生方式（指令执行控制方式）：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：微命令由微命令由组合组合逻辑电逻辑电 路
16、路产生产生微命令由微命令由微指令微指令产生产生组合逻辑控制器组合逻辑控制器微程序控制器微程序控制器控制器主要解决如何产生微命令控制指令的控制器主要解决如何产生微命令控制指令的执行（组合逻辑方式、微程序方式）执行（组合逻辑方式、微程序方式）现在学习的是第27页，共50页存储体存储体地地址址寄寄存存器器译译码码器器读读/写写线线路路数数据据寄寄存存器器控制线路控制线路2.存储器存储器 1）功能）功能:存储信息存储信息。2）组成（主存储器）：）组成（主存储器）：现在学习的是第28页，共50页存储体存储体地地址址寄寄存存器器译译码码器器读读/写写线线路路数数据据寄寄存存器器控制线路控制线路 存储体存储
17、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：对地址码译码，选择存储单元。择存储单元。现在学习的是第29页，共50页 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/写写操作，暂存读操作，暂存读/写数据。写数据。存储体存储体地地址址寄寄存存器器译译码码器器读读/写写线线路路数数据据寄寄存存器器控制线路控制线路 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。现在学习的是第30页，共50页 3.输入输入/输出设备输出设备 1）功能：）功能：转换信息转换信息。输入输入：原始信息：原始信息 代码，送入主机代码，送入主机输出输出：处
18、理结果：处理结果 人所能接受的形式，人所能接受的形式，并输出并输出（代码）（代码）I/O设备主要解决如何转换信息。设备主要解决如何转换信息。存储器主要解决如何根据地址找到存储器主要解决如何根据地址找到所要访问的存储单元。所要访问的存储单元。现在学习的是第31页，共50页1.3.2 硬件系统结构硬件系统结构1.以总线为基础的系统结构以总线为基础的系统结构 总线：能为多个部件分时共享的一总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。组信息传送线路。总总 线线部部件件部部件件部部件件现在学习的是第32页，共50页总总 线线功能功能 内总线内总线 外总线外总线 局部总线局部总线 系统总线系统总线 信息
19、信息 地址总线地址总线 数据总线数据总线 控制总线控制总线时序时序 同步总线同步总线 异步总线异步总线格式格式 并行总线并行总线 串行总线串行总线方向方向 单向总线单向总线 双向总线双向总线现在学习的是第33页，共50页（1）以）以CPU为中心的双总线结构为中心的双总线结构CPUCPUM M接口接口接口接口I/OI/OI/OI/OI/OI/O 总线总线M M 总线总线 现在学习的是第34页，共50页 （2）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 线线现在学习的是第35页，共50页（3）以）以M为中心的双总线结构为中心的双总线结构CPUC
20、PUM M接口接口接口接口I/OI/OI/OI/O系系 统统 总总 线线 M M 总线总线 现在学习的是第36页，共50页（4）多级总线结构）多级总线结构CPUCPURAMRAMROMROM公共接口公共接口总线控制逻辑总线控制逻辑M M扩展板扩展板I/OI/O接口板接口板局部总线局部总线系统总线系统总线现在学习的是第37页，共50页2.采用通道或采用通道或IOP的大型系统结构的大型系统结构 （1）带通道的系统）带通道的系统I/OI/O控制器控制器主机主机I/OI/O通道通道（2）带）带IOP的系统的系统CPUCPUM M接口接口I/OI/OIOPIOPLMLM接口接口I/OI/O系统总线系统总
21、线I/O总线总线现在学习的是第38页，共50页3.模型机系统结构模型机系统结构系系 统统 总总 线线CPUCPUM M公共接口公共接口接口接口接口接口I/OI/OI/OI/O建立总线概念，用总线连接各部件。现在学习的是第39页，共50页多机系统结构多机系统结构特点特点：用多处理器：用多处理器CPU构成构成根据处理器之间连接的紧密程度，分为：根据处理器之间连接的紧密程度，分为：紧密偶合系统紧密偶合系统松散偶合系统松散偶合系统现在学习的是第40页，共50页4150CPU1LM1全局全局MCPUnLMnI/OI/O紧密偶合多机系统紧密偶合多机系统特点：多个（CPU+LM）组，通过系系统统总总线线构成
