计算机组成原理电子教案第1章

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1、第一章 计算机系统概述,计算机组成原理电子教案 陆 遥,1.1 计算机组成的任务 1.2 计算机的软件平台构成 1.2.1 计算机的基本软件组成 1.2.2 计算机的主要性能指标 1.3 计算机的硬件平台构成 1.3.1 计算机的语言 1.3.2 计算机的硬件 1.4 计算机平台的层次结构特点 1.5 电子计算机的演进简史,1.1 计算机组成的任务,计算机软件子系统从设计到推动，需要经过计算机平台结构设计、计算机构成和计算机实现三个阶段的工作。 计算机平台结构主要研究计算机系统硬件、软件功能的分配，确定硬件跟工具的界面，并研究提升计算机平台性能的方式。 计算机构成是根据计算机平台结构分配给软件。

2、子系统的用途并且确认的概念构架，研究软件子系统各构成部份的外部构造跟彼此联系，以推动机器指令级的各类用途跟特征。也可以说，计算机构成是计算机平台结构的逻辑实现。,计算机实现是计算机构成的物理实现，即按计算机构成制定的细则，制作出实际的计算机平台。,1.2 计算机的软件平台构成,1.2.1 计算机的基本软件组成 通用电子数字计算机普遍运用的是冯诺依曼系统构架。冯诺依曼计算机也称为存储程序计算机。 冯诺依曼结构计算机由运算器、控制器、存储器、输入设施跟输出设备这5大组件构成，相互间以总线相连结。,运算器是计算机的数据处理中心，完成各类算术运算、逻辑运算、移位操作等。 存储器是计算机的记忆装置，按其。

3、在计算机工作过程中的功用不同，可分为主（内部）存储器和辅助（外部）存储器。 主存储器（简称主存）中存放的是计算机正在执行的程序跟正在处理的数据。 辅助存储器（简称辅存）中则以文件的方式传输了长期等待执行的程序跟等待处理的数据。,控制器是计算机的控制中心，它按严格的时间关系发出各种控制信号，控制计算机中其它组件协调工作，完成各类操作任务。 控制器是按人所编写的解题程序的规定来实行控制的计算机原理教案下载计算机原理教案下载，而程序则是由指令编排而成的。一台计算机拥有的所有指令组成一台计算机的指令系统。 控制器的基本任务，就是按照程序指令在存储器中的放置顺序，依次对各条指令进行调用、分析和控制执行，直至程序结束。,输入输出设备是计算机。

4、的外围设备，是计算机平台与其使用者人进行交流必不可少的设施。 系统总线将计算机的各个构成个别连接在一起，实现各个别之间的信息传递。 系统总线是一组信号线的集合，其中包括有释放数据信息的数据总线、传递地址信息的地址总线和释放控制或状况信息的控制总线。 外围设备需要借助专门的适配器（接口电路）与平台总线相连。适配器的功用就是进行速率缓冲、信息格式及信号转化等。,1.2.2 计算机的主要性能指标 吞吐量指一台计算机在某一时间间隔内无法处理的信息量。 响应时间指从输入有效至平台形成响应之间的时间度量。 利用率指在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比重。 处理机字长指处理机运算器中一次就能完成。

5、二进制运算的位数。 总线宽度通常指CPU中运算器与存储器之间进行组网的外部总线二进制位数。,存储器容量存储器中所有储存单元的总量目。 存储器带宽单位时间内存储器所存取的信息量，通常使用位/秒或字节/秒为单位。 主频/时钟周期CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟是CPU外部一切工作的时间基准。主时钟的频率 f 叫CPU的主频，主频的倒数称为CPU的时钟周期 T 。 CPU执行时间指CPU执行通常程序所占用的CPU时间，有 CPU执行时间CPU时钟周期数CPU时钟周期,CPI指执行一条指令所需的平均时钟周期数 CPI执行某段程序所需的时钟周期数所执行的指令条数 MIPS每秒百万指令数，即单位时间内。

6、执行的指令数（以百万为单位） ，有 MIPS所执行的指令数（程序执行时间106） MFLOPS每秒百万浮点操作数量，即单位时间内执行的浮点操作数量（以百万为单位） ，用来评判机器浮点操作的功耗。有 MFLOPS程序中的浮点操作数量（程序执行时间106）,1.3 计算机的硬件平台构成,1.3.1 计算机的语言 计算机语言用来编写程序的符号系统。 机器语言直接用二进制代码来表达操作要求的计算机语言。基本要素是机器指令（简称指令）。 优点程序执行速度快、占用内存空间小。 缺点语言无法把握、程序调试和排错困难、需 要把握较好硬件知识。 汇编语言机器语言符号化的产物，用助记符表示每条指令。用汇编语言编写。

