计算机组成原理(重点)

1、第第1页页主讲教师：主讲教师： 陈宏陈宏课程序号：课程序号： 09213150921315电子信箱：电子信箱： 第第2页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 教材及参考数目教材及参考数目教材：教材： 陈智勇陈智勇. .计算机组成原理计算机组成原理. . 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社. .参考数目：参考数目： 唐朔飞唐朔飞. .计算机组成原理计算机组成原理. .高等教育出版社高等教育出版社 白中英白中英. .计算机组成原理计算机组成原理. . 科学出版社科学出版社. . 王爱英王爱英. .计算机组成与结构计算机组成与结构. .清华大学出版社清华大学出版社. . 俸远祯俸远

2、祯. .计算机组成原理计算机组成原理. .电子工业出版社电子工业出版社 李亚民李亚民. .计算机组成与系统结构计算机组成与系统结构. .清华大学出版社清华大学出版社. . 第第3页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论成绩及考核方式成绩及考核方式n考核方式：考核方式： 期末考试，笔试，闭卷，时间期末考试，笔试，闭卷，时间120120分钟。分钟。n成绩构成成绩构成： 期末成绩占期末成绩占70%70% 平时成绩占平时成绩占20%20% 实验成绩占实验成绩占10% 10% 第第4页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论课程性质课程性质 计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学与工程中所有

3、专业是计算机科学与工程中所有专业的一门核心课程，从课程地位来说，它在先导课和后续课的一门核心课程，从课程地位来说，它在先导课和后续课之间起着承上启下和继往开来的作用。本课程属于必修课之间起着承上启下和继往开来的作用。本课程属于必修课和专业技术基础课。和专业技术基础课。 通过课程的教学使学生懂得数字计算机的基本组成和通过课程的教学使学生懂得数字计算机的基本组成和工作原理，能建立整机的概念，为进一步深入学习有关计工作原理，能建立整机的概念，为进一步深入学习有关计算机硬件的后续课程打下了良好基础。该课程有较广的适算机硬件的后续课程打下了良好基础。该课程有较广的适应面，可培养学生在各类计算机上从事开发

4、和应用的需要。应面，可培养学生在各类计算机上从事开发和应用的需要。第第5页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论课程学习要求课程学习要求n了解计算机的发展历程、计算机的应用领域、计算机的硬件和软件组了解计算机的发展历程、计算机的应用领域、计算机的硬件和软件组成、计算机的性能以及计算机系统的分类方法和层次结构等。成、计算机的性能以及计算机系统的分类方法和层次结构等。n掌握计算机中数据的表示方法、定点数和浮点数的机器码表示、定点掌握计算机中数据的表示方法、定点数和浮点数的机器码表示、定点数和浮点数的加减乘除运算，以及运算器的组成及设计方法。数和浮点数的加减乘除运算，以及运算器的组成及设计方法

5、。n掌握存储器的组成与分类方法、存储器的性能指标、掌握存储器的组成与分类方法、存储器的性能指标、RAM与与ROM存存储器的工作原理、主存储器的设计方法，了解虚拟存储器和储器的工作原理、主存储器的设计方法，了解虚拟存储器和Cache的组的组成及工作原理。成及工作原理。n掌握指令和数据的寻址方式、指令格式的分析与设计方法。掌握指令和数据的寻址方式、指令格式的分析与设计方法。n掌握掌握CPU的组成及功能、微程序设计技术、流水的组成及功能、微程序设计技术、流水CPU和和RISC CPU的的组成与性能分析。组成与性能分析。n掌握总线的基本概念、总线的控制方式，了解掌握总线的基本概念、总线的控制方式，了解

6、PCI总线的功能和特点。总线的功能和特点。n了解典型的输入了解典型的输入/输出设备、输出设备、I/O设备数据传送控制方式设备数据传送控制方式 第第6页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论实验教学内容实验教学内容 n运算器组成实验运算器组成实验 掌握简单运算器的数据传送通路；验证算术逻辑运算单元掌握简单运算器的数据传送通路；验证算术逻辑运算单元74LS18174LS181的逻辑功能。的逻辑功能。n半导体存储器原理实验半导体存储器原理实验 掌握静态随机存储器掌握静态随机存储器SRAMSRAM的工作特性及数据的读写方法。的工作特性及数据的读写方法。n微程序设计实验微程序设计实验 掌握时序产生

7、器、微程序控制器的组成及工作原理；掌握微程序的掌握时序产生器、微程序控制器的组成及工作原理；掌握微程序的编制、写入和读出验证的方法；理解用微程序解释机器语言源程序的编制、写入和读出验证的方法；理解用微程序解释机器语言源程序的工作原理。工作原理。n总线控制实验总线控制实验 理解总线的概念及其特性；掌握总线传输控制特性。理解总线的概念及其特性；掌握总线传输控制特性。n数据通路组成与故障分析实验数据通路组成与故障分析实验 熟悉计算机的数据通路；掌握数字逻辑电路和总线连接中故障的一熟悉计算机的数据通路；掌握数字逻辑电路和总线连接中故障的一般规律，以及排除故障的一般原则和方法；对出现的故障，要求学生般规

