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计算机组成原理教学课件

王诚教授

清华大学计算机系

2021年10月;第1章计算机系统概述;为什么要学习计算机组成原理这门课程;课程有多难，能不能学好;课程教学定位和教学要求;这里说的计算机系统〔computersystem〕，是指电子数字通用计算机系统，三个定语各自说明了计算机系统的一个方面的特性。

“电子〞一词说明使用电子线路〔不同于机械、继电器等〕来实现计算机硬件的关键逻辑功能；

“数字〞一词说明使用的电子线路是数字式电路〔不同于模拟电路〕，运算和处理的数据是二进制的离散数据〔不同于连续的电压或电流量〕；

“通用〞一词说明计算机本身功能多样(并非专用于某种特定功能)，具有完成各种运算或数据处理能力。;计算机系统由硬件和软件两大局部组成。

硬件指由中央处理器、存储器以及外围设备等组成的实际装置，硬件的作用是完成每条指令规定的功能。指令是计算机运行的最小的功能单位，指令是指示计算机硬件执行某种运算、处理功能的命令。

软件是为了使用计算机而编写的各种系统的和用户的程序，程序由一个序列的计算机指令组成。指令是用于设计程序的一种计算机语言。

一台计算机提供的全部指令构成该计算机的指令系统。指令系统的设计质量关系到厂家和用户的利益。

硬、软件系统相互依存，分工互动，缺一不可，如同一个健全人的物质性的肉体和精神性的智力与思维。;;软件是为了使用计算机而编写的各种系统的和用户的程序，程序由一个序列的计算机指令组成。

在计算机系统的６层结构中给出的根本软件包括操作系统和３个级别的计算机语言。

操作系统主要完成对系统中的硬、软件资源的管理与调度分配，并向程序设计人员和计算机的操作者提供各种效劳。

３个级别的语言是机器语言〔二进制代码语言〕、汇编语言〔符号语言〕和高级语言〔算法语言〕，使用它们设计程序的难易程度和工作效率差异很大。;以计算从1到10的累加和为例，看一看3个级别语言的程序例子，并简单介绍该机器语言程序在计算机内部的执行过程。

BASIC程序??编语言程序机器语言程序(16进制)

10sum=02000:subR15,R1501FF

20fori=1to10subR1,R10111

30sum=sum+imvrdR0,0A8800000A

40nextiincR10910

50printsumaddR15,R100F1

60endcmpR1,R00310

jrnz200447FC

cala0664CE000064

ret8F00;数据运算部件;;;;〔2〕CPU的速度

衡量CPU速度，通常有两种方式。

第一种方式是使用CPU主频，即每一秒钟提供给CPU的时钟脉冲的个数，通常用赫兹〔Hz〕表示，例如500MHz。但对不同厂家、不同系列的计算机系统，只用CPU主频来说明其运行速度那么未必准确。

第二种方式是使用CPU每一秒钟能执行的指令条数，单位是MIPS〔millioninstructionspersecond〕，其计算公式可以通过如下方式推导出来，T=CPI×T_IC×I，这里的T是执行一个程序占用的时间，CPI是执行一条指令平均使用的CPU时钟个数，T_IC是一个CPU时钟的时间长度，是CPU主频f的倒数1/f，I是这个程序的指令条数，3个数值的乘积就等于这个程序总的运行时间T。由此得到：I=T/(CPI×1/f)=T×f/CPI.;CPU的速度(续)

当取T=1s，并假定f