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计算机的硬件系统构成1.2.1计算机的基本硬件组成1.2.2计算机的主要性能指标1.3计算机的软件系统构成1.3.1计算机的语言1.3.2计算机的软件1.4计算机系统的层次结构特征1.5电子计算机的发展简史1.1计算机组成的任务计算机硬件子系统从设计到实现，需要经过计算机系统结构设计、计算机组成和计算机实现三个阶段的工作。计算机系统结构主要研究计算机系统硬件、软件功能的分配，确定硬件和软件的界面，并研究提高计算机系统性能的方法。计算机组成是按照计算机系统结构分配给硬件子系统的

2、功能以及确定的概念结构，研究硬件子系统各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。也可以说，计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是计算机组成的物理实现，即按计算机组成制定的方案，制作出实际的计算机系统。1.2计算机的硬件系统构成1.2.1计算机的基本硬件组成通用电子数字计算机普遍采用的是冯·诺依曼系统结构。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、输入设备和输出设备这5大部件组成，相互间以总线相连接。运算器是计算机的数据处理中心，完成各种算术运算、逻辑运算、移位操作等。存储

3、器是计算机的记忆装置，按其在计算机工作过程中的作用不同，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和正在处理的数据。辅助存储器（简称辅存）中则以文件的形式存储了大量等待执行的程序和等待处理的数据。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，控制计算机中其他部件协调工作，完成各种操作任务。控制器是按人所编写的解题程序的要求来实施控制的，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构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存放顺序，依次对各条指令

4、进行读取、分析和控制执行，直至程序结束。输入输出设备是计算机的外围设备，是计算机系统与其使用者——人进行交流必不可少的设备。系统总线将计算机的各个组成部分连接在一起，实现各部分之间的信息传递。系统总线是一组信号线的集合，其中包含有传递数据信息的数据总线、传递地址信息的地址总线和传递控制或状态信息的控制总线。外围设备需要通过专门的适配器（接口电路）与系统总线相连。适配器的作用就是进行速度缓冲、信息格式及信号转换等。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能够处理的信息量。响应时间：指从输入有效到系统产生响应之间的时间度量。利

5、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率。处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数。总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目。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内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执行一般程序所占用的CPU时间，有CPU执行时间＝CPU时钟周期数×CPU

6、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：每秒百万浮点操作次数，即单位时间内执行的浮点操作次数（以百万为单位），用来衡量机器浮点操作的性能。有MFLOPS＝程序中的浮点操作次数÷（程序执行时间×106）1.3计算机的软件系统构成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

7、（简称指令）。优点：程序执行速度快、占用存储空间小。缺点：语言难以掌握、程序调试和排错困难、需要掌握较多硬件知识。汇编语言：机器语言符号化的产物，用助记符表示每条指令。用汇编语言编写的程序在执行前，需要用汇编程序将其转换成机器语言程序。高级语言：更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结构及处理功能；增强了对解题算法的描述能力；基本上不直接涉及计算机硬件概念，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换成机器语言程序，才能被计算机执行。且转换得到的目标代码往往冗余较多，执行效率较低。1.3.2计

8、算机的软件计算机软件是各种计算机程序的统称。完整的、实际可工作的计算机系统，是计算机硬件系统和计算机软件系统有机结合的整体