計算機組成原理計算機學院計算機系統(tǒng)概論11.1計算機的發(fā)展與應用1.2計算機系統(tǒng)1.3計算機的基本組成1.4計算機硬件的主要性能指標主要學習目標（1）了解計算機的發(fā)展與應用；（2）掌握計算機系統(tǒng)的層次結構和馮·諾依曼計算機的基本結構；（3）理解計算機的工作步驟；（4）熟練掌握計算機主要性能指標及其計算方法；重點/難點：主要性能指標的計算。1.1計算機的發(fā)展與應用一種通用的計算機模型分類確定性、非確定性單帶、雙帶確定性單帶圖靈機組成：雙向無限長的磁帶、讀寫磁頭、

有限狀態(tài)控制器圖靈機1.1計算機的發(fā)展與應用ElectronicNumericalIntegratorandComputer

電子數(shù)值積分計算機研制者：賓夕法尼亞大學教授JohnMauchly（莫奇利）J.PresperEckert（?？嗣摚┠康能娛路眨河嬎銖椀辣鞥NIAC：世界上第一臺電子數(shù)字計算機（1946）

20個字長為10位的十進制數(shù)外接線路，非“程序存儲”有人評價：“彈道計算的速度比炮彈飛行的速度還快”“這樣的機器，全世界只要有兩臺就足夠了”——計算機的始祖1.1計算機的發(fā)展與應用1.1計算機的發(fā)展與應用現(xiàn)代電子計算機之父美籍匈牙利科學家馮·諾依曼EDVAC設計方案中提到兩個設想：采用二進制和“存儲程序”對現(xiàn)代計算機至關重要，馮·諾依曼機體系延續(xù)至今ElectronicsDiscreteVariableAutomaticComputer

離散變量自動電子計算機現(xiàn)代電子計算機的基礎改進二進制：EDVAC首先提出了計算機采用“二進制”代碼表示數(shù)據(jù)和指令“存儲程序”原理：計算機能夠存儲程序，能夠自動地執(zhí)行程序1.1計算機的發(fā)展與應用EDVAC：第一臺馮·諾依曼結構計算機（1949）1.1計算機的發(fā)展與應用ElectronicsDelayStorageAutomaticComputer

電子延遲存儲自動計算機研制者英國劍橋大學數(shù)學實驗室莫里斯·威爾克斯教授改進水銀延遲線作存儲器，利用穿孔紙帶輸入和電傳打字機輸出EDSAC：第一臺存儲程序式的計算機（1949）計算機的存儲結構馮·諾依曼結構（普林斯頓結構）

無差別的數(shù)據(jù)/程序存儲器哈佛結構

獨立的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器

可以進一步包含獨立的地址和數(shù)據(jù)總線

應用：DSP混合結構

外部（主存）：普林斯頓結構

內部（緩存/L1）：哈佛結構1.1計算機的發(fā)展與應用計算機的發(fā)展歷程電子管晶體管VLSI電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路到超大規(guī)模集成電路1945年，上海鑫泰昌儀器廠成立1960年，由上海遷來濟南成立教學儀器廠1970年，浪潮生產(chǎn)的晶體管用于東方紅一號衛(wèi)星1983年，第一臺浪潮微機誕生1988年，浪潮PC獲得中國質量最高獎1990年，發(fā)布漢字尋呼標準，推出全球第一臺漢字尋呼機1993年，開發(fā)出中國第一臺小型機服務器2007年，高效能服務器和存儲技術國家重點實驗室落戶浪潮2008年，承擔國家高端容錯服務器重大專項2009年，承擔國家海量存儲重大專項2010年，發(fā)布“云?！睉?zhàn)略，發(fā)布云計算整體方案，向云計算轉型2011年發(fā)布“云海”集裝箱數(shù)據(jù)中心，發(fā)布云海OS操作系統(tǒng)1980-1993個人電腦時代1945-1980大型機時代2010--云計算時代1993-2010互聯(lián)網(wǎng)時代IC

