1、一、本课程在计算机系统中的位置 一、课程目标 1、结构与原理掌握 建立计算机系统的整机概念； 掌握计算机各部件的组成原理与技术； 了解计算机系统组成与结构的新技术 2、分析与计算能力 掌握对组成与结构进行性能分析的方法； 通过量化计算，加深对组成原理的理解与掌握 3、应用与设计能力 通过实验，培养逻辑设计及理论指导实践的能力 二、课程内容组织 第 1 章 计算机系统概论 计算机的模型、硬件组成，计算机的工作过程、性能指标 第 2 章 数据的表示和运算 数据的编码及表示，定点 及浮点运算方法， ALU 结构与组成 第 3 章 存储系统 层次结构， RAM 组成，主存、 Cache、虚存的组成原理
2、 第 4 章 指令系统 指令功能与指令格式，操作数存放及寻址方式， CISC/RISC 第 5 章 中央处理器 CPU 的功能与结构、工作流程，指令执行过程，数据通路组织， CU 的结构及组成，微程序控制器技术，指令流水技术 第 6 章 总线 概述，操作步骤，仲裁 /定时方式，互连结构 第 7 章 I/O 系统 组成， I/O 设备， I/O 接口， I/O 方式 (4 种 ) 1、学习方法 建立整机概念，将所学知识点融合在一起； 从逻辑设计出发，分析多种方案的利与弊； 通过量化分析，加深对原理的掌握与理解。 2、学习效率 第 1 章 计算机系统概论 计算机：按照内部存储的指令序列，对数字化信
3、息进行自动高速处理、存储、传送、控制的装置。 指令：指示计算机硬件完成某种功能的明确的命 信息：有用的数据，有多种不同类型，其表现手段可以采用数字化形式或模拟量形式； 运算：包括算术运算和逻辑运算，要求自动与高速； 处理：对信息进行搜索 、识别、变换，甚至联想、思考和推理等等。 计算机的基本功能主要包括 计算机软件 (指令串及数据 ) CU ALU 存储 器 系统总线 I/O 设备 1 I/O 接口 1 I/O 设备 2 I/O 接口 2 I/O 设备 n I/O 接口 n 数据处理 数据存储 数据传送 控制 数据处理功能 运算功能：算术运算功能和逻辑运算，应用于数值计算和非数值计算两个方面
4、； 处理对象：数值、字符、图形、图像、声音和视频等。 数据存储功能 主存储器：保存指令和数据； 辅助存储器：以文件的形式保存大量数据信息。 数据传送功能 内部数据流动 ： CPU 和主存以及 CPU 内部寄存器与运算器之间的数据流动； 外部数据传送：输 入 /输出（ I/O）和计算机通信。 控制功能 控制器：产生各种基本操作信号并按某种时序发出以完成相应功能 ； 指令编码、指令系统：一台计算机的所有指令集合 。 1.1.1 计算机系统的软硬件 *计算机系统的组成： 功能的实现方式 硬件具备数据的存储、传送及处理和过程控制功能 软件表示应用的数据处理及过程控制需求 程序 (指令序列，硬件用不同指
5、令表示不同功能 ) 执行软件实现应用的数据处 理及过程控制功能 *计算机系统组成的特性： 软件功能靠硬件实现，硬件性能靠软件反映 *计算机系统结构：机器语言程序员所看到的计算机属性 概念性结构和功能特性 *计算机组成：实现计算机系统结构时所体现的计算机属性 *计算机实现：实现计算机组成时所体现的计算机属性 *相互关系： 计算机系统结构 确定软硬件功能分配及其界面特性； 计算机组成 逻辑实现系统结构的内容； 计算机 实现 物理实现计算机组成的内容 举例 系统结构 计算机组成 计算机实现 乘法功能 是否有乘法指令 乘法器还是加法 +移位 器件、电路 主存系统 最大容量、编址方式 速度保证、单体 /
6、多体 MEM 总线 带宽 信号线数、时钟、传输方式 1.2 计算机系统基本组成 一、冯诺依曼模型计算机 *结构与组成： 由运算器、存储器、控制器、输入及输出设备组成， 以运算器 为中心； *数据表示与运算： 指令及数据均用二进制方式表示，运算亦采用二进制方式 *存储程序原理 程序存储方式： 指令及数据预先存放 (以等同地位 )在存储器中； *存储器结构： 由定长单元构成的一维空间，存储器按地址访问； *指令组成： 由操作码及地址码组成； 例：若加法运算的操作码用 010 表示，第 01000 号与第 10000 号两个存储单元内容相加的操作可表示为： 010 01000 10000 *存储程
