计算机组成原理第一章chp讲课文档

复习1、运算基础
（3）、二进制、八进制、十六进制之间的转换
例：1100010.1101111B=142.674Q 1100010.1101111B=62.DEH 142.674Q=001100010.110111100B
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复习2、基本逻辑电路
逻辑函数：Y=F（A，B） （一）基本逻辑门电路（高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”）
VT5'
R'3
A B
&
F
EN
（三）OC门
R1 4k
R2 1.6k
5V
A B
VT1
VT2
Uo
&
VT5
R3 1k
EN F 1Z 0 AB
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三态门应用
G1
至接收端
A
&
EN
B 数据总线
G2
G1&EN G2&EN G3&EN
&
地址线
EN
C
A1B1C1 A2B2C2 A3B3C3
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1.5计算机系统结构概念
三、软件与硬件逻辑等价性
随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势， 计算机系统的软、硬件界限已经变得模糊了
任何操作可以由软件来实现也可以有硬件来实现（设计计算 机系统时，应考虑各个方面的因素：
价格 速度 可靠性
存储容量
变更周期
实体硬件机功能的扩大 固件的概念（功能上是软件，形态上是硬件）
第一章小结
计算机系统的 基本概念
构成：硬件和软件
层次结构
计算机系统的基本工作原理 计算机的基本组成部分
五大部件
冯·诺依曼型计算机特点
存储程序,自动执行 以运算器为中心
计算机发展特点
计算机系统指标 计算机系统概念
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第一章小结
本章重点:
建立计算机系统整体概念
每秒执行百万条指令.
对于带有浮点运算的计算机系统，常用每秒百万个浮
点操作MFLOPS（Million Floationg-point Operations Per Second）
浮 点 数 操 作 次 数 MFLOPS=执 行 时 间 106
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1.6计算机系统的主要技术指标
机器容量:计算机的容量实际上是指机器内部主 存储器的容量。
计算机组成原理第一章chp
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1.4计算机的软件
二、软件的发展演变
编程语言的发展
➢ 手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码 ➢ 汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编
➢ 高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解释程序
系统软件的发展
➢ 操作系统
➢ 软件自动生成系统 ➢ 分布式系统软件 ➢ 中间件技术 ➢ 虚拟计算等
OC门应用
N个 OC门
VCC
IRc
Rc
&
&
& IOL IIL &
IIL IIL
&
&
K个TTL门输入端 M个TTL门
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触发器
表 4.2 真 值 表
RS
Hale Waihona Puke Q n 110 0
01 1
00
Qn
1 1 不定
Q &A
&C
Q
Q
Q
B&
&A
B&
Rd
Sd
D&
&C
D&
R
CP
S
R CP S
同步
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1.5计算机系统结构概念
五、系统结构分类——按并行性
CU
PU
MM
CU
(a) SISD 结构
(b) SIMD
PU1
MM1
PU2
MM2
…
…
PUn
MMm
结构
MM1 MM2
… MMm
CU1
PU1
CU2
PU2
…
CUn
PUn
CU1
PU1
CU2
PU2
…
…
CUn
PUn
MM1 MM2
… MMm
(c) MISD 结构
CPI：Cycles Per Instruction CPU 执行时间 = (CPU时钟周期数 / 程序 )X 时钟周期
= (CPU时钟周期数 / 程序 )÷ 时钟频率 = (指令条数 / 程序) X CPI X 时钟周期 CPU时钟周期数 / 程序 = (指令条数 / 程序) X CPI CPI = (CPU时钟周期数 / 程序 )÷(指令条数 / 程序) CPI 用来衡量以下各方面的综合结果 Instruction Set Architecture（ISA） Implementation of that architecture program
了解计算机系统基本概念 掌握冯·诺依曼计算机模型以及计算机组成
理解计算机系统层次结构 理解计算机系统结构概念
本章难点:
计算机自动执行时控制器如何区分指令和数据 计算机系统结构概念
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作业
P15,4、6 举例说明计算机系统运行过程
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复习1、运算基础
1、进位计数制-位置计数法
二、五级计算机层次系统
第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件 级，它由机器硬件直接执行微指令。如果某一 个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这 一级上运行应用程序。
第二级是一般机器级，也称为机器语言级，它由 微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。
第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现 。这些操作系统由机器指令和广义指令组成， 广义指令是操作系统定义和解释的软件指令， 所以这一级也称为混合级。
举例说明
指令名称 传送指令 加、减 乘、除
参数
法指令 法指令
其他指令 30
20
10
使用频度
（％）
执行时间 200 400 2500
（ns）
逻辑运 算指令
20
300
其他 指令 20
250
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举例说明
于是这台机器的等效运算速度应为：
V (0 .3 2 0 0 0 .2 4 0 0 0 .1 2 5 1 0 0 0 .2 3 0 0 0 .2 2 5 0 ) 1 0 9
3、计算机实现是指计算机组成的物理实现，包 括：
处理机、主存储器等部件的物理结构
器件的集成度和速度
专用器件的设计
器件、模块、插件、底版的划分与连接
信号传输技术 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技
术等。
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1.5计算机系统结构概念
4、三者之间关系
计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的 概念，但随着技术、器件和应用的发展，三者之间的界限 越来越模糊。
问：采用两种方法增强后此基准程序加速比是多少？
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1.6计算机系统的主要技术指标
30%
20%
加速比= 增强前时间/增强后时间 =1/（0.5+0.2/10+0.3/1.6) =1/0.7075 =1.41 =1/((1-0.3-0.2)+0.2/10+0.3/1.6)
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1.5计算机系统结构概念