(Integrated

Circuit;集成電路)1.1計算機的發(fā)展與應用1.1計算機的發(fā)展與應用計算機的主要特點1.運算速度快2.計算精度高3.記憶能力強4.具有邏輯判斷能力5.自動完成各種操作6.可靠性高7.高通用性巨型化（Large）微型化（Minisize）智能化（Brainpower）多媒體化（Multimedia）網(wǎng)絡化（Network）計算機的發(fā)展趨勢1.1計算機的發(fā)展與應用巨型化超算：運算速度可達每秒幾百億次運算的超級計算機（HPC)1975年世界上第一臺超級計算機“Cray-I”應用：天氣預報、地震機理研究、石油和地質勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學計算的高科技領域中國超算：截至2019年11月，中國共228臺超算上榜，蟬聯(lián)上榜數(shù)量第一；總算力美國占比37.1%，中國占比32.3%國家并行計算機工程技術研究中心研制的神威·太湖之光超級計算機，安裝了40960個中國自主研發(fā)的神威26010眾核處理器，該眾核處理器采用64位自主申威指令系統(tǒng)，峰值性能3,168萬億次每秒，核心工作頻率1.5GHz，安裝在國家超級計算無錫中心，一分鐘計算能力相當于全球70億人同時使用計算機不間斷計算32年國防科技大學研制的“銀河1號”、“銀河2號”和“銀河3號”國家智能計算機中心推出的“曙光1000”和“曙光2001”銀河Ⅱ神威·太湖之光CRAY-I1.1計算機的發(fā)展與應用2023.6超算TOP500第61期榜單/lists/top500/排名名稱開發(fā)國家核心運算性能(PFlop/s)峰值

(PFlop/s)

功率

(kW)1前沿(Frontier)美國8,699,9041,194.001,679.8222,7032富岳日本7,630,848442.01537.2129,8993LUMI芬蘭2,220,288309.10428.706,0164萊昂納多(Leonardo)意大利1,824,768238.70304.477,4045頂點(Summit)美國2,414,592148.60200.7910,0966山脊(Sierra)美國1,572,48094.64125.717,4387神威·太湖之光中國10,649,60093.01125.4415,3718Perlmutter美國761,85670.8793.752,5899Selene美國555,52063.4679.222,64610天河2A中國4,981,76061.44100.6818,4821.1計算機的發(fā)展與應用微型化計算機不再是單一的計算機器，而是一種信息機器，一種個人的信息機器Altair88001.1計算機的發(fā)展與應用人類第一個“工業(yè)機器人”：

一頭在紡織機上挑紗的“驢”（1742年）第一代機器人

機械手（1962年出現(xiàn)）第二代機器人

具有“感覺”的機器人第三代機器人

裝有啟發(fā)式計算機的“智能機器人”智能化“總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的‘沒有靈魂的機械’來”

——笛卡爾（1637）DeepblueGarryKasparov1997.5.11，IBM的深藍計算機

擊敗世界象棋大師卡斯帕羅夫2023.8，國家重點研發(fā)計劃“智能機器人”重點專項“重大科學基礎設施FAST運行維護作業(yè)機器人系統(tǒng)”項目在“中國天眼”通過現(xiàn)場驗收，標志著“中國天眼”進入智能機器人運維時代1.1計算機的發(fā)展與應用多媒體化早期的計算機處理的信息主要是字符和數(shù)字多媒體技術可以集圖形、圖像、音頻、視頻、文字為一體，使信息處理的對象和內容更加接近真實世界1.1計算機的發(fā)展與應用網(wǎng)絡化計算機網(wǎng)絡：

計算機技術與通信技術結合的產(chǎn)物計算機網(wǎng)絡的發(fā)展動力：

使用遠程資源，共享程序、數(shù)據(jù)和信息資源，網(wǎng)絡用戶的通訊和合作典型應用：在現(xiàn)代企業(yè)\商業(yè)、教育、醫(yī)療、娛樂等領域中的廣泛應用1.1計算機的發(fā)展與應用計算機的分類按其處理問題的規(guī)模、速度……巨型機大/中型機小型機微型機基本區(qū)別通常在于機器體積的大小、結構的復雜程度、功率的消耗、性能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)和設備、軟件配置等不同1.1計算機的發(fā)展與應用計算機的分類按其工作模式服務器

