白中英计算机组成原理第1章-计算机系统概论

第1章计算机系统概论目录1.0预备知识1.1计算机的分类1.2计算机的发展简史1.3计算机的硬件1.4计算机的软件1.5计算机系统的层次结构2/1/20232学习要求了解计算机的发展历程；清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成(五大部件的构成)、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程；了解计算机性能评价指标和相关参数；吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；MIPS、MFLOPS等。要求初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构，为进一步深入学习打下基础。2/1/202331.0预备知识问题1：一台计算机一般有哪几部分组成？显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等；主机箱中有：主板、CPU、硬盘、内存、显卡、声卡等；问题2：如何对以上设备分类？输入输出设备中央处理设备存储设备接口转换卡部件连接线问题3：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两部分。显示器，键盘，鼠标，音箱CPU（集处理和控制于一身）硬盘、内存显卡、声卡总线2/1/202342/1/202352/1/202362/1/202372/1/202382/1/20239DDR内存条SDRAM内存条2/1/20231080G硬盘2/1/202311硬盘数据线2/1/202312DVD光驱2/1/202313机内电源插头2/1/2023141.1计算机的分类数字计算机模拟计算机专用计算机通用计算机处理数字量信息按位运算，不连续地跳动计算处理模拟量信息数值连续、运算过程连续是针对某一任务设计的最有效、最经济和最快速的计算机，但适应性很差。适应性很大，但牺牲了效率、速度和经济性。单片机微型机服务器大型机超级计算机低高体积功能数据存储量指令系统价格低高简易性分类双核机如P2图1.12/1/2023151.2计算机的发展简史超大规模集成电路中小规模集成电路晶体管电子管1972~1990年1946~1957年，第一代计算机1965~1971年1958~1964年第二代计算机巨大规模集成电路1991年~至今摩尔定律1.2.1计算机的五代变化2/1/202316第一代计算机第一代计算机(1946年－1957年)采用电子管。代表机型：ENIAC（电子数字积分计算机）1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制；它于1946年2月15日在美国宣告诞生主要是为了解决美陆军提出的弹道计算问题；ENIAC长30.48米，宽1米，占地面积约170平方米，30个操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达30吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。包含了17,468真空管7,200水晶二极管,1,500中转,70,000电阻器,10,000电容器，1500继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。1955年10月2日最后切断电源。2/1/202317ENIAC2/1/202318第二代计算机(1958－1964)晶体管2/1/2023192/1/202320摩尔定律1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（GordonMoore）在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路40多年的发展历史准确无误地验证着。摩尔定律有另外一种表述方法，即每过10年计算机系统性能将会增加100倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费的资金不会增加。2/1/2023211.2.2半导体存储器的发展20世纪50~60年代，磁芯存储器价格昂贵，体积大，破坏性读出1970年，半导体存储器价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写1974年之后，半导体存储器价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。有关存储器的介绍详见第3章2/1/2023221.2.3微处理器的发展20世纪70年代的处理器4004（4位）8008（8位）8080（8位通用）8086（16位）808820世纪80年代的处理器80286386TMDX386TMSX486TMDX20世纪90年代的处理器486TMSXPentiumPentiumProPentiumIIPentiumⅢ最近10年的处理器Pentium4ItaniumItanium2I系列2/1/2023232/1/2023242/1/2023252/1/202326双核CPU三核CPU2/1/2023271.2.4计算机的性能指标（1/3）吞吐量表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。响应时间从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。利用率在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。处理机字长（机器字长）处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位；机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性（不一定完全一样）。2/1/2023281.2.4计算机的性能指标（2/3）总线宽度一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。注意课本上的表述错误！主存储器容量主存储器所能存储二进制数据的位数。或者说“主存储器中所有存储元的总数目。”，而非“存储单元”！（8位）主存储器带宽单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。主频/时钟周期CPU主时钟的频率——主频；其倒数为CPU的时钟周期(T周期)。2/1/2023291.2.4计算机的性能指标（3/3）CPU的运算速度CPU执行时间：CPU执行一般程序所占用的CPU时间；CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期数；MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果）MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果）其他的性能指标主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性……2/1/2023301.3计算机的硬件1.3.1硬件的组成要素用算盘模拟一下计算机y=ax+b-c行数解题步骤和数据说明1取数（9）→算盘（9）表示第9行的数a，下同2乘法（12）→算盘完成a●x,结果在算盘上3加法（10）→算盘完成ax＋b,结果在算盘上4减法（11）→算盘完成y＝ax＋b－c,结果在算盘上5存数y→13算盘上的y值记到第13行6输出把算盘上的y值写出给人看7停止运算完毕，暂停8

10b数据11c数据12x数据13y数据9a数据纸----------存储器算盘----------运算器笔----------输入/输出设备人----------控制器2/1/202331冯·诺依曼机的特点由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五个部分组成；存储器以二进制形式存储指令和数据；指令由操作码和地址码组成；存储程序并按地址顺序执行；冯·诺依曼机的核心设计思想，机器自动化工作的关键；以运算器为中心。2/1/202332冯·诺依曼机与现代微机冯·诺依曼机结构输入设备存储器输出设备运算器控制器输入设备控制器输出设备存储器运算器现代微机结构2/1/202333现代计算机的特点将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称为CPU；而将CPU、主存储器、输入/输出接口和系统总线统称为主机；其余的设备均为外设。主机内仅包含主存储器，辅助存储器属于I/O设备；以存储器为中心。减轻CPU的数据传送负担，提高系统的整体性能；2/1/2023341.3.2运算器功能：

