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1、计计算算机机组组成成原原理理唐朔飞唐朔飞 编著编著第版第版高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社1/12/20231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1.4 本书结构本书结构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1/12/20232世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)ENIAC的特点：的特点：采用十进制采用十进制20 个个10位的累加器位的累加器18,000个电子管个电子管重重30 吨吨占地占地170平方米平方米耗电耗电140 KW5,000次次/秒加法运算秒加法
2、运算用手工扳动开关和拔插电缆来编程用手工扳动开关和拔插电缆来编程1/12/20233硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在五五 10 000 000 大规模大规模 集成电路集成电路 19721977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 200 000 晶体管晶体管 19581964 40 000 电子管电子管 19461957 速度速度 /（次（次/秒）秒）硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一1/12/20234计算机从20世纪40年代诞生至今，
3、已有50多年了。随着数字科技的革新，计算机差不多每10年就更新换代一次。第一代：电子管计算机第一代：电子管计算机 第二代：晶体管计算机第二代：晶体管计算机 第三代：集成电路计算机第三代：集成电路计算机 第四代：大规模集成电路计算机第四代：大规模集成电路计算机 第五代：智能计算机第五代：智能计算机 智能计算机的主要特征是具备人工智能，能像人一样思维，智能计算机的主要特征是具备人工智能，能像人一样思维，并且运算速度极快，其硬件系统支持高度并行和推理，其并且运算速度极快，其硬件系统支持高度并行和推理，其软件系统能够处理知识信息。神经网络计算机（也称神经软件系统能够处理知识信息。神经网络计算机（也称神
4、经元计算机）是智能计算机的重要代表。元计算机）是智能计算机的重要代表。第六代：生物计算机第六代：生物计算机 也称分子计算机、基因计算机也称分子计算机、基因计算机。生物计算机比硅晶片计算。生物计算机比硅晶片计算机在速度、性能上有质的飞跃，被视为极具发展潜力的机在速度、性能上有质的飞跃，被视为极具发展潜力的“第六代计算机第六代计算机”。1/12/20235第一台第一台Von Neumann 系统结构的计算系统结构的计算机（机（EDVAC)世界上第一台由冯世界上第一台由冯.诺依曼设计具有存储程序功能的计算机叫诺依曼设计具有存储程序功能的计算机叫EDVAC，（1949年年8月交给弹道实验室）。但是世界
5、上第一台实现存储程序式的月交给弹道实验室）。但是世界上第一台实现存储程序式的电子计算机是电子计算机是EDSAC（英国剑桥，（英国剑桥，1949年年5月投入使用）月投入使用）。1/12/20236IBM System360 2.11964年年4月月IBM360系统问世，它成为使用集成系统问世，它成为使用集成电路的第三代电子计算机的著名代表电路的第三代电子计算机的著名代表1/12/20237国际超级计算机组织是发布全球已安装超级计算机性能排名的权威机构，以系统的持续速度（测试值）为基准进行排名，每年发布两次，其目的是促进国际超级计算机领域的交流和合作、促进超级计算机的推广应用。1/12/20238
6、2.1 1.IBM:BlueGene/L-eServer Blue Gene Solution212 992 个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 478 200 GFLOPS最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）1/12/20239一个一个 MFLOPS(megaFLOPS)等于每秒等于每秒1百万百万(=106)次的浮点运算，次的浮点运算，一个一个 GFLOPS(gigaFLOPS)等于每秒等于每秒10亿亿(=109)次的浮点运算，次的浮点运算，一个一个 TFLOPS(teraFLOPS)等于每秒等于每秒1万亿万亿(=1012)次的浮点运算，次的浮点运算
7、，一个一个 PFLOPS(petaFLOPS)等于每秒等于每秒1千万千万亿亿(=1015)次的浮点运算。次的浮点运算。1/12/2023102.IBM:JUGENE-Blue Gene/P Solution 65 536个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 167 300 GFLOPS 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）1/12/2023113.SGI:SGI Altix ICE 820014 336个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 126 900 GFLOPS 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）1/12/
8、2023124.HP:EKA-Cluster Platform 3000 BL460c14 240个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 117 900 GFLOPS最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）1/12/202313最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）5.HP:Cluster Platform 3000 BL460c13 728个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 102 800 GFLOPS1/12/202314超级计算机世界超级计算机世界500强强排行榜前十名榜单（排行榜前十名榜单（2009.6）超级计算