工作站1.1計算機的發(fā)展與應用通用計算機專用計算機按用途1.1計算機的發(fā)展與應用計算機的分類1.1計算機的發(fā)展與應用計算機的應用計算機的應用人工智能(智能模擬)網(wǎng)絡應用多媒體技術過程控制(實時控制)輔助技術數(shù)據(jù)處理(信息處理)科學計算(數(shù)值處理)嵌入式系統(tǒng)科學計算（數(shù)值計算）用于完成科學研究和工程技術中提出的數(shù)學問題的計算計算機在處理計算量大、時間性強的數(shù)值計算中尤其表現(xiàn)出巨大威力1.1計算機的發(fā)展與應用數(shù)據(jù)處理（非數(shù)值計算）也叫信息處理。指對大量的數(shù)據(jù)進行加工處理，例如收集、分析、合并、分類、排序、統(tǒng)計等，形成有用的信息。在辦公自動化、事務管理和情報檢索等領域應用十分廣泛計算機應用管理所占比重越來越大，帶來的效益十分明顯計算機輔助CAD—ComputerAidedDesign計算機輔助設計：利用計算機的圖形功能做各種設計工作CAM—ComputerAidedManufacture計算機輔助制造：利用計算機管理、控制生產(chǎn)設備及其操作CAI—ComputerAidedInstruction計算機輔助教學：利用多媒體計算機的圖、文、聲功能實施教學1.1計算機的發(fā)展與應用過程控制也叫實時控制。指用計算機及時采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后，按最佳值迅速地對控制對象進行控制計算機過程控制已在冶金、石油、化工、紡織、水電、機械、航天等部門得到廣泛的應用?？商岣呖刂频募皶r性和準確性，從而改善勞動條件、提高質量、節(jié)約能源、降低成本1.1計算機的發(fā)展與應用人工智能指模擬人腦進行演繹推理和采取決策的思維過程人工智能的主要目的是用計算機來模擬人的智能。包括：模式識別、景物分析、自然語言理解和生成、專家系統(tǒng)、機器人等1.1計算機的發(fā)展與應用網(wǎng)絡應用計算機技術與現(xiàn)代通信技術的結合構成了計算機網(wǎng)絡計算機與計算機之間的通訊，各種軟、硬件資源的共享，也大大促進了國際間的文字、圖像、視頻和聲音等各類數(shù)據(jù)的傳輸與處理1.1計算機的發(fā)展與應用隨著計算機技術的發(fā)展與成熟，人們有能力將文本、音頻、視頻、圖形、圖像和動畫等媒體綜合起來，構成一種全新的概念，即多媒體（Multimedia）多媒體技術嵌入式應用將微處理器芯片嵌入到應用系統(tǒng)或設備中而構成嵌入式應用。一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)及用戶的應用程序四個部分組成嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，采用可剪裁軟硬件，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)電子標簽PDAIC卡嵌入式開發(fā)應用廣泛1.1計算機的發(fā)展與應用我國計算機發(fā)展概述1.1計算機的發(fā)展與應用中國的計算機（主要指電子計算機）事業(yè)起步于20世紀50年代中期，與國外同期的先進計算機水平相比，起步晚了約10年，在發(fā)展過程中，經(jīng)歷了各種困難經(jīng)歷了西方大國的封鎖、中蘇關系惡化、三年自然災害等各種困境。