22、多机系统，且共享全局全局M现在学习的是第41页，共50页4250松散偶合多机系统松散偶合多机系统CPU1LM1I/OCASMTS 消息传送系统消息传送系统CPUnLMnI/OCAS特点：多个节点，由通通信信接接口口CAS并并通过MTS构成多机系统。现在学习的是第42页，共50页1.3.3 软件系统软件系统 软件类别：软件类别：系统程序系统程序和和应用程序应用程序。系系统统程程序序：负负责责系系统统调调度度管管理理，提提供供运运行行和和开开发发环境、各种服务，确保系统运行良好。环境、各种服务，确保系统运行良好。应应用用程程序序：利利用用计计算算机机来来解解决决应应用用问问题题所所编编制制的的程程
23、序序,如如工工程程设设计计程程序序、数数据据处处理理程程序序、自自动动控控制制程程序序、企企业业管管理理程程序序、情情报报检检索索程程序序、科科学学计计算算程程序序等等。等等。现在学习的是第43页，共50页1.3.4 硬、软件系统的层次结构硬、软件系统的层次结构计算机系统是一个由多层次结构组成的系统，其层次结构示意图，见教材。系统分析级用户程序级应用程序级语言处理程序级操作系统级传统机器级（指令）微程序级硬件逻辑级软件部分软件部分硬件部分硬件部分软硬分界面软硬分界面现在学习的是第44页，共50页第四节第四节 计算机系统的性能指标计算机系统的性能指标1.基本字长基本字长 指操作数的基本位数。指操
24、作数的基本位数。它影响计算精度、指令功能。它影响计算精度、指令功能。2.存储容量存储容量 （1）主存容量）主存容量 指存储单元个数指存储单元个数位数。位数。决定地址位数决定地址位数表明编址单位表明编址单位现在学习的是第45页，共50页表示为：表示为：字数字数字长字长（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）（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。3.运算速度运算速度（1）定点）定点/浮点四则运算时间浮点四则运算时间（2）每秒平均执行的指令条数（）每秒平均执行的指令条数（MIPS）MIPS=程序所含指令
25、数程序所含指令数/程序执行时间程序执行时间现在学习的是第46页，共50页（3）每秒执行的浮点指令数（）每秒执行的浮点指令数（MFLOPS）MFLOPS=程序所含浮点操作次数程序所含浮点操作次数程序程序执执行行时间时间（4）CPU时钟频率（时钟频率（MHz）即即CPU主频，等于每秒时钟周期数。主频，等于每秒时钟周期数。（5）CPI每条指令时钟周期数。每条指令时钟周期数。CPI=程序所需时钟周期数程序所需时钟周期数程序所含指令数程序所含指令数现在学习的是第47页，共50页 总线位数总线位数总线时钟频率总线时钟频率 8总线总线周期周期时钟时钟数数总线带宽总线带宽=4.数据传输率数据传输率（B/S）即
26、：单位时间内传输的数据量即：单位时间内传输的数据量注意：计算总线的带宽时，一般还要考虑编码方式、注意：计算总线的带宽时，一般还要考虑编码方式、单双工模式和通道的路数等因素。单双工模式和通道的路数等因素。现在学习的是第48页，共50页 5.5.外围配置外围配置（1）硬件系统配置）硬件系统配置（2）系统软件配置）系统软件配置现在学习的是第49页，共50页【思思考考】计计算算机机主主频频为为500MHz，CPI为为5。某某外外设设的的带带宽宽为为0.5MB/s，中中断断方方式式32位位传传输输，中中断断服服务务程程序序包包含含18条条指指令令，中断服务的其他开销相当于中断服务的其他开销相当于2条指令
27、时间。条指令时间。（1）在在中中断断方方式式下下，CPU用用于于该该外外设设I/O的的时时间间占占整整个个CPU时间的百分比是多少？时间的百分比是多少？（2）当当该该外外设设的的数数据据传传输输率率达达到到5MB/s时时，改改用用DMA方方式式传传送送数数据据。假假设设每每次次DMA传传送送大大小小为为5000B，且且DMA预预处处理理和和后后处处理理的的总总开开销销为为500个个时时钟钟周周期期，则则CPU用用于于该该外外设设I/O的的时时间间占占整整个个CPU时时间间的的百百分分比比是是多多少少？（假假设设DMA与与CPU之之间没有访存冲突）间没有访存冲突）（2009 考研）考研）现在学习的是第50页，共50页