計算機組成原理 清華大學(xué)

1、計算機組成原理教學(xué)課件計算機組成原理教學(xué)課件清華大學(xué)清華大學(xué)2012年12月第第 1 1 章章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述（為何要學(xué)習(xí)這門課程，怎么學(xué)，如何要求，課程主要內(nèi)容簡介） 1.1 計算機系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu) 1.2 計算機硬件的個功能部件及其功能計算機硬件的個功能部件及其功能 1.3計算機系統(tǒng)主要的技術(shù)與性能指標計算機系統(tǒng)主要的技術(shù)與性能指標 1.4 計算機的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)概述 1.5 計算機發(fā)展進步、分類和拓展應(yīng)用進程為什么要學(xué)習(xí)為什么要學(xué)習(xí)計算機組成原理計算機組成原理這門課程這門課程 計算機組成原理是計算機專業(yè)本科生的一門統(tǒng)設(shè)必修的專

2、計算機組成原理是計算機專業(yè)本科生的一門統(tǒng)設(shè)必修的專業(yè)業(yè)基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)課程。在我們系強調(diào)培養(yǎng)計算機應(yīng)用型人才，是把這門。在我們系強調(diào)培養(yǎng)計算機應(yīng)用型人才，是把這門課程作為計算機系統(tǒng)平臺的內(nèi)容之一來安排的。課程作為計算機系統(tǒng)平臺的內(nèi)容之一來安排的。 不是只有設(shè)計計算機硬件系統(tǒng)的人才要學(xué)這門課不是只有設(shè)計計算機硬件系統(tǒng)的人才要學(xué)這門課, ,計算機專業(yè)的人員都應(yīng)該對其有所了解。計算機專業(yè)的人員都應(yīng)該對其有所了解。選擇了計算選擇了計算機專業(yè)，終生要與計算機系統(tǒng)打交道、機專業(yè)，終生要與計算機系統(tǒng)打交道、要使用好計算要使用好計算機機就應(yīng)該學(xué)習(xí)這門課，否則就算不上一名合格的計算就應(yīng)該學(xué)習(xí)這門課，否則就算不上一名

3、合格的計算機專業(yè)人員。總不該把計算機硬件系統(tǒng)看作為電視機機專業(yè)人員?？偛辉摪延嬎銠C硬件系統(tǒng)看作為電視機一樣的產(chǎn)品，開一下電源選選臺能看節(jié)目了就行了。一樣的產(chǎn)品，開一下電源選選臺能看節(jié)目了就行了。 計算機中有許多知識是到處都會用到的，是學(xué)習(xí)后續(xù)多門計算機中有許多知識是到處都會用到的，是學(xué)習(xí)后續(xù)多門課程課程 ( (系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 操作系統(tǒng)，編譯原理，高級語言程序設(shè)計操作系統(tǒng)，編譯原理，高級語言程序設(shè)計, , 計計算機網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫算機網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫) ) 的基礎(chǔ)，將來工作中如何想清楚、如何解決的基礎(chǔ)，將來工作中如何想清楚、如何解決遇到的許多問題都會涉及到計算機的硬件問題。遇到的許多問題都會涉及到

4、計算機的硬件問題。1課程有多難，能不能學(xué)好課程有多難，能不能學(xué)好 說計算機組成原理課程不是太難學(xué)是不能令人信說計算機組成原理課程不是太難學(xué)是不能令人信服的，說根本無法學(xué)好也缺乏足夠的理由和證據(jù)。服的，說根本無法學(xué)好也缺乏足夠的理由和證據(jù)。 從從計算機組成原理計算機組成原理的內(nèi)容來講，實在沒有太多難的內(nèi)容來講，實在沒有太多難懂的原理，與生活中遇到的許多很平常的現(xiàn)象大有同懂的原理，與生活中遇到的許多很平常的現(xiàn)象大有同工異曲之處，它不像數(shù)學(xué)，沒有多少理論推導(dǎo)，也沒工異曲之處，它不像數(shù)學(xué)，沒有多少理論推導(dǎo)，也沒有物理學(xué)中的高深理論，不用冥思苦想，有物理學(xué)中的高深理論，不用冥思苦想，接受它的規(guī)接受它的規(guī)

