1、 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 全國(guó)聯(lián)考輔導(dǎo)全國(guó)聯(lián)考輔導(dǎo)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q1.理解單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組理解單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。概念。 q2.理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)和基本實(shí)現(xiàn)方法的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)和基本實(shí)現(xiàn)方法 。q3.能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對(duì)有關(guān)計(jì)能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對(duì)有關(guān)計(jì)

2、算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算、分析，并能算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算、分析，并能對(duì)一些基本部件進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。對(duì)一些基本部件進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程q計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 1. 計(jì)算機(jī)硬件的基本組成 2. 計(jì)算機(jī)軟件的分類 3. 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程q計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)性能指標(biāo) 吞吐量、響應(yīng)時(shí)間；CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時(shí)間；MIPS、MFLOPS。 計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院一、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展q計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言一般可分為三類：機(jī)器語(yǔ)言、 匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。1. 機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言 q從計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史來(lái)看，最初在

3、計(jì)算機(jī)中使用的語(yǔ)言不是高級(jí)語(yǔ)言，而是機(jī)器語(yǔ)言。q用二進(jìn)制代碼表示的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言稱為機(jī)器語(yǔ)言， 機(jī)器語(yǔ)言可以直接在計(jì)算機(jī)硬件中執(zhí)行。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院2. 匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言q用助記符編寫的語(yǔ)言稱為匯編語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言需要通過(guò)匯編程序翻譯成目標(biāo)程序后才可執(zhí)行。q例如，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單加運(yùn)算的匯編程序如下： MOV A, 3 MOV B, 5 ADD A, B HALT計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院3. 高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言q用高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序稱為源程序。q不同語(yǔ)言的源程序，對(duì)應(yīng)有不同的語(yǔ)言處理程序。q語(yǔ)言處理方式有匯編程序、編譯程序、解釋程序三種。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q匯編程序的功能是把匯編語(yǔ)言編寫的源程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)

4、言的目標(biāo)程序，其翻譯過(guò)程稱為匯編。q高級(jí)語(yǔ)言的處理程序，按其翻譯的方法不同，可分為解釋程序與編譯程序兩大類。q解釋程序?qū)υ闯绦虻姆g采用邊解釋、邊執(zhí)行的方法，并不生成目標(biāo)程序；q編譯程序必須先將源程序翻譯成目標(biāo)程序后，才能開始執(zhí)行。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q因此，計(jì)算機(jī)與語(yǔ)言有著密切的聯(lián)系。q可以將計(jì)算機(jī)解題的過(guò)程歸結(jié)為：程序員編寫源程序?qū)⒊绦蜉斎胗?jì)算機(jī)，并由編譯程序編譯成目標(biāo)代碼由硬件裝置運(yùn)行程序，并輸出結(jié)果計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院二、計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展q1. 裸機(jī)：沒(méi)有軟件的機(jī)器，早期的計(jì)算機(jī)屬于這種。q2. 軟件及發(fā)展 軟件（程序系統(tǒng)）：軟件（程序系統(tǒng)）：把能按人的思維進(jìn)行操作的各種程序稱為軟件系

5、統(tǒng)或程序系統(tǒng)。 軟件發(fā)展：軟件發(fā)展： 機(jī)器語(yǔ)言：機(jī)器語(yǔ)言：由0、1各種不同的代碼排列而成，且機(jī)器內(nèi)部有相應(yīng)電路執(zhí)行其代碼的各種操作。 手編程序：手編程序：由人工直接用機(jī)器語(yǔ)言按照指令表編寫的目的程序。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院 匯編語(yǔ)言：匯編語(yǔ)言：用約定的文字符合、數(shù)字按規(guī)定的格式來(lái)表示不同的指令以編制程序。 匯編程序：匯編程序：把匯編語(yǔ)言變成機(jī)器能懂的語(yǔ)言的一種“翻譯程序”。 編譯語(yǔ)言：編譯語(yǔ)言：高級(jí)語(yǔ)言有很多種，如ALGOL、FORTRAN、COBOL、BASIC、PASCAL、C、ADA等。 編譯程序編譯程序：把編譯語(yǔ)言變成機(jī)器能夠識(shí)別的一種“翻譯程序”q總之，軟件的發(fā)展包括：總之，軟件的發(fā)展

