《计算机组成原理》教程 第1章 概述.ppt

计算机组成原理第一章 概论 张连姣 Zhanglianjiao@ 教学目的 硬件系列课程之一 计算机组成原理 对计算机系统的基本组成和工作机制有比较透彻的理解 本课程的目的 深入理解计算机系统的硬件组成和工作原理 系统构成、总线、存储器、I/O系统等 深入理解处理器的内部结构和工作原理 对计算机系统当前的发展动向和水平有明确的概念 课程内容 系统硬件结构 系统总线（总线性能、总线结构、总线控制） 存储器（主存储器、高速缓存、辅助存储器） 输入输出系统（外设、I/O接口、I/O控制方式） 中央处理器（CPU） 计算机的运算方法 指令系统 CPU的结构 控制单元设计 教材 Textbook： 陈明　王智广，《计算机组原理》 清华大学出版社，2004 Reference: 白中英，《计算机组成原理》，科学出版社, 2001 成绩考核 期末考试：70％（闭卷） 作业：20％，不能抄袭 课堂练习：10％ 本章教学内容 　1.计算机的发展、分类、特点与应用；2.计算机硬件和软件的基本概念；3.计算机硬件系统的组织，各部分的功能及其组成框图；4.计算机的工作过程，即执行指令的过程；5.冯.努依曼型计算机的设计思想；6.计算机系统的层次结构。 1.计算机系统组成 2.计算机系统组成——硬件系统 3 计算机的软件系统 计算机硬件是载体，软件是灵魂。 软件的组成与分类 分类：系统程序、应用程序 软件的发展演变 手编程序（目的程序）→汇编程序→算法语言 (高级语言） 高级语言与机器语言的转换：编译系统、解释系统 机器语言 由0/1代码表示机器能完成的各种操作（指令） 例： MCS-51两个寄存器相加的机器语言指令：依赖于机器（处理器指令集），难于理解 汇编语言 用便于书写和记忆的符号表示机器的各种操作 ADD、SUB、MUL、DIV、JMP、CMP等 例：MCS-51两个寄存器相加汇编语言指令：ADD A，R0 依赖于机器 高级语言程序 描述方式适合人类的习惯 与平台无关性 需要将高级语言程序转换成机器语言程序，才能在实际机器上执行 编译执行：利用编译器一次性将高级语言程序翻译成机器语言程序 C、FORTRAN…… 解释执行：语句翻译一条，执行一条，直至结束 BASIC 用户采用程序设计语言描述问题的求解过程，计算机在程序的控制下完成问题的求解 计算机只能识别用0/1代码表示的程序 用户需要使用高级语言编程 4.Von Neumann(冯诺依曼)机的特征 计算机由五个部分构成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 指令和数据“以同等地位”存放于存储器内，分别按地址访问 指令和数据均用二进制码表示 指令由操作码和地址码构成 指令按顺序存放，顺序执行 机器以运算器为中心 Von Neumann机的组织结构 5.指令的执行过程 取指 根据PC访存读取当前要执行的指令 PC＋1 译码 识别指令字中的操作类型，产生相应的控制信号 取操作数 根据指令字的地址域访存 执行 写回 计算机的工作过程 执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所以，计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令。 存储器的组织 存储单元按字节或字寻址 程序和数据顺序存放 数据段 代码段 读写操作以数据总线宽度为单位 示例——操作过程 寄存器使用规则 ACC：操作数之一和结果 MQ：操作数之一和结果 X：操作数之一 加法 [M]-X; ACC+[X]-ACC 减法 [M]-X; ACC-[X]-ACC 乘法 [M]-MQ; ACC-X; 0-ACC; [X]*[MQ]-ACC//MQ 除法 [M]-X; ACC/[X]-MQ; 余数在ACC中 示例——ax2+bx+c (ax+b)x+c x-ACC x*a-ACC ax+b-ACC x*(ax+b)-ACC (ax+b)x+c-ACC 示例——程序的执行过程 6.计算机硬件的性能指标 机器字长 CPU一次能处理数据的位数 寄存器、ALU、总线、存储器等 字长越长，数的表示范围越大，精度越高 4位、8位、16位、32位、64位 存储容量 存储器可存储的二进制数据总数 容量＝存储单元个数×存储字长 MAR＝16位，则有64K个存储单元；MDR＝32位，则共可存储64K×32＝2Mb 运算速度 依赖于机器的主频、操作类型、存储器访问时间等 主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频的单位是MHz MIPS：每秒能执行多少百万条指令 由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以MIPS通常是根