8、律，以及排除故障的一般原则和方法；对出现的故障，要求学生具有独立分析问题和解决问题的能力。具有独立分析问题和解决问题的能力。 第第7页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论本章主要内容本章主要内容n计算机发展历程计算机发展历程 n计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构n计算机系统的组成计算机系统的组成 n计算机的工作过程计算机的工作过程 n计算机性能计算机性能n计算机的分类和应用计算机的分类和应用 第第8页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机发展历程计算机发展历程第一台电子计算机第一台电子计算机ENIACENIAC 1946 1946年美国宾西法尼亚大学研制成功电

9、子数字计算机年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Computer )( Electronic Numerical Integrator And Computer )第一台电子计算机（通用可编程序）第一台电子计算机（通用可编程序）1880018800电子管，电子管，3030吨，占地吨，占地150150平方米，功耗平方米，功耗150kw150kw速度：速度：50005000次十进制加法次十进制加法/ /秒秒ENIACENIAC的特点：的特点：十进制表示，程序用插线开关实现十进制表示，程序用插线

10、开关实现为了改进程序的输入方式：为了改进程序的输入方式： 美国数学家美国数学家冯冯. .诺依曼诺依曼，提出二进制表达方式和存储程序控，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一个计算机模型制计算机构想。提出并描述一个计算机模型EDVACEDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic ComputerElectronic Discrete Variable Automatic Computer）EDVACEDVAC直到直到19521952年才调试成功年才调试成功第第9页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 输出设备输出设备输入设备输

11、入设备 存储器存储器控制器控制器运算器运算器控制流控制流CS数据流数据流DS计算结果计算结果程序和数据程序和数据具备的功能：具备的功能：(1)(1)输入输出功能输入输出功能 (2)(2)记忆功能记忆功能 (3)(3)计算功能计算功能 (4)(4)判断功能判断功能 (5)(5)自我控制功能自我控制功能 第第10页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机发展的几个过程计算机发展的几个过程19461946年开始的第一代电子管计算机年开始的第一代电子管计算机:计算机运算速度一般为每秒几千次至几万次计算机运算速度一般为每秒几千次至几万次, ,体积庞大体积庞大, ,成本很高成本很高, ,可靠性较

12、低可靠性较低, ,在此期间在此期间, ,形成了计算机的基本体系形成了计算机的基本体系, ,确定了程序设计的基确定了程序设计的基本方法本方法, ,数据处理机开始得到应用。数据处理机开始得到应用。 19581958年开始的第二代晶体管计算机年开始的第二代晶体管计算机: : 运算速度提高到几万次至几十万次运算速度提高到几万次至几十万次, ,可靠性提高可靠性提高, ,体积缩小体积缩小, ,成本降成本降低，工业控制机开始得到应用。低，工业控制机开始得到应用。 19651965年开始的第三代中小规模集成电路计算机年开始的第三代中小规模集成电路计算机: :可靠性进一步提高可靠性进一步提高, ,体积进一步缩小

13、体积进一步缩小, ,成本进一步下降成本进一步下降, ,运算速度运算速度提高到几十万次至几百万次。在此期间提高到几十万次至几百万次。在此期间, ,形成机种多样化形成机种多样化, ,生产系列化生产系列化, ,使用系统化使用系统化, ,小型计算机开始出现。小型计算机开始出现。19721972年开始的第四代超大规模集成电路（年开始的第四代超大规模集成电路（VLSIVLSI）计算机）计算机: : 可靠性更进一步提高可靠性更进一步提高, ,体积更进一步缩小体积更进一步缩小, ,成本更进一步降低成本更进一步降低, ,速度速度提高到每秒几百万次至几千万次。有机片大规模集成电路组成的微型提高到每秒几百万次至几千

14、万次。有机片大规模集成电路组成的微型机开始出现。机开始出现。 19911991年开始的第五代巨大规模集成电路年开始的第五代巨大规模集成电路(ULSI)(ULSI)计算机计算机: : 运算速度提高到每秒几亿次至上百亿次。由一片巨大规模集成电路实现的单片机开始出现。 第第11页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论微处理器的发展微处理器的发展n以以INTEL为例为例1971年，4004问世，主频108KHz，晶体管2300个，10微米。1972年，8008问世，主频200KHz，晶体管3500个。1978年，8086问世，主频4.77MHz，晶体管29000个，3微米。1982年，年，推出8

15、0286，内含13.4万个晶体管，PC产业真正开始腾飞。1985年，386问世，主频16MHz起，晶体管275000个，1微米。1989年，486问世，主频25MHz起，晶体管1200000个，1微米。1993年，Pentium问世，主频60MHz起，晶体管310万个，0.8微米。2000年，Pentium 4问世，主频1.3GHz起，晶体管4200万个，0.18微米。2006年7月27日发布酷睿2，这是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域。晶体管数量达到2.91 亿个 ，采用65nm制造工艺 。 第第12页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论2008年世界超级计