6、包括： 機(jī)器語(yǔ)言（手編程序）、匯編語(yǔ)言（匯編程序）、編譯語(yǔ)言（編譯程序）三個(gè)階段以及函數(shù)型語(yǔ)言、邏輯型語(yǔ)言等新的分支。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院三、計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展q1. 1642年Bascale(Pascal)創(chuàng)造了第一臺(tái)加減運(yùn)算器，用于法國(guó)稅收控制，取得了很大的成績(jī)。為紀(jì)念他，有一種編譯語(yǔ)言就是以Pascal命名的。 1694年Leibuliz創(chuàng)造了完整的四則運(yùn)算器。這以階段共同特點(diǎn)是：機(jī)器的每一步運(yùn)算都要人工控制。 19世紀(jì)世紀(jì)20年代年代Babbage提出了自動(dòng)計(jì)算機(jī)的設(shè)想。 1889年年Halleritn提出了用卡片來(lái)存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)的原理，研制了卡片機(jī)。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q2. 20世紀(jì)

7、初IBM和Bell公司研制了許多繼電器式的計(jì)算機(jī)。q3. 1946年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制了第一臺(tái)由程序控制的電子數(shù)字計(jì)算機(jī) ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator，它采用了18800個(gè)電子管，7000個(gè)電阻，10000個(gè)電容，1500個(gè)繼電器；重36噸，長(zhǎng)30米，寬1米，高3米；加法運(yùn)算速度5000次/秒,乘法運(yùn)算速度500次/秒） 主要缺點(diǎn):(1)存儲(chǔ)容量小，只能存儲(chǔ)20個(gè)字長(zhǎng)為10位的十進(jìn)制數(shù)；（2）用線路連接編程，每次解題都要人工改接線，準(zhǔn)備時(shí)間超出運(yùn)算時(shí)間。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q4. 1949年V

8、on.neumann與莫爾小組研制了EDVAC系統(tǒng)。 主要特點(diǎn)：（1）由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成；（2）采用存儲(chǔ)程序方式；（3）采用二進(jìn)制；（4）指令由操作碼和地址組成，按順序存放在存儲(chǔ)器中，由PC指明所在單元的地址；（5）機(jī)器以運(yùn)算器為中心，I/O設(shè)備及MEM間的數(shù)據(jù)都通過(guò)運(yùn)算器。q5. 電子器件的發(fā)展：計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q第一代計(jì)算機(jī)(19461957)-電子管時(shí)代。 主要特點(diǎn):電子管作為開關(guān)元件；使用機(jī)器語(yǔ)言；可以存儲(chǔ)信息；輸入輸出慢。q第二代計(jì)算機(jī)(19581964)-晶體管時(shí)代。 主要特點(diǎn):晶體管代替電子管；采用磁心存儲(chǔ)器；匯編語(yǔ)言取代機(jī)器語(yǔ)言。 q第三

9、代計(jì)算機(jī)(19651971)-中小規(guī)模集成電路時(shí)代。 主要特點(diǎn):集成電路取代晶體管；采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；使用了操作系統(tǒng)等。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q第四代計(jì)算機(jī)(1972至今)-超大規(guī)模集成電路時(shí)代 主要特點(diǎn):采用集成度很高的電路；出現(xiàn)了微處理器等。q第五五代計(jì)算機(jī)（目前）-新一代計(jì)算機(jī)q總之，計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展包括兩個(gè)方面：總之，計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展包括兩個(gè)方面： 硬設(shè)備：硬設(shè)備：看得見的硬件和設(shè)備，如板、卡、盤、打印機(jī)等 硬結(jié)構(gòu)：硬結(jié)構(gòu)：聯(lián)系各硬件的方案，如Von.Neumann結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院四、計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)q1. 研制高速度、強(qiáng)功能的巨型機(jī)；q2. 發(fā)展微型機(jī)及微處理器；q3. 發(fā)展