5、定和實現(xiàn)方案即可定和實現(xiàn)方案即可。如果說難，難就難在計算機中的。如果說難，難就難在計算機中的問題是我們平時從未接觸到、更沒親眼看見過事物，問題是我們平時從未接觸到、更沒親眼看見過事物，尚未碰到先怕三分，把本來簡單的問題折騰復(fù)雜了尚未碰到先怕三分，把本來簡單的問題折騰復(fù)雜了；教師缺乏計算機系統(tǒng)設(shè)計的工程背景教師缺乏計算機系統(tǒng)設(shè)計的工程背景進一步加劇了這進一步加劇了這個矛盾。個矛盾。 學(xué)生應(yīng)該根據(jù)自己的實際水平和將來的工作要求，學(xué)生應(yīng)該根據(jù)自己的實際水平和將來的工作要求，恰當(dāng)?shù)卮_定對自己學(xué)習(xí)這門課程的要求。恰當(dāng)?shù)卮_定對自己學(xué)習(xí)這門課程的要求。2課程教學(xué)定位和教學(xué)要求課程教學(xué)定位和教學(xué)要求 計算機組

6、成原理課程教學(xué)應(yīng)該建立在硬、軟件組計算機組成原理課程教學(xué)應(yīng)該建立在硬、軟件組成大體完整的系統(tǒng)平臺之上，無疑這是一門硬件內(nèi)容成大體完整的系統(tǒng)平臺之上，無疑這是一門硬件內(nèi)容為主的課程，但需要兼顧一點基礎(chǔ)軟件的課程，認為為主的課程，但需要兼顧一點基礎(chǔ)軟件的課程，認為課程內(nèi)容只限于純硬件課程內(nèi)容只限于純硬件( (裸機裸機) )是很過時的認識，至少是很過時的認識，至少需要了解需要了解匯編語言匯編語言以及計算機系統(tǒng)操作使用方面的基以及計算機系統(tǒng)操作使用方面的基礎(chǔ)知識，把礎(chǔ)知識，把學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)和和使用使用硬件結(jié)合起來。硬件結(jié)合起來。 教學(xué)過程中，要把學(xué)習(xí)原理知識和應(yīng)用原理教學(xué)過程中，要把學(xué)習(xí)原理知識和應(yīng)用原理解

7、決解決實際問題實際問題結(jié)合起來，避免泛泛地講解書本內(nèi)容，解決結(jié)合起來，避免泛泛地講解書本內(nèi)容，解決問題可以首先從看別人怎么用已知原理問題可以首先從看別人怎么用已知原理設(shè)計實現(xiàn)實用設(shè)計實現(xiàn)實用系統(tǒng)，再考慮自己能做些什么系統(tǒng)，再考慮自己能做些什么實際工作實際工作才會使學(xué)習(xí)更才會使學(xué)習(xí)更有趣味，更有用。有趣味，更有用。 學(xué)生可以對自己提出主要學(xué)懂基本學(xué)生可以對自己提出主要學(xué)懂基本原理并能通過考試為原理并能通過考試為底線要求底線要求，和還有一定應(yīng)用能力，和還有一定應(yīng)用能力的的正常要求正常要求。3 這里說的計算機系統(tǒng)（這里說的計算機系統(tǒng)（computer system），是），是指指電子電子數(shù)字數(shù)字通用

8、通用計算機系統(tǒng)，三個定語各自表明了計算計算機系統(tǒng)，三個定語各自表明了計算機系統(tǒng)的一個方面的特性。機系統(tǒng)的一個方面的特性。 “電子電子”一詞表明使用電子線路（不同于機械、一詞表明使用電子線路（不同于機械、繼電器等）來實現(xiàn)計算機硬件的關(guān)鍵邏輯功能；繼電器等）來實現(xiàn)計算機硬件的關(guān)鍵邏輯功能； “數(shù)字數(shù)字”一詞表明使用的電子線路是數(shù)字式電路一詞表明使用的電子線路是數(shù)字式電路（不同于模擬電路），運算和處理的數(shù)據(jù)是二進制的離（不同于模擬電路），運算和處理的數(shù)據(jù)是二進制的離散數(shù)據(jù)（不同于連續(xù)的電壓或電流量）；散數(shù)據(jù)（不同于連續(xù)的電壓或電流量）； “通用通用”一詞表明計算機本身功能多樣一詞表明計算機本身功能多

