計算機組成原理第1章.ppt

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計算機組成原理,余曉容 Email：xryu@ 電 話：13613831539,為什么要學習這門課程？,計算機組成原理是研究計算機硬件技術的基礎知識、基本思想和基本方法的課程，是計算機專業(yè)本科生的一門統(tǒng)設必修的專業(yè)基礎課程； 不是只有設計計算機硬件系統(tǒng)的人才要學這門課,計算機專業(yè)的人員都應該對其有所了解； 是學習后續(xù)多門課程 (系統(tǒng)結構， 操作系統(tǒng)，編譯原理，高級語言程序設計, 計算機網絡，數(shù)據庫) 的基礎。 計算機考研專業(yè)基礎課統(tǒng)考科目包括數(shù)據結構、計算機組成原理（45分）、操作系統(tǒng)和計算機網絡。,學習目標,理解單處理器計算機系統(tǒng)中各部件的內部工作原理、組成結構以及相互連接方式，具有完整的計算機系統(tǒng)的整機概念。 理解計算機系統(tǒng)層次化結構概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結構的基本知識和基本實現(xiàn)方法。 能夠運用計算機組成的基本原理和基本方法，對有關計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行計算、分析，并能對一些基本部件進行簡單設計。,學習方法及考評辦法,學習方法 課前預習 課堂認真聽講 課后獨立完成作業(yè) 考評辦法 理論考核占70% 作業(yè)占15% 課堂占15%,教材及參考資料,教材 《計算機組成原理》（第2版）， 唐朔飛著，高等教育出版社 參考書目 《計算機組成與設計》， 王誠著 清華大學出版社 《計算機硬件及組成原理》，Arnold S. Berger 著，吳為民等譯，機械工業(yè)出版社 《計算機組成原理》（第3版），白中英，科學出版社，2000,1 計算機系統(tǒng)概論,,1.1 計算機系統(tǒng)簡介,1.3 計算機硬件的主要技術指標,1.2 計算機的基本組成,1.4 課程內容簡介,1.1 計算機系統(tǒng)簡介,一、計算機的軟硬件概念 1、計算機硬件（Hardware） 計算機系統(tǒng)使用的電子線路和電子元件等物理設備的總稱，是一切構成計算機的物理實體，如主機、外設。硬件是構成計算機的物質基礎，是計算機系統(tǒng)的核心。 半個世紀以來，計算機已發(fā)展為一個龐大的家族，盡管各種類型的計算機的性能、結構、應用等方面存在著差別，但是它們的基本組成結構卻是相同的。計算機硬件系統(tǒng)由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五部分構成。,,1.1,計算機硬件系統(tǒng)組成圖,,1.1,運算器 在計算機中，運算器是一種執(zhí)行部件。其主要任務是完成信息的加工處理。這些處理主要有加、減、乘、除等算術運算和與、或、非、異或、同或等邏輯運算。運算器主要由運算邏輯單元ALU和寄存器兩部分組成，寄存器部件用來提供參與運算的操作數(shù)，并暫時存放運算結果。 存儲器 主要功能是存放程序與數(shù)據。程序是計算機操作的依據，數(shù)據是計算機操作的對象。存儲器主要由存儲體、地址寄存器與譯碼線路、讀寫電路與數(shù)據寄存器、控制線路等構成，包括ROM（只讀存儲器）和RAM（隨機存取存儲器）兩種。,1.1,控制器 控制器是計算機的控制中心?？刂破髯鳛镃PU（中央處理器）的核心部件主要用來協(xié)調計算機的工作，完成程序信息的處理和數(shù)據的輸入/輸出。 輸入輸出設備 輸入設備的任務是輸入用戶提供的原始信息，并且將其轉換為計算機能識別的信息。常用的輸入設備有：鍵盤、鼠標、掃描儀等。 輸出設備的任務是將計算機的處理結果以能被人們接受的或能為其他計算機所接受的形式輸出。常用的輸出設備有：打印機、顯示器、繪圖儀等。