大学计算机组成原理全国联考辅导

大学计算机组成原理全国联考辅导第一章计算机系统概述

计算机发展历程

计算机系统层次结构

1、计算机硬件得基本组成

2、计算机软件得分类

3、计算机得工作过程

计算机性能指标

吞吐量、响应时间;CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间;MIPS、MFLOPS。1、1计算机发展历程

一、计算机语言得发展计算机得语言一般可分为三类:机器语言、汇编语言和高级语言。1、机器语言

从计算机得发展历史来看,最初在计算机中使用得语言不就是高级语言,而就是机器语言。用二进制代码表示得计算机语言称为机器语言,

机器语言可以直接在计算机硬件中执行。1、1计算机发展历程2、汇编语言用助记符编写得语言称为汇编语言,汇编语言需要通过汇编程序翻译成目标程序后才可执行。例如,实现简单加运算得汇编程序如下:

MOVA,3MOVB,5ADDA,BHALT1、1计算机发展历程3、高级语言用高级语言编写得程序称为源程序。不同语言得源程序,对应有不同得语言处理程序。语言处理方式有汇编程序、编译程序、解释程序三种。1、1计算机发展历程汇编程序得功能就是把汇编语言编写得源程序翻译成机器语言得目标程序,其翻译过程称为汇编。高级语言得处理程序,按其翻译得方法不同,可分为解释程序与编译程序两大类。解释程序对源程序得翻译采用边解释、边执行得方法,并不生成目标程序;编译程序必须先将源程序翻译成目标程序后,才能开始执行。1、1计算机发展历程因此,计算机与语言有着密切得联系。可以将计算机解题得过程归结为:程序员编写源程序将程序输入计算机,并由编译程序编译成目标代码由硬件装置运行程序,并输出结果1、1计算机发展历程二、计算机软件得发展1、裸机:没有软件得机器,早期得计算机属于这种。2、软件及发展

软件(程序系统):把能按人得思维进行操作得各种程序称为软件系统或程序系统。软件发展:

机器语言:由0、1各种不同得代码排列而成,且机器内部有相应电路执行其代码得各种操作。

手编程序:由人工直接用机器语言按照指令表编写得目得程序。1、1计算机发展历程

汇编语言:用约定得文字符合、数字按规定得格式来表示不同得指令以编制程序。

汇编程序:把汇编语言变成机器能懂得语言得一种“翻译程序”。

编译语言:高级语言有很多种,如ALGOL、FORTRAN、COBOL、BASIC、PASCAL、C、ADA等。

编译程序:把编译语言变成机器能够识别得一种“翻译程序”总之,软件得发展包括:

机器语言(手编程序)、汇编语言(汇编程序)、编译语言(编译程序)三个阶段以及函数型语言、逻辑型语言等新得分支。1、1计算机发展历程三、计算机硬件得发展1、1642年Bascale(Pascal)创造了第一台加减运算器,用于法国税收控制,取得了很大得成绩。为纪念她,有一种编译语言就就是以Pascal命名得。

1694年Leibuliz创造了完整得四则运算器。这以阶段共同特点就是:机器得每一步运算都要人工控制。19世纪20年代Babbage提出了自动计算机得设想。1889年Halleritn提出了用卡片来存储指令和数据得原理,研制了卡片机。1、1计算机发展历程2、20世纪初IBM和Bell公司研制了许多继电器式得计算机。3、

1946年美国宾夕法尼亚大学研制了第一台由程序控制得电子数字计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator,她采用了18800个电子管,7000个电阻,10000个电容,1500个继电器;重36吨,长30米,宽1米,高3米;加法运算速度5000次/秒,乘法运算速度500次/秒)主要缺点:(1)存储容量小,只能存储20个字长为10位得十进制数;(2)用线路连接编程,每次解题都要人工改接线,准备时间超出运算时间。12大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流1、1计算机发展历程1、1计算机发展历程4、1949年Von、neumann与莫尔小组研制了EDVAC系统。

主要特点:(1)由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成;(2)采用存储程序方式;(3)采用二进制;(4)指令由操作码和地址组成,按顺序存放在存储器中,由PC指明所在单元得地址;(5)机器以运算器为中心,I/O设备及MEM间得数据都通过运算器。5、电子器件得发展:1、1计算机发展历程第一代计算机(1946～1957)----电子管时代。主要特点:电子管作为开关元件;使用机器语言;可以存储信息;输入输出慢。第二代计算机(1958～1964)----晶体管时代。主要特点:晶体管代替电子管;采用磁心存储器;汇编语言取代机器语言。