9、樣(并非專用并非專用于某種特定功能于某種特定功能)，具有完成各種運算或數(shù)據(jù)處理能力，具有完成各種運算或數(shù)據(jù)處理能力。1、計算機系統(tǒng)概述、計算機系統(tǒng)概述 4 計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。 硬件硬件指由中央處理器、存儲器以及外圍設(shè)備等組成指由中央處理器、存儲器以及外圍設(shè)備等組成的實際裝置，的實際裝置，硬件的作用是完成每條硬件的作用是完成每條指令指令規(guī)定的功能規(guī)定的功能。 指令指令是計算機運行的最小的功能單位，是計算機運行的最小的功能單位，指令指令是是指指示計算示計算機硬件執(zhí)行某種運算、處理功能的命機硬件執(zhí)行某種運算、處理功能的命令令。 軟件軟件是為了使用計

10、算機而編寫的各種系統(tǒng)的和用戶是為了使用計算機而編寫的各種系統(tǒng)的和用戶的程序，程序由一個序列的的程序，程序由一個序列的計算機計算機指令指令組成。組成。指令是用指令是用于設(shè)計程序的一種計算機語言于設(shè)計程序的一種計算機語言。 一臺計算機提供的全部指令構(gòu)成該計算機的一臺計算機提供的全部指令構(gòu)成該計算機的指令系指令系統(tǒng)統(tǒng)。指令系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量關(guān)系到廠家和用戶的利益。指令系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量關(guān)系到廠家和用戶的利益。硬、軟件系統(tǒng)相互依存，分工互動，缺一不可，如硬、軟件系統(tǒng)相互依存，分工互動，缺一不可，如同一個健全人的物質(zhì)性的肉體和精神性的智力與思維。同一個健全人的物質(zhì)性的肉體和精神性的智力與思維。計算機系統(tǒng)概述計算

11、機系統(tǒng)概述 5匯編語言層匯編語言層操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層微體系結(jié)構(gòu)層微體系結(jié)構(gòu)層數(shù)字邏輯層數(shù)字邏輯層高級語言層高級語言層應(yīng)用層 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 可以從可以從 6 6 個層次個層次分析和看待分析和看待計算機系統(tǒng)的基本組成。計算機系統(tǒng)的基本組成。 最低的層屬于最低的層屬于硬件部分硬件部分，硬件，硬件系統(tǒng)用于實現(xiàn)每條指令的功能，解決系統(tǒng)用于實現(xiàn)每條指令的功能，解決程序中指令間的銜接系。程序中指令間的銜接系。 上面的層屬于上面的層屬于軟件部分軟件部分，軟件，軟件由按一定規(guī)則組織起來的許多條指令由按一定規(guī)則組織起來的許多條指令組成，完成一定的數(shù)據(jù)運算或者事務(wù)組

12、成，完成一定的數(shù)據(jù)運算或者事務(wù)處理功能。處理功能。 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)處在硬件系統(tǒng)和軟件系處在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間，是硬、軟件之間的接口部分，統(tǒng)之間，是硬、軟件之間的接口部分，對兩部分都有重要影響。對兩部分都有重要影響。微體系結(jié)構(gòu)層微體系結(jié)構(gòu)層軟軟 件件 系系 統(tǒng)統(tǒng)硬硬 件件 系系 統(tǒng)統(tǒng)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)6 軟件是為了使用計算機而編寫的各種系統(tǒng)的和用戶軟件是為了使用計算機而編寫的各種系統(tǒng)的和用戶的程序，程序由一個序列的的程序，程序由一個序列的計算機計算機指令指令組成。組成。 在計算機系統(tǒng)的層結(jié)構(gòu)中給出的基本軟件包括操在計算機系統(tǒng)的層結(jié)構(gòu)中給出的基本軟件包括操作系統(tǒng)和個級別