直到現(xiàn)在，西方一些國家還在對我們進行技術封鎖和制裁經(jīng)過我國幾代科研人員，如華羅庚、胡世華、閔乃大、王傳英、吳幾康、夏培肅、徐獻瑜、張效祥等老一輩科學家及更多的默默付出的科研工作者們艱苦卓絕的奮斗，使中國計算機的研制水平已經(jīng)開始達到國際前沿水平小知識1.1計算機的發(fā)展與應用同學們，你們認為當下我國計算機的發(fā)展水平在全球處于怎樣的位置呢？我國在計算機領域的優(yōu)勢與不足分別體現(xiàn)在哪些方面？計算機的發(fā)展與應用計算機的發(fā)展簡史計算機的主要特點計算機的發(fā)展趨勢計算機的分類計算機的應用我國計算機發(fā)展概述電子管，晶體管，集成電路，大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路，人工智能運算快，精度高，記憶強，具邏輯判斷能力，自動，高可靠性和高通用性巨型化，微型化，智能化，多媒體化，網(wǎng)絡化按規(guī)模：巨，大，小，微按工作模式：服務器，工作站按用途：通用，專用科學計算，數(shù)據(jù)處理，輔助技術，過程控制人工智能，網(wǎng)絡應用，多媒體技術，嵌入式系統(tǒng)1.1計算機的發(fā)展與應用計算機系統(tǒng)概論11.1計算機的發(fā)展與應用1.2計算機系統(tǒng)1.3計算機的基本組成1.4計算機硬件的主要性能指標1.2計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)組成硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主機外設輸入設備輸出設備外存儲器其他設備中央處理器內存儲器總線輸入、輸出接口運算器控制器隨機存儲器只讀存儲器系統(tǒng)軟件應用軟件通用軟件專用軟件操作系統(tǒng)語言處理程序數(shù)據(jù)庫管理程序等定義：能按照事先存儲的程序，自動、高速地對數(shù)據(jù)進行輸入、處理、輸出和存儲的高度自動化的電子設備主要組成硬件：計算機系統(tǒng)中的實體部分，由電子、磁、光、機械等元器件組成，包含五大部件軟件：在計算機硬件上運行的各種程序和有關文檔的總稱1.2計算機系統(tǒng)1.2計算機系統(tǒng)硬件與軟件的關系計算機系統(tǒng)的軟件與硬件可以相互轉換，即二者在功能上是等價的二者之間沒有固定不變的界面，物理實現(xiàn)時綜合衡量性價比軟化：硬件——軟件，例如：解壓卡固化：軟件——硬件，例如：復雜算術指令計算機系統(tǒng)的層次結構本質：各個層次是針對特定觀察者（或者說不同使用者）的機器視圖實際機器：直接執(zhí)行機器語言（機器指令）的計算機系統(tǒng)，物理機虛擬機：是一個抽象的計算機，由軟件實現(xiàn)，并與實際機器一樣，都具有一個指令集并可使用不同的存儲區(qū)域操作系統(tǒng)虛擬機：實際機器+操作系統(tǒng)命令匯編語言虛擬機：實際機器+匯編指令接口1.2計算機系統(tǒng)從語言功能角度劃分的層次結構應