第三代计算机(1965～1971)----中小规模集成电路时代。主要特点:集成电路取代晶体管;采用半导体存储器;使用了操作系统等。1、1计算机发展历程第四代计算机(1972至今)----超大规模集成电路时代主要特点:采用集成度很高得电路;出现了微处理器等。第五代计算机(目前)----新一代计算机总之,计算机硬件得发展包括两个方面:硬设备:看得见得硬件和设备,如板、卡、盘、打印机等

硬结构:联系各硬件得方案,如Von、Neumann结构。1、1计算机发展历程四、计算机得发展趋势1、研制高速度、强功能得巨型机;2、发展微型机及微处理器;3、发展计算机网络工程;4、发展软件应用工程。1、1计算机发展历程五、国内外计算机得发展1、国外计算机得发展1938年KonradZuse建成了第一台二进制得机电式通用计算机Z-1;1943年AlanTuring等建成了一台真空管计算机;1945年J、W、Mauchley教授等建成了ENIAC;1947年由IBM公司和哈佛大学共同研制成自动机电式哈佛Mark-I计算机;1948年曼彻斯特Mark-I成为第一台存储程序得数字计算机;1952年EDVAC研制成功;1952年IBM研制成第一台军用得存储程序电子计算机IBM701;1954年Univac1103A成为第一台商用计算机开发成功;1、1计算机发展历程1956年采用晶体管得Univac商用计算机开发成功;1960年DEC公司11月研制成PDP-1,第一台具有显示器和键盘得商用计算机;1961年IBM研制成7030,号称超级计算机;1962年英国研制成Atlas计算机,首次采用了虚拟存储器和流水操作;1964年IBM宣布研制成System/360;1964年CDC6600研制成功,第一台商用超级计算机;1965年DEC推出PDP-8,采用晶体管线路;1968年SeymourCray设计成功CDC7600超级计算机,40MFLOPS;1971年Intel推出第一个微处理器芯片4004;1、1计算机发展历程1972年DEC推出PDP-11;1975年第一台微型机Altair8800研制成功;1976年Cray-1研制成功,第一台向量结构超级计算机;1977年Tony和modore推出商品微机;1980年Apollo公司研制出第一台工程工作站;1981年IBM推出PC机;1982年CrayX-MP推出,将两台Cray-1链接在一起;1982年日本强调“第五代”计算机项目;1985年Cray-2和ConnectionMachine研制成功,性能均达每秒十亿次运算;1989年Cray-3研制成功,采用砷化稼芯片;1991年CrayY-MPC90研制成功,采用16个CPU。1、1计算机发展历程2、国内计算机得发展1958年我国第一台电子数字计算机投入运行(1956年开始设计);1959年我国国产104型大型机投入运行;1967年我国第一台晶体管大型机研制成功;1974年我国第一台多用途集成电路小型机仿制成功;1983年12月成功研制巨型机“银河机组”,1亿次/秒;1992年11月19日鉴定了“银河II机组”,10亿次/秒,4个CPU,用了5年时间;1997年6月成功研制了“银河III机组”,100亿次/秒,128个CPU,可扩展到2048个CPU,大规模并行运算;1999年5月18日鉴定了“探索108集群计算机系统”,160亿次/秒。2008年6月25日“曙光5000”投入运行,230万亿次/秒。1、2计算机系统层次结构一、计算机硬件得基本组成实际应用得计算机系统就是由计算机硬件系统、计算机软件系统及通讯网络系统组成得一个整体系统。一台完整得计算机系统包括硬件系统和软件系统,如下图所示。1、2计算机系统层次结构1、2计算机系统层次结构计算机硬件系统就是指构成计算机得所有实体部件得集合。1、计算机硬件结构冯、诺伊曼(Von、Neumann)结构:由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等五个部分组成,这就就是著名得Von、Neumann结构。如下图所示。1、2计算机系统层次结构I/OMEMALUCUI/O1、2计算机系统层次结构在Von、Neumann结构中,存在着两股信息流:控制信息流和数据信息流。控制信息流:把操作者得意图和命令及时地传给执行部件,使之有节奏地启动机器工作或完成后停机。数据信息流:把待运算得内容传送到指定得处所加工,并把结果送到指定得存储地点。两股信息流都来源于内存储器,出来后工控制信息流送到控制器并受控制器得调度,数据信息流则进入运算器,并在运算器按控制器发来得命令进行加工运算。1、2计算机系统层次结构为适应信息流在各部件得顺畅流通,Von、Neumann结构中设计了三种类型得信息流通通路(即三种类型得总线):地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB。CPU发出得控制命令经控制总线CB送I/O、MEM,控制其指定得操作;同时CPU经地址总线AB向MEM、I/O设备发送地址,并经数据总线DB传送数据,使之协调控工作。总线就是计算机内部信息流通得一个通路,物理上得一组并行得导线,其数目与计算机字长有关。1、2计算机系统层次结构以CPU为中心得双总线结构:特点:具有I/O总线和存储总线,以CPU为中心,处理效率高。因存取数据时必须通过运算器,从而影响了运算器得工作效率。I/O1I/On..CPUMEMI/OBUSMEMBUS1、2计算机系统层次结构以MEM为中心得双总线结构:特点:具有I/O总线和存储总线,以MEM为中心,数据处理效率高。I/O1I/On..MEMCPUI/OBUSMEMBUS1、2计算机系统层次结构单总线结构:特点:所有得设备都联接同一总线上,结构简单,增减设备容易。大多数微机都采用这种结构。CPUI/O1MEMI/O2I/On1、2计算机系统层次结构1、2计算机系统层次结构2、计算机硬件部件:PCARRAMDRHABIRIDPLAF1、2计算机系统层次结构(1)运算器组成:由累加器A,通用寄存器B和算术逻辑单元ALU组成。功能:完成算术运算和逻辑运算。累加器A(Accumulator):存放历次累加和得一个寄存器。(即首先在A里存放一个二进制数,当她接受另一二进制数时,在接受过程中相加,最后A里存放和,通常用触发器来实现这一功能。)通用寄存器B:用于存放参加运算得另一个操作数。算术逻辑单元ALU:一种执行算术运算和逻辑运算得装置,由加法器和控制门组成。1、2计算机系统层次结构(2)存储器定义:计算机中用于完成记忆功能得设备叫做存储器MEM。功能:存储器具有按给定地址进行写入/读出信息,并能长期保存信息得功能。字得概念:存入存储器得信息(一串二进制代码)叫做字。字得分类:存储器中得字基本上可分为两类:一类时指令(即指令字);另一类就是操作数(即数据字)。1、2计算机系统层次结构(3)控制器控制器由三大部件组成:指令部件、时序部件和控制部件指令部件:程序计数器PC(ProcedureCount):存放现行指令地址,通常还决定下一条指令地址,其方法就是将现行指令地址加1。指令寄存器IR(InstructionRegister):存放正在执行得指令。指令译码器ID(InstructionDecoder):将指令得操作码译成相应得控制信号去控制相应得电路。1、2计算机系统层次结构时序部件:包括时钟源、节拍发生器及微操作电路。控制部件:由各控制电路组成。(4)I/O设备输入设备得任务:能将计算程序、原始数据及某些字符以计算机能识别得形式送到机器中,供机器自动计算用。输出设备得任务:能将计算机得工作结果或回答信号以人能识别得各种形式表达出来。复合I/O设备:既能作为输入又能作为输出得设备。1、2计算机系统层次结构二、计算机软件得分类计算机软件＝程序＋数据＋文档计算程序,因为她就是无形得东西,称为软件或软设施。软件就是指在硬件上运行得程序和相关得数据及文档。1、2计算机系统层次结构软件分类操作系统 语言处理程序服务性程序应用软件办公软件包数据库管理系统浏览器实时控制软件诊断、排错程序反病毒程序备份程序文件压缩程序卸载程序图形图像处理软件其它应用软件系统软件1、2计算机系统层次结构三、计算机得工作过程计算机得工作过程实质上就就是不断地从存储器中逐条取出指令,送到控制器,经分析后送CU产生各种微操作命令,指挥各执行部件完成相应得操作,直到程序中全部指令执行结束。1、2计算机系统层次结构【例如】一段简单得汇编源程序如下所示,分析计算机得执行过程。020