13、的計算機語言。作系統(tǒng)和個級別的計算機語言。操作系統(tǒng)主要完成對系統(tǒng)中的硬、軟件資源的管理操作系統(tǒng)主要完成對系統(tǒng)中的硬、軟件資源的管理與調(diào)度分配，并向程序設(shè)計人員和計算機的操作者提供與調(diào)度分配，并向程序設(shè)計人員和計算機的操作者提供各種服務(wù)。各種服務(wù)。個級別的語言是個級別的語言是機器語言機器語言（二進制代碼語言）、（二進制代碼語言）、匯編語言匯編語言（符號語言）和（符號語言）和高級語言高級語言（算法語言），使用（算法語言），使用它們設(shè)計程序的難易程度和工作效率差別很大。它們設(shè)計程序的難易程度和工作效率差別很大。計算機中的基本軟件系統(tǒng)計算機中的基本軟件系統(tǒng) 7 以計算從以計算從1到到10的累加和為例，

14、看一看的累加和為例，看一看3個級別語言的程序個級別語言的程序例子，并簡單介紹該機器語言程序在計算機內(nèi)部的執(zhí)行過程。例子，并簡單介紹該機器語言程序在計算機內(nèi)部的執(zhí)行過程。 BASIC程序程序 匯編語言程序匯編語言程序 機器語言程序機器語言程序(16進制進制)10 sum=0 2000: sub R15, R15 01FF20 for i=1 to 10 sub R1, R1 011130 sum=sum+i mvrd R0, 0A 8800 000A40 next i inc R1 091050 print sum add R15, R1 00F160 end cmp R1, R0 0310 j

15、rnz 2004 47FC cala 0664 CE00 0064 ret 8F00三個級別的程序設(shè)計語言語言三個級別的程序設(shè)計語言語言15數(shù)據(jù)運算數(shù)據(jù)運算部件部件計算機控制計算機控制部件部件數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲部件部件接口線路接口線路數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入設(shè)備設(shè)備接口線路接口線路結(jié)果輸出結(jié)果輸出設(shè)備設(shè)備數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線控制總線控制總線計算機主機計算機主機計算機計算機外圍設(shè)備外圍設(shè)備計算機的計算機的 CPU硬件系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)由 5 個功能部件組成，是個功能部件組成，是課程的核心內(nèi)容課程的核心內(nèi)容、計算機中的基本硬件系統(tǒng)、計算機中的基本硬件系統(tǒng)8硬件系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)由5個功能部件個功能部件組

16、成。組成。數(shù)據(jù)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)輸入設(shè)備分擔(dān)分擔(dān)對程序和原始數(shù)據(jù)的輸入功能，對程序和原始數(shù)據(jù)的輸入功能，數(shù)據(jù)存儲部件數(shù)據(jù)存儲部件分擔(dān)對分擔(dān)對程序和數(shù)據(jù)的存儲功能，程序和數(shù)據(jù)的存儲功能，數(shù)據(jù)運算部件數(shù)據(jù)運算部件分擔(dān)對數(shù)據(jù)的分擔(dān)對數(shù)據(jù)的運算處理功能，運算處理功能，結(jié)果輸出設(shè)備結(jié)果輸出設(shè)備分擔(dān)對運算處理結(jié)果的分擔(dān)對運算處理結(jié)果的輸出功能。輸出功能?？刂破鞑考刂破鞑考t是依照每條指令的運行功能則是依照每條指令的運行功能的需要，向各個部件或設(shè)備提供它們協(xié)調(diào)運行所需要的需要，向各個部件或設(shè)備提供它們協(xié)調(diào)運行所需要的控制信號，在整個硬件系統(tǒng)中起到指揮、協(xié)調(diào)和控的控制信號，在整個硬件系統(tǒng)中起到指揮、協(xié)調(diào)和控制的作

17、用。制的作用。圖中間部位給出的是計算機的圖中間部位給出的是計算機的種類型的總線種類型的總線，可以看出，計算機的個功能部件正是通過這種類可以看出，計算機的個功能部件正是通過這種類型的總線被有機地連接在一起，從而構(gòu)成一臺完整的、型的總線被有機地連接在一起，從而構(gòu)成一臺完整的、可以協(xié)調(diào)運行（執(zhí)行程序）的計算機硬件系統(tǒng)?？梢詤f(xié)調(diào)運行（執(zhí)行程序）的計算機硬件系統(tǒng)。 計算機中的基本硬件系統(tǒng)計算機中的基本硬件系統(tǒng)8可以可以把計算機想象為一個加工處理數(shù)據(jù)的工廠把計算機想象為一個加工處理數(shù)據(jù)的工廠，則數(shù)據(jù)運算部件就是則數(shù)據(jù)運算部件就是數(shù)據(jù)加工車間數(shù)據(jù)加工車間，數(shù)據(jù)存儲部件就，數(shù)據(jù)存儲部件就是存放原材料、半成品和

