组成原理课件 - 计算机系统概述

计算机组成原理 唐朔飞主编 高等教育出版社 面向21世纪课程教材 主要内容 参考资料 1 计算机组成原理作业 习题及实验指导 2 计算机组成原理 学习指导与习题解答唐朔飞编著高等教育出版社 3 计算机组成与结构 王爱英编著清华大学出版社 课程性质及学时 专业必修课54学时 44理论 10实验 每周4学时 1 9 12 13周 考核办法 平时 40分 出勤10 作业10 实验20 考试 60分 期末闭卷考试 任课教师 蔡桂英 办公室 计算机控制教研室 联系方式电话箱 cai guiying 第1章计算机系统概述 1 1计算机系统简介 1 2计算机的基本组成 1 3计算机的主要技术指标 1 4计算机的发展及应用 重点与难点 了解计算机系统基本概念 掌握计算机系统的多层次结构 掌握衡量计算机性能的主要技术指标 掌握冯 诺依曼计算机组成及工作过程 计算机如何区分存储器中的指令和数据 1 1计算机系统简介 一 硬件 hardware 和软件 software 1 计算机程序是为解决给定问题 计算机所要执行的指令或语句的集合 是管理计算机的一组程序 以便使计算机资源更有效的发挥作用 2 操作系统 1 计算机程序和语言 2 计算机语言是人与计算机交流信息用的语言 计算机语言分为机器语言 汇编语言 高级语言 它们通过汇编程序 解释程序和编译程序将各种语言编写的源程序翻译成目标程序 机器语言 二 计算机系统层次结构 虚拟机器M4 高级语言机器 虚拟机器M3 汇编语言机器 虚拟机器M2 操作系统机器 传统机器M1 机器语言机器 微程序机器M0 微指令系统 由硬件直接执行微指令 用微程序解释机器指令 用机器语言解释操作系统 用汇编程序翻译成机器语言程序 用编译程序翻译成汇编语言程序 1 1计算机系统简介 1 指令系统是硬件与软件的接口 2 软件和硬件在逻辑上是等价的 3 操作系统是用户与计算机硬件的接口 计算机系统是一个由硬件 软件组成的多层结构 它通常由微程序级 传统机器级 操作系统级 汇编语言级 高级语言级组成 在每一级上都能进行程序设计 2 小结 1 虚拟机器 virtualmachine 在实际硬件机器级外面的所有机器层次都称为虚拟机 它们是由软件构成的计算机外部特性 该机器依靠相应的软件才存在 二 计算机系统层次结构 1 1计算机系统简介 2 计算机组成 1 计算机体系结构 是指机器语言或编译程序设计者看到的计算机属性 是硬件子系统的概念性结构和功能特性 包括机器内的数据表示 寻址方式 寄存器定义 指令系统 中断机构 机器工作状态的定义和切换 输入输出机构 信息保护等 这些都是机器语言和编译程序员为了使其编写的程序能在机器上正确运行需要了解和遵循的计算机属性 三 计算机体系结构和计算机组成 1 1计算机系统简介 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现 它主要研究硬件系统在逻辑上是如何组织的 机器内部数据流和控制流的组成与逻辑设计 1 2计算机的基本组成 控制器 运算器 存储器 输入装置 输出装置 一 冯 诺依曼机的组成及特点 1 冯 诺依曼机的组成 1 2计算机的基本组成 1 计算机由五部分组成 2 采用二进制表示数据和指令 3 指令由操作码和地址码组成 4 存储器线性编址 按地址访问存储单元 5 指令按顺序存放 PC指明下一条指令的地址 6 以运算器为中心 由控制器控制整个系统 2 冯 诺依曼机的特点 控制器 存储器 运算器 输入装置 输出装置 二 现代计算机组成 1 2计算机的基本组成 数据和指令是如何流动的 M 二 现代计算机组成 1 2计算机的基本组成 ALU CU CPU 主机 I O ALU算术逻辑单元 CU控制单元 M主存储器 I O设备 1 CPU 由运算器 ALU 控制器组成 2 主机 CPU 主存储器 I O接口和系统总线组成 二 现代计算机组成 1 2计算机的基本组成 3 计算机中的两种信息流 1 指令流 是控制信息 操作指令 在执行时由控制器分散向各个部件 2 数据流 它受控制器 操作指令 的控制 从一个部件流向另一个部件 边流动边加工处理 3 区别 取指周期从内存读出的信息流是指令流 而在执行周期从内存读出或送入内存的信息流是数据流 0000010000001000 打印 停机 取数 存数 加 乘 1 指令格式举例 三 计算机的工作过程 1 2计算机的基本组成 2 计算ax2 bx c程序清单 2 计算ax2 bx c程序清单 3 计算机的解题过程 1 运算器的基本组成及操作过程 被加数 被减数 被除数 乘数 商 加数 减数 被乘数 除数 加法 减法 乘法 除法 和 差 余数 三 计算机的工作过程 1 2计算机的基本组成 加法操作过程 三 计算机的工作过程 1 2计算机的基本组成 减法操作过程 三 计算机的工作过程 1 2计算机的基本组成 乘法操作过程 三 计算机的工作过程 1 2计算机的基本组成 除法操作过程 三 计算机的工作过程 1 2计算机的基本组成 存储体 大楼 存储单元存放一串二进制代码 存储字存储单元中二进制代码的组合 