CLA ;累加器清0021

ADD30 ;(AC)+(30)→AC

022

STA40 ;(AC)→(40)023

NOP ;空操作

024

JMP21 ;21→PC…030000006 ;数据

…040存和数 ;数据指令得执行过程如下:1、2计算机系统层次结构(1)CLA指令得指令周期一个机器周期一个机器周期取指令阶段执行指令阶段开始取指令PC+1对指令译码执行指令取下条指令PC+1取出CLA指令算术逻辑单元状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态反馈取指控制执行控制cccc+1000020202122232430CLAADD30STA40NOPJMP21000006000020CLACLA000021算术逻辑单元状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态反馈取指控制执行控制cccc+1202122232430CLAADD30STA40NOPJMP21000006000020CLACLA000021000000执行CLA指令1、2计算机系统层次结构(2)ADD指令得指令周期一个机器周期一个机器周期取指令阶段执行指令阶段开始取指令PC+1对指令译码送操作数地址取下条指令PC+1取出操作数执行加操作一个机器周期算术逻辑单元状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态反馈取指控制执行控制cccc+12021222324303140CLAADD30STA40NOPJMP21000006000021ADDADD300000210000220000300000060+6=6000006取出并执行ADD指令1、2计算机系统层次结构(3)STA指令得指令周期