18、產(chǎn)品的是存放原材料、半成品和產(chǎn)品的庫房庫房，輸入設(shè)備相當(dāng)，輸入設(shè)備相當(dāng)于于運入原材料的卡車運入原材料的卡車，輸出設(shè)備相當(dāng)于，輸出設(shè)備相當(dāng)于運出最終產(chǎn)品運出最終產(chǎn)品的卡車的卡車，控制部件則相當(dāng)于承擔(dān)領(lǐng)導(dǎo)指揮功能的，控制部件則相當(dāng)于承擔(dān)領(lǐng)導(dǎo)指揮功能的廠長廠長和各個職能辦公室和各個職能辦公室。在領(lǐng)導(dǎo)的正確指揮下，如果能夠。在領(lǐng)導(dǎo)的正確指揮下，如果能夠源源不斷地取得原材料，工廠內(nèi)又有存放的場所，車源源不斷地取得原材料，工廠內(nèi)又有存放的場所，車間能夠?qū)@些原材料進行指定的加工處理，加工后的間能夠?qū)@些原材料進行指定的加工處理，加工后的產(chǎn)品可以暢通地運出去銷售，則這個工廠（計算機）產(chǎn)品可以暢通地運出去銷售

19、，則這個工廠（計算機）就納入正常運行的軌道。就納入正常運行的軌道。前面說的還只限于硬件前面說的還只限于硬件，當(dāng)然號，當(dāng)然號必須有配套的軟必須有配套的軟件系統(tǒng)件系統(tǒng)，例如工廠就需要有管理制度、運營策略等。，例如工廠就需要有管理制度、運營策略等。計算機中的基本硬件系統(tǒng)計算機中的基本硬件系統(tǒng)8 （1 1）計算機的字長）計算機的字長 在計算機系統(tǒng)內(nèi)部，通常選用多少個二進制位來在計算機系統(tǒng)內(nèi)部，通常選用多少個二進制位來表示一個數(shù)據(jù)或一條指令是一個關(guān)鍵技術(shù)指標，例如表示一個數(shù)據(jù)或一條指令是一個關(guān)鍵技術(shù)指標，例如16、32或者或者64位，這個位數(shù)被稱為計算機的字長。例位，這個位數(shù)被稱為計算機的字長。例如在如

20、在32位字長的計算機系統(tǒng)中，一個整數(shù)、一條指令位字長的計算機系統(tǒng)中，一個整數(shù)、一條指令通常都用通常都用32位二進制數(shù)表示，叫做一個字，運算器、位二進制數(shù)表示，叫做一個字，運算器、存儲器、數(shù)據(jù)和地址總線等通常都被設(shè)計成存儲器、數(shù)據(jù)和地址總線等通常都被設(shè)計成32位。字位。字長對計算機的處理能力和運行性能有明顯影響，字長較長對計算機的處理能力和運行性能有明顯影響，字長較長有利于提高計算機的性能，但需要使用更多的硬件，長有利于提高計算機的性能，但需要使用更多的硬件，計算機系統(tǒng)的價格也會高一些。計算機系統(tǒng)的價格也會高一些。、計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標、計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標 7 （2 2）C

21、PUCPU的速度的速度 衡量衡量CPU速度，通常有兩種方式。速度，通常有兩種方式。 第一種方式是使用第一種方式是使用CPU主頻，即每一秒鐘提供給主頻，即每一秒鐘提供給CPU的時的時鐘脈沖的個數(shù)，通常用赫茲（鐘脈沖的個數(shù)，通常用赫茲（Hz）表示，例如）表示，例如500MHz。但對不。但對不同廠家、不同系列的計算機系統(tǒng)，只用同廠家、不同系列的計算機系統(tǒng)，只用CPU主頻來說明其運行主頻來說明其運行速度則未必準確。速度則未必準確。 第二種方式是使用第二種方式是使用CPU每一秒鐘能執(zhí)行的指令條數(shù)，單位每一秒鐘能執(zhí)行的指令條數(shù)，單位是是MIPS（million instructions per secon