16、算机排名（年世界超级计算机排名（2008.11）第第13页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论2009年世界超级计算机排名（年世界超级计算机排名（2009.11）第第14页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论TOP500 国家及地区分布（部分）国家及地区分布（部分）第第15页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论TOP500设备制造商设备制造商 （2008）第第16页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论TOP500设备制造商设备制造商 （2009）第第17页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论2009前前500超级计算机选用处理器统计超级计算机选用处理器统

17、计第第18页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论20082008前前500500超级计算机选用超级计算机选用OSOS统计统计第第19页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论20092009前前500500超级计算机选用超级计算机选用OSOS统计统计第第20页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论第第21页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机的发展趋势计算机的发展趋势 1 1巨型化巨型化 巨型化是指具有高速度、大容量、高吞吐量的计算机。巨型化是指具有高速度、大容量、高吞吐量的计算机。 2 2微型化微型化 微型化是指采用巨大规模集成电路组成的体积小、价格低、微型化

18、是指采用巨大规模集成电路组成的体积小、价格低、功能强的计算机。这种计算机主要包括嵌入式计算机和微型计算机，嵌入式功能强的计算机。这种计算机主要包括嵌入式计算机和微型计算机，嵌入式计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化智能化”。 3 3网络化网络化 计算机与互联网络组成高速信息通道，互联网络扩展了计算计算机与互联网络组成高速信息通道，互联网络扩展了计算机概念。机概念。 4 4智能化智能化 智能化是指计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、

19、智能化是指计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。智能化的发展将使各种知识库及人工理解、学习、问题求解和图像识别等。智能化的发展将使各种知识库及人工智能技术得到进一步普及，人们将用自然语言和机器对话。计算机将从数值智能技术得到进一步普及，人们将用自然语言和机器对话。计算机将从数值计算为主过渡到知识推理为主，从而使计算机进入知识处理阶段。计算为主过渡到知识推理为主，从而使计算机进入知识处理阶段。 5 5多媒体化多媒体化 多媒体化是指计算机具有全数字式、全动态、全屏幕的播多媒体化是指计算机具有全数字式、全动态、全屏幕的播放、编辑和创作多媒体信息的功能，具备控制和

20、传输多媒体电子邮件、电视放、编辑和创作多媒体信息的功能，具备控制和传输多媒体电子邮件、电视会议等多种功能。会议等多种功能。第第22页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.2 计算机系统层次结构计算机系统层次结构 计算机解题过程计算机解题过程 现代计算机的解题过程通常是先由用户用高级语言编现代计算机的解题过程通常是先由用户用高级语言编写程序（称作为源程序），然后将它和数据一起送入计算写程序（称作为源程序），然后将它和数据一起送入计算机内，再由计算机将其翻译成机器能识别的机器语言程序机内，再由计算机将其翻译成机器能识别的机器语言程序（称作为目标程序），机器自动运行该机器语言程序，并（称作

21、为目标程序），机器自动运行该机器语言程序，并将结果输出。将结果输出。 计计 算算 机机用户程序用户程序（源程序）（源程序）结果结果计算机计算机翻译成机器翻译成机器语言程序语言程序运行运行目标程序目标程序第第23页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论虚虚拟拟机机器器实实际际机机器器微指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行用微程序解释机器指令用微程序解释机器指令应用语言程序经应用程序应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言程序包包翻译成高级语言程序包高级语言程序经编译高级语言程序经编译/解释程解释程序翻译成汇编语言程序（或中序翻译成汇编语言程序（或中间语言程序，或是机器语言语间语言程序，或是

22、机器语言语言）言）汇编语言程序经汇编程序汇编语言程序经汇编程序包翻译成机器语言程序包翻译成机器语言程序一般用机器语言程序解释一般用机器语言程序解释作业控制语句等作业控制语句等第第24页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论层次结构划分的好处层次结构划分的好处 n有利于理解软件、硬件和固件在系统中的地位和作用。有利于理解软件、硬件和固件在系统中的地位和作用。 从系统层次的划分中，可以看出，微程序机器级（从系统层次的划分中，可以看出，微程序机器级（M0M0）、传统机）、传统机器级（器级（M1M1）、操作系统机器级（）、操作系统机器级（M2M2）不是为应用程序员解题设计的，）不是为应用程序员解

23、题设计的，而是为运行支持更高层次机器级程序所必须的编译程序和解释程序而而是为运行支持更高层次机器级程序所必须的编译程序和解释程序而设计的，以便能设计和实现新的虚拟机器级。设计的，以便能设计和实现新的虚拟机器级。n有利于理解各种语言的实质和实现途径。有利于理解各种语言的实质和实现途径。 计算机各层次的语言总是通过低一级的语言翻译来实现的，这就计算机各层次的语言总是通过低一级的语言翻译来实现的，这就说明相邻机器级之间的语义差别不能太大。说明相邻机器级之间的语义差别不能太大。n有利于推动计算机系统结构的发展。有利于推动计算机系统结构的发展。例如，可以重新分配软、硬件的例如，可以重新分配软、硬件的比例