处理所有的算术及逻辑运算。通常称为ALU(算术逻辑单元)特点：采用二进制数据进行运算；运算器一次可以处理的数据

位数称为机器字长；机器字长一般为8、16、32、

64位，机器字长直接决定着运算的精度和能力；运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成。运算器结构示意图演示2/1/2023351.3.3存储器（1/2）功能：保存所有的程序和数据。特点：二进制形式保存程序和数据；存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址；相关的概念存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件；存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号；存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。存储器结构示意图演示2/1/2023361.3.3存储器（2/2）存储器的分类：外存（辅助存储器）磁盘存储器、光盘存储器；CPU不可直接访问；内存（主存储器）半导体存储器；CPU直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。两个与主存相关的寄存器MAR(存储器地址寄存器)：接收由CPU送来的地址信息；MDR(存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。存储器地址寄存器MAR主存储器存储器数据寄存器MDR2/1/2023371.3.4控制器功能：

根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算机的各个部件的工作。主要任务：解释并执行指令；控制指令的执行顺序；负责指令执行过程中，操作数的寻址；根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。指令的形式操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。2/1/2023389a数据a存放在9号单元指令地址指令数据地址数据计算机运算y＝ax＋b－c1取数存储器9号地址的数a送运算器A9（9）→

A2乘法完成a*x,结果保留在运算器A12(A)×(12)→

A3加法完成ax＋b,结果保留在运算器A10(A)＋(10)

→

A4减法完成y＝ax＋b－c,结果保留在A11(A)－(11)→A5存数运算器A中的结果y送存储器13号地址13A→136打印将A中的结果经打印机打印出来A→Print7停止机器停止工作Stop8说明10b数据b存放在10号单元11c数据c存放在11号单元12x数据x存放在12号单元13y运算结果y存放在13号单元操作码地址码说明指令操作内容9a数据a存放在9号单元2/1/202339设指令系统如下，试写出该指令序列。指令操作码说明加法001(A)+(M)-->A减法010(A)-(M)-->A乘法011(A)*(M)-->A除法100(A)/(M)-->A取数101(M)-->A存数110(A)-->M打印111(A)-->显示器停机000PC-->PC0……实际存储1取数92乘法123加法104减法115存数136打印7停止89a10b11c12x13y14……1510110010111100001101001010111101101111xxxx000xxxxa(二进制数)bcxy如课本P9图1.5表1.52/1/2023401.3.4控制器（续）控制器工作的周期取指周期：取指令的一段时间执行周期：执行指令的一段时间指令按顺序执行的控制部件：指令计数器每取出一条指令，指令计数器就加1；遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；相关概念数据字：该字代表要处理的数据；指令字：该字为一条指令；指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。1条指令的字节数2/1/2023411.3.5适配器与输入输出设备输入设备将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式的设备。输出设备把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备。适配器保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。系统总线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。2/1/202342使用计算机的工作过程（1）提出问题：计算y=ax+b-c（2）按照指令系统编制程序（3）将指令变为机器代码，送入主存储器（4）控制器控制执行程序

PC:程序计数器，其位数与MAR相同。IR:指令寄存器，其位数与MDR相同。用简化模型描述使用计算机工作过程2/1/202343程序计数器PC指令寄存器IR控制单元CUMARMMMDRALU暂存器X累加器ACC乘商寄存器MQ高4位低4位运算器存储器控制字控制器2/1/202344PCIRCUMARM.MMDRALUXACCMQ高4位低4位控制字101011001010110012a请思考：计算机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据？运算器存储器控制器2/1/202345（1）指令系统，设有6条指令汇编语言助记符

操作码地址码功能LMAn

0001n[M]→ACCSAMn

0010n[ACC]→MADDn

0011n[ACC]+[M]→ACCMULn

0100n[ACC]*[M]→ACCOUTn

0101n输出[M]HLT

0110停机***地址n假设为4位的二进制数。举例：假设简化计算机模型的指令格式如下：操作码地址码4位4位2/1/202346序号指令注释0LMAx;[M]ACC1MULx;[ACC]*[M]ACC2MULa;[ACC]*[M]ACC3SAMy;[ACC][M]4LMAx

5MULb6ADDy7ADDc8SAMy9HLT10Xdb?11Adb?12Bdb?13Cdb?14Ydb?000011010101001010201001011300101110400011010501001100600111110700111101

0010111090110000010x11a12b13c14y(2)试编制程序，计算y=ax2+bx+c汇编后内存分配情况指令系统LMAn0001nSAMn0010

nADDn

0011

nMULn

0100

nOUTn

0101

nHLTn0110

n2/1/202347简化模型几位？几位？几位？几位？几位？几位？程序计数器PC指令寄存器IR累加器A寄存器B算逻部件ALU乘商寄存器MQ存储器地址寄存器MAR16X8RAMM.M控制单元存储器数据寄存器MDR简化模型演示2/1/202348

1.4计算机的软件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。包括:服务性程序，如诊断程序