1概论

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A-PDF PPT TO PDF DEMO: Purchase from http://wendang.chazidian.com to remove the watermark 计算机组成原理 Computer Organization 教学及学习方法 ? ? 在专业中的地位与性质 教学及学习方法 本课程特点 掌握三基本 目标： 目标：建立整机的概念 ? 教学与学习方法： 教学与学习方法：整体 ——> 局部 基本组成 基本原理 基本分析方法 主讲： 主讲：肖铁军 教授 Tel: (0511)88780372 521 E-mail: tj.xiao@http://wendang.chazidian.com http://202.195.167.7/~xtj 江苏大学计算机学院 × ——> 整体 2 教学内容 第一章 计算机系统概论 ?冯·诺依曼结构计算机的基本组成 第二章 运算方法和运算器 ?定点数和浮点数的四则运算， 定点数和浮点数的四则运算，运算器的组织结构及数据加工流程。 运算器的组织结构及数据加工流程。 第三章介绍存储器和存储体系 ?存储位元－ 存储位元－存储器芯片－ 存储器芯片－主存储器； 主存储器； 实验和课程设计 三个层次的要求 ?Base 实验： 实验：部件设计 课程设计： 课程设计：CPU设计 （基础层次） 基础层次） 存储位元－存储器芯片－主存储器； ?高速缓存－ 高速缓存－主存－ 主存－虚拟存储。 虚拟存储。 第四章 指令系统 ?设计原则， 设计原则，寻址技术。 寻址技术。 第五章控制器和中央处理器 ?建立计算机主机的概念， 建立计算机主机的概念，并通过指令执行流程， 并通过指令执行流程，理解计算机的工作原理。 理解计算机的工作原理。 第六章 输入输出系统 ?主机与外设的数据传送方式 第七章系统总线 ?总线仲裁等 3 计算机是做出来的， 计算机是做出来的，不是考 不是考出来的。 出来的。 验证型 ?Standard（标准层次） 标准层次） 有限设计型 ?Advanced（高级层次） 高级层次） 创新设计型 ? 必须先完成低层次的， 必须先完成低层次的，才能转向高一层次 4 实验 ? ? ? ? ? ? ? ? 新版本实验： 新版本实验： 考核 ? ? ? 信号和总线传输 加减运算电路 运算器数据通路 主存储器组织 高速缓冲存储器 微程序控制 微程序的顺序控制 中断接口 考核 笔试： 笔试：70％ 实验： 实验：15％ 平时： 平时：15％ 5 6 网上资源 ? ? 网上资源 我的主页 http://202.195.167.7/~xtj/ 教学日历： 教学日历：章节顺序、 章节顺序、学时安排 课件、 课件、参考资料 实验安排， 实验安排，实验预约 第一章 概论 课程组主页 http://202.195.167.7/zcyl/ 教学大纲、 教学大纲、课件， 课件，实验、 实验、课程设计资料 ?实验室网站 http://202.195.161.28/ ? 什么是计算机： 什么是计算机： 我的邮箱 tj.xiao@http://wendang.chazidian.com 7 具有快速运算 具有快速运算能力 快速运算能力、 能力