24、，为虚拟机器的各个层次提供更多更好的硬件支持，改变硬件及比例，为虚拟机器的各个层次提供更多更好的硬件支持，改变硬件及器件快速发展而软件却日益复杂、开销过大的状况。可以用硬件和固器件快速发展而软件却日益复杂、开销过大的状况。可以用硬件和固件来实现高级语言和操作系统而形成高级语言机器和操作系统机器。件来实现高级语言和操作系统而形成高级语言机器和操作系统机器。n有利于理解计算机系统结构的定义。有利于理解计算机系统结构的定义。把计算机按功能划分成多个不同把计算机按功能划分成多个不同的层次结构，从各个层次的功能划分和实现去了解计算机系统，有助的层次结构，从各个层次的功能划分和实现去了解计算机系统，有助于

25、更深入的了解系统结构的定义。于更深入的了解系统结构的定义。 第第25页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机系统结构和计算机组成计算机系统结构和计算机组成 n计算机系统结构计算机系统结构这个词是这个词是Amdahl等人在等人在1964年介绍年介绍IBM360时提出时提出的。他们把系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的的。他们把系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。这实际上是计算机系统的外特性，属性，即概念性结构和功能特性。这实际上是计算机系统的外特性，按照计算机系统的层次结构，不同程序设计者所看到的计算机具有不按照计算机系统的层

26、次结构，不同程序设计者所看到的计算机具有不同的属性。同的属性。n计算机系统结构研究的主要内容计算机系统结构研究的主要内容是计算机系统的多级层次结构中各级是计算机系统的多级层次结构中各级之间界面的定义及其上下的功能分配。通常所说的计算机系统结构，之间界面的定义及其上下的功能分配。通常所说的计算机系统结构，主要讨论传统机器级的系统结构，即从机器语言程序员的角度所看到主要讨论传统机器级的系统结构，即从机器语言程序员的角度所看到的计算机系统结构。的计算机系统结构。 n计算机组成又称计算机设计计算机组成又称计算机设计，是指计算机系统结构的逻辑实现。研究，是指计算机系统结构的逻辑实现。研究的内容主要包括机

27、器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。的内容主要包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。它着眼于机器内各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能以及各它着眼于机器内各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能以及各部件间的联系。部件间的联系。n 计算机组成的设计是按所希望达到的性能价格比，最佳、最合理的计算机组成的设计是按所希望达到的性能价格比，最佳、最合理的把各种设备和部件组成计算机，以实现所确定的计算机系统结构。把各种设备和部件组成计算机，以实现所确定的计算机系统结构。第第26页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.3 计算机系统的组成计算机系统的组成计算机的硬件系统计

28、算机的硬件系统 存储器存储器运算器运算器控制器控制器适配器适配器输入设备输入设备输出设备输出设备系统总线系统总线第第27页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机硬件组成计算机硬件组成1. 运算器运算器 通常由通常由算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元（ALU，Arithmetic and Logic Unit）、）、通用寄存器通用寄存器和和状态字寄存器状态字寄存器组成组成 ，是，是进行算术运算和逻辑运算的部件。进行算术运算和逻辑运算的部件。第第28页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机硬件组成计算机硬件组成 2. 控制器控制器 控制器是全机的指挥中心，是发布命令的控制器是

29、全机的指挥中心，是发布命令的“决决策机构策机构”，完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控制，完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控制器的主要功能是产生计算机的全部操作控制信号，对取指器的主要功能是产生计算机的全部操作控制信号，对取指令、分析指令和执行指令的操作过程进行控制。令、分析指令和执行指令的操作过程进行控制。 控制器由控制器由程序计数器程序计数器(PC)、指令寄存器、指令寄存器(IR)、指令译码器、时序产、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。生器和操作控制器组成。 第第29页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论第第30页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论Pentiu

30、m CPU第第31页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论Pentium IV CPU第第32页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机硬件组成计算机硬件组成 3. 存储器存储器 计算机为了完成存储程序和存储数据的功能，计算机为了完成存储程序和存储数据的功能，必须具备能存储信息的存储器。现代计算机以存储器作为必须具备能存储信息的存储器。现代计算机以存储器作为各种信息存储和交流的中心，存储器可与各种信息存储和交流的中心，存储器可与CPU、输入、输入/输出输出设备交换信息，起到存储、缓冲和传递信息的作用。设备交换信息，起到存储、缓冲和传递信息的作用。 第第33页页第一章第一章 计算

31、机系统概论计算机系统概论例：例：32M 4bit SDRAM内部结构内部结构第第34页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机硬件组成计算机硬件组成 4. 输入设备输入设备 输入设备的作用是将原始数据和处理这些数据的程序送入计算机。输入设备的作用是将原始数据和处理这些数据的程序送入计算机。常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪、数字照相机、摄像头、数常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪、数字照相机、摄像头、数字化仪、话筒等。字化仪、话筒等。 5. 输出设备输出设备 输出设备的作用是将计算结果转化为用户或者设备所能识别或者输出设备的作用是将计算结果转化为用户或者设备所能识别或者接收的信息

32、形式，如数字、字母、符号、文字、图形、图像、声音等。接收的信息形式，如数字、字母、符号、文字、图形、图像、声音等。常见的输出设备包括显示器、打印机、绘图仪、扬声器等。常见的输出设备包括显示器、打印机、绘图仪、扬声器等。 常见的磁盘、光盘、磁带机等辅助存储器也是重要的外部设备，常见的磁盘、光盘、磁带机等辅助存储器也是重要的外部设备，它既可以作为输入设备，也可以作为输出设备，此外，它还有存储信它既可以作为输入设备，也可以作为输出设备，此外，它还有存储信息的功能。它们与输入息的功能。它们与输入/输出设备一样，也要通过接口电路或适配器与输出设备一样，也要通过接口电路或适配器与主机相连。主机相连。 6.