7、的程序在执行前，需要用汇编程序将其转化成机器语言程序。,高级语言最接近人的自然语言的一类计算机语言。 优点便于描述复杂的程序控制构架及处理用途；增强了对解题算法的表述能力；基本上不直接涉及计算机软件概念，更容易掌握和使用。 缺点用高级语言编写的程序，需要用专门的编译程序将其转化成机器语言程序，才能被计算机执行。且转化得到的目标代码通常冗余较多，执行强度较低。,1.3.2 计算机的硬件 计算机工具是各类计算机程序的统称。完整的、实际能工作的计算机平台，是计算机硬件系统和计算机工具系统有机结合的整体。 计算机硬件通常分为两大类，即系统软件和应用工具。 应用插件是他们为了用计算机完成一些具体工作而编。

8、写的程序。如科学计算程序、数据处理程序、自动控制程序、信息管理程序、工程设计程序之类。 系统软件是各种工具性软件的统称。系统软件可以帮助他们非常便利、高效地使用计算机，也可以使计算机更好地发挥出它的功用和潜力。,系统工具包含 操作系统 各种服务性程序，如诊断程序、排错程序等 编译程序、解释程序、汇编程序等 数据库管理系统,1.4 计算机平台的层次结构特点,在与计算机打交道的不同层次的人眼里，计算机平台有着不同的作用跟构成，这就使同一个计算机平台有了多个层次的结构特点。,第0层是硬件设计与维护人员眼中的计算机，也就是计算机的软件平台。 第1层是微系统构架计算机，它借助微程序，控制信息在各部件之间。

9、的传送，以提供各类机器指令所必须的操作控制。这一层的逻辑设计员与第0层的硬件设计员一般是同一层次的人员。 第2层是机器语言程序员眼中的计算机，也就是实现机器指令系统功能的机器。 第3层是操作系统机器，是操作系统命令使用者（即操作员）眼中的计算机，它可以被看作是诸多操作系统命令的解释器。 第4层是汇编语言程序员眼中的计算机，也就是汇编语言的寄存器。,第5层是高级语言程序员眼中的计算机，也就是高级语言的解释器。 除第0层外，其余每一层都必须其下各层的支持。 从学科领域来界定，大致可以觉得第0层至第2层是计算机组织与构架讨论的界定，第3层以上则是纯硬件的界定。除第0层和第1层直接面对的是计算机的硬件。

10、实体外，其它各级机器均由硬件实现，称为虚拟机器。 按层次结构来看计算机平台，首先有助于我们正确地理解计算机平台的工作，其次有利于理解各种语言的实质以及推动。,1.5 电子计算机的演进简史,世界上第一台电子计算机是1946年由美国宾夕法尼亚大学研制的电子数字积分器和计算机ENIAC. ENIAC采用十进制数据表示方式，存储容量很小，没有存储程序的概念。 冯诺依曼首先强调用二进制数表示代替十进制数表示，将程序也用二进制数字形式跟数据一起在计算机内存中表示出来，这就是著名的存储程序方案。冯诺依曼小组于1952年研制出了世界上第一台存储程序计算机IAS（属于EDVAC电子离散变量自动计算机）。按冯诺依。

11、曼的内存程序方案设计的计算机，被称为冯诺依曼机。,从器件发展的角度看，可把电子计算机的演进过程划分为五代 第一代电子管计算机时代（19461957）。此阶段产生的储存程序方案跟冯诺依曼系统构架，成为当时计算机设计的基础。 第二代晶体管计算机时代（19581964）。使用了高级语言，为计算机提供了平台工具；产生了系列机的萌芽；出现了高速小型计算机平台。 第三代小规模和中体量集成电路计算机时代（19651971）。小型计算机平台受到发展，计算机产品产生了通用化、系列化和标准化。半导体存储器问世，微处理器诞生。,第四代大规模集成电路计算机时代（19721977）。个人计算机（一种独立微型机系统）在这个时期发生。 第五代VLSI（Very Large Scale Integration，超大规模集成电路）计算机时代（1978）。在各类高性能的巨型计算机、超级计算机受到大发展的同时，个人计算机成了这个时代的主角。 著名的摩尔定律指出，存储器芯片及微处理器芯片的集成度大约每18个月翻一番。摩尔定律仍将在未来一段时间内适用。,。