9、机超级计算机名称名称开发公开发公司司所在机构所在机构运算速度运算速度走鹃走鹃IBM美国洛斯阿拉莫斯国家实验室美国洛斯阿拉莫斯国家实验室1.105 petaflop/sJaguarCray美国橡树岭国家实验室美国橡树岭国家实验室1.059 petaflop/sJUGENEIBM德国尤里希研究中心德国尤里希研究中心825.5 teraflop/sPleiadesSGI美宇航局埃姆斯研究中心美宇航局埃姆斯研究中心487.01 teraflop/sBlueGeneLIBM美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室478.2 teraflop/sKraken XT5Cray美国国际计算科学
10、研究院美国国际计算科学研究院463.3 teraflop/sBlueGene/PIBM美国阿贡国家实验室美国阿贡国家实验室458.61 teraflop/sRangerSun美国德克萨斯高级计算中心美国德克萨斯高级计算中心433.20 teraflop/sDawnIBM美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室415.70 teraflop/sJUROPABull SA德国尤里希研究中心德国尤里希研究中心274.80 teraflop/s1/12/202315超级计算机最新排名超级计算机最新排名（截至（截至2009.6）2009年年6月月TOP500.org公布了第公布了第31次
11、全球超级次全球超级计算机统计报告，正式宣告该产业从计算机统计报告，正式宣告该产业从TFlops时代时代跨入跨入PFlops，即每秒千万亿次运算。，即每秒千万亿次运算。在最新排行榜上第一的是在最新排行榜上第一的是IBM Roadrunner（走（走鹃），安放在美国能源部鹃），安放在美国能源部Los Alamos国家实验国家实验室，由室，由IBM PowerXCell 3.2GHz和和AMD Opteron DC 1.8GHz两种处理器组成，拥有两种处理器组成，拥有122400个计算核心，最高性能个计算核心，最高性能1.105PFlops，峰，峰值性能值性能1.37578PFlops，功耗，功耗2
12、345.5千瓦。千瓦。2.11/12/202316世界最强超级计算机世界最强超级计算机“走鹃走鹃”1/12/202317超级计算机排名超级计算机排名尽管尽管IBM这次在前十位中占据了半壁江山，不过其这次在前十位中占据了半壁江山，不过其在超级计算机市场上的统治地位正被惠普慢慢蚕在超级计算机市场上的统治地位正被惠普慢慢蚕食，食，500强名单中有强名单中有212台超级计算机来自惠普，台超级计算机来自惠普，IBM稍显逊色，只有稍显逊色，只有188台。台。在这些超级计算机中，使用在这些超级计算机中，使用Intel处理器的系统有处理器的系统有399台超级计算机，比例达到了接近台超级计算机，比例达到了接近8
13、0%。而使用。而使用IBM Power系列处理器的系统比率位居第二，共系列处理器的系统比率位居第二，共有有55台产品使用了这款处理器。此外，共有台产品使用了这款处理器。此外，共有43款款超级计算机采用了超级计算机采用了AMD Opteron处理器。处理器。上海超级计算中心的上海超级计算中心的“曙光曙光”5000A位列第位列第15名。名。1/12/2023181.美国克雷公司美国克雷公司 美洲豹美洲豹 1.75 petaflop/s2.中国曙光公司中国曙光公司 星云星云 1.27 petaflop/s3.美国美国IBM公司公司 走鹊走鹊 1.105 petaflop/s4.美国克雷公司美国克雷公
14、司 克拉肯克拉肯5.IBM公司（德国）公司（德国）JUGENE6.美国美国SGI公司公司 昴宿星昴宿星7.中国国防科学技术大学中国国防科学技术大学 天河一号天河一号8.美国美国 IBM公司公司 蓝色基因蓝色基因9.美国美国 IBM公司公司 Intrepid10.美国太阳微红色天空美国太阳微红色天空超级计算机世界超级计算机世界500强强排行榜前十名榜单（排行榜前十名榜单（2010.6）1/12/202319一个一个petaflop等于每秒钟进行等于每秒钟进行1千兆（万亿，千兆（万亿，trillion）次）次的数学运算，这种速度大约是现在运算速度最快计算机的的数学运算，这种速度大约是现在运算速度最
15、快计算机的8倍，普通计算机的倍，普通计算机的36000倍。例如，美洲豹超级计倍。例如，美洲豹超级计算机运算算机运算一秒一秒所处理的信息，普通计算机需要所处理的信息，普通计算机需要十小时十小时。美国在这一领域仍然有著明显的领先优势（全球最快计算美国在这一领域仍然有著明显的领先优势（全球最快计算机机500强中，美国占了强中，美国占了282个席位），可是中国正在向美个席位），可是中国正在向美国的霸主地位发出了挑战。国的霸主地位发出了挑战。虽然中国在虽然中国在500强排名中仅占了强排名中仅占了24个席位，但是其发展速个席位，但是其发展速度却十分惊人。现在，中国顶级计算机的运算速度比起以度却十分惊人。现
16、在，中国顶级计算机的运算速度比起以前已经提速了一倍多，而完全由中国自主设计和制造的超前已经提速了一倍多，而完全由中国自主设计和制造的超级计算机也有望在今年稍后时间研发成功。级计算机也有望在今年稍后时间研发成功。1/12/202320美国橡树岭国家实验室的美洲豹美国橡树岭国家实验室的美洲豹(Jaguar)排名首位排名首位 1/12/202321中国深圳国家超级计算机中心的曙光中国深圳国家超级计算机中心的曙光“星云星云”超级计算机排名第二超级计算机排名第二1/12/202322北京时间北京时间2010年年10月日，在国际超级计算机月日，在国际超级计算机组织正式发布组织正式发布第届第届世界超级计算机
17、强排世界超级计算机强排名中，中国共有包括名中，中国共有包括“天河一号天河一号”A和和“曙光星云曙光星云”在内在内的的台台机器入围，在数量份额上仅次于美国，排名第二。机器入围，在数量份额上仅次于美国，排名第二。安装在国家超级计算天津中心的安装在国家超级计算天津中心的“天河一号天河一号”A超级计算超级计算机系统，以峰值速度万亿次、持续速度机系统，以峰值速度万亿次、持续速度万亿次每秒浮点运算万亿次每秒浮点运算的优异性能位居的优异性能位居世界第一世界第一，实现了从，实现了从亚洲第一向世界第一的重大跨越，取得了我国自主研制超亚洲第一向世界第一的重大跨越，取得了我国自主研制超级计算机综合技术水平进入世界领
18、先行列的历史性突破。级计算机综合技术水平进入世界领先行列的历史性突破。“天河一号天河一号”A是国防科学技术大学承担国家计划是国防科学技术大学承担国家计划“千万亿次高效能计算机系统研制千万亿次高效能计算机系统研制”重大项目取得的标志重大项目取得的标志性成果。性成果。1/12/202323天河一号1/12/202324天河一号A1/12/202325配置介绍配置介绍天河一号 6144个通用处理器（3072x2 Intel Quad Core Xeon E5540 2.53GHz/E5540 3.0GHz）；5120个加速处理器（2560 ATI Radeon 4870 x2 575MHz）内存总容
