计算机组成原理3

1、计算机组成原理 ComputerOrganization 冯诺依曼计算机特点 由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成 指数混存，二进制码表示，按地址访问 指令由操作码和地址码组成，在存储器中顺序存放 操作码：操作性质 地址码：操作数在存储器中的位置 通常指令是顺序执行的，特定条件下可根据运算结果或设定的条 件改变执行顺序 以运算器为中心集中控制 计算机的基本工作原理 硬件系统的组成 运算器运算器 控制器控制器 内存储器内存储器 输出设备输出设备输入设备输入设备 主机主机 外设外设 微处理器（微处理器（CPU） 负责从内存储器中逐条地取出指令，经译码分 析后向其他各部件发出控制

2、命令，以确保正确 地完成程序所要求的功能。 完成算术和逻辑运 算的部件 用来存储计算机当 前运行所需要的程 序和数据。 输出设备用于输出计算机的处 理结果，它把内部的信息转换 成人们所需要或其它设备能接 受的信息形式，并传送到计算 机外部，如显示器和打印机。 输入设备的功能是将程序和数据 从人们熟悉的形式转换成计算机 能接受的信息形式，输入到计算 机内部，如键盘和鼠标等。 微型计算机的概念 微处理器（Microprocessor） 由运算器、控制器及辅助逻辑电路组成 根据指令要求完成系统控制、运算功能 大规模/超大规模集成电路器件。 核心器件 微型计算机 808680286 80486 803

3、86 信息工程大学 微处理器 信息工程大学 微处理器 嵌入式微处理器 如果我要打开一款 暗黑破坏神3 游戏 首先鼠标把命令发送到 CPU说打开这款游戏 CPU接受指令后去内存 中寻找这款游戏 当没内存 中没有发 现这款游 戏时，就 从硬盘里 寻找 把找到的 这款游戏 数据后写 入内存 CPU重新 搜索内存， 搜索到后 分配任务 CPU判定如果是图像数据 就交由显卡GPU处理， 由GPU输出图像 CPU判定如果是音 频数据CPU交由声 卡处理，由声卡输 出声音 计算机各部件运转关系图 现代计算机组成框图 主机主机 M.M 主主 存存 储储 器器 CPU ALU 算术逻辑单元算术逻辑单元 CU 控

4、制单元控制单元 I/O 设设 备备 运算部件 计算机的执行部件，用于对数据的加工处理，完成算术运算 和逻辑运算。 算术运算：包括加、减、乘、除以及它们的复合运算。 逻辑运算：包括与、或、非、异或、比较、移位等。 核心：算术逻辑部件ALU（ArithmeticandLogicalUnit） 累加器ACC乘商寄存器MQ操作数寄存器X等 一组寄存器（通用寄存器组GPR）：用于暂存运算数据和中 间结果 计算机系统的硬件组成 模型机硬件组织示意图（一台假想的简化了的计算机） 控制器：计算机的管理部件，协调计算机的各个部件自 动地工作。 按照程序中事先设计好的解题步骤，控制计算机各个部件有 条不紊地工作。

5、 开始 取指令 执行指令 分析指令 取 指 周 期 执 行 周 期 由6部分构成 指令寄存器IR：存放当前正在执行的指令。 程序计数器PC：存放当前正在执行的指令的地址。 指令译码器：对指令进行译码 区分当前指令是什么指令，以便形成相应的控制信号。 时钟脉冲CP：协调计算机各部件进行操作的同步信号， 其工作频 率称为计算机的主频。 时序信号发生器：按时间顺序周而复始地发出节拍信号。 微操作控制部件 微操作：硬件电路中不可再细分的简单操作。 微操作在一个节拍内完成 根据指令的译码结果，结合CP以及时序信号发生器产生的节拍信号，产生该 指令执行过程中各节拍所需要的微操作控制信号，并将它们发送给包括

6、控制 器本身在内的各个部件，使之协调、分步骤地进行操作，实现指令的执行。 计算机系统的硬件组成 讨论：控制器如何区分从内存取出的是指令还是数据？ 从时间上看 取指发生在取指周期，取数发生在执行周期。 从空间上看 取指送向控制器，取数送向运算器。 存储器 计算机的存储部件，存储程序和数据。 由两部分构成 内部存储器（内存）：一般用半导体技术实现。 外部存储器（外存）：采用磁记录方式实现。 内存 组成：存储体 MAR MDR 存储体 存储单元 存储元件 计算机系统的硬件组成 主存储器 存储体 MARMDR 存储器的组织形式 按地址内容的形式存放 以字节（8 bit）为单位存储信息 地址：为了标识每