10、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程；q4. 發(fā)展軟件應(yīng)用工程。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院五、國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)的發(fā)展1. 國(guó)外計(jì)算機(jī)的發(fā)展q1938年Konrad Zuse建成了第一臺(tái)二進(jìn)制的機(jī)電式通用計(jì)算機(jī)Z-1;q1943年Alan Turing等建成了一臺(tái)真空管計(jì)算機(jī);q1945年J.W.Mauchley教授等建成了ENIAC;q1947年由IBM公司和哈佛大學(xué)共同研制成自動(dòng)機(jī)電式哈佛Mark-I計(jì)算機(jī);q1948年曼徹斯特Mark-I成為第一臺(tái)存儲(chǔ)程序的數(shù)字計(jì)算機(jī);q1952年EDVAC研制成功;q1952年IBM研制成第一臺(tái)軍用的存儲(chǔ)程序電子計(jì)算機(jī)IBM701;q1954年Univac1103A成為第一臺(tái)商用計(jì)算機(jī)

11、開發(fā)成功;計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q1956年采用晶體管的Univac商用計(jì)算機(jī)開發(fā)成功;q1960年DEC公司11月研制成PDP-1,第一臺(tái)具有顯示器和鍵盤的商用計(jì)算機(jī);q1961年IBM研制成7030,號(hào)稱超級(jí)計(jì)算機(jī);q1962年英國(guó)研制成Atlas計(jì)算機(jī),首次采用了虛擬存儲(chǔ)器和流水操作;q1964年IBM宣布研制成System/360;q1964年CDC6600研制成功,第一臺(tái)商用超級(jí)計(jì)算機(jī);q1965年DEC推出PDP-8,采用晶體管線路;q1968年Seymour Cray設(shè)計(jì)成功CDC7600超級(jí)計(jì)算機(jī),40MFLOPS;q1971年Intel推出第一個(gè)微處理器芯片4004;計(jì)算機(jī)學(xué)院

12、計(jì)算機(jī)學(xué)院q1972年DEC推出PDP-11;q1975年第一臺(tái)微型機(jī)Altair8800研制成功;q1976年Cray-1研制成功,第一臺(tái)向量結(jié)構(gòu)超級(jí)計(jì)算機(jī);q1977年Tony和Commodore推出商品微機(jī);q1980年Apollo公司研制出第一臺(tái)工程工作站;q1981年IBM推出PC機(jī);q1982年Cray X-MP推出,將兩臺(tái)Cray-1鏈接在一起;q1982年日本強(qiáng)調(diào)“第五代”計(jì)算機(jī)項(xiàng)目;q1985年Cray-2和Connection Machine 研制成功,性能均達(dá)每秒十億次運(yùn)算;q1989年Cray-3研制成功,采用砷化稼芯片;q1991年Cray Y-MP C90研制成功,

13、采用16個(gè)CPU。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院2. 國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)的發(fā)展q1958年我國(guó)第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)投入運(yùn)行（1956年開始設(shè)計(jì)）；q1959年我國(guó)國(guó)產(chǎn)104型大型機(jī)投入運(yùn)行；q1967年我國(guó)第一臺(tái)晶體管大型機(jī)研制成功；q1974年我國(guó)第一臺(tái)多用途集成電路小型機(jī)仿制成功；q1983年12月成功研制巨型機(jī)“銀河機(jī)組”，1億次/秒；q1992年11月19日鑒定了“銀河II機(jī)組”，10億次/秒，4個(gè)CPU，用了5年時(shí)間；q1997年6月成功研制了“銀河III機(jī)組”，100億次/秒，128個(gè)CPU，可擴(kuò)展到2048個(gè)CPU，大規(guī)模并行運(yùn)算；q1999年5月18日鑒定了“探索108集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，160億