19、量98TB；点点通信带宽40Gbps；共享磁盘总容量为1PB 天河一号A 2048颗我国仿制sun公司的UltraSparc T2处理器（飞腾FT-1000）八核心处理器 14336颗Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心处理器 7168块NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡1/12/202326虽然在计算速度方面已走到世界前列，但是在技术水平上虽然在计算速度方面已走到世界前列，但是在技术水平上还不能这么说还不能这么说“我们对取得的成绩要有一个理性的判断，不能沾沾自喜。我们对取得的成绩要有一个理性的判断，不能沾沾自喜。”“天河一号天河一号”副总设计师胡庆丰研究员说，
20、与发达国家副总设计师胡庆丰研究员说，与发达国家尤其是美国相比，我国在核心电子器件、高端通用芯片和尤其是美国相比，我国在核心电子器件、高端通用芯片和基础软件，以及大型行业应用软件等方面存在明显差距。基础软件，以及大型行业应用软件等方面存在明显差距。“虽然我们在计算速度方面已经走到世界前列，但是在技虽然我们在计算速度方面已经走到世界前列，但是在技术水平上不能这么说。术水平上不能这么说。”中科院计算所副所长、曙光首席中科院计算所副所长、曙光首席科学家孙凝晖研究员说，科学家孙凝晖研究员说，“我们的机器计算快，但是访存我们的机器计算快，但是访存速度慢，不均衡，整机的效率还有不小的差距。我的看法速度慢，不
21、均衡，整机的效率还有不小的差距。我的看法是有两年的差距。在信息产业领域，有一个摩尔定律，相是有两年的差距。在信息产业领域，有一个摩尔定律，相差两年就意味着相差一代。而且，在未来差两年就意味着相差一代。而且，在未来10年内，这两年内，这两年的差距追赶起来也很有难度。年的差距追赶起来也很有难度。”1/12/202327差距不容忽视差距不容忽视核心差距在软件和应用，任务长期而艰巨在硬件方面，不论是“天河一号”A，还是“曙光星云”，其主要核心芯片都采用的是美国的产品。在专家眼里，这个差距虽然明显，但不是核心差距，更大的差距在软件和应用方面，欠缺更多的是“软实力”。1/12/202328北京时间2011
22、年6月20日消息，据国外媒体报道，国际超级计算机组织在德国汉堡召开2011年年会并公布今年6月份的全球超级计算机500强名单。今年排在超级计算机500强名单首位的超级计算机是日本RIKEN高级计算机科学研究所的K Computer。这是自2004年以来，日本制造的超级计算机第一次成为全球速度最快的超级计算机。据悉，K Computer的计算性能高达10petaflop/s（千万亿次/秒），远超去年11月时位于榜首的超级计算机。去年11月时排在计算性能排行榜第一位的是中国天津国家超级计算中心的天河-1A，它的计算性能为2.6petaflop/s。1/12/202329K Computer是由日本
23、富士通研发而成，包含了8万多个八核CPU。日本上一次是凭借NEC的Earth Simulator摘得全球最快超级计算机桂冠。在蝉联全球超级计算机500强榜首两年时间后，那款超级计算机于2004年11月被其他超级计算机超越。在2011年超级计算机500强名单中，排在第二位的是天河-1A，排在第三位的是美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的美洲豹（Jaquar），它的计算性能为1.75petaflop/s。中国深圳国家超级计算中心的星云（Nebulae）和东京技术研究所（Tokyo Institute of Technology）的燕子2.0（Tsub
24、ame 2.0）排在第四位和第五位，它们的计算性能分别为1.27petaflop/s和1.19petaflop/s。1/12/202330K Computer1/12/2023311.美国美国IBM公司公司“红杉红杉”(Sequoia)，16.324petaflops“红杉红杉”将用来进行模拟核试验，以及延长老旧核武器的寿命，将用来进行模拟核试验，以及延长老旧核武器的寿命，避免进行地下核试验。它目前被安装在美国能源部所属的劳伦斯避免进行地下核试验。它目前被安装在美国能源部所属的劳伦斯利福摩尔国家实验室利福摩尔国家实验室。2.日本理化学研究所与富士通日本理化学研究所与富士通(Fujitsu)共同
25、研发和共同研发和组装的组装的K Computer，10.51 petaflop/s3.美国美国IBM公司公司“米拉米拉”8.162 petaflop/s排名前排名前 10 的超级计算机系统实测指令周期都超的超级计算机系统实测指令周期都超过每秒千万亿次，其中美国的超级计算机有过每秒千万亿次，其中美国的超级计算机有 3 个，中个，中国和德国国和德国 2 个，日本、法国和意大利各个，日本、法国和意大利各 1 个。个。中国国家超级计算天津中心的中国国家超级计算天津中心的“天河一号天河一号A”超级超级计算机在最新排名中名列第计算机在最新排名中名列第 5；另外超级计算深圳中；另外超级计算深圳中心的心的“星
26、云星云”超级计算机排名第超级计算机排名第 10。超级计算机世界超级计算机世界500强强排行榜前十名榜单（排行榜前十名榜单（2012.6）1/12/2023321/12/202333IBM的Sequoia以每秒16千万亿次（petaflop/s）浮点运算在该榜单中位居榜首。Sequoia基于该公司蓝色基因/Q架构（Blue Gene/Q），拥有96个机架，共98304个计算节点、接近160万个处理器核心、内存容量1.6PB（1600TB）。在过去10次全球超级计算机500强排行榜当中，IBM的蓝色基因/Q架构有4次夺魁。1/12/2023341.1 计算机系统简介计算机系统简介由具有各类特殊功能
27、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1/12/202335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1.11/12/202336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
28、解题过程计算机的解题过程1/12/202337二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 M2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器实际机器 M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M01.11/12/202338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汇编程序翻译用汇编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操作系统用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行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
