計(jì)算機(jī)組成第一章.ppt

1、計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜述,1,本章介紹計(jì)算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、一些常用的術(shù)語(yǔ)、計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展趨勢(shì)、計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià)及計(jì)算機(jī)的種類。,計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜述,1.1 概述 1.2 一些基本術(shù)語(yǔ)的定義 1.3 計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史 1.4 計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià) 1.5 計(jì)算機(jī)的種類 1.6 本學(xué)期講授內(nèi)容,1.1 概述,1.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成 1.1.2 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和編譯器 1.1.3 計(jì)算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.1.4 處理機(jī)構(gòu)成和工作過(guò)程,1.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成,計(jì)算機(jī)硬件組成 計(jì)算機(jī)工作原理 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,計(jì)算機(jī)硬件組成,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,運(yùn)算器,內(nèi)存,控制器,控制

2、,指令,數(shù)據(jù),CPU,運(yùn)算器,控制器,主機(jī),運(yùn)算器,內(nèi)存,控制器,主機(jī)應(yīng)用,汽車電子中的MCU/DSP,輸入設(shè)備,鍵盤(pán) 鼠標(biāo) 讀取設(shè)備 掃描儀 數(shù)碼照相機(jī) 數(shù)碼攝影機(jī) 音頻數(shù)字轉(zhuǎn)換器 氣味數(shù)字化儀 各種數(shù)字化傳感器,輸出設(shè)備,顯示器 投影儀 打印機(jī) 繪圖儀 有聲輸出 控制設(shè)備,內(nèi)存,只讀存儲(chǔ)器(ROM) 可讀可寫(xiě)存儲(chǔ)器(RAM),有記憶能力的存儲(chǔ)器是個(gè)好東西，但是具有忘記能力的存儲(chǔ)器 才是真正的偉大的發(fā)明。,一、看懂內(nèi)存條我們平常所說(shuō)的“內(nèi)存”大都是指“內(nèi)存條”。那么什么是“內(nèi)存條”呢？常見(jiàn)的“內(nèi)存條”又有哪些類型呢？1內(nèi)存條的誕生當(dāng)CPU在工作時(shí)，需要從硬盤(pán)等外部存儲(chǔ)器上讀取數(shù)據(jù)，但由于硬盤(pán)

3、這個(gè)“倉(cāng)庫(kù)”太大，加上離CPU也很“遠(yuǎn)”，運(yùn)輸“原料”數(shù)據(jù)的速度就比較慢，導(dǎo)致CPU的生產(chǎn)效率大打折扣！為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們便在CPU與外部存儲(chǔ)器之間，建了一個(gè)“小倉(cāng)庫(kù)”內(nèi)存。內(nèi)存雖然容量不大，一般只有幾十MB到幾百M(fèi)B，但中轉(zhuǎn)速度非常快，如此一來(lái)，當(dāng)CPU需要數(shù)據(jù)時(shí)，事先可以將部分?jǐn)?shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，以解CPU的燃眉之急。由于內(nèi)存只是一個(gè)“中轉(zhuǎn)倉(cāng)庫(kù)”，因此它并不能用來(lái)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。2常見(jiàn)的內(nèi)存條目前PC中所用的內(nèi)存主要有SDRAM、DDR SDRAM、RDRAM等三種類型。曾經(jīng)主流SDRAMSDRAM（Synchronous DRAM）即“同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器”。SDRAM內(nèi)存條的兩面都有金

4、手指，是直接插在內(nèi)存條插槽中的，因此這種結(jié)構(gòu)也叫“雙列直插式”，英文名叫“DIMM”。目前絕大部分內(nèi)存條都采用這種“DIMM”結(jié)構(gòu)。隨著處理器前端總線的不斷提高，SDRAM已經(jīng)無(wú)法滿足新型處理器的需要了，早已退出了主流市場(chǎng)。今日主流DDR SDRAMDDR SDRAM（簡(jiǎn)稱DDR）是采用了DDR（Double Data Rate SDRAM，雙倍數(shù)據(jù)速度）技術(shù)的SDRAM，與普通SDRAM相比，在同一時(shí)鐘周期內(nèi)，DDR SDRAM能傳輸兩次數(shù)據(jù)，而SDRAM只能傳輸一次數(shù)據(jù)。從外形上看DDR內(nèi)存條與SDRAM相比差別并不大，它們具有同樣的長(zhǎng)度與同樣的引腳距離。只不過(guò)DDR內(nèi)存條有184個(gè)引腳，