用

語

言

級高級語言級匯編語言級系統(tǒng)軟件級機

器

語

言

級微

指

令級

應用軟件

系統(tǒng)軟件

軟硬件界面物理機虛擬機硬件固件Level0(微程序)Level1(指令、指令集)Level2(操作系統(tǒng)、庫代碼)Level3(匯編語言代碼)Level4(C++，Java等)Level5(可執(zhí)行程序)1.2計算機系統(tǒng)1.2計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機硬件和軟件計算機系統(tǒng)的層次結構硬件的概念軟件的概念硬件和軟件之間關系微程序機器，傳統(tǒng)機器，操作系統(tǒng)虛擬機，匯編語言虛擬機，高級語言虛擬機，應用語言虛擬機計算機系統(tǒng)概論11.1計算機的發(fā)展與應用1.2計算機系統(tǒng)1.3計算機的基本組成1.4計算機硬件的主要性能指標1.3計算機的基本組成計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成采用存儲程序的方式，指令和數(shù)據(jù)以同等地位存放于存儲器內，并可按地址尋訪指令和數(shù)據(jù)均以二進制碼表示指令由操作碼和地址碼組成指令在存儲器中按順序存放，由指令計數(shù)器(即程序計數(shù)器PC)指明要執(zhí)行的指令所在的單元地址，一般按順序遞增，但可按運算結果或外界條件而改變機器以運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都通過運算器原始的/典型的馮·諾依曼機馮·諾依曼計算機的基本特點算術運算邏輯運算存放數(shù)據(jù)和程序將信息轉換成機器能識別的形式將結果轉換成人們熟悉的形式指揮程序運行存儲器輸入設備運算器控制器輸出設備1.3計算機的基本組成原始的/典型的馮·諾依曼計算機結構框圖數(shù)據(jù)線控制線和反饋線程序存儲器輸出設備輸入設備運算器控制器數(shù)據(jù)結果計算運行前，程序（指令）和數(shù)據(jù)通過輸入設備存放到存儲器中運行時，存儲器中的指令一條一條地送到控制器并執(zhí)行，存儲器中的數(shù)據(jù)則送到運算器參與運算運算結果（數(shù)據(jù)）既可送回存儲器，也可通過輸出設備輸出控制器根據(jù)程序（指令）對各部件進行控制1.3計算機的基本組成現(xiàn)代馮·諾依曼計算機結構框圖數(shù)據(jù)線控制線反饋線硬件運算器ALU（ArithmeticalLogicalUnit）

執(zhí)行算、邏運算的功能部件算術邏輯部件：是運算器的核心，它主要由加法器和有關數(shù)據(jù)通路組成累加器、寄存器部件：用來提供參與運算的操作數(shù)，并存放運算結果控制器CU（ControllerUnit）

指揮中心，負責對程序規(guī)定的控制信息進行分析、控制和協(xié)調

計算機的基本操作可歸納為取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個階段程序計數(shù)器PC：存放當前欲執(zhí)行指令的地址指令寄存器IR：存放當前欲執(zhí)行的指令二者合稱中央處理器CPU(CentralProcessingUnit)1.3計算機的基本組成存儲器Memory

存儲器的功能是存放程序和數(shù)據(jù)，分為內存和外存。內存容量小，但存取速度快；外存容量大，但存取速度慢。內存包括ROM和RAM；外存有磁盤(又分軟、硬)、磁帶、光盤目前主存都制成大規(guī)模集成電路芯片，將MAR、MDR集成在CPU芯片中存儲字長、指令字長、數(shù)據(jù)字長可以不同，但必須是字節(jié)的整數(shù)倍1.3計算機的基本組成硬件

設MAR=4位

MDR=8位MARMDR存儲字長8存儲器地址寄存器反映存儲單元的個數(shù)存儲器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲字長存儲單元個數(shù)16存儲容量=24×8位=16B輸入設備Inputdevice

常用的輸入設備有鍵盤、磁帶機、磁盤機、數(shù)字化儀、鼠標器、光標光筆等輸出設備Outputdevice

常用的輸出設備有顯示器、打印機、磁帶機、磁盤機、繪圖儀等二者合稱輸入輸出設備(系統(tǒng))：I/O設備(系統(tǒng))1.3計算機的基本組成硬件現(xiàn)代計算機組成框圖也可認為由三大部件組成：CPU和MM合起來可稱為主機，I/O也稱外設ALUCPU主機I/O設備CU主存MM外設數(shù)據(jù)線控制線反饋線1.3計算機的基本組成1.3計算機的基本組成計算機硬件系統(tǒng)由（）和（）組成。計算機硬件系統(tǒng)由（）和（）和（）組成。計算機硬件系統(tǒng)由（）、（）、（）、（）和（）組成?！揪毩暋?.3計算機的基本組成在計算機中，各部件間來往的信號可分成三種類型，即地址、數(shù)據(jù)和控制信號。通常這些信號是通過總線傳送的總線結構是現(xiàn)代計算機廣泛采用的一種信息傳輸方式總線是連接PC機CPU、存儲器和外部設備的公共信息通道按用途分為控制總線、數(shù)據(jù)總線和地址總線三大類計算機的總線結構1.3計算機的基本組成單總線連接的計算機框圖兩大基本特征：分時、共享地址流、數(shù)據(jù)流、控制流1.3計算機的基本組成軟件定義：在計算機硬件上運行的各種程序和有關文檔的總稱