29、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 M01/12/202339程序员所见到的计算机系统的属性程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性概念性的结构与功能特性计算机计算机体系结构体系结构计算机计算机组成组成实现计算机体系结构所体现的属性实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令有无乘法指令如何实现乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、（指令系统、数据类型、寻址技术、I/OI/O机理）机理）（具体指令的实现）（具体指令的实现）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1/12/2023401.2 计算
30、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.存储程序存储程序1/12/202341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
31、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1/12/202342二、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1/12/202344ALU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1/12/202
32、3451.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1/12/202346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=
33、(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1/12/202347000001 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1/12/202348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
34、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）房房间间 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1/12/202350MARMDR 存储单元个数存储单元个数 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
35、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MAR1/12/202351 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1/12/202352运算器运算器MQACCALUXACC 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M1/12/2023531.2 减法操
36、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 ALUACCACC1/12/202354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 00ACCACCMQACCMQ1/12/202355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1/12/202356取指令取指令分析指令分析指
37、令执行指令执行指令PCIRCUPCIRCU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1/12/20235712356789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1/12/202358(5)ax2+bx+c 程序的
38、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 MMDRMDRACCACCPCPC1/12/2023601.3 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
39、存器位数寄存器位数 有关有关=ni=1fi 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MIPS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CPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPS1/12/202361221 =256 KB213 =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1/12
40、/202362第第篇篇 概论概论1.4 本书结构本书结构计算机计算机1/12/2023631.4 本书结构本书结构第篇第篇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CPU1/12/2023641.4 本书结构本书结构 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第第篇篇 CPU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU1/12/2023651.4 本书结构本书结构 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第篇第篇 CU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU1/12/202366第1章思考题1.3，1.5，1.7，1.11，1.121/12/202367