14、次/秒。q2008年6月25日“曙光5000”投入運(yùn)行， 230萬(wàn)億次/秒。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院一、一、 計(jì)算機(jī)硬件的基本組成q實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的一個(gè)整體系統(tǒng)。q一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，如下圖所示。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院 寄存器 R O M 中央處理器 運(yùn)算器 R O M( 只讀) P R O M 主 機(jī) 控制器 E P R O M 內(nèi)存儲(chǔ)器 E2P R O M 硬 存儲(chǔ)器 硬盤 S R A M 件 外存儲(chǔ)器 軟盤 R A M( 隨機(jī)) 系 光盤 D R A M 統(tǒng) 鍵盤 輸入設(shè)備 鼠標(biāo) 掃描儀 計(jì) 外設(shè) 算 顯示器 機(jī)

15、 輸出設(shè)備 打印機(jī) 系 繪圖儀 統(tǒng) 操作系統(tǒng) 語(yǔ)言處理程序 系統(tǒng)軟件 服務(wù)性程序 軟 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 件 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)軟件 系 信息管理軟件 統(tǒng) 應(yīng)用軟件 輔助設(shè)計(jì)軟件 文字處理軟件 各種程序包 計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的所有實(shí)體部件的集合。1. 計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)q馮馮.諾伊曼（諾伊曼（Von.Neumann）結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：q由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等五個(gè)部分組成，這就是著名的Von.Neumann結(jié)構(gòu)。如下圖所示。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院I/OI/OMEMMEMALUALUCUCUI/OI/O計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q在Von.Neumann結(jié)構(gòu)

16、中，存在著兩股信息流：控制信息流和數(shù)據(jù)信息流。q控制信息流：控制信息流：把操作者的意圖和命令及時(shí)地傳給執(zhí)行部件，使之有節(jié)奏地啟動(dòng)機(jī)器工作或完成后停機(jī)。q數(shù)據(jù)信息流：數(shù)據(jù)信息流：把待運(yùn)算的內(nèi)容傳送到指定的處所加工，并把結(jié)果送到指定的存儲(chǔ)地點(diǎn)。q兩股信息流都來(lái)源于內(nèi)存儲(chǔ)器，出來(lái)后工控制信息流送到控制器并受控制器的調(diào)度，數(shù)據(jù)信息流則進(jìn)入運(yùn)算器，并在運(yùn)算器按控制器發(fā)來(lái)的命令進(jìn)行加工運(yùn)算。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q為適應(yīng)信息流在各部件的順暢流通，Von.Neumann結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了三種類型的信息流通通路（即三種類型的總線）：地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB和控制總線CB。qCPU發(fā)出的控制命令經(jīng)控制總線CB送I/O

17、、MEM，控制其指定的操作；同時(shí)CPU經(jīng)地址總線AB向MEM、I/O設(shè)備發(fā)送地址，并經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB傳送數(shù)據(jù)，使之協(xié)調(diào)控工作。q總線是計(jì)算機(jī)內(nèi)部信息流通的一個(gè)通路，物理上的一組并行的導(dǎo)線，其數(shù)目與計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)有關(guān)。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q以以CPUCPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)：為中心的雙總線結(jié)構(gòu)：q特點(diǎn)：具有I/O總線和存儲(chǔ)總線，以CPU為中心，處理效率高。因存取數(shù)據(jù)時(shí)必須通過(guò)運(yùn)算器，從而影響了運(yùn)算器的工作效率。I/O I/O 1 1I/O I/O n n. . .CPUCPUMEMMEMI/O BUSI/O BUSMEM BUSMEM BUS計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q以以MEMMEM為中心的雙總線結(jié)構(gòu)：為