33、 系统总线系统总线 系统总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据系统总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。借助系统总线，计算机在传送的公共通路。借助系统总线，计算机在CPU、存储器、输入设备、存储器、输入设备、输出设备之间实现地址、数据、控制输出设备之间实现地址、数据、控制/状态等信息的传送操作。状态等信息的传送操作。第第35页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论系统软件系统软件应用软件应用软件计算机软件计算机软件计算机系统计算机系统计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统语言处理程序语言处理程序诊断程序诊断程序各种标准程序库各种标准程序库。M

34、ISERPOFFICEOUTLOOK。第第36页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机硬件与软件的逻辑等价性计算机硬件与软件的逻辑等价性 ，同一逻辑功能既可以用软，同一逻辑功能既可以用软件也可以用硬件或固件实现。从原理上讲，软件实现的功能完全可件也可以用硬件或固件实现。从原理上讲，软件实现的功能完全可以用硬件或固件完成，同样，硬件实现的逻辑功能也可以由软件的以用硬件或固件完成，同样，硬件实现的逻辑功能也可以由软件的模拟来完成，只是性能、价格以及实现的难易程度不同而已。模拟来完成，只是性能、价格以及实现的难易程度不同而已。 软、硬件的功能分配比例可以在很宽的范围内变化，这种变化软、硬

35、件的功能分配比例可以在很宽的范围内变化，这种变化是动态的，软硬功能分配的比例随不同时期以及同一时期的不同机是动态的，软硬功能分配的比例随不同时期以及同一时期的不同机器的变化而变化。由于软、硬件是紧密相关的，软硬界面常常是模器的变化而变化。由于软、硬件是紧密相关的，软硬界面常常是模糊不清的，在计算机系统的功能实现上，有时候很难分清哪些功能糊不清的，在计算机系统的功能实现上，有时候很难分清哪些功能是由硬件完成的，哪些功能是由软件完成的。在满足应用的前提下，是由硬件完成的，哪些功能是由软件完成的。在满足应用的前提下，软硬功能分配比例的确定，主要是看能否充分利用硬件、器件技术软硬功能分配比例的确定，主

36、要是看能否充分利用硬件、器件技术的现状和进展，使计算机系统达到较高的性能价格比。的现状和进展，使计算机系统达到较高的性能价格比。 从目前软硬件技术的发展速度及实现成本上看，随着器件技术从目前软硬件技术的发展速度及实现成本上看，随着器件技术的高速发展，特别是半导体集成技术的高速发展，以前由软件来实的高速发展，特别是半导体集成技术的高速发展，以前由软件来实现的功能，越来越多的由硬件或固件来实现，总的来说，软件硬化现的功能，越来越多的由硬件或固件来实现，总的来说，软件硬化是目前计算机系统发展的主要趋势。是目前计算机系统发展的主要趋势。第第37页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.4 计算

37、机的工作过程计算机的工作过程使用计算机求解一个简单的例子使用计算机求解一个简单的例子 【例】【例】 用计算机求解用计算机求解z=x+y，其中，其中x和和y为已知数。为已知数。 为：为： 将将x的值从主存单元取出，存入某一个寄存器；的值从主存单元取出，存入某一个寄存器； 将将y的值从主存单元取出，存入另一个寄存器；的值从主存单元取出，存入另一个寄存器； 将将x和和y的值相加，运算结果存入寄存器；的值相加，运算结果存入寄存器； 将结果从寄存器取出，存入主存单元将结果从寄存器取出，存入主存单元z中。中。 将上述解题步骤按照计算机的指令格式和指令系统编将上述解题步骤按照计算机的指令格式和指令系统编写成

38、对应的机器指令，就完成了程序的编写。写成对应的机器指令，就完成了程序的编写。 第第38页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论简单计算机的组成框图简单计算机的组成框图 第第39页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算计算z=x+y的机器语言程序的机器语言程序 第第40页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机工作的具体过程计算机工作的具体过程n 启动机器后，操作控制器发出控制信号将程序计数器启动机器后，操作控制器发出控制信号将程序计数器PC的内容的内容（这里设置的初值为（这里设置的初值为0）送至地址寄存器）送至地址寄存器AR，然后启动对主存的读操，然后启动对主存的读操