22、d），其計算公式可），其計算公式可以通過如下方式推導(dǎo)出來，以通過如下方式推導(dǎo)出來，T=CPIT_ICI，這里的，這里的T是執(zhí)行一是執(zhí)行一個程序占用的時間，個程序占用的時間，CPI是執(zhí)行一條指令平均使用的是執(zhí)行一條指令平均使用的CPU時鐘個時鐘個數(shù)，數(shù)，T_IC是一個是一個CPU時鐘的時間長度，是時鐘的時間長度，是CPU主頻主頻 f 的倒數(shù)的倒數(shù) 1/f，I 是這個程序的指令條數(shù)，是這個程序的指令條數(shù)，3個數(shù)值的乘積就等于這個程序總的個數(shù)值的乘積就等于這個程序總的運行時間運行時間T。由此得到：。由此得到：I = T / (CPI1/f) = Tf/CPI.計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標計算機系統(tǒng)

23、的主要技術(shù)與性能指標 7 CPUCPU的速度的速度( (續(xù)續(xù)) ) 當(dāng)取當(dāng)取T=1s，并假定，并假定 f 為為300MHz，CPI為為 4，則計算出，則計算出CPU系統(tǒng)的性能為系統(tǒng)的性能為300/4，即，即 75個個MIPS，即每秒執(zhí)行，即每秒執(zhí)行75個百萬條整個百萬條整數(shù)運算指令。若有辦法使這臺計算機的數(shù)運算指令。若有辦法使這臺計算機的CPI盡量靠近盡量靠近1，則其運，則其運行性能就可以提高近行性能就可以提高近4倍，這正是精簡指令系統(tǒng)計算機（倍，這正是精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）所追求的目標。所追求的目標。 若進一步細化，可安如下辦法計算出一個程序中全部指令若進一步細化，可安如下辦法計算出

24、一個程序中全部指令的平均的平均 CPI ：按照指令的執(zhí)行步驟數(shù)對全部指令進行分類，同：按照指令的執(zhí)行步驟數(shù)對全部指令進行分類，同類指令的條數(shù)類指令的條數(shù)這這類指令的類指令的CPI，再對各類指令的計算機結(jié)果求，再對各類指令的計算機結(jié)果求累加和，則累加和除以總指令條數(shù)就得到平均累加和，則累加和除以總指令條數(shù)就得到平均CPI，可以表示為，可以表示為CPI平均平均=CPIjIj / I，這里的，這里的 j 是指令的種類編號（從是指令的種類編號（從0n）。）。 可以用可以用 MFLOPS 表示對浮點數(shù)指令的運算速度。表示對浮點數(shù)指令的運算速度。計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標

25、 7（3 3）存儲容量和讀寫速度）存儲容量和讀寫速度 計算機中的存儲器通常包括內(nèi)存儲器和外存儲器兩大類。計算機中的存儲器通常包括內(nèi)存儲器和外存儲器兩大類。 內(nèi)存儲器又被稱為主存儲器，通常用半導(dǎo)體器件實現(xiàn)，讀寫速度快，價內(nèi)存儲器又被稱為主存儲器，通常用半導(dǎo)體器件實現(xiàn)，讀寫速度快，價格較高，通常容量要小一些，例如幾百格較高，通常容量要小一些，例如幾百MB或幾到十幾或幾到十幾GB，可供，可供CPU通過指通過指令直接訪問。令直接訪問。 外存儲器又稱輔助存儲器、海量存儲器等，主要包括磁盤設(shè)備、光盤設(shè)外存儲器又稱輔助存儲器、海量存儲器等，主要包括磁盤設(shè)備、光盤設(shè)備、磁帶設(shè)備等，讀寫速度要慢得多，價格較低，