7、一个存储单元， 给每个存储单元规定一个编号， 指出信息存放的位置 每个存储单元都有唯一的地址 内容：存储单元中存放的信息 存储器 信息工程大学 10001000 10011011 11000011 10101110 11110101 00101011 00000H 00001H 00002H FFFFDH FFFFEH FFFFFH 多字节数据在存储器中 占连续的多个存储单元 “高高低低”的存放原则 高字节存入高地址， 低字节存入低地址。 用低地址表示。 存储器 . . . . 70234561 00000H 00001H FFFFFH N+1 N N+2 N+3 高高 低低 字节字节 BYT

8、E 字字 WORD 双双 字字 DWORD 信息的读出 1. 给出地址 2. 发出读命令 3. 信息被“复制”读出 信息的写入 1. 给出地址 2. 给出写入数据 3. 发出写命令 原存储信息被新写入信息覆盖 存储器 00010010 00000H XXXXXH FFFFFH 输入/输出设备 计算机与外界联系的重要桥梁 输入设备 作用：将程序和数据以计算机所能识别的形式输入到计算机内。 常见的输入设备：键盘，鼠标，扫描仪，摄像机等。 输出设备 作用：将计算机处理的结果以人们所能接受或其它系统所要求的形式输出 到外部世界。 常见的输出设备：显示器，打印机等。 计算机系统的硬件组成 模型机硬件组织

9、示意图（一台假想的简化了的计算机） 1 23 5 6 78 9 4 CU 控制 单元 主存储器 MDRMAR 存储体 CPU PC 控制器 IR 运算器 MQACC ALU X I/O 主机完成一条指令的过程 以取数指令为例 1 23 5 6 79 8 4 CU 控制 单元 主存储器 MDRMAR 存储体 CPU PC 控制器 IR 运算器 MQACC ALU X I/O 以存数指令为例 第一章 第三节计算机性能评价指标 一些与硬件相关的性能指标。 主频 衡量计算机工作速度的主要指标之一 CPU的工作节拍是由时钟来控制的，时钟不断产生固定频率 的时钟脉冲，这个时钟的频率就是CPU的主频 通常用

10、一秒钟内发出的电子脉冲数来表示，常用单位是兆赫 兹（MHz） CPU主频对系统性能的影响 ：t= n 1/f f越高，执行一条指令所需的时间越短，CPU速率越快。 CPU 的时钟信号由谁提供？ 基本性能指标 外频： CPU总线频率（系统频率） 由主板为CPU提供的基准时钟频率 倍频系数： CPU主频与外频之间的相对比例关系。 CPU频率外频倍频系数 微处理器 运算速度 以每秒执行多少条指令或完成多少次浮点运算来表示。 单位：MIPS（百万条指令/秒） MFLOPS（百万次浮点运算/秒） 分别反映了计算机的定点运算能力和浮点运算能力。 计算机的性能指标 6 10MIPS 执行时间 指令条数 6

11、10MFLOPS 执行时间 浮点运算次数 运算速度计算 混合比率计算法 对每一条指令计算其执行时间，并统计该指令出现的频度。 计算所有指令的加权平均值，得指令的平均执行时间。 平均执行时间的倒数是平均执行速度。 计算各种指令的执行速度 根据处理器的主频，求出其基本节拍周期时间， 然后根据处理器的结构模型和指令操作流程，可推算出执 行各种指令的基本拍数和每秒执行指令的条数。 计算机的性能指标 执行基准程序的运算速度 通过执行同一组基准程序，来测试和比较计算机的性能。 基准测试程序套件由各种不同的真实应用程序构成 目前最成功和最常见的测试程序套件是SPEC系列，由美国的标准 性能测试公司（Stan

12、dardPerformanceEvaluationCorporation）创建 设计出了适合于各种类型应用的基准测试程序套件，且先后推出了多个版本。 如：SPEC89、SPEC92、SPEC95、SPEC2000和SPECCPU2006等。 SPECCPU2006有29个程序，其中整数程序12个（CINT2006），浮点程序17个 （CFP2006）。 计算机的性能指标 字长 直接参与运算的数据的二进制位数。 决定了寄存器、ALU、数据总线等的位数，直接影响着硬件的造价。 字长标志着运算精度，位数越多，精度越高。 在保持相同精度的情况下，十进制位数与二进制位数的关系。 假设：十进制数的位数：假设：十进制数的位数：i位位 二进制数的位数：二进制数的位数：j位位 令：令： 10i = 2j 两边取对数（以两边取对数（以10为底），得：为底），得： i = jlog102 j = i / log102 3.3i 计算机的性能指标 主存容量 主存容量：主存所能存储的信息的总量。 计算机的处理能力在很大程度上取决于主存容量的大小。 主存容量字节数或字数字长 512MB可存储512M（1M=1024K）个字节 128M32位 KB千字节1KB=210B=1024B