39、作，从主存的作，从主存的0地址中读出一条指令，并将指令代码地址中读出一条指令，并将指令代码“1110”（十六进（十六进制）送入指令寄存器制）送入指令寄存器IR，同时，同时PC加加1，形成下一条指令在主存中的地，形成下一条指令在主存中的地址。从而完成了第一条指令的取指操作过程。址。从而完成了第一条指令的取指操作过程。n 通过指令译码器对指令寄存器通过指令译码器对指令寄存器IR中的操作码中的操作码“1”（十六进制）进（十六进制）进行分析，识别出该指令的功能为取数指令，于是操作控制器发出操作行分析，识别出该指令的功能为取数指令，于是操作控制器发出操作控制信号，将指令寄存器控制信号，将指令寄存器IR中

40、的地址码部分中的地址码部分“10”（十六进制）送入（十六进制）送入地址寄存器地址寄存器AR，然后启动对主存的读操作，从主存的，然后启动对主存的读操作，从主存的10（十六进制）（十六进制）地址中读出地址中读出x的内容的内容0002送入通用寄存器送入通用寄存器R1。从而完成了第一条指令。从而完成了第一条指令的分析过程和执行过程。的分析过程和执行过程。n 重复重复、的操作过程，由于的操作过程，由于PC的值在每次取指操作完成时都的值在每次取指操作完成时都进行了加进行了加1操作，因此计算机会自动地、顺序地逐条取出指令、分析操作，因此计算机会自动地、顺序地逐条取出指令、分析指令和执行指令，直到执行完停机指

41、令后，机器便自动停机。指令和执行指令，直到执行完停机指令后，机器便自动停机。第第41页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.5 计算机性能计算机性能计算机性能的衡量尺度计算机性能的衡量尺度 1. 1. 响应时间响应时间 响应时间是指从用户向计算机系统发送一个请求后，到系统对该响应时间是指从用户向计算机系统发送一个请求后，到系统对该请求做出响应并获得它所需要的结果所花的等待时间。请求做出响应并获得它所需要的结果所花的等待时间。 2. 2. 吞吐率吞吐率 吞吐率是指系统响应用户请求的速率。吞吐率是指系统响应用户请求的速率。 3. 3. 可扩展性可扩展性 如果一个计算机系统能加以扩展以满足

42、不断增长的对性能和功能如果一个计算机系统能加以扩展以满足不断增长的对性能和功能的要求，或是能够缩减资源以降低成本，则称此计算机系统具有可扩的要求，或是能够缩减资源以降低成本，则称此计算机系统具有可扩展性。展性。 4. 4. 可编程性、可靠性和可用性可编程性、可靠性和可用性 可编程性主要是指程序设计的方便性。可靠性是指一个计算机系可编程性主要是指程序设计的方便性。可靠性是指一个计算机系统能无故障运行的可靠程度（指无故障运行的工作时间）。可用性是统能无故障运行的可靠程度（指无故障运行的工作时间）。可用性是指一个计算机系统可正常使用时间所占的百分比。指一个计算机系统可正常使用时间所占的百分比。 5.

43、 5. 兼容性兼容性 6. 6. 性能价格比性能价格比第第42页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论反映计算机性能的参数反映计算机性能的参数 1. 1. 主频主频 通常所说的主频指的是通常所说的主频指的是CPUCPU时钟频率，单位通常为时钟频率，单位通常为MHzMHz（1M=101M=106 6）、）、GHzGHz（1G=101G=109 9）。）。 2. 2. 机器字长机器字长 机器字长是指运算器一次能运算的二进制数的最多位数，它与机器字长是指运算器一次能运算的二进制数的最多位数，它与CPUCPU内内通用寄存器的位数、通用寄存器的位数、CPUCPU内部数据总线的宽度有关。内部数据总线

44、的宽度有关。 3. 3. 数据通路宽度数据通路宽度 数据通路宽度是指数据总线一次所能并行传送的数据的位数。数据通路宽度是指数据总线一次所能并行传送的数据的位数。 4. 4. 运算速度运算速度 通常采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，单位为通常采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，单位为MIPSMIPS，即，即每秒执行百万条指令。也可用平均一条指令执行所花的时钟周期数来每秒执行百万条指令。也可用平均一条指令执行所花的时钟周期数来衡量，单位为衡量，单位为CPICPI。 5. 5. 存储容量存储容量 存储容量是指一个存储器中可以容纳的存储单元总数。存储容量越存储容量是指一个存储器中可以容纳的存

45、储单元总数。存储容量越大，所能存储的信息就越多。大，所能存储的信息就越多。 第第43页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论性能因子性能因子CPI cNCNCPUf/CPIITCPIITNI程序中指令总数时钟周期数执行整个程序所需 CPUCPI 设设CPU时钟周期为，时钟周期为，CPU时钟周期的倒数则是时钟周期的倒数则是CPU的的时钟频率。一个程序在时钟频率。一个程序在CPU上运行所需的时间可以用下述上运行所需的时间可以用下述公式表示公式表示 ： IN表示要执行程序中的指令总数（这里指动态执行指表示要执行程序中的指令总数（这里指动态执行指令数），令数），CPI（Clock Cycles

