计算机原理课件：01计算机系统概论.ppt

11.计算机系统概论计算机系统概论计算机系统概论1.计算机系统简介2.计算机的基本组成3.计算机硬件的主要技术指标1.1 计算机系统简介1、计算机的软硬件概念2由具有各类特殊功能的信息（程序）组成1. 计算机系统计算机系统计算机的实体，如主机、外设等硬件软件1.1 计算机系统简介3按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统 系统软件应用软件语言处理程序操作系统服务性程序数据库管理系统网络软件软件1.1 计算机系统简介4计算机高级语言程序目标程序结果翻译运行2、计算机系统的层次结构1.1 计算机系统简介5高级语言虚拟机器 M3汇编语言虚拟机器 M2操作系统虚拟机器机器语言实际机器 M1微指令系统微程序机器 M01.1 计算机系统简介6用编译程序翻译成汇编语言程序用汇编程序翻译成机器语言程序用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令软件硬件虚拟机器 M4虚拟机器 M3虚拟机器 M2实际机器 M1微程序机器 M01.1 计算机系统简介7程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性计算机体系结构计算机组成实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）（具体指令的实现）3、计算机体系结构和计算机组成1.2 计算机的基本组成o计算机由五大部件组成o指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访o指令和数据用二进制表示o指令由操作码和地址码组成o指令在存储器内按顺序存放o以运算器为中心81、冯·诺依曼计算机的特点1.2 计算机的基本组成o冯·诺依曼计算机硬件框图91、计算机硬件框图算术运算逻辑运算存放数据和程序将信息转换成机器能识别的形式将结果转换成人们熟悉的形式指挥程序运行存储器输入设备运算器控制器输出设备1.2 计算机的基本组成o以存储器为中心的计算机硬件框图10程序存储器输出设备输入设备运算器控制器数据结果计算1.2 计算机的基本组成o现代计算机硬件框图11ALU主存辅存CPU主机I/O设备硬件CU存储器输入设备运算器输出设备控制器ALUCPU主机I/O设备CU主存1.2 计算机的基本组成o上机前的准备n建立数学模型n确定计算方法n编制解题程序o程序 —— 运算的 全部步骤o指令 —— 每 一个步骤123、计算机的工作步骤-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…0, 1, 2,)( )(21nyn xynx=+=√…1.2 计算机的基本组成13取x 至运算器中乘以x 在运算器中乘以a 在运算器中存ax2 在存储器中取b 至运算器中乘以x 在运算器中加ax2 在运算器中加c 在运算器中= (ax + b)x + c 取x 至运算器中乘以a 在运算器中加b 在运算器中乘以x 在运算器中加c 在运算器中计算 ax2 + bx + c编程举例1.2 计算机的基本组成14000001 0000001000打印 停机取数 α[α] ACC存数 β[ACC] β加 γ[ACC]+[γ] ACC乘 δ[ACC]×[δ] ACC指令格式举例操作码地址码 [  ] 打印机1.2 计算机的基本组成o计算 ax2 + bx + c 程序清单15指令和数据存于主指令和数据存于主存单元的地址存单元的地址 指令指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 00000010000001000取数取数x至至ACC 10001000000001001乘乘a得得ax ,存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b ,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011加加c得得ax2 + bx + c ,存于存于ACC 50000100000001100将将ax2 + bx +c ,存于主存单元存于主存单元 60001010000001100打印打印 7000110停机停机 8 x原始数据原始数据x 9 a原始数据原始数据a 10 b原始数据原始数据b 11 c原始数据原始数据c 12存放结果存放结果1.2 计算机的基本组成16存储体大楼存储单元 存放一串二进制代码存储字 存储单元中二进制代码的组合存储字长 存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访– 存储单元 – 存储元件（0/1）– 房间– 床位（无人/ 有人）(1)存储器的基本组成MDR主存储器存储体MAR1.2 计算机的基本组成170011011001111101367DH13949‘6’ ‘}’1.2 计算机的基本组成18MARMDR 存储单元个数 16存储字长 8 设 MAR = 4 位 MDR = 8 位存储器地址寄存器反映存储单元的个数存储器数据寄存器反映存储字长(1)存储器的基本组成MDR主存储器存储体MAR1.2 计算机的基本组成19 ACC MQ X(2)运算器的基本组成及操作过程运算器MQACCALUX被加数被减数被除数乘数商加数减数被乘数除数加法减法乘法除法和差余数乘积高位乘积低位1.2 计算机的基本组成20运算器MQACCALUXACC 被加数ACC初态 ① 加法操作过程[ACC]+[X]ALU[M] XXACCACC指令 加M1.2 计算机的基本组成21② 减法操作过程运算器MQACCALUX指令 减MACC 被减数ACC初态 [M] XX[ACC]-[X]ALUACCACC1.2 计算机的基本组成22运算器MQACCALUXACCACC 被乘数初态 MQ[M]MQ指令 乘M③ 乘法操作过程X[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ1.2 计算机的基本组成23运算器MQACCALUXACC 被除数ACC初态 [ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余数在ACC中指令 除M[M] XX④ 除法操作过程1.2 计算机的基本组成o主机完成一条指令的过程（以取数指令为例）24123567894CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O设备1.2 计算机的基本组成25123567984主机完成一条指令的过程（存数指令）CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O设备1.2 计算机的基本组成oax2 + bx + c 程序的运行过程26• 将程序通过输入设备送至计算机• 程序首地址• 打印结果• 分析指令• 取指令…• 停机 • 启动程序运行,(PC )+ 1 PC• 执行指令 MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC1.3 计算机硬件的主要技术指标1、机器字长nCPU 一次能处理数据的位数n与 CPU 中的 寄存器位数 有关272、运算速度=ni =1fi tiTM∑吉普森法主频每秒执行百万条指令MIPS执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒浮点运算次数FLOPS1.3 计算机硬件的主要技术指标28221 = 256 KB213 = 1 KB如3.存储容量主存容量辅存容量存储单元个数 × 存储字长字节数字节数 80 GB如 MAR MDR 容量 10 8 16 32存放二进制信息的总位数1K = 210 1B = 23b1GB = 230b1 K × 8位64 K × 32位1.4 教材结构29 CPU内部互连ALUCU寄存器中央处理器寄存器和解码器控制单元排队逻辑控制存储器计算机I/O系统总线存储器CPU。