26、容量很大，例如幾十、幾備、磁帶設(shè)備等，讀寫速度要慢得多，價格較低，容量很大，例如幾十、幾百百GB或幾十或幾十TB，外存儲器上的信息需要經(jīng)過操作系統(tǒng)成批量地（而不是以，外存儲器上的信息需要經(jīng)過操作系統(tǒng)成批量地（而不是以字為單位）與內(nèi)存儲器進行交換。字為單位）與內(nèi)存儲器進行交換。 內(nèi)存儲器的讀寫周期通常為幾十內(nèi)存儲器的讀寫周期通常為幾十ns到一二百到一二百ns，讀寫外存儲器中的幾百，讀寫外存儲器中的幾百個字節(jié)數(shù)據(jù)的時間通常要幾到十幾個字節(jié)數(shù)據(jù)的時間通常要幾到十幾ms，而連續(xù)讀出輔存中的一大批數(shù)據(jù)所用，而連續(xù)讀出輔存中的一大批數(shù)據(jù)所用時間平均到每個數(shù)據(jù)上可能要更短得多。時間平均到每個數(shù)據(jù)上可能要更短

27、得多。 通常還關(guān)心單位時間內(nèi)能夠?qū)χ鞔鎯ζ髯x寫數(shù)據(jù)的總量，單位時間內(nèi)能通常還關(guān)心單位時間內(nèi)能夠?qū)χ鞔鎯ζ髯x寫數(shù)據(jù)的總量，單位時間內(nèi)能對輔助存儲器交換設(shè)據(jù)的總量。對輔助存儲器交換設(shè)據(jù)的總量。 當(dāng)前的計算機系統(tǒng)中都采取了許多增加存儲器容量和速度的技術(shù)措施。當(dāng)前的計算機系統(tǒng)中都采取了許多增加存儲器容量和速度的技術(shù)措施。計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標 7 （4 4）輸入輸出設(shè)備的入出速度）輸入輸出設(shè)備的入出速度 計算機的輸入輸出設(shè)備是計算機系統(tǒng)中比較復(fù)雜的部分，計算機的輸入輸出設(shè)備是計算機系統(tǒng)中比較復(fù)雜的部分，不同設(shè)備組成和運行原理各不相同，與計算機主機的連接與控不同設(shè)備

28、組成和運行原理各不相同，與計算機主機的連接與控制方式也多有差異，在電子線路之外還涉及到精密機械、光學(xué)、制方式也多有差異，在電子線路之外還涉及到精密機械、光學(xué)、激光、電磁轉(zhuǎn)換等許多知識。激光、電磁轉(zhuǎn)換等許多知識。 不同的輸入輸出設(shè)備的運行速度各不相同，例如針式打印不同的輸入輸出設(shè)備的運行速度各不相同，例如針式打印機每秒只能打印幾個字符，而激光打印機則可以打印多行甚至機每秒只能打印幾個字符，而激光打印機則可以打印多行甚至幾頁打印紙的信息，鍵盤輸入則主要取決于人員打字的速度。幾頁打印紙的信息，鍵盤輸入則主要取決于人員打字的速度。顯示器的屏幕大小、分辨率高低、顯示字符還是圖形的不同內(nèi)顯示器的屏幕大小、

29、分辨率高低、顯示字符還是圖形的不同內(nèi)容、屏幕刷新頻率等都對系統(tǒng)性能有重要影響。容、屏幕刷新頻率等都對系統(tǒng)性能有重要影響。 目前的輸入輸出設(shè)備包含的種類特別多，遠遠超出了傳統(tǒng)目前的輸入輸出設(shè)備包含的種類特別多，遠遠超出了傳統(tǒng)入出設(shè)備的概念，特別是隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，大量入出設(shè)備的概念，特別是隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，大量的電子設(shè)備已經(jīng)成為現(xiàn)代計算機的外圍設(shè)備。的電子設(shè)備已經(jīng)成為現(xiàn)代計算機的外圍設(shè)備。計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標 7輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備總線和入出接口總線和入出接口虛擬存儲器虛擬存儲器外存設(shè)備外存設(shè)備主存儲器主存儲器高速緩存高速緩