46、Per Instruction）表示执行）表示执行每条指令所需的平均时钟周期数。由此公式可见，程序运每条指令所需的平均时钟周期数。由此公式可见，程序运行的时间取决于三个特征：行的时间取决于三个特征：CPU时钟周期，每条指令所需时钟周期，每条指令所需的时钟周期数以及程序中总的指令数。的时钟周期数以及程序中总的指令数。 由由CPI的含义可得到如下表达式：的含义可得到如下表达式： 第第44页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论性能因子性能因子CPI NniiII1iCPICPI)CPI(CPI1iNiniII 在程序执行过程中，要用到不同类型的指令，令在程序执行过程中，要用到不同类型的指令，

47、令Ii表示表示第第i类指令在程序中的执行次数，类指令在程序中的执行次数，CPIi表示执行一条第表示执行一条第i类指类指令所需的时钟周期数，令所需的时钟周期数，n为程序中所有的指令种类数。则有：为程序中所有的指令种类数。则有： 因为因为ININ是个常数，上式可以改写为是个常数，上式可以改写为 ：第第45页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机性能常用指标计算机性能常用指标 MIPS(Million Instructions Per Second，每秒百万条指令，每秒百万条指令) 这是一个用来描述计算机性能的尺度。对于一个给定这是一个用来描述计算机性能的尺度。对于一个给定的程序，的程序

48、，MIPSMIPS定义为：定义为： 66610CPI10CPI10MIPSCCNNENfTIITI 由上式可得程序的执行时间由上式可得程序的执行时间TE的表达式为：的表达式为： 610MIPSNEIT第第46页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机性能常用指标计算机性能常用指标 【例】【例】 已知已知Pentium 450处理机在运行某一测试程序处理机在运行某一测试程序时所获得的性能为时所获得的性能为0.5CPI，试计算，试计算Pentium 450处理机处理机在运行该程序时所获得的在运行该程序时所获得的MIPS速率。速率。【解】【解】：由于：由于Pentium 450处理机处理机

49、=450MHz，因此，由，因此，由公式可求出：公式可求出：MIPS900105 . 01045010CPIfMIPS666C 450 PentiumII即即Pentium 450处理机在运行该程序时所获得的处理机在运行该程序时所获得的MIPS速速率为率为900MIPS。 第第47页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机性能常用指标计算机性能常用指标 MFLOPS(Million Floating point Operations Per Second，每秒百万次浮点运算，每秒百万次浮点运算) 可用如下公式表示可用如下公式表示： 6EFN10TIMFLOPS其中，其中，IFN表示程序

50、中的浮点运算次数。表示程序中的浮点运算次数。 由于由于MFLOPS取决于机器和程序两个方面，因此取决于机器和程序两个方面，因此MFLOPS只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。机器的整体性能。 第第48页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论【例】【例】 用一台用一台40MHz处理机执行标准测试程序，程序所含的混合指处理机执行标准测试程序，程序所含的混合指令数和每类指令的令数和每类指令的CPI如表所示，求有效如表所示，求有效CPI、MIPS速率和程序的执速率和程序的执行时间。行时间。 【解】【解】：总指令数为：总指令数为： 4

51、5000+32000+15000+8000=100000条条 各类指令所占的比例分别是：整数运算为各类指令所占的比例分别是：整数运算为45%，数据传送为，数据传送为32%，浮点操作为浮点操作为15%，控制传送为，控制传送为8%。 有效有效CPI、MIPS速率和程序的执行时间分别计算如下：速率和程序的执行时间分别计算如下： (1)有效有效CPI为为 10.45+20.32+20.15+20.08=1.55CPI (2)MIPS速率为速率为 40106/(1.55106)25.8MIPS (3)程序的执行时间为程序的执行时间为 1000001.55/(40106)=0.003875s第第49页页第

52、一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.6 计算机的分类和应用计算机的分类和应用 计算机的分类计算机的分类 1. 1. 按信息的形式及处理方式分类按信息的形式及处理方式分类 电子计算机按信息的形式及处理方式的不同，可分为电子数字计电子计算机按信息的形式及处理方式的不同，可分为电子数字计算机、电子模拟计算机和数字模拟混合计算机。算机、电子模拟计算机和数字模拟混合计算机。 2. 2. 按计算机的用途分类按计算机的用途分类 电子数字计算机按用途的不同，可分为专用计算机和通用计算机。电子数字计算机按用途的不同，可分为专用计算机和通用计算机。 3. 3. 按计算机的规模分类按计算机的规模分类 计算机

53、按规模的不同，可分为嵌入式计算机、微型计算机、工作计算机按规模的不同，可分为嵌入式计算机、微型计算机、工作站、小型计算机、大型计算机和超级计算机六类。站、小型计算机、大型计算机和超级计算机六类。 4. 4. 按计算机的使用方式分类按计算机的使用方式分类 计算机按使用方式的不同，可分为嵌入式计算机、桌面计算机和计算机按使用方式的不同，可分为嵌入式计算机、桌面计算机和服务器，这是目前广泛使用的分类方法。服务器，这是目前广泛使用的分类方法。 5. 5. 按计算机的结构分类按计算机的结构分类 计算机按结构的不同，可分为冯计算机按结构的不同，可分为冯诺依曼结构的计算机和非诺依曼结构的计算机和非冯冯诺依曼