,1.1,2、軟件 由人們事先編制的具有各類特殊功能的程序組成,,語言處理程序,操作系統(tǒng),服務性程序,數(shù)據庫管理系統(tǒng),網絡軟件,軟 件,應用軟件,,,系統(tǒng)軟件,管理硬件與軟件資源的程序，同時也是計算機系統(tǒng)的內核與基石（包括進程與處理機管理、作業(yè)管理、存儲管理、設備管理、文件管理）,1.1,二、計算機系統(tǒng)的層次結構 1、計算機的解題過程,,計算機,,2、層次結構,,,高級語言,虛擬機器 M3,匯編語言,虛擬機器 M2,機器語言,實際機器 M1,微指令系統(tǒng),微程序機器 M0,,,應用層,虛擬機器 M4,,,1.1,,,用編譯程序翻譯 成匯編語言程序,用匯編程序翻譯 成機器語言程序,用機器語言解釋操作系統(tǒng),用微指令解釋機器指令,由硬件直接執(zhí)行微指令,,1.1,1.1,三、計算機體系結構和計算機組成,程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性 概念性的結構與功能特性,實現(xiàn)計算機體系結構所體現(xiàn)的屬性,有無乘法指令,如何實現(xiàn)乘法指令,（指令系統(tǒng)、數(shù)據類型、尋址技術、I/O機理）,（具體指令的實現(xiàn)）,,1.2 計算機的基本組成,一、馮諾依曼計算機 基本思想：計算機要自動完成解題任務，必須將事先設計好的用以描述計算機解題過程的程序如同數(shù)據一樣用二進制形式儲存在機器中，計算機在工作時從機器中逐條取出指令加以執(zhí)行。,,1.2,馮諾依曼計算機特點,1. 計算機由五大部件組成,3. 指令和數(shù)據用二進制表示,4. 指令由操作碼和地址碼組成,6. 以運算器為中心,5. 指令在存儲器內按順序存放,,1.2,二、計算機的硬件框圖 典型的馮諾依曼計算機結構圖（以運算器為中心）,,1.2,以存儲器為中心的計算機硬件框圖,,1.2,現(xiàn)代計算機組成框圖,,1.2,三、計算機的工作步驟,1.上機前的準備,建立數(shù)學模型,編制解題程序,確定計算方法,程序 —— 運算的 全部步驟,指令 —— 每 一個步驟,,(n=0,1,2,…),1.2,取x 至運算器中,乘以x 在運算器中,乘以a 在運算器中,存ax2 在存儲器中,取b 至運算器中,乘以x 在運算器中,加ax2 在運算器中,加c 在運算器中,= (ax + b)x + c,取x 至運算器中,乘以a 在運算器中,加b 在運算器中,乘以x 在運算器中,加c 在運算器中,計算 ax2 + bx + c,,1.2,000001 0000001000,打印 ?,停機,取數(shù) α,存數(shù) β,加 γ,乘 δ,[ACC][δ] ACC,,[ ? ] 打印機,,指令格式舉例,,1.2,計算 ax2 + bx + c 程序清單,,注：此例中用到的a、b、c和x值需事先存入存儲器的相應單元內,1.2,2.計算機的解題過程,,,細化的計算機組成框圖,存儲體,大樓,存儲單元 存放一串二進制代碼,存儲字 存儲單元中二進制代碼的組合,存儲字長 存儲單元中二進制代碼的位數(shù),每個存儲單元賦予一個地址號,按地址存取,– 存儲單元,– 存儲元件,（0/1）,– 房間,– 床位,（無人/ 有人）,(1)主存儲器的基本組成,1.2,,,MAR,MDR,存儲器地址寄存器 位數(shù)反映存儲單元的個數(shù),存儲器數(shù)據寄存器 位數(shù)反映存儲字長,1.2,,(2)運算器的基本組成及操作過程,被加數(shù),被減數(shù),被除數(shù),乘數(shù),商,加數(shù),減數(shù),被乘數(shù),除數(shù),加法,減法,乘法,除法,和,差,余數(shù),1.2,,① 加法操作過程,1.2,,② 減法操作過程,1.2,,③ 乘法操作過程,,1.2,④ 除法操作過程,,1.2,內容回顧,計算機系統(tǒng)分硬件、軟件兩部分，由五個層次構成； 計算機體系結構與計算機組成的區(qū)別； 馮諾依曼計算機的基本思想； 計算機的基本組成；,內容回顧,取指令,分析指令,執(zhí)行指令,PC,IR,CU,,取指,執(zhí)行,IR 