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、逻辑判断功能 逻辑判断功能、 功能、存 储功能的电子设备;是不需要人工干预的 信息处理自动机 信息处理自动机。 处理自动机。 第一台数字电子计算机ENIAC， 1946年2月于美国宾西法尼亚州投 入运行。 。 入运行 ENIAC —— Electronic Numerical Integerator And Calculator 1.1 计算机发展概况 冯.诺依曼(Von Neumann)计算机 主要特点 ? 采用二进制 原因： 原因： 电子数字积分和计算器 ? 存储程序控制 程序存储 程序控制 具有两个稳定状态的电子器件容易实现 基数小运算规则简单 1和0与真和假相对应易于实现逻辑运算 抗干扰能力强、 抗干扰能力强、可靠性高 由运算器、 运算器、存储器、 存储器、控制器、 控制器、输入设备和 输入设备和输出设备五大部件组成 输出设备五大部件组成 计算机系统 ? 9 10 计算机的迅速发展 电脑 手机 Eniac, 1946 计算机的发展阶段 ? ? ? ? ? ? ? 11 第一代： 第一代：电子管计算机（ 电子管计算机（1946-1957） 第二代： 第二代：晶体管计算机（ 晶体管计算机（1958-1964） 第三代： 第三代：集成电路计算机（ 集成电路计算机（1964-1972） 第四代： 第四代：大规模集成电路计算机（ 大规模集成电路计算机（1972~ ） LSI: 1~2 逻辑元件： 逻辑元件：电子管， 电子管，延迟线 运算速度： 运算速度：几万次/秒 逻辑元件： 逻辑元件：晶体管， 晶体管，磁芯 运算速度： 运算速度：几十万次/秒 （第一台计算机） 第一台计算机） 逻辑元件： 逻辑元件：中小规模IC(集成电路)，磁盘 运算速度： 运算速度：几百万次/秒 航天 逻辑元件： 逻辑元件：大规模集成电路(LSI)，超大规模IC (VLSI) 万管/片；VLSI: 10万管/片； SLSI, ULSI, GSI 12 IT 1965年4月，Intel公司创始人戈登·摩尔在 第8期《Electronics》杂志上， 杂志上，发表了一篇 文章， 文章，指出集成电路芯片的容量会逐年递增 指出集成电路芯片的容量会逐年递增 翻番， 翻番，而价格上则是相应的逐年递减， 而价格上则是相应的逐年递减，并认 为工艺技术的进步使计算机性能保持非常有 规律的几何级数增长。 规律的几何级数增长。这种论断后来被业界 称为“摩尔定律”。1975年，他做了一些修 正，将翻番的时间从一年调整为18～24个月。 个月。 行业的神话——摩尔定律 Intel 微处理器对摩尔定律的印证 （可从课程网页下载这篇论文） 可从课程网页下载这篇论文） 13 资料来源： 资料来源：http://wendang.chazidian.com/research/silicon/mooreslaw.htm 15 计算机的发展 高性能 无处不在 网络化 智能模拟 第五代： 第五代：智能计算机 第六代： 第六代：生物计算机 发展趋势 ? ? ? ? 1.2

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计算机硬件系统 地址 控制器 程序 数据 输入设备 数据 存储器 存储器 运算器 指令 结果 输出设备 结果 17 18 主存储器（ 主存储器（Main Memory） 功用： 功用：存放程序、 存放程序、数据。 数据。 基本结构： 基本结构： MAR 运算器ALU(Arithmetic Logic Unit) 功用： 功用：算术、 算术、逻辑运算。 逻辑运算。 结构： 结构： T 控制逻辑 MDR Memory Address Register Memory Data Register ALU Memory Bank (存 储 体 ) 运算功能选择 } GRS ◆ 特点： 特点：按地址存取（ 按地址存取（访问） 访问） ◆ ◆ 存储体MB A 000 001 010 011 100 … 10…..1 01…..1 11…..0 01…..0 00…..1 …… B 单元： 单元：一组二进制信息， 一组二进制信息，存放指令字、 存放指令字、数据字。 数据字。 字长： 字长：每单元的位数。 每单元的位数。8位、16位、32位······ 运算器的字长 ? 一次整数加法运算所能处理的二进制数据的位数 19 20 控制器（ 控制器（CONTROLLER） 功用： 功用： 组成： 组成： 依据指令产生操作控制信号 ◆ 程序： 程序：指令的有序集合。 指令的有序集合。 控制信号发生器 时 序 指令译码器 程序计数器 指令寄存器 ………… ◆ （Program Counter） 存放将要执行的指令的地址 （指向存储单元）， 指向存储单元），具有自 ），具有自 增功能。 增功能。 ◆ 指令寄存器IR （ Instruction Register） 存放当前正在执行的指令 ◆ 程序计数器PC 输入/输出设备（ 输出设备（Input/Output Device） 低速： 低速：键盘、 键盘、打印机 高速： 高速：外存（ 外存（硬盘）、 硬盘）、显示器 ）、显示器 计算机主机 ? 运算器 + 控制器 + 存储器 计算机系统 ? 21 ? CPU(Central Processing Unit ) （Instruction Decoder） 分析指令 ◆ 时序部件（Sequencer） ◆ 指令译码器ID 运算器 + 控制器 控制信号发生器 运算器 + 控制器 + 存储器 + 输入设备 + 输出设备 22 总线（ 总线（BUS） 概念及组成 对照： 对照：冯.诺依曼结构 总线（ 总线（BUS） ? ? 总线 ——能为系统中多个部件 分时 共享 的一组 信息传 输线 及 相关逻辑。 相关逻辑。 共享： 共享：总线所连的各部件通过它来传递信息。 总线所连的各部件通过它来传递信息。 分时： 分时：某一时刻只允许一个部件向总线发送信息 分时共享的硬件保障： 分时共享的硬件保障：三态门 输出使能 高阻态 1 DIN EN DOUT ? EN 或 DIN EN 逻 辑 部 件 总线 输出使能 数据输出 数据输入 DOUT （a）三态缓冲器的逻辑符号 23 （b）逻辑部件与总线间的三 态隔离 24 总线（ 总线（BUS） 总线的分类： 总线的分类： ? 1.3 按作用分类： 按作用分类： 数据总线、