54、结构的计算机。诺依曼结构的计算机。 第第50页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论计算机的应用计算机的应用 1. 科学计算科学计算 2. 数据处理数据处理 3. 计算机控制计算机控制 4. 计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造 5. 人工智能人工智能(或智能模拟或智能模拟) 6. 嵌入式应用嵌入式应用 7. 网络应用网络应用 8. 多媒体技术多媒体技术 第第51页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 习题习题1 1 P28 13 P28 13作作 业业第第52页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 任意一个十进制数任意一个十进制数 可以写成可以写成 10E 计算机中

55、一个任意进制数计算机中一个任意进制数 可以写成可以写成 e m m ：尾数尾数，是一个纯小数。，是一个纯小数。 e ：浮点的：浮点的指数指数, 是一个整数。是一个整数。 R ：基数基数，对于二进计数值的机器是一个常数，一般规定，对于二进计数值的机器是一个常数，一般规定 为为2，8或或16。 浮点数的表示方法浮点数的表示方法一个数的表示：一个数的表示： 91028 = 0.9 10-27 21033 = 0.2 1034 =10E （十进制表示）（十进制表示）第第53页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 尾数尾数：用：用定点小数定点小数表示，给出有效数字的位数，决定表示，给出有效数字的

56、位数，决定了浮点数的了浮点数的表示精度表示精度； 阶码阶码：用：用定点整数定点整数形式表示，指明小数点在数据中的形式表示，指明小数点在数据中的位置，决定了浮点数的位置，决定了浮点数的表示范围表示范围。 Es E1 E2 Em Ms M1 M2 Mn阶符阶符 阶码阶码 数符数符 尾数尾数一个机器浮点数由一个机器浮点数由阶码阶码和和尾数尾数及其及其符号位符号位组成：组成：第第54页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论S尾数符号，尾数符号，0正正1负；负；M尾数尾数, 纯小数表示纯小数表示, 小数点放在尾数域的最前面。小数点放在尾数域的最前面。 一般采用原码或补码表示。一般采用原码或补码表示

57、。 E阶码，采用阶码，采用“移码移码”表示表示; 阶符采用隐含方式，即采用阶符采用隐含方式，即采用“移码移码”方法来表示正负指数。方法来表示正负指数。 按照按照 IEEE754 IEEE754 的标准，的标准，3232位浮点数和位浮点数和6464位浮点数的标准格式为位浮点数的标准格式为 ： S E M31 30 23 22 032位位 S E M63 62 52 51 064位位浮点数的标准格式浮点数的标准格式 为便于软件移植，使用为便于软件移植，使用 IEEE IEEE（电气和电子工程师协会）标准（电气和电子工程师协会）标准IEEE754 IEEE754 标准：尾数用原码；阶码用移码；基为标

58、准：尾数用原码；阶码用移码；基为2 2。 第第55页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论浮点数的规格化表示浮点数的规格化表示 浮点数是数学中实数的子集合，由一个纯小数乘上一个指数值来组浮点数是数学中实数的子集合，由一个纯小数乘上一个指数值来组成。一个浮点数有不同的表示：成。一个浮点数有不同的表示： 0.5； 0.05 101 ； 0.005 102 ； 50 10-2 为提高数据的表示精度，需做为提高数据的表示精度，需做规格化处理规格化处理。规格化目的：规格化目的：l 为了提高数据的为了提高数据的表示精度；表示精度；l 为了数据表示的为了数据表示的唯一性。唯一性。尾数为尾数为R进制的规

59、格化：进制的规格化： 绝对值大于或等于绝对值大于或等于1/R二进制原码二进制原码的规格化数的形式：的规格化数的形式： 正数正数 0.1xxxxxx负数负数 1.1xxxxxx补码补码尾数的规格化的形式：尾数的规格化的形式：尾数的最高位与符号位相反尾数的最高位与符号位相反正数正数 0.1xxxxxx负数负数 1.0 xxxxxx第第56页页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 把不满足这一表示要求的尾数，变成满足这一要求的尾数的操作过程，把不满足这一表示要求的尾数，变成满足这一要求的尾数的操作过程，叫作浮点数的叫作浮点数的规格化处理规格化处理，通过，通过尾数移位和修改阶码实现尾数移位和修改

60、阶码实现。 在计算机内，其纯小数部分被称为浮点数的尾数，对非在计算机内，其纯小数部分被称为浮点数的尾数，对非 0 0 值的浮点数，值的浮点数，要求尾数的绝对值要求尾数的绝对值必须必须 = 1/2= 1/2，即尾数域的最高有效位应为，即尾数域的最高有效位应为1,1,称满足这称满足这种表示要求的浮点数为种表示要求的浮点数为规格化表示规格化表示。 例如例如 0.0.1 1000101010000101010规格化处理规格化处理： 既然非既然非 0 0 值浮点数的尾数数值最高位必定为值浮点数的尾数数值最高位必定为 1 1，则在保存浮点数，则在保存浮点数到内存前，通过尾数左移到内存前，通过尾数左移, ,