计算机组成原理2012-1

1、 计算机组成原理 2012.9.3课 程 简 介 “计算机组成原理”是计算机专业的一门核心课程，是必修课。在先导课和后续课之间起着承上启下的作用。 本课程脱离具体机型和具体芯片，以计算机组成结构为中心阐述基本概念和原理。具体讲述计算机硬件系统中各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及互连构成整机的技术，目的在于培养学生在硬件系统分析、设计、开发、使用和维护等方面的能力。第一章 计算机系统概论教学目的： 对计算机的组成原理有一个总体概述。教学内容： 1.1 计算机的分类与应用 1.2 计算机的发展简史 1.3 计算机的硬件（重点） 1.4 计算机的软件 1.5 计算机系统的层次结构1.1 计算机

2、的分类和应用一、分类1、电子模拟计算机： 数值由连续量来表示，运算过程也是连续的 2、电子数字计算机： 电脑按位运算，并且不连续地跳动计算 数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类：专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。通用计算机的分类：通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为：二、计算机的应用 科学计算、信息处理、自动控制、测量和测试、教育和卫生、家用电器、人工智能等。1.2 计算机的发展简史一、计算

3、机的五代变化 第一代为19461957年，电子管计算机：数据处理 第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控制 第三代为19651971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机 第四代为19721990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机 第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机二、半导体存储器的发展 20世纪5060年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环（磁芯）做成。 1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器。 从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64M

4、B、256MB、1GB。 其中1K=210,1M=220,1G=230三、微处理器的发展 1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。 1972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。 20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便是其中之一。 1981年，贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器。 Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。后来到现在的64位处理器和多核处理器。四、计算机的性能指标1.吞吐量：表征一台计算机在某一时

5、间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）。2.响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。3.利用率：表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。4.处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。字长越长，表示计算的精度越高。5.总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。6.存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。其中K=210，M=220，G=230，T

6、=240，B=8位（1个字节）。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。7.存储器带宽：存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。8.主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。例如Pentium系列机为60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。9. CPU执行时间：表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间。公式：CPU执行时间 CPU时钟周期数 CPU时钟周

7、期10. CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。 CPI 执行某段程序所需的CPU时钟周期数程序包含的指令条数 11. MIPS：表示每秒百万条指令数，即单位时间内执行的指令数。用下式计算： MIPS 指令条数(程序执行时间 106 )12. MFLOPS：表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：MFLOPS 程序中的浮点操作次数(程序执行时间 106 )1.3 计算机的硬件硬件组成：1、运算器： 功能：进行算术和逻辑运算，数据采用二进制形式。运算器长度：8、16、32、64位 运算器的位数越多，计算的精度就越高，但同时所需的电子器件也越多。2、存储器： 功能：保存或

8、“记忆”解题的原始数据和解题步骤 单位： 位 bit: 0或1 ；1个半导体触发器。 字节byte: 1byte=8bit 存储单元:一连串0或1组成的整体，也是存储器的划分单位。 字word: 1word=nbyte 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 存储容量：所有存储单元的总数，一般以KB、MB、GB为单位 存储地址：存储单元的编号 内存：半导体器件存储器分类： 外存：磁盘或光盘3、控制器 功能： 发号施令,控制计算机的各部件有条不紊地进行工作。即控制器的任务是从内存中取出解题步骤加以分析,然后执行某种操作。（1）指令和程序 指令：每一个基本操作 程序：解决某

9、一问题的一串指令序列 （2）指令的形式： 程序控制：控制器依据存储的程序来控制全机协调 地完成计算任务指令系统：一种型号的机器所适用的所有指令的集合操作码地址码（3）控制器的基本任务： 按照计算程序所排的指令序列,先从存储器取出一条指令放到控制器中,对该指令的操作码由译码器进行分析判别,然后根据指令性质,执行这条指令,进行相应的操作。 取指周期：取指令的一段时间 指令 执行周期：执行指令的一段时间 周期（4）指令流与数据流 数据字：某字代表要处理的数据 指令字：某字代表一条指令区分方法： 取指周期从内存读出的信息流指令流控制器 执行周期从内存读出的信息流数据流运算器 4、适配器与输入输出设备输

10、入设备：把人们所熟悉的某种信息形式转换成机器内部所能接收和识别的二进制信息形式输出设备：把计算机处理的结果转换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式适配器：也称为转换器,保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息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，在各系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作1.4 计算机的软件一、软件的组成和分类1.系统程序：用来简化程序设计,简化使用方法,提高计算机的使用效率,发挥和扩大计算机的功能及用途 各种服务性程序：语言程序：操作系统：数据库管理系统：2.应用程序：用户利用计算机来解决某些问题所编制的程序,如工程设计程序