18、中心的雙總線結(jié)構(gòu)：q特點(diǎn)：具有I/O總線和存儲(chǔ)總線，以MEM為中心，數(shù)據(jù)處理效率高。I/O I/O 1 1I/O I/O n n. . .MEMMEMCPUCPUI/O BUSI/O BUSMEM BUSMEM BUS計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q單總線結(jié)構(gòu)：?jiǎn)慰偩€結(jié)構(gòu)：q特點(diǎn)：所有的設(shè)備都聯(lián)接同一總線上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增減設(shè)備容易。大多數(shù)微機(jī)都采用這種結(jié)構(gòu)。CPUCPUI/O I/O 1 1MEMMEMI/O I/O 2 2I/O nI/O n計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院2. 計(jì)算機(jī)硬件部件：計(jì)算機(jī)硬件部件：PCPCARARRAMRAMDRDRH HA AB BIRIRIDIDPLAPLAF

19、 F計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院（1）運(yùn)算器q組成：由累加器A，通用寄存器B和算術(shù)邏輯單元ALU組成。q功能：完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。q累加器A(Accumulator):存放歷次累加和的一個(gè)寄存器。（即首先在A里存放一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，當(dāng)它接受另一二進(jìn)制數(shù)時(shí)，在接受過(guò)程中相加，最后A里存放和，通常用觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。）q通用寄存器B:用于存放參加運(yùn)算的另一個(gè)操作數(shù)。q算術(shù)邏輯單元ALU：一種執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的裝置，由加法器和控制門組成。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院（2）存儲(chǔ)器q定義：計(jì)算機(jī)中用于完成記憶功能的設(shè)備叫做存儲(chǔ)器MEM。q功能：存儲(chǔ)器具有按給定地址進(jìn)行寫入/讀出信息，并能長(zhǎng)期保存信息的功能。q

20、字的概念：存入存儲(chǔ)器的信息（一串二進(jìn)制代碼）叫做字。q字的分類：存儲(chǔ)器中的字基本上可分為兩類：一類時(shí)指令（即指令字）；另一類是操作數(shù)（即數(shù)據(jù)字）。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院（3）控制器q控制器由三大部件組成：指令部件、時(shí)序部件和控制部件q指令部件：q程序計(jì)數(shù)器PC(Procedure Count)：存放現(xiàn)行指令地址，通常還決定下一條指令地址，其方法是將現(xiàn)行指令地址加1。q指令寄存器IR(Instruction Register):存放正在執(zhí)行的指令。q指令譯碼器ID(Instruction Decoder):將指令的操作碼譯成相應(yīng)的控制信號(hào)去控制相應(yīng)的電路。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q時(shí)序部件：包括時(shí)鐘源

21、、節(jié)拍發(fā)生器及微操作電路。q控制部件：由各控制電路組成。（4）I/O設(shè)備q輸入設(shè)備的任務(wù)：能將計(jì)算程序、原始數(shù)據(jù)及某些字符以計(jì)算機(jī)能識(shí)別的形式送到機(jī)器中，供機(jī)器自動(dòng)計(jì)算用。q輸出設(shè)備的任務(wù)：能將計(jì)算機(jī)的工作結(jié)果或回答信號(hào)以人能識(shí)別的各種形式表達(dá)出來(lái)。q復(fù)合I/O設(shè)備：既能作為輸入又能作為輸出的設(shè)備。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院二、二、 計(jì)算機(jī)軟件的分類q計(jì)算機(jī)軟件程序數(shù)據(jù)文檔計(jì)算機(jī)軟件程序數(shù)據(jù)文檔q計(jì)算程序，因?yàn)樗菬o(wú)形的東西，稱為計(jì)算程序，因?yàn)樗菬o(wú)形的東西，稱為軟件軟件或軟設(shè)施?；蜍浽O(shè)施。軟件軟件是是指在硬件上運(yùn)行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔。指在硬件上運(yùn)行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)

22、院軟件分類軟件分類操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 語(yǔ)言處理程序語(yǔ)言處理程序服務(wù)性程序服務(wù)性程序應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件辦公軟件包辦公軟件包數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)瀏覽器瀏覽器實(shí)時(shí)控制軟件實(shí)時(shí)控制軟件診斷、排錯(cuò)程序診斷、排錯(cuò)程序反病毒程序反病毒程序備份程序備份程序文件壓縮程序文件壓縮程序卸載程序卸載程序圖形圖像處理軟件圖形圖像處理軟件其它應(yīng)用軟件其它應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院三、三、 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程q計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是不斷地從存儲(chǔ)器中逐條取出指令，送到控制器，經(jīng)分析后送CU產(chǎn)生各種微操作命令，指揮各執(zhí)行部件完成相應(yīng)的操作，直到程序中全部指令執(zhí)行結(jié)束。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q【例如】一段簡(jiǎn)