軟件是一系列按照特定的順序組織的計算機數(shù)據(jù)和指令的集合（Wiki）一臺未裝任何軟件的計算機稱為裸機分類系統(tǒng)軟件應用軟件1.3計算機的基本組成系統(tǒng)軟件用來支持應用軟件開發(fā)和運行的管理性軟件

（1）操作系統(tǒng)：控制和管理系統(tǒng)資源，是用戶和計算機硬件的接口（2）語言處理程序（解釋、編譯）（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（4）各種服務支撐軟件（5）各種標準程序1.3計算機的基本組成應用軟件運行在系統(tǒng)軟件提供的工作環(huán)境下，是為解決各種工程實際問題而編制的程序（1）應用軟件包：指為解決帶有通用性問題而研究開發(fā)的程序，可供用戶根據(jù)實際需要選用（2）用戶程序：針對用戶要解決的特定問題而編制的程序1.3計算機的基本組成計算機的語言定義：編程語言（程序設計語言）是一組用來定義計算機程序的語法規(guī)則問題人解決方法程序計算機結果語言分類：機器語言匯編語言高級語言執(zhí)行符號和規(guī)則1950年代前

機器語言

/匯編語言1950年代后

過程式語言，F(xiàn)ortran1970年代

C語言出現(xiàn)1980年代后

面向對象語言，C++1995年后

JAVA出現(xiàn)1.3計算機的基本組成機器語言定義：用0和1表示的最原始的、機器唯一能夠識別的程序設計語言實例：1000100111011000（16位指令）紙帶/卡片上的孔（有孔為1，無孔為0）途徑：打孔1.3計算機的基本組成匯編語言定義：一種用助記符來表示的面向機器的程序設計語言。計算機不能直接識別，需要編譯成機器語言表示的目標程序。通用性較差。實例：1000100111011000（16位指令）movax,bx途徑：人工輸入+匯編程序（匯編器）輸出1.3計算機的基本組成高級語言實例：1000100111011000（16位指令）movax,bxb=a途徑：人工輸入+編譯/鏈接程序+匯編程序（匯編器）輸出定義：面向過程的、獨立于計算機的通用語言。需要經(jīng)編譯程序或解釋程序翻譯成目標程序，計算機才可運行。一種更接近于人類自然語言和數(shù)學語言的語言，可減少編程人員的勞動，具較好可移植性1.3計算機的基本組成計算機的工作過程可歸結為取指令→分析指令→執(zhí)行指令→再取下一條指令…一次循環(huán)稱為計算機的一個指令周期程序對計算機的控制可歸結為每個指令周期中指令對計算機的控制1.3計算機的基本組成由各部件的工作過程→程序運行過程(1)存儲器存儲體大樓存儲單元

存放一串二進制代碼存儲字存儲單元中二進制代碼的組合存儲字長存儲單元中二進制代碼的位數(shù)每個存儲單元賦予一個地址號按地址尋訪(3個好處)–存儲單元–存儲元件–

房間–

床位MDR主存儲器存儲體MAR存儲基元、存儲元1.3計算機的基本組成由各部件的工作過程→程序運行過程(2)運算器ACCMQX運算器MQACCALUX被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位1.3計算機的基本組成由各部件的工作過程→程序運行過程(2)運算器①加法操作過程運算器MQACCALUXACC

被加數(shù)ACC初態(tài)[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M1.3計算機的基本組成由各部件的工作過程→程序運行過程(2)運算器②減法操作過程運算器MQACCALUX指令減MACC

被減數(shù)ACC初態(tài)[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC1.3計算機的基本組成由各部件的工作過程→程序運行過程(2)運算器③乘法操作過程運算器MQACCALUXACCACC

被乘數(shù)初態(tài)MQ[M]MQ指令乘MX[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ1.3計算機的基本組成由各部件的工作過程→程序運行過程(2)運算器④除法操作過程運算器MQACCALUXACC