30、存控控 制制 器器運運 算算 器器、本課程各章教學(xué)內(nèi)容簡、本課程各章教學(xué)內(nèi)容簡介介第章第章第、章第、章第、章第、章第章第章第第2章章預(yù)備性知識，預(yù)備性知識，第第9章章補充性讀物，補充性讀物，課上不講課上不講。9第第3、4章章 主要教學(xué)內(nèi)容主要教學(xué)內(nèi)容 第第3 3章章 講解數(shù)據(jù)表示和運算方法，這是設(shè)計實現(xiàn)計算機運講解數(shù)據(jù)表示和運算方法，這是設(shè)計實現(xiàn)計算機運算器部件的理論基礎(chǔ)。算器部件的理論基礎(chǔ)。 計算機中都使用二進制的信息編碼。計算機中都使用二進制的信息編碼。二進制編碼和碼制轉(zhuǎn)二進制編碼和碼制轉(zhuǎn)換換是數(shù)據(jù)運算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。是數(shù)據(jù)運算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 整數(shù)的原碼、補碼整數(shù)的原碼、補碼表示是為了簡化數(shù)據(jù)運

31、算的方案，可以表示是為了簡化數(shù)據(jù)運算的方案，可以簡化用到的硬件線路，提高運算速度。簡化用到的硬件線路，提高運算速度。 數(shù)據(jù)的檢錯糾錯編碼技術(shù)是提高硬件可靠性的有效措施。數(shù)據(jù)的檢錯糾錯編碼技術(shù)是提高硬件可靠性的有效措施。 第第4 4章章 講解計算機的運算器部件，有定點運算器和浮點運算講解計算機的運算器部件，有定點運算器和浮點運算器種類型，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)運算的執(zhí)行部件。器種類型，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)運算的執(zhí)行部件。 重點學(xué)習(xí)重點學(xué)習(xí)定點運算器定點運算器，由完成算數(shù)與邏輯運算的電路，由完成算數(shù)與邏輯運算的電路 ALUALU 和暫存運算數(shù)據(jù)和中間結(jié)果的寄存器組和暫存運算數(shù)據(jù)和中間結(jié)果的寄存器組 REGsREGs 、

32、保存結(jié)果特征、保存結(jié)果特征狀態(tài)的狀態(tài)的Flag Flag 寄存器這個主要部分組成。寄存器這個主要部分組成。一般了解浮點運算器的組成和浮點數(shù)的運算方法即可。一般了解浮點運算器的組成和浮點數(shù)的運算方法即可。10第、章第、章 主要教學(xué)內(nèi)容主要教學(xué)內(nèi)容 第章第章 講解指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計。講解指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計。指令是計算機最小的功能單位，是計算機硬、軟件聯(lián)系的指令是計算機最小的功能單位，是計算機硬、軟件聯(lián)系的紐帶，很重要。紐帶，很重要。 了解影響指令字長的有關(guān)因素。了解影響指令字長的有關(guān)因素。指令格式指令格式設(shè)計、設(shè)計、尋址方式尋址方式選用是核心內(nèi)容。選用是核心內(nèi)容。 瀏覽典型指令系統(tǒng)

33、的概貌是必要的，需要比較具體地了解瀏覽典型指令系統(tǒng)的概貌是必要的，需要比較具體地了解 TEC-2008TEC-2008計算機的指令系統(tǒng)，這是完成計算機的指令系統(tǒng)，這是完成簡單的匯編語言程序設(shè)簡單的匯編語言程序設(shè)計計的的必要條件必要條件。 第第6 6章章 講解計算機的控制器部件。講解計算機的控制器部件。 控制器的功能是指揮控制計算機硬件系統(tǒng)執(zhí)行程序，控制器的功能是指揮控制計算機硬件系統(tǒng)執(zhí)行程序，它要依據(jù)指令內(nèi)容、指令的執(zhí)行步驟向每一個部件提供它們運行需依據(jù)指令內(nèi)容、指令的執(zhí)行步驟向每一個部件提供它們運行需要的控制信號要的控制信號。計算機設(shè)計者的任務(wù)是把每條指令的功能細分計算機設(shè)計者的任務(wù)是把每條指令的功能細分為幾項操作為幾項操作, ,并將其劃分到并將其劃分到幾個步驟幾個步驟、分配給、分配給相應(yīng)部件相應(yīng)部件去完成。去完成。 控制器控制器分為組合邏輯（分為組合邏輯（更易學(xué)易懂）更易學(xué)易懂）和微程序兩種類型。和微