23、單的匯編源程序如下所示，分析計(jì)算機(jī)的執(zhí)行過(guò)程。 020 020 CLACLA；累加器清；累加器清0 0 021 021 ADD 30ADD 30；（；（ACAC）+ +（3030）ACAC 022 022 STA 40STA 40；（；（ACAC）(40)(40) 023 023 NOPNOP； 空操作空操作 024 024 JMP 21JMP 21； 21 21 PC PC 030 000 006 030 000 006; ; 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 040 040 存和數(shù)存和數(shù); ; 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)q指令的執(zhí)行過(guò)程如下：指令的執(zhí)行過(guò)程如下：計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q(1) CLA指令的指令周期指令的指令周期一個(gè)機(jī)

24、器周期一個(gè)機(jī)器周期一個(gè)機(jī)器周期一個(gè)機(jī)器周期取取指令階段指令階段執(zhí)行指令階段執(zhí)行指令階段開始開始取取指令指令PC+1對(duì)指對(duì)指令令譯碼譯碼執(zhí)行指令執(zhí)行指令取下條指取下條指令令PC+1計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院取出取出CLA指令指令算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器地址寄存器AR地址總線地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBUS累加器累加器AC緩沖寄存器緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器指令寄存器IR指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)狀態(tài)反饋反饋取取指指控制控制執(zhí)行執(zhí)行控制控制cccc+1000 0202021222

25、32430CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 020CLACLA000 021計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器地址寄存器AR地址總線地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBUS累加器累加器AC緩沖寄存器緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器指令寄存器IR指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)狀態(tài)反饋反饋取取指指控制控制執(zhí)行執(zhí)行控制控制cccc+1202122232430CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 020CLACLA00

26、0 021000 000執(zhí)行執(zhí)行CLA指令指令計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q(2) ADD指令的指令周期指令的指令周期一個(gè)機(jī)器周期 一個(gè)機(jī)器周期取取指令階段指令階段執(zhí)行指令階段執(zhí)行指令階段開始開始取取指令指令PC+1對(duì)指令對(duì)指令譯碼譯碼送送操作操作數(shù)地址數(shù)地址取下條指取下條指令令PC+1取出操取出操作數(shù)作數(shù)執(zhí)行加執(zhí)行加操作操作一個(gè)機(jī)器周期計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控

27、制cccc+12021222324303140CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 021ADDADD 30000 021000 022000 030000 0060+6=6000 006取出并執(zhí)行取出并執(zhí)行ADD指令指令計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q(3) STA指令的指令周期指令的指令周期 計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器地址寄存器AR地址總線地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBUS累加器累加器AC緩沖寄存器緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存指令寄存器器IR指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控

28、制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)狀態(tài)反饋反饋取取指指控制控制執(zhí)行執(zhí)行控制控制cccc+120212223243040CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 022STASTA 40000 022000 023000 040000 006000 006000 006取出并執(zhí)行取出并執(zhí)行STA指令指令計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q(4) NOP指令和指令和JMP指令的指令周期指令的指令周期計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器地址寄存器AR地址總線地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBUS累加器累加器AC緩

29、沖寄存器緩沖寄存器DRALU指令寄存器指令寄存器IR指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)狀態(tài)反饋反饋取取指指控制控制執(zhí)行執(zhí)行控制控制cccc+1202122232430CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 024JMP 21JMP 21000 024000 021000 006000 025000 021取出并執(zhí)行取出并執(zhí)行JMP指令指令計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院四、四、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)q現(xiàn)代計(jì)算機(jī)不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是一種電子設(shè)備，而是一個(gè)十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體。它通常由五個(gè)以上不同的級(jí)組成，每一級(jí)都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，如下