5、金手指中也只有一個(gè)缺口，而SDRAM內(nèi)存條是168個(gè)引腳，并且有兩個(gè)缺口。,外存,U盤(pán) 磁盤(pán) 光盤(pán) 磁帶,計(jì)算機(jī)工作原理,取指令,分析指令,執(zhí)行指令,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,硬件,系統(tǒng)軟件,應(yīng)用軟件,1.1.2 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和編譯器,硬件,圖 1.2,or,各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的形式,高級(jí)語(yǔ)言,匯編語(yǔ)言,機(jī)器語(yǔ)言,adder(float *x,float s) int i; for(i=0;i100;i+) xi=xi+s; ,Add r1,r2,r3 st r3 ,(sp+100) ld r5,(sp) mov r3.0 . . .,1111110000011111110 11110000001101010

6、11 1111011110001011110 1100010111000101101 0010111110000110101 1001011100100101010 1100101101010010100 1101010101001010101 . . .,1.1.3 計(jì)算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)組成:涉及計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，包括 硬件部件的構(gòu)造和如何連接這些部件組成 一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。見(jiàn)圖1.1。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是從程序員的角度觀察計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)具有哪些特征，如指令系統(tǒng) 及格式、程序可以訪問(wèn)的所有寄存器 、數(shù)據(jù)類型及格式、存儲(chǔ)器空間，等 等。,1.1.4 處理機(jī)構(gòu)成和工作過(guò)程,ALU,M U X,

7、M U X,M U X,IR,寄存 器堆,PC,控制部件,圖1.3,地址總線,數(shù)據(jù)總線,控制線,存儲(chǔ)器,處理機(jī),001110,001110,001110,011110,001111,000010,1.2 一些基本術(shù)語(yǔ)的定義,表 1.1 K,M,G,T,m,u,n,p 的定義,單位,通常意義（十進(jìn)制）,用來(lái)表示2的冪,K(kilo) 103 2 10=1024 M(mega) 106 220=1048576 G(giga) 109 230=1073741824 T(tera) 1012 240=1099511627776,m(mill) 10-3 u(micro) 10-6 n(nano) 10

8、-9 p(pico) 10-12,1.3 計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史,電子管計(jì)算機(jī) 晶體管計(jì)算機(jī) 小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 甚大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī),1.4 計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià),衡量計(jì)算機(jī)性能的一個(gè)指標(biāo)是看計(jì)算機(jī)執(zhí)行某個(gè)或某些程序時(shí) 需要用多長(zhǎng)的執(zhí)行時(shí)間。執(zhí)行時(shí)間越短，性能越好，即性能等 于所需執(zhí)行時(shí)間的倒數(shù)。程序的執(zhí)行時(shí)間可由下式算出： （1） 執(zhí)行時(shí)間 T=I * CPI * TPC I 是程序執(zhí)行時(shí)的動(dòng)態(tài)指令條數(shù)， CPI(Cycles Per Instruction) 是每條指令執(zhí)行所需周期的平均值， TPC(Time Per Cycle) 是每個(gè)周期的時(shí)間長(zhǎng)

9、度。 例如，設(shè)某個(gè)處理機(jī)要執(zhí)行10億條指令，每條指令執(zhí)行平 均需要4.50個(gè)時(shí)鐘周期，時(shí)鐘頻率為500MHz，則, TPC=1/(500 * 106)=2 * 10-9s。執(zhí)行時(shí)間為： T=109 * 4.50 * 2 * 10-9=9.00s,（2） IPC(Instructions Per Cycle) IPC=1/CPI 如上例，CPI=4.50, 則 IPC=0.22。 IPC的值越大，計(jì)算機(jī) 的性能越高。如以后介紹的超標(biāo)量計(jì)算機(jī)， IPC 1。 （3）MIPS(Million Instructions Per Second) 即每秒執(zhí)行多少百萬(wàn)條指令。 MIPS=執(zhí)行指令數(shù)/執(zhí)行時(shí)間(s) *106 或 MIPS=IPC*時(shí)鐘頻率（MHz) 如上例，執(zhí)行10億條指令，所需執(zhí)行時(shí)間是9.00s，則， MIPS=109 /(9 *106)=111.11， 與此相對(duì)應(yīng)，衡量浮點(diǎn)處理機(jī)的指標(biāo)是: （4）MFLOPS=(Million Floating-Point Operations Per Second) 即每秒執(zhí)行多少百萬(wàn)個(gè)浮點(diǎn)操作。 （5）加速比S(Speedup),S=改進(jìn)后的性能/改進(jìn)前的性能，或 S=改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間/改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間。S 1的。 介紹流水線技術(shù)時(shí)，詳細(xì)說(shuō)明此指標(biāo)。,1.5 計(jì)算機(jī)的種類,桌面計(jì)算機(jī) （Desktop Comput