存放當前欲執(zhí)行的指令,,完成 一條 指令,(3)控制器的基本組成,,1.2,,,,,以取數(shù)指令為例,,,,,1.2,(4)主機完成一條指令的過程,,,,,以存數(shù)指令為例,,,,,1.2,(5) ax2 + bx + c 程序的運行過程,將程序通過輸入設備送至計算機,程序首地址,,打印結果,分析指令,取指令,…,停機,啟動程序運行,執(zhí)行指令,,MAR,,M,,MDR,,IR,PC,,CU,OP(IR),Ad(IR),,MAR,,M,,MDR,,ACC,PC,,1.2,以計算從1到10的累加和為例，看一看3個級別語言的程序 C++程序 匯編語言程序 機器語言程序(16進制) sum=0 2000: sub R15, R15 01FF for(i=0;i10;i++) sub R1, R1 0111 sum=sum+i; mvrd R0, 0A 8800 000A printf(“%d\n”,sum); 2003: inc R1 0910 return; add R15, R1 00F1 cmp R1, R0 0310 jrnz 2003 47FC cala 0664 CE00 0064 ret 8F00,三個級別的程序設計語言,,,,1.2,以計算從1到10的累加和為例，看一看3個級別語言的程序 BASIC程序 匯編語言程序 機器語言程序(16進制) 10 sum=0 2000: sub R15, R15 01FF 20 for i=1 to 10 sub R1, R1 0111 30 sum=sum+i mvrd R0, 0A 8800 000A 40 next i 2003: inc R1 0910 50 print sum add R15, R1 00F1 60 end cmp R1, R0 0310 jrnz 2003 47FC cala 0664 CE00 0064 ret 8F00,三個級別的程序設計語言,,,,1.2,1.3 計算機硬件的主要技術性能指標,1.機器字長,CPU一次能處理數(shù)據的位數(shù)與CPU中的寄存器位數(shù)有關,,響應時間：從事件開始到事件結束的時間， 又稱執(zhí)行時間。,2. 吞吐量、響應時間,吞吐量：單位時間內的數(shù)據輸出數(shù)量。,1.3,CPU執(zhí)行時間：TCPU=InCPITC In：執(zhí)行程序中指令的總數(shù) CPI：執(zhí)行每條指令所需的平均時鐘周期數(shù) TC：時鐘周期時間的長度,3. CPU時鐘周期、主頻、CPU執(zhí)行時間,CPU時鐘周期：機器主頻的倒數(shù)，Tc,主頻：CPU工作主時鐘的頻率，機器主頻Rc,4.運算速度,影響因素：主頻、操作、主存速度等,CPI 執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù),每秒浮點運算百萬次數(shù),MFLOPS,,衡量方式,,普通法 完成一次加法或乘法時間,1.3,221 = 256 KB,5.存儲容量,,主存容量,輔存容量,,存儲單元個數(shù) 存儲字長,字節(jié)數(shù),字節(jié)數(shù) 80 GB,如 MAR MDR 容量,10 8,16 32,存放二進制信息的總位數(shù),1 K 8位,64 K 32位,,1.3,1.4 課程內容簡介,計算機系統(tǒng)概論（1、2章） 計算機系統(tǒng)的硬件結構（3、4、5章） 中央處理器（CPU) 控制單元（CU),,計算機系統(tǒng)的硬件結構 第三章 系統(tǒng)總線（3~4個課時） 內容 總線基本概念、總線分類、總線特性和性能指標、總線結構和總線控制； 要求 了解總線的基本概念，在此基礎上了解總線的發(fā)展、分類和各類總線標準，理解總線的兩類結構即單總線結構和多總線結構，重點需要掌握總線為解決眾多部件爭用總線而進行的判優(yōu)控制和通信控制的控制原理。