被除數(shù)ACC初態(tài)[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余數(shù)在ACC中指令除M[M]

XX1.3計算機的基本組成由各部件的工作過程→程序運行過程(3)控制器取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCU取指執(zhí)行IR指令寄存器：存放當前欲執(zhí)行的指令訪存完成一條指令CU控制單元PCIRCUPC程序計數(shù)器：存放當前欲執(zhí)行指令的地址OPAD1.3計算機的基本組成由各部件的工作過程→程序運行過程(4)計算機完成一條指令的過程CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O設備12356789以取數(shù)指令為例41.3計算機的基本組成由各部件的工作過程→程序運行過程(4)計算機完成一條指令的過程以存數(shù)指令為例123567984CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O設備計算機是如何區(qū)分指令和數(shù)據(jù)的？1.3計算機的基本組成由各部件的工作過程→程序運行過程(5)a+b-c程序的運行過程主存儲器00取數(shù)0501加法0602減法0703存數(shù)0804停機05a06b07c08主存中有關單元的內容運算器的簡單框圖ALU累加器存儲數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線a=3b=2c=1323+2515-1441.3計算機的基本組成由各部件的工作過程→整機工作過程(5)a+b-c程序的運行過程執(zhí)行取數(shù)指令，從主存05號單元取出數(shù)a，送入累加器執(zhí)行加法指令，將累加器中的內容a與主存06單元取出的數(shù)b一起送到ALU中相加，結果保留在累加器中執(zhí)行存數(shù)指令，把累加器中的內容存至主存08號單元執(zhí)行停機指令執(zhí)行減法指令，將累加器中的內容與主存07單元取出的數(shù)c一起送到ALU中相減，結果保留在累加器中計算機的基本組成馮?諾依曼計算機的特點馮?諾依曼計算機的硬件組成計算機的總線結構計算機的語言計算機的工作步驟從以運算器→存儲器為中心，二進制，存儲程序運算器：ALU，ACC，X，MQ控制器：CU，PC，IR存儲器：MAR，MDR輸入/輸出設備地址線、數(shù)據(jù)線、控制線機器語言，匯編語言，高級語言各部件的組成和工作步驟單條指令的工作步驟簡單程序的解題過程各主要部件的功能1.3計算機的基本組成計算機系統(tǒng)概論11.1計算機的發(fā)展與應用1.2計算機系統(tǒng)1.3計算機的基本組成1.4計算機硬件的主要性能指標1.4計算機的主要性能指標機器字長主頻主存容量時鐘周期運算速度兼容性1.4計算機的主要性能指標機器字長CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)，與CPU中的寄存器位數(shù)有關通常機器字長都是字節(jié)的1、2、4、8倍，微型機有8、16、32、64位的字長，當前常用微處理器的字長為64位32位的機器字長最大可尋址4GB的存儲空間

232=230

22=1GB

4=4GB1.4計算機的主要性能指標主頻指CPU內核工作的時鐘頻率，即CPU在單位時間內發(fā)出的脈沖數(shù)目與CPU實際的運算能力之間不是唯一的、直接關系主頻=外頻倍頻。外頻即系統(tǒng)總線，CPU與周邊設備傳輸數(shù)據(jù)的頻率，即CPU到芯片組之間的總線速度。倍頻可使系統(tǒng)總線工作在相對較低的頻率上，CPU速度可通過倍頻（通常以0.5的倍率增長）來無限提升通常以MHz為單位，1Hz表示每秒1次1.4計算機的主要性能指標主存容量存儲器存放二進制信息的位數(shù)或字節(jié)數(shù)存儲容量=存儲單元個數(shù)

存儲字長=字數(shù)字長如：存儲單元256K個，按字節(jié)編址（意為存儲字長8位），則存儲容量=256K×8b=2Mb，或256K×1字節(jié)=256KB又如：存儲字長占2個字節(jié)（即16位），共128K個字，則存儲容量