30、圖所示。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院虛擬機(jī)器M4 （高級(jí)語(yǔ)言級(jí)） 虛擬機(jī)器M3 （匯編語(yǔ)言級(jí)） 虛擬機(jī)器M2 （操作系統(tǒng)語(yǔ)言） 虛擬機(jī)器M1 （微程序） 應(yīng)用軟件 系統(tǒng)軟件 硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q第一級(jí)是微程序設(shè)計(jì)級(jí)。這是一個(gè)實(shí)在的硬件級(jí)，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微令。 q第二級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。q第三級(jí)是匯編語(yǔ)言級(jí)，它給程序人員提供一種符號(hào)形式語(yǔ)言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行。q第四級(jí)是高級(jí)語(yǔ)言級(jí)，這是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的 。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q在多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中,將除硬件系統(tǒng)(第一層和二級(jí)層)之外的上面三

31、級(jí)層次稱為虛擬機(jī)。所謂虛擬計(jì)算機(jī)是指這個(gè)計(jì)算機(jī)只對(duì)該級(jí)的觀察者存在。對(duì)某一層次的觀察者來(lái)說(shuō)，他只能是通過(guò)該層次的語(yǔ)言來(lái)了解和使用計(jì)算機(jī)，至于下層是如何工作和實(shí)現(xiàn)的就不必關(guān)心了。簡(jiǎn)而言之，虛擬計(jì)算機(jī)即是由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。q層次之間的關(guān)系緊密，上層是下層功能的擴(kuò)展，下層是上層的基礎(chǔ)，層次劃分不是絕對(duì)的。q也可以進(jìn)一步細(xì)分為七級(jí)結(jié)構(gòu)，如下圖所示。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院用用 戶戶 級(jí)級(jí)高高 級(jí)級(jí) 語(yǔ)語(yǔ) 言言 級(jí)級(jí)匯匯 編編 語(yǔ)語(yǔ) 言言 級(jí)級(jí)系系 統(tǒng)統(tǒng) 軟軟 件件 級(jí)級(jí) 機(jī)機(jī) 器器 級(jí)級(jí)控控 制制 級(jí)級(jí)數(shù)數(shù) 字字 邏邏 輯輯 級(jí)級(jí) 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 軟硬件界面軟硬件界面物理機(jī)物理機(jī)虛擬機(jī)

32、虛擬機(jī)硬件硬件固件固件硬件直接執(zhí)行硬件直接執(zhí)行Level 0 (門電路、電子線路門電路、電子線路)Level 1 (微程序或硬布線微程序或硬布線)Level 2 (指令集結(jié)構(gòu)指令集結(jié)構(gòu)ISA)Level 3 (操作系統(tǒng)、庫(kù)代碼操作系統(tǒng)、庫(kù)代碼)Level 4 (匯編語(yǔ)言代碼匯編語(yǔ)言代碼)Level 5 (C+，Java，等，等)Level 6 (可執(zhí)行程序可執(zhí)行程序)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院assemblercomplierOperating SystemlibraryISAS/WH/WApplicationS/W：Software 軟件H/W：Hardware 硬件ISA：Instruction

33、 Set Architecture 指令集結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院一、一、 計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)q要了解一臺(tái)計(jì)算機(jī)的綜合性能可以從以下幾方面來(lái)衡量：1.1.CPUCPUq主頻：主頻是一個(gè)主要性能指標(biāo)，很大程度上決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，單位是MHZ。qCPU時(shí)鐘周期：T=1/fq字長(zhǎng)：字長(zhǎng)標(biāo)志著機(jī)器的計(jì)算精度。q運(yùn)算速度：用“每秒鐘計(jì)算次數(shù)”來(lái)衡量，也可以用“每秒鐘執(zhí)行指令的數(shù)量”來(lái)衡量。q運(yùn)算方式：串行運(yùn)算，并行運(yùn)算。q指令系統(tǒng)：根據(jù)指令功能齊全程度來(lái)衡量。q中斷系統(tǒng)：?jiǎn)沃刂袛?，多重中斷。?jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院2.2.MEMMEMq存儲(chǔ)周期：用存儲(chǔ)器從接收到讀寫命令開始，到完成讀寫操作需要的時(shí)間來(lái)衡量