存储字长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 按地址寻访 存储单元 存储元件 0 1 房间 床位 无人 有人 2 存储器的基本组成 三 计算机的工作过程 1 2计算机的基本组成 MAR MDR 存储器地址寄存器反映存储单元的个数 存储器数据寄存器反映存储字长 2 存储器的基本组成 三 计算机的工作过程 1 2计算机的基本组成 3 控制器的基本组成 PC 程序计数器 存放当前欲执行指令的地址 具有自动加1的功能 IR 指令寄存器 存放当前的指令 三 计算机的工作过程 1 2计算机的基本组成 4 主机 包括运算器 控制器和主存储器 三 计算机的工作过程 1 2计算机的基本组成 4 I O I O设备 I O子系统包括I O设备和相应的接口 三 计算机的工作过程 1 2计算机的基本组成 1 3计算机的主要技术指标 一 字长 是指计算机CPU一次能并行处理的二进制位数 二 存储容量 存储器可容纳的二进制信息量 存储容量的计算单位 通常可用字节 Byte 和位 bit 作单位来表示 存储容量 存储单元个数 存储字长MAR位数反映存储单元个数MDR位数反映存储字长 三 运算速度 运算速度可用每秒所能执行的指令条数表示 单位是条 秒 常用MIPS MillionInstructionsPerSecond 即每秒执行百万条指令 CPI FLOPS 3计算机的展望 2计算机的应用 1计算机的发展史 1 4计算机的发展及应用 1计算机的发展史 一 计算机的产生和发展 1946年美国ENIAC 1955年退役 用手工搬动开关和拔插电缆来编程 世界上第一台电子计算机ENIAC 1946 1计算机的发展史 硬件技术对计算机更新换代的影响 1计算机的发展史 第一台vonNeumann系统结构的计算机 1计算机的发展史 IBMSystem 360 1计算机的发展史 最快的五台超级计算机 截止到2003 06 1 IBM Seaborg 6080个CPU最大平均速度7 304TF 1012 1计算机的发展史 2 IBM ASCIWhite 8192个CPU最大平均速度7 304TF 1012 最快的五台超级计算机 截止到2003 06 1计算机的发展史 3 LinuxNetworX MCRLinuxCluster 2304个CPU最大平均速度7 634TF 1012 最快的五台超级计算机 截止到2003 06 1计算机的发展史 4096个CPU最大平均速度13 88TF 1012 4 HP ASCIQ 最快的五台超级计算机 截止到2003 06 1计算机的发展史 5 NEC EarthSimulator 5120个CPU最大平均速度35 86TF 1012 最快的五台超级计算机 截止到2003 06 1计算机的发展史 2计算机的应用 1 科学计算和数据处理 2 工业控制和实时控制 3 网络技术的应用 4 虚拟现实 5 办公自动化和管理信息系统 6 CAD CAM CIMS 7 多媒体技术 8 人工智能 3计算机的展望 一 填空1 计算机各组成部件相互连接方式 从早期的以 为中心 发展到现在的以 为中心 2 用二进制代码表示的计算机语言称为 用助记符编写的语言称为 3 解释程序是边解释边执行 不会生成 4 计算机系统的层次结构中 位于硬件之外的所有层次统称为 5 现在主要有用 结构作为计算机硬件之间的连接方式 6 在计算机术语中 将运算器 控制器合在一起称 而将 存储器 I O接口和系统总线合在起称为 7 存储 并按 顺序执行 这是冯 诺依曼型计算机的工作原理 8 计算机中有 在流动 一股是 即操作命令 其发源地是 它分散流向各个部件 另一股是 它受 的控制 从一个部件流向另一个部件 边流动边加工 9 计算机系统是一个由硬件 软件组成的多层结构 它通常由 级 传统机器级 级 汇编语言级 和 级组成 在每一级上都能进行 10 衡量计算机性能的主要指标有 和 等三项 二 判断题1 会计电算化属于计算机在科学计算方面的应用 2 决定计算机计算精度的主要指标是计算机的字长 3 计算机运算速度指标的含义是每秒能执行多少条操作系统的命令 4 计算机的运算部件和控制部件做在一块集成电路芯片上 这块芯片叫单片机 三 选择题1 冯 诺依曼机工作方式的基本特点是 A 多指令流单数据流B 按地址访问并顺序执行指令C 堆栈操作D 存储器按内容选择地址2 计算机中信息以二进制方式表示的理由是 A 节约元件B 运算速度快C 物理器件性能决定D 信息处理方便3 CPU的组成中不包含 A 存储器B 寄存器C 控制器D 运算器4 主机中对指令进行译码的器件是 A ALUB 运算器C 控制器D 存储器5 微型计算机的发展是以 为标志 A 操作系统B 微处理器C 磁盘D 软件 6 关于微处理器描述正确的是 A 微处理器是台微机B 微处理器是微机系统C 微处理器是主机D 微处理器可用作微机的CPU7 完整的计算机系统应包括 A 运算器 存储器和控制器B 外部设备和主机C 主机和实用程序D 配套的硬件和软件系统8 下列叙述正确的是 系统软件