,,1.4,第四章 存儲器（14~16個課時） 內容 存儲器分類和存儲器的層次結構； 主存儲器（包括半導體存儲芯片簡介、靜態(tài)隨機存取存儲器和動態(tài)隨機存取存儲器 、只讀存儲器、存儲器與CPU連接、存儲器校驗、提高訪存速度的措施）； 高速緩沖存儲器（Cache）（包括Cache的基本結構及工作原理、Cache-主存地址映像、替換算法）； 輔助存儲器（包括輔助存儲器的特點及主要技術指標、磁記錄原理和記錄方式、磁盤存儲器的結構、光盤存儲器的存取原理）； 要求 必須掌握各類存儲器的工作原理，以及各類存儲器在存儲器的層次結構中各自起的作用。,1.4,第五章 輸入輸出系統(tǒng)（8個課時） 內容 輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況及組成、I/O與主機的編址方式、傳送方式、聯(lián)絡方式以及設備尋址；外部設備分類及簡介；I/O接口的功能及基本組成；程序查詢方式的工作原理及程序查詢接口電路；程序中斷方式的工作原理及程序中斷接口電路、中斷服務流程；直接存?。―irect Memory Access ）方式的特點、DMA接口電路的功能、組成、類型及DMA 的工作過程； 要求 掌握主機與I/O交換的三種控制方式，即程序查詢、程序中斷和DMA，以及它們各自所需的硬件及軟件支持 ；,,1.4,中央處理器 第六章 計算機的運算方法（16個課時） 內容 計算機中有符號數(shù)（原碼、補碼、反碼、移碼）和無符號數(shù)的表示；計算機中數(shù)的定點表示和浮點表示；定點運算；浮點四則運算；算術邏輯單元； 要求 掌握計算機中有符號數(shù)、無符號數(shù)、定點數(shù)和浮點數(shù)的各種表示，以及移位、定點補碼加減運算、定點原碼一位乘和兩位乘及補碼Booth算法、定點原碼和補碼加減交替除法，以及浮點補碼加減運算。了解不同的運算方法對運算器結構的影響，以及提高運算速度采取的各種措施，包括快速進位鏈的設計方法 ；,,1.4,第七章 指令系統(tǒng)（8個課時） 內容 機器指令的一般格式；操作數(shù)類型和操作類型；指令的地址格式和尋址方式；指令格式舉例；精簡指令系統(tǒng)計算機技術（Reduced Instruction Set Computer，即 RISC）； 要求 要求掌握不同的尋址方式對操作數(shù)尋址范圍以及對編程的影響，掌握不同的尋址方式所要求的硬件和信息的加工過程；還應了解RISC的主要特點及其與復雜指令系統(tǒng)計算機技術（Complex Instruction Set Computer，即 CISC）的區(qū)別 ；,,1.4,第八章 CPU的結構和功能（6個課時） 內容 CPU的功能及結構框圖；指令周期；指令流水；中斷系統(tǒng)（包括引起中斷的各種因素，中斷系統(tǒng)所需解決的共性問題，如：中斷請求標記、中斷判優(yōu)、中斷響應、中斷服務、中斷返回、多重中斷等）； 要求 掌握機器完成一條指令的全過程、中斷技術在提高整機效能方面所起的作用，以及流水技術。,,1.4,控制單元 第九章 控制單元的功能（6個課時） 內容 微操作命令的分析（按取指周期、間指周期、執(zhí)行周期和中斷周期分析不同指令的微操作命令）；控制單元的外特性；多級時序系統(tǒng)；控制方式；控制信號實例分析 ； 要求 理解控制單元為完成不同指令所發(fā)出的各種操作命令，以及指令周期、機器周期、時鐘周期與操作命令的關系。,,1.4,第十章 控制單元的設計（6個課時） 內容 組合邏輯設計；組合邏輯控制單元框圖、微操作節(jié)拍安排、組合邏輯設計舉例；微程序設計；微程序控制單元框圖及工作原理、微指令的編碼方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序設計舉例； 要求 初步掌握控制單元的兩種設計方法，進一步理解組合邏輯控制器和微程序控制器在設計思想、硬件組成及其工作原理方面的不同；結合時序系統(tǒng)的概念，學會按不同指令要求，寫出相應的微操作命令及節(jié)拍安排。,,1.4,作業(yè),1.4、1.9、1.11,QUESTION？,