34、；它反映了存儲(chǔ)器的速度，也直接決定CPU的運(yùn)算速度。q存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器所能存放的最大信息量，一般以字節(jié)為單位。如，1024B即1KB、MB、GB、TB等。3.3.I/OI/Oq基本外設(shè)：機(jī)器能配套工作的必須設(shè)備。q允許配置的最大外設(shè)量：能夠配置的最大外設(shè)數(shù)量。4.4.SoftwareSoftwareq能夠配備軟件功能齊全程度，如操作系統(tǒng)的數(shù)量，在各種操作系統(tǒng)下可支持的語(yǔ)言，應(yīng)用軟件的兼容性。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院二、二、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)1.1.響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間q響應(yīng)時(shí)間是指在用戶向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求后，到系統(tǒng)對(duì)該請(qǐng)求做出響應(yīng)并獲得他所需要的結(jié)果所需的等待時(shí)間，其中包括了訪問(wèn)磁盤和訪問(wèn)主

35、存儲(chǔ)器時(shí)間、CPU運(yùn)算時(shí)間、輸入輸出動(dòng)作時(shí)間以及操作系統(tǒng)工作的時(shí)間開銷等。2.2.吞吐率吞吐率q吞吐率定義為系統(tǒng)響應(yīng)用戶請(qǐng)求的速率。對(duì)于CPU，吞吐率可以表示為每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)，或每秒鐘執(zhí)行的浮點(diǎn)操作次數(shù)。計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院3.CPU3.CPU執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間q單CPU計(jì)算機(jī)的CPU執(zhí)行時(shí)間主要取決三個(gè)因素：時(shí)鐘周期T、每條指令所需時(shí)鐘周期數(shù)CPI（Cycle Per Instruction)和程序中總的指令數(shù)。q設(shè)IN表示要執(zhí)行程序中的指令總數(shù)，TC表示時(shí)鐘周期的時(shí)間長(zhǎng)度，CPI為每條指令所需時(shí)鐘周期數(shù)，則該程序在CPU上運(yùn)行所需的時(shí)間TCPU為：CNCPUTCPIIT計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)

36、學(xué)院q其中指令總數(shù)主要取決機(jī)器指令系統(tǒng)和編譯技術(shù)，每條指令所需的時(shí)鐘周期數(shù)主要與計(jì)算機(jī)組成和指令系統(tǒng)有關(guān)，而時(shí)鐘周期則主要有硬件工藝和計(jì)算機(jī)組成決定。q每條指令平均所需時(shí)鐘周期CPI是執(zhí)行整個(gè)程序所需CPU時(shí)鐘周期與程序中指令總數(shù)之商，或者說(shuō)是執(zhí)行的各種指令的CPI的加權(quán)平均：q式中，Ii表示第i類指令在程序中執(zhí)行次數(shù)，CPIi表示執(zhí)行一條第i類指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)，n為程序中所有的指令總類數(shù)。niiniiiIICPICPI11計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院4.MIPS(Million Instructions Per Second)4.MIPS(Million Instructions Per Second)q衡量CPU性能的一個(gè)指標(biāo)是每秒百萬(wàn)次指令數(shù)每秒百萬(wàn)次指令數(shù)MIPS，它反映計(jì)算機(jī)每秒可執(zhí)行的指令數(shù)。q對(duì)于給定的一個(gè)程序，計(jì)算機(jī)的MIPS指標(biāo)可表示為：q式中，TE表示執(zhí)行該程序所需時(shí)間。610ENTIMIPS計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院q如果TE就是TCPU的話，則：q式中，Rc表示式中速率，它是時(shí)鐘周期TC的倒數(shù)。qMIPS