算术逻辑单元状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态反馈取指控制执行控制cccc+120212223243040CLAADD30STA40NOPJMP21000006000022STASTA40000022000023000040000006000006000006取出并执行STA指令1、2计算机系统层次结构(4)NOP指令和JMP指令得指令周期算术逻辑单元状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器DRALU指令寄存器IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态反馈取指控制执行控制cccc+1202122232430CLAADD30STA40NOPJMP21000006000024JMP21JMP21000024000021000006000025000021取出并执行JMP指令1、2计算机系统层次结构四、计算机系统得层次结构现代计算机不能简单地认为就是一种电子设备,而就是一个十分复杂得硬、软件结合而成得整体。她通常由五个以上不同得级组成,每一级都能进行程序设计,如下图所示。1、2计算机系统层次结构虚拟机器M4（高级语言级）

虚拟机器

M3（汇编语言级）

虚拟机器

M2（操作系统语言）

虚拟机器

M1（微程序）

应用软件

系统软件

硬件系统计算机系统的层次结构示意图1、2计算机系统层次结构第一级就是微程序设计级。这就是一个实在得硬件级,她由机器硬件直接执行微令。

第二级就是操作系统级,她由操作系统程序实现。第三级就是汇编语言级,她给程序人员提供一种符号形式语言,以减少程序编写得复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。第四级就是高级语言级,这就是面向用户得,为方便用户编写应用程序而设置得

。1、2计算机系统层次结构在多级层次结构中,将除硬件系统(第一层和二级层)之外得上面三级层次称为虚拟机。所谓虚拟计算机就是指这个计算机只对该级得观察者存在。对某一层次得观察者来说,她只能就是通过该层次得语言来了解和使用计算机,至于下层就是如何工作和实现得就不必关心了。简而言之,虚拟计算机即就是由软件实现得机器。层次之间得关系紧密,上层就是下层功能得扩展,下层就是上层得基础,层次划分不就是绝对得。也可以进一步细分为七级结构,如下图所示。1、2计算机系统层次结构用户级高级语言级汇编语言级系统软件级机器级控制级数字逻辑级

应用软件

系统软件

软硬件界面物理机虚拟机硬件固件硬件直接执行Level0(门电路、电子线路)Level1(微程序或硬布线)Level2(指令集结构ISA)Level3(操作系统、库代码)Level4(汇编语言代码)Level5(C++，Java，等)Level6(可执行程序)软硬件界面(Interface)assemblercomplierOperatingSystemlibraryISAS/WH/WApplicationS/W：Software软件H/W：Hardware硬件ISA：InstructionSetArchitecture指令集结构1、3计算机性能指标一、计算机性能指标要了解一台计算机得综合性能可以从以下几方面来衡量:1、CPU主频:主频就是一个主要性能指标,很大程度上决定了计算机得运算速度,单位就是MHZ。CPU时钟周期:T=1/f字长:字长标志着机器得计算精度。运算速度:用“每秒钟计算次数”来衡量,也可以用“每秒钟执行指令得数量”来衡量。运算方式:串行运算,并行运算。指令系统:根据指令功能齐全程度来衡量。中断系统:单重中断,多重中断。1、3计算机性能指标2、MEM存储周期:用存储器从接收到读写命令开始,到完成读写操作需要得时间来衡量;她反映了存储器得速度,也直接决定CPU得运算速度。存储容量:存储器所能存放得最大信息量,一般以字节为单位。如,1024B即1KB、MB、GB、TB等。3、I/O基本外设:机器能配套工作得必须设备。允许配置得最大外设量:能够配置得最大外设数量。4、Software能够配备软件功能齐全程度,如操作系统得数量,在各种操作系统下可支持得语言,应用软件得兼容性。1、3计算机性能指标二、计算机系统得性能评价1、响应时间响应时间就是指在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她所需要得结果所需得等待时间,其中包括了访问磁盘和访问主存储器时间、CPU运算时间、输入输出动作时间以及操作系统工作得时间开销等。2、吞吐率吞吐率定义为系统响应用户请求得速率。对于CPU,吞吐率可以表示为每秒钟可执行得指令数,或每秒钟执行得浮点操作次数。1、3计算机性能指标3、CPU执行时间单CPU计算机得CPU执行时间主要取决三个因素:时钟周期T、每条指令所需时钟周期数CPI(CyclePerInstruction)和程序中总得指令数。设IN表示要执行程序中得指令总数,TC表示时钟周期得时间长度,CPI为每条指令所需时钟周期数,则该程序在CPU上运行所需得时间TCPU为:1、3计算机性能指标其中指令总数主要取决机器指令系统和编译技术,每条指令所需得时钟周期数主要与计算机组成和指令系统有关,而时钟周