2、 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现 ，主要包括：
确定数据通路的宽度 确定各种操作对功能部件的共享程度
确定专用的功能部件
确定功能部件的并行度 设计缓冲和排队策略
设计控制机构 确定采用何种可靠性技术
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1.5计算机系统结构概念
A
&
Y
B
（与门）
A
≥1
Y
B
（或门）
A
&
Y
B
（与非门）
A
≥1
Y
B
（或非门）
A
1
（非门）
A
Y
－1
Y
B
（异或门）
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复习2、基本逻辑电路
（二）三态门
VCC
R1
R2
R4
R'1
VD
R'2 R'4
VT3
VT3'
A B
&
F
EN
EN VT1
VT2 R3
VD4 A
B
VT5
VT1' VT2'
VD'4 uo
（2）、十进制数→任意进制数
例：将十进制数25.625转换为二进制数。
2 25
余数
整数
2 12
K0=1
0.625×2=1.25
k-1=1
26
K1=0
0.25×2=0.5
k-2=0
23
K2=0
0.5×2=1
k-3=1
2 1 K3=1
0 K4=1
故25.625对应的二进制数为11001.101B
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1.5计算机系统结构概念
第四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号 形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇 编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编 写时，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程 序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。
第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方 便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种 高级语言编译程序支持和执行。
吞吐量:计算机系统的吞吐量是指计算机在单
位时间内能处理的信息量。也就是流入、处理 和流出系统的信息的速率。
响应时间:响应时间指从给定计算机输入到出 现对应的输出之间的时间间隔。响应时间取 决于用户输入的信息、系统特性以及在用户 输入信息时系统正在处理的其他负载。
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1.6计算机系统的主要技术指标
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1.5计算机系统结构概念
四、计算机体系结构
1、计算机系统结构：主要研究软硬件功能分配和对软硬件
界面的确定
Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出： 程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和 功能特性 程序员：汇编语言、机器语言、编译程序、操作 系统
看到的：编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了 解到的
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1.5计算机系统结构概念
一、多级计算机系统
计算机不能简单地认为是一种 电子设备，而是一个十分复杂的硬 、软件结合而成的整体或智能设备 ，是一个复杂系统。
虚拟机：不同人看到计算机不 同
通常由五个以上不同的级组成， 每一级都能进行程序设计，如图 所示。
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1.5计算机系统结构概念
Amdahl定律：
Te
To(1
fe)
fe Se
S
1
(1
fe)
fe Se
加速经常使用的部分
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1.6计算机系统的主要技术指标
求平方根和浮点乘是图形应用中常用的转换，假设求 平方根操作在某机器的一个基准程序中占总执行时间的20% ，浮点乘操作在该程序中占总执行时间30%，现通过两种方 法加速两操作：①增加专门的硬件处理求平方根，使其执 行速度为原来的10倍；②通过调整流水线把浮点乘速度提高 为原来的1.6倍。
计算机学院 体系结构中心 第二十六页，共42页。
复习1、运算基础
2、进位计数制—几种典型进制
进位计数制 基数 位权
如：10011101B 1234/1234D
572Q（O）
2F0AH
123.45=1×102＋2×101＋3×100＋4×10-1＋5×10-2
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复习1、运算基础
(608025016050)109
=2 *106条/ 秒=2MIPS
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1.6计算机系统的主要技术指标
必须紧紧以性能/价格比为核心 性能的衡量标准
时间、基准程序、硬件测量工具
价格的因素
集成电路的工艺、产品的生产过程、销售过程
性能价格设计的一些原则
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1.6计算机系统的主要技术指标
异步
多路选择开关
D0
D1
Y
D2
D3
A
BA
0
Y
0
1 74LS153
1
2
1
EN A1 A0 D3 D2 D1 D0
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B
Y
0
D0
1
D1
0
D2
1
D3
end
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1.6计算机系统的主要技术指标
举例说明 在已知指令系统内部各类指令的执行时间（Ti
）情况下，对机内运行的典型程序进行统计，
找出各类机器指令的使用频度（fi）。才可计 算出等效的指令执行时间（T）。
n
T fi Ti
显然，其等效的运i算1 速度应为：
V1 T
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式中 m, n R Ki
i ——数位。 ——正整数。 ——基数。 ——第i位数码。
计算机学院 体系结构中心
第二十五页，共42页。
复习1、运算基础
位置计数法(带权记数法)的数制均有以下几 个主要特点： (1) 数码个数等于基数，最大数码比基数小1； (2) 每个数码都要乘以基数的幂次，而该幂次是由 每个数所在的位置决定的，即“位权”，简称 权； (3) 低位向高位的进位是“逢基数进1”
3、二进制 计算机内部,采用二进制,因为: .容易实现 .算术四则运算规则简单 .可进行二值逻辑运算
计算机科学与技术学院 体系结构中心 第二十八页，共42页。
4、各进制之间的转换举例
（1）、任意进制数→十进制数 例：11001B=1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×100=25
325.7Q=3×82＋2×81＋5×80＋7×8-1 4F5.C2H=4×162＋15×161＋5×160＋12×16-1＋2×16-2
(d) MIMD
结构
图 1-7 Flynn 分类法中四种系统的基本结构
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1.6计算机系统的主要技术指标
一、技术指标
机器字长：运算器一次运行二进制位数
运算速度
描述一台计算机的运算速度的单位应该是每秒执行 多少条指令如MIPS(Million Instructions Per Second)