計算機組成原理課件1概論

計算機組成原理

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主講：楊旭東江蘇大學(xué)計算機學(xué)院Tel:(0511)88780372×528E-mail:

2教學(xué)及學(xué)習(xí)方法在專業(yè)中的地位與性質(zhì)教學(xué)及學(xué)習(xí)方法本課程特點掌握三基本基本組成基本原理基本分析方法目標(biāo)：建立整機的概念教學(xué)與學(xué)習(xí)方法：整體——>局部

——>整體3實驗和課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)實驗（地點：計算機樓203）：部件設(shè)計第2周做實驗一，請班長第1周去實驗室辦公室（311）安排時間實驗報告已印刷成冊，須人手一本課程設(shè)計（學(xué)期末）：CPU設(shè)計三個層次的要求Base（基礎(chǔ)層次）驗證型Standard（標(biāo)準(zhǔn)層次）有限設(shè)計型Advanced（高級層次）創(chuàng)新設(shè)計型必須先完成低層次的，才能轉(zhuǎn)向高一層次4考核考核筆試：70％實驗：15％平時：15％5網(wǎng)上資源網(wǎng)上資源課程組主頁教學(xué)大綱、課件，實驗、課程設(shè)計資料實驗室網(wǎng)站老版本實驗資源第一章概論什么是計算機：具有快速運算能力、邏輯判斷功能、存儲功能的電子設(shè)備;是不需要人工干預(yù)的信息處理自動機。71.1計算機發(fā)展概況第一臺數(shù)字電子計算機ENIAC，1946年2月于美國賓西法尼亞州投入運行。ENIAC——ElectronicNumericalIntegeratorAndCalculator電子數(shù)字積分和計算器8馮.諾依曼(VonNeumann)計算機主要特點

采用二進制 原因：具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)的電子器件容易實現(xiàn)基數(shù)小運算規(guī)則簡單1和0與真和假相對應(yīng)易于實現(xiàn)邏輯運算抗干擾能力強、可靠性高存儲程序控制程序存儲程序控制由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成計算機系統(tǒng)9計算機的迅速發(fā)展Eniac,1946（第一臺計算機）電腦手機神舟七號10計算機的發(fā)展階段第一代：電子管計算機（1946-1957）邏輯元件：電子管，延遲線運算速度：幾萬次/秒第二代：晶體管計算機（1958-1964）邏輯元件：晶體管，磁芯運算速度：幾十萬次/秒第三代：集成電路計算機（1964-1972）邏輯元件：中小規(guī)模IC(集成電路)，磁盤運算速度：幾百萬次/秒第四代：大規(guī)模集成電路計算機（1972~）邏輯元件：大規(guī)模集成電路(LSI)，超大規(guī)模IC(VLSI)LSI:1~2萬管/片；VLSI:10萬管/片；SLSI:10萬管以上/片11IT行業(yè)的神話——摩爾定律1965年4月，Intel公司創(chuàng)始人戈登·摩爾在第8期《Electronics》雜志上，發(fā)表了一篇文章，指出集成電路芯片的容量會逐年遞增翻番，而價格上則是相應(yīng)的逐年遞減，并認為工藝技術(shù)的進步使計算機性能保持非常有規(guī)律的幾何級數(shù)增長。這種論斷后來被業(yè)界稱為“摩爾定律”。1975年，他做了一些修正，將翻番的時間從一年調(diào)整為18～24個月。（可從課程網(wǎng)頁下載這篇論文）12Intel微處理器對摩爾定律的印證YearofintroductionTransistorsTechnology400419712,25010micron800819722,500808019745,0006micron8086197829,0003.0micron2861982120,0001.5micron386?processor1985275,0001.0micron486?DXprocessor19891,180,0001.0micronPentium?processor19933,100,0000.8micron*PentiumIIprocessor19977,500,0000.35micron*PentiumIIIprocessor199924,000,0000.25micron*Pentium4processor200042,000,0000.18micron*資料來源：*首批上市時的數(shù)據(jù)13Intel微處理器對摩爾定律的印證資料來源：14Moore'sLawforIntelCPUsDateIntelTransistorsTechnology

CPU(x1000)

1971.5040042.3

1978.758086312.0micron1982.7580286110HMOS1985.2580386280

0.8micronCMOS1989.75804861200

1993.25Pentium(P5)31000.8micronbiCMOS1995.25

PentiumPro(P6)55000.6micron--0.25?資料來源：15計算機的發(fā)展第五代：智能計算機第六代：生物計算機發(fā)展趨勢高性能無處不在網(wǎng)絡(luò)化智能模擬161.2計算機硬件系統(tǒng)存儲器控制器

運算器輸入設(shè)備輸出設(shè)備程序數(shù)據(jù)地址指令數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果存儲器17主存儲器（MainMemory）