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数据总线、地址总线、 地址总线、控制总线 ? 按传输方向分类： 按传输方向分类： 单向总线、 单向总线、双向总线 ? 按位置分类： 按位置分类： 内部总线、 内部总线、系统总线、 系统总线、外部总线 机器语言 ? 硬件能够识别的二进制编码， 硬件能够识别的二进制编码，即指令（ 即指令（Instruction） 汇编语言 高级语言 ? ? ? ? 程序设计语言和计算机的层次结构 以助记符描述的指令 ，即汇编指令 与机器语言的指令一一对应 高级语言层 与机器语言的指令没有简单的对应关系 编译器 无需了解硬件 汇编语言层 汇编器 机器语言层 27 25 计算机的层次结构模型 高级语言层 系统软件虚拟机 1.4 ? ? ? ? 机器字长 计算机的主要性能指标 汇编语言层 操作系统层 机器语言层 硬件逻辑层 28 计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数 即运算器进行定点数运算的字长 通常也是CPU内部数据通路的宽度 与主存储器字长可以是相同的，也可以不相同 不相同时， 不相同时，一般是主存储器字长小于机器字长 ，会降低CPU的工作效率 物理机（ 物理机（属计算机 原理范围） 原理范围） 30 1.4 运行速度 计算机的主要性能指标 ） MFLOPS = 1.4 ?MFLOPS Million Floating-point Operations Per Second （ 每秒执行多少百万次浮点运算 运行速度 ?CPI 计算机的主要性能指标 （Cycles Per Instruction） CPI = 取决于机器和程序两个方面 基准测试程序（ （Benchmark） 基准测试程序 MFLOPS – Linpack – Whetstone 程序中的浮点操作次数 执行时间× 106 执行每条指令所需的平均时钟周期数 ?MIPS Million Instruction Per Second 单位时间内执行指令的平均条数 MIPS = （ 执行程序所需的时钟周期数 程序中的指令条数 ） 程序中的指令条数 程序执行时间 × 10 6 31 32 1.4 ? 以机器主频衡量机器的运行速度 主频与CPI、MIPS之间的关系 MIPS = CPI 计算机的主要性能指标 主时钟频率 CPI × 10 6 本章小结 不变时， 不变时，主频越高， 主频越高，速度越快 冯.诺依曼结构特点 计算机的组成部件 计算机的主要性能指标 作业 1.1 1.2 练习： 练习： 下列选项中， ，描述浮点数操作速度指标的是 下列选项中 A．MIPS B．CPI C．IPC D．MFLOPS 33 冯?诺依曼结构的主要设计思想是什么？ 什么？ 计算机系统有哪五大部件组成？其中主机包含哪些部件？CPU 包含哪些部件？ 1.3 解释存储器字长、 存储器字长、运算器字长和机器字长的概念， 运算器字长和机器字长的概念，它们之间有 什么关系？ 1.4 什么是总线？三态缓冲器作为总线应用中必不可少的逻辑元 件，它有哪些特性和作用？ 34 

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