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计算机组成原理 第一讲 第一章 计算机系统概述 电子计算机的发展分类及应用 产生：需求是发明的原动力。手指记数—简单计算—算盘—计算尺—机械计算机—电子计算机 发展：电子管阶段46~57，晶体管阶段58~64，集成电路阶段65~73，大规模集成电路阶段74~85，新一代85~今，巨大规模集成电路，上亿次的运算速度 发展速度快：5~8年，速度提高10倍，可靠提高10倍，体积缩小10倍，成本下降10倍，年产量每年增长25% 电子计算机的发展分类及应用 分类： 模拟，数字；通用，专用 应用： 科学计算， 自动控制，信息处理， 辅助设计和制造，辅助教学和医疗， 家用电器， 人工智能。 计算机系统的硬件 冯·诺依曼型计算机： 采用二进制计数制 存储程序 程序控制 硬件基本组成及主要功能 计算机的硬件组成框图 硬件基本组成及主要功能 内存储器组成框图 运算器的功能 功能： 实现算术和逻辑运算 组成： 全加器、通用寄存器组、输入接收门、 移位输出门 硬件基本组成及主要功能 运算器组成框图 控制器的功能 功能： 根据指令要求，向各部件发出各种控制信号 组成： 指令部件、时序部件、微操作信号发生器 硬件基本组成及主要功能 控制器组成框图 术语和概念 1、存储单元：在存储器中把保存一个数的多个触发器。 2、地址:存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元都有编号。 3、存储容量:存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。 4、外存储器：磁盘存储器和光盘存储器等。 5、内存储器:半导体存储器称为内存储器，简称内存。 6、指令：每一个加减乘除等基本操作就叫做一条指令。 7、程序：解某一问题的一串指令序列。 8、存储程序：将解题的程序（指令序列 ）存放到存储器中。 9、程序控制：控制程序依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务。 术语和概念 10、指令系统：一台计算机通常有几十种甚至上百种基本指令，从而构成了这台计算机的指令系统。 11、取指周期：把取指令的一段时间叫做取指周期。 12、执行周期：把执行指令的一段时间叫做执行周期。 13、CPU：运算器和控制器合在一起。 14、主机：将CPU与存储器合一起称为主机。 15、位（bit）：数字计算机的最小信息单位，代表0或1二进制数字。 16、字节（byte）：由8位二进制信息组成，而一个“字”则至少由一个以上的字节组成，通常把组成一个字的二进制位数叫做字长。 17、数据字：如果某字代表的是要处理的数据。 18、指令字：如果某字为一条指令。 19、数据流：在执行周期中从内存读出并流向运算器的信息流。 20、指令流：取指周期中从内存读出并流向控制器的信息流是指令流。 21、适配器：保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息，相当一个转换器。 计算机系统的软件 系统软件：服务程序、语言程序、操作系统、数据库管理系统 应用软件：是用户利用计算机来解决某些问题而编制的专用程序。 软件发展：机器语言、汇编语言、算法语言。 计算机的工作过程及技术指标 利用计算机解题的一般步骤 建立数学模型 选择计算方法 编写解题程序 输入程序、调试程序、运行程序。 计算机的工作过程及技术指标 计算机的工作过程 第一阶段：取出指令，解释指令 第二阶段：执行指令 计算机的工作过程及技术指标 计算机的主要性能指标 字长 存储容量 运算速度 软件配置及外围设备 可靠性、可用性和可维修性 计算机的工作过程及技术指标 字长指计算机中每次运算的数所包含的二进制数的位数。 字长标志着机器表示数的精度，位数多，精度就高，当然字长小的机器可以通过软件方法得到所要求的精度，但需要花费时间。 一般机器字长有8、16、32、64位等 计算机的工作过程及技术指标 存储容量主要包括主存储器容量和外存储器容量。 主存由CPU直接访问，容量越大，计算机的信息处理能力越强。现在一般都在几百兆到几吉 外存主要存放大的程序和数据。现在一般有几十到几百吉 计算机的工作过程及技术指标 运算速度指机器每秒招待指令的条数，单位MIPS（百万条指令每秒） 用不同指令的指令周期和指令所占比例求出平均指令周期 Tm=∑fiㄨti Vm=1/Tm 也有使用CPU的时钟频率来表示计算机的速度，但并不准确 计算机的工作过程及技术指标 例 某台计算机指令系统按指令周期长短分为4种，分别是10ns,15ns,16ns,20ns，这4种指令在程序中出现的概率分别是20%,16%,40%,24%，求机器的平均运算速度是多少MIPS？ 解 Tm=10*0.2+15*0.16+16*0.4+20*0.24 =15.6（ns） Vm=1/15.6*10-9=64(MIPS) 计算机系统的层次结构 第