功用：存放程序、數(shù)據(jù)?；窘Y(jié)構(gòu)：

◆

存儲體MB◆單元：一組二進制信息，存放指令字、數(shù)據(jù)字。

◆字長：每單元的位數(shù)。8位、16位、32位······特點：按地址存?。ㄔL問）MemoryAddressRegisterMemoryDataRegister00010…..100101…..101011…..001101…..010000…..1………18運算器ALU(ArithmeticLogicUnit)

功用：算術(shù)、邏輯運算。結(jié)構(gòu)：運算器的字長一次整數(shù)加法運算所能處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)

19控制器（CONTROLLER）

功用：依據(jù)指令產(chǎn)生操作控制信號

◆程序：指令的有序集合。組成：

◆程序計數(shù)器PC

（ProgramCounter）

存放將要執(zhí)行的指令的地址（指向存儲單元），具有自增功能。

◆指令寄存器IR

（InstructionRegister）存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令◆指令譯碼器ID

（InstructionDecoder）分析指令◆時序部件（Sequencer）◆控制信號發(fā)生器

20輸入/輸出設(shè)備（Input/OutputDevice）低速：鍵盤、打印機高速：外存（硬盤）、顯示器CPU(CentralProcessingUnit)

運算器+控制器計算機主機運算器+控制器+存儲器計算機系統(tǒng)運算器+控制器+存儲器+輸入/輸出設(shè)備21總線（BUS）概念及組成總線——能為系統(tǒng)中多個部件分時

共享的一組信息傳輸線及相關(guān)邏輯。共享：總線所連的各部件通過它來傳遞信息。分時：某一時刻只允許一個部件向總線發(fā)送信息對照：馮.諾依曼結(jié)構(gòu)22總線（BUS）分時共享的硬件保障：三態(tài)門輸出使能高阻態(tài)EN

DINENDOUTDOUTDINEN或邏輯部件輸出使能數(shù)據(jù)輸出輸據(jù)輸入總線（a）三態(tài)緩沖器的邏輯符號（b）邏輯部件與總線間的三態(tài)隔離123總線（BUS）總線的分類：按作用分類：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線按傳輸方向分類：單向總線、雙向總線按位置分類：內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線、外部總線241.3 程序設(shè)計語言和計算機的層次結(jié)構(gòu)機器語言硬件能夠識別的二進制編碼，即指令（Instruction）匯編語言以助記符描述的指令，即匯編指令與機器語言的指令一一對應(yīng)高級語言與機器語言的指令沒有簡單的對應(yīng)關(guān)系無需了解硬件高級語言層匯編語言層機器語言層匯編器編譯器25計算機的層次結(jié)構(gòu)模型高級語言層硬件邏輯層匯編語言層操作系統(tǒng)層機器語言層26計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)應(yīng)用軟件虛擬機系統(tǒng)軟件虛擬機物理機（屬計算機原理范圍）用戶軟件工程師軟件工程師計算機操作員計算機系統(tǒng)設(shè)計人員硬件工程師第2級操作系統(tǒng)級第5級應(yīng)用程序級第4級高級語言級第3級匯編語言級第1級機器語言級第0級微程序級邏輯線路271.4 計算機的主要性能指標(biāo)機器字長計算機進行一次整數(shù)運算所能處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)即運算器進行定點數(shù)運算的字長通常也是CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的寬度與主存儲器字長可以是相同的，也可以不相同不相同時，一般是主存儲器字長小于機器字長，會降低CPU的工作效率281.4 計算機的主要性能指標(biāo)運行速度MFLOPS（MillionFloating-pointOperationsPerSecond）

每秒執(zhí)行多少百萬次浮點運算MFLOPS取決于機器和程序兩個方面基準(zhǔn)測試程序（Benchmark）

LinpackWhetstone291.4 計算機的主要性能指標(biāo)運行速度CPI（CyclesPerInstruction）執(zhí)行每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)MIPS（MillionInstructionPerSecond）單位時間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)301.4 計算機的主要性能指標(biāo)以機器主頻衡量機器的運行速度主頻與CPI、MIPS之間的關(guān)系

CPI不變時，主頻越高，速度越快31本章小結(jié)

馮.諾依曼結(jié)構(gòu)特點計算機的組成部件計算機的主要性能指標(biāo)作業(yè)1.1 馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計思想是什么？1.2 計算機系統(tǒng)有哪五大部件組成？其中主機包含哪些部件？CPU包含哪些部件？1.3 解釋存儲器字長、運算器字長和機器字長的概念，它們之間有什么關(guān)系？1.4 什么是總線？三態(tài)緩沖器作為總線應(yīng)用中必不可少的邏輯元件，它有哪些特性和作用？32計算機的分類-費林分類法單指令流單數(shù)據(jù)流計算機（SISD）本課程主要學(xué)習(xí)的CUPUMMCSDSIS控制部件執(zhí)行部件主存控制流數(shù)據(jù)流指令流33計算機的分類（續(xù)）-費林分類法單指令流多數(shù)據(jù)流計算機(SIMD)CUPU1PU2PUnMM1MM2MMn…………