7、序原理 程序控制机制： 按程序逻辑顺序、自动地、逐条地取出指令并执行。 输入设备 存储器 运算器 控制器 输出设备 注： 数据信息 指令信息 控制信息 状态信息 冯诺依曼计算机模型。 1）计算机由运算器、存储器、控制器和输入 /输出五个部件组成； 2）存储器以二进制形式存储指令和数据； 3）存储程序工作方式； 4）五部件以运算器为中心进行组织。 二、计算机硬件的基本组成 1、计算机硬件的结构 现代计算机均在冯诺依曼模型基础上进行改进 *采用以存储器为中心的结构： 使数据传送与数据处理并行，有利于提高系统性能 *由多种存储器构成存储系统： 解决速度 -容量 -价格间的矛盾，有利于提高性能 /价格
8、 *采用总线互连形式： 实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性 2、计算机部件的基本组成 (1)存储器 *功能：存储程序和数据、通过读 /写操作接收 /提供信息 *组成： *完成操作的过程： 读操作 接收地址及命令，内部操作； 输出数据 写操作 接收地址及命令； 接收数据，内部操作 (2)运算器 *功能：实现算术运算及逻辑运算，并暂存运算结果 *组成： *(AC)+Y AC 的运算过程： (0) (AC)为被加数 (1) 加数 Y TEMP (2) (AC) (TEMP) (3) ALU 结果 AC 约定： (X)表示寄存器 X 中内容， Y表示存储单元 Y 中内容 (3)控制器 *功能
9、：指挥及控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程 *程序执行过程： 循环的指令执行过程 (取指令及执行指令 )； 下条指令地址由当前指令产生 (按程序逻辑顺序 ) (4)输入 /输出设备 *功能：实现外部 -内部信息的输入 /输出及格式转换； *种类：键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等； *连接：通过 I/O 接口 (又称适配器或控制器 )与总线连接， I/O 接口实现信息传送时的缓冲、中转等功能 取指令 取指阶段 分析指令 执行指令 执行阶段 三、计算机软件的基本组成 三、计算机软件的基本组成 四、计算机工作过程 计算机的工作过程就是执行程序的过程。 考查指令 ADD NUM， R0 的执行
10、过程。 图 1.4 CPU 组成以及和存储器的连接 考查指令 ADD NUM， R0 的执行过程。 程序执行过程 *程序执行的初始条件： (a)程序及数据已存放在主存储器 MM 中； (b)PC 内容已经为即将执行的程序首条指令地址 *程序执行的实现方法： -控制器指挥与控制 取指 (PC) MM IR， (PC)+“ 1” PC； 分析 (IR) ID CU； 执行 实现指令约定操作 (指令转移时重写 PC)； 循环 若无中断执行的要求，转 1.3 计算机系统的性能指标 一、计算机系统的性能指标 *系统性能：指在计算机硬件上运行的计算机软件的性能 1、硬件性能参数 *机器字长：指 CPU 一
11、次能处理的二进制位数。 指 ALU 一次能处理的 n 位 CPU 指机器字长为 n 个二进制位的 CPU； 例如， Core 2 CPU 为 64 位 CPU 对系统性能的影响 机器字长越长，数据处理性能越好； (应用数据长度机器字长时，需分次运算 ) 对其它硬件的影 响 直接影响 ALU、 REG 长度， 间接影响存储字长、数据总线位数 *机器主频：指 CPU 内部主时钟脉冲的频率，常用 f 表示。 主频单位 1GHz=1 103MHz=1 106KHz=1 109Hz； 时钟周期 CPU 内部基本操作的时长，常用 TC 表示； f 与 TC 关系 倒数关系，即 f =1/TC *存储容量：
12、指存储器可存储二进制信息的总位数。 主存容量 容量 S =存储单元个数存储字长； 辅存 容量 容量 S =存储块个数存储块长度； 容量单位 1GB=1 210MB=1 220KB=1 230B=8 230bit； 最大主存容量 CPU 能够访问的主存最大容量，它决定了 CPU 的地址和数据引脚数量 2、系统性能指标 时间是唯一标准，主要有响应时间和吞吐量两个指标。 *响应时间：指一个任务从任务输入到结果输出的总时间， *吞吐量：又称吞吐率，指单位时间内能处理的工作量， 即 吞吐量 = n 个任务的总工作量 n 个任务的总时间 特点 反映了多任务计算机系统的软硬件总体性能 表示 因工作量无统一定义，通常用 MIPS 及 MFLOPS 代替 MIPS(每秒百万次指令 ) MFLOPS(每秒百万次浮点运算 )