11、、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等二、软件的发展1、机器语言： 手编（目的）程序：计算机可识别并执行2、汇编语言： 用助记符来表示不同的指令，计算机不能识别并执行 汇编程序：源程序目的程序3、算法语言： 按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则。源程序：由算法语言编写的程序 编译程序：把源程序翻译成目标程序，然后再执行。 解释程序：直接逐一解释语句并得出计算机结果。 1.5 计算机系统的层次结构一、多级组成的计算机系统二、软件与硬件的逻辑等价性 任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来

12、完成。对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。固件：将程序固化在ROM中组成的部件。它是一种具有软件功能的硬件，既具有硬件的快速性，又具有软件的灵活性。习题与解答一、填空题： 计算机中有_在流动：一股是控制信息，即操作命令，其发源地是_，它分散流向各个部件；另一股是_，它受控制信息的控制，从一个部件流向另一个部件 ，边流动边加工处理。 答案：1、两股信息 2、控制器 3、数据信息 二、选择题：1、CPU的组成中不包含_。A、存储器 B、寄存器 C、控制器 D、运算器 答案：A2、微型计算机的发展以_技术为标志。A、操作系统 B、微处理器 C

13、、磁盘 D、软件 答案：B3、下列关于微处理器的描述中，哪个是正确的？A、微处理器就是一台微机 B、微处理器是微机系统C、微处理器就是主机 D、微处理器可以用作微机的CPU答案：D4、下面的叙述中，只有一个是正确的，它是_。A、系统软件就是买的软件，应用软件就是自己编写的软件B、外存上的信息可以直接进入CPU被处理C、用机器语言编写的程序可以由计算机直接执行，用高级语言编写的程序必须经过翻译才能执行D、说一台计算机配置了FORTRAN语言，就是说它一开机就可以用FORTRAN语言编写和执行程序答案：C5.完整的计算机系统应包括（）A.运算器、存储器、控制器B.外部设备和主机C.主机和实用程序D

14、.配套的硬件设备和软件系统6.计算机的存储系统是指（）A. RAM B. ROM C. 主存储器D. cache、主存储器和辅助存储器7、电子计算机可分为数字计算机和模拟计算机，它们是按照（）分类的。A.计算机的用途 B.计算机的使用方式C.信息的形式和处理方式 D.计算机系统规模答案：D答案：D答案：C三：判断题：1、在微型计算机广阔的应用领域中，会计电算化属于科学计算方面的应用。答案：错。会计电算化属于计算机数据处理方面的应用2、决定计算机计算精度的主要技术指标是计算机的字长 答案：对3、计算机“运算速度”指标的含义是指每秒钟能执行多少条操作系统的命令。答案：错。“运算速度”的含义是指每秒

15、钟能执行多少条指令。4、利用大规模集成技术把计算机的运算部件和控制部件做在一块集成芯片上，这样的一块芯片叫做单片机。答案：错。计算机的运算部件和控制部件做在一块集成电路芯片上，这样的一块芯片叫做CPU。四、简答题：1、冯诺依曼计算机体系结构的基本思想是什么？按此思想设计的计算机硬件系统应由哪些部件组成？它们各起什么作用？ 答：冯诺依曼计算机体系的基本思想是存储程序，也就是将用指令序列描述的解题程序与原始数据一起存储到计算机中。计算机只要一启动，就能自动地取出一条条指令并执行之，直至程序执行完毕，得到计算结果为止。 按此思想设计的计算机硬件系统应包含运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个

16、基本部件。 运算器用来进行数据变换和各种运算。 控制器则为计算机的工作提供统一的时钟，对程序中的各基本操作进行时序分配，并发出相应的控制信号，驱动计算机的各部件按节拍有序地完成程序规定的操作内容。 存储器用来存放程序、数据及运算结果。 输入/输出设备接收用户提供的外部信息或用来向用户提供输出信息。2、存储器是怎样编址的？128K字、512K字和1M字容量的存储器按十六进制编址，范围如何表示？ 答：存储单元按顺序编号，每个存储单元对应一个编号，此编号称为存储单元地址，简称地址。地址与存储单元是一一对应的，每个存储单元只有一个地址。需要注意的是，此时每个存储单元存放的数据位为一个字。 存储器的容量

17、(字)十六进制编址范围128K00000H 1FFFFH512K00000H 7FFFFH1M00000H FFFFFH3、试说明计算机硬件的主要性能参数。答：衡量计算机硬件的主要性能参数包括： 主频：主频或时钟周期是计算机的主要性能指标之一，它在很大程度决定了计算机的运行速度。主频通常用1s内处理器所能发出电子脉冲数来表示，单位一般为兆赫兹(MHz)或吉赫兹(GHz).运算速度：运算速度是计算机工作能力和工作效率的主要表征，它取决于在给定的时间内处理器所能处理的数据量以及处理器的时钟频率。运算速度通常用每秒执行指令的条数来表示，其计量单位为：MIPS或MFLOPS.运算精度：运算精度通常用计算机能直接处理的二进制信息位数来衡量。这个位数一般和CPU中存储数据寄存器的位数相同，一般位数越多，精度越高。主存存储容量：主存储器用来存储数据和程序，直