=128K×16b=2Mb，或128K×2字節(jié)=256KB再如：MARMDR容量108

24321K×8位16M×32位220×24單位通常意義實際意義KB(Kilo)千字節(jié)103210B=1024BMB(Mega)兆字節(jié)106220B=210KB=1024KB=1024*1024BGB(Giga)吉字節(jié)109230B=210MB=1024MB=1024*1024*1024BTB(Tera)太字節(jié)1012

240B=210GB=1024GB=…PB(Peta)皮、帕1015250B=210TB=1024TB=…EB(Exa)艾字節(jié)1018260B=210PB=1024PB=…ZB(Zetta)澤字節(jié)1021270B=210EB=1024EB=…YB(Yotta)堯字節(jié)1024280B=210ZB=1024ZB=…1.4計算機的主要性能指標主存容量——常用存儲容量單位1.4計算機的主要性能指標2n20212223242526272829210十進制12481632641282565121024210：KB220：MB230：GB240：TB64MB=128GB=512KB=210×29=219B220×26=226B230×27=237B主存容量——單位之間的換算1.4計算機的主要性能指標時鐘周期時鐘周期也稱為振蕩周期，與時鐘頻率f(主頻)互為倒數(shù)：T(單位：s)=1/f(單位：Hz)時鐘周期是計算機中最基本的、最小的時間單位，也稱節(jié)拍脈沖或T周期周期越大，頻率越小，反之亦然1毫秒(ms)=0.001秒(s)=10-3秒=1KHz1微秒(μs)=0.000001秒(s)=10-6秒=1MHz1納秒(ns)=0.000000001秒(s)=10-9秒=1GHz在一個時鐘周期內，CPU僅完成一個最基本的動作1.4計算機的主要性能指標運算速度綜合指標，與主頻、執(zhí)行何種操作及主存本身速度等因素有關(1)平均運算速度，吉普森法（Gibson）(2)CPI（ClockcyclesPerInstruction）執(zhí)行一條指令(平均)所需時鐘周期數(shù)(3)MIPS（MillionInstructionsPerSecond）每秒執(zhí)行多少百萬條指令(4)FLOPS（Floating-PointOperationsPerSecond）每秒浮點運算次數(shù)MFLOPS每秒百萬次浮點運算數(shù)（MillionFloating-PointOperationsPerSecond）GFLOPS每秒千兆浮點運數(shù)（GigaFloating-PointOperationsPerSecond）1.4計算機的主要性能指標運算速度(1)吉普森法（Gibson）每條指令的出現(xiàn)頻率和它們在全部操作中所占的百分比=ni

=1fi

tiTM

TM為機器運行速度，fi為第i種指令出現(xiàn)的頻率，ti為第i種指令的執(zhí)行時間其中fi有兩種計算方式：指令的靜態(tài)使用頻率指令的動態(tài)使用頻率1.4計算機的主要性能指標運算速度(2)CPI（ClockcyclesPerInstruction）執(zhí)行一條指令(平均)所需時鐘周期數(shù)CPI=程序中所有指令的時鐘周期數(shù)之和/程序指令總數(shù)

=∑(程序中各類指令的CPI×程序中該類指令的比例)IPC(InstructionperClock)一個時鐘周期可以執(zhí)行多少條指令(并行)

IPC=1/CPI例：某計算機指令系統(tǒng)中各類指令所占比例及CPI如下表所示，求程序的CPI指令類型CPI指令比例算術和邏輯160%Load/Store218%轉移412%Cache缺失訪存810%解：CPI=1×60%+2×18%+4×12%+8×10%=2.241.4計算機的主要性能指標運算速度(3)MIPS（MillionInstructionsPerSecond）每秒執(zhí)行多少百萬條指令MIPS指令條數(shù)執(zhí)行時間×106==

主頻fCPI×106注意主頻f的單位是MHz還是GHz1GHz(1×109Hz)的計算機，其時鐘周期為1納秒(ns)=1×10-9秒

1MHz(1×106Hz)的計算機，其時鐘周期為1微秒(μs)=1×10-6秒T為周期，單位為s；f為頻率，單位為Hz；周期與頻率互為倒數(shù)1.4計算機