計(jì)算機(jī)組成原理(本).ppt

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1計(jì)算機(jī)發(fā)展到目前共分為幾代？,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,5,2第一臺計(jì)算機(jī)是哪一年研制成功的？,1946,3“存儲程序”的概念是誰提出的？,馮.諾依曼,4目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用的是什么結(jié)構(gòu)？,多級層次結(jié)構(gòu),5計(jì)算機(jī)的主機(jī)是指什么？,CPU+主存儲器,6計(jì)算機(jī)的存儲系統(tǒng)包括什么？,Cache+主存+外存,簡述馮.諾依曼型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想。,（1）計(jì)算機(jī)硬件應(yīng)有運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入和輸出設(shè)備五大基本部件組成。（2）計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令及其他信息。（3）將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，然后再啟動計(jì)算機(jī)工作。即存儲程序控制。,機(jī)算機(jī)硬件組織由哪幾大功能部件組成？,存儲器，運(yùn)算器，控制器，輸入輸出設(shè)備，總線。,計(jì)算機(jī)的簡單框圖,,,,,,,,運(yùn)算器,控制器,主存儲器,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,輔助存儲器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CPU,控制,數(shù)據(jù),地址或指令,主機(jī),外設(shè),存儲器,,1.2.2硬件各部件的組成及主要功能,1.存儲器(Memory)：存儲程序和數(shù)據(jù)信息的部件。它是一個記憶裝置，也是計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)“存儲程序控制”的基礎(chǔ)。,三級存儲系統(tǒng),速度,,快,慢,,小,大,容量,,貴,賤,價格/位,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu),1.多層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個硬件與軟件組成的綜合體，我們可以把它看成是按功能劃分的多級層次結(jié)構(gòu)。,硬操作時序（實(shí)際機(jī)器）,微程序級（實(shí)際機(jī)器）,機(jī)器語言級（實(shí)際機(jī)器）,操作系統(tǒng)級（虛擬機(jī)器）,匯編語言級（虛擬機(jī)器）,高級語言級（虛擬機(jī)器）,應(yīng)用語言級（虛擬機(jī)器）,,,,,,,硬聯(lián)邏輯,微程序,操作系統(tǒng),匯編程序,編譯程序,應(yīng)用程序,運(yùn)算方法及運(yùn)算器,1.8位定點(diǎn)字長的字，采用2的補(bǔ)碼表示時，一個字所能表示的整數(shù)范圍是多少？,–128~+127,2.下列數(shù)中最小的數(shù)是多少？,A．（10011001）2B.（227）8C.（98）16D.（152）10,=153,=151,=152,=152,3.用16位字長（其中1位符號位）表示定點(diǎn)整數(shù)時，所能表示的數(shù)值范圍是多少？,[0，215–1],4.一個定點(diǎn)數(shù)由哪兩部分組成？,符號位，數(shù)值位,5.在IEEE754標(biāo)準(zhǔn)中，浮點(diǎn)數(shù)由哪幾部分組成？,符號位，指數(shù)，尾數(shù),,6.已知X為整數(shù)，且[X]補(bǔ)=10001011，則X的十進(jìn)制數(shù)值是多少？,[X]原=11110101,X=-1110101,X=-（26+25+24+22+20）=-（64+32+16+4+1）=-117,7.已知X=0.10011，Y=-0.10111，寫出它們的原碼、補(bǔ)碼及反碼表示。,[X]原=0.10011,[Y]原=1.10111,[X]補(bǔ)=0.10011,[Y]補(bǔ)=1.01001,[X]反=0.10011,[Y]反=1.01000,8已知X=-0.10110，Y=-0.00001，求（1）[X]補(bǔ)，[-X]補(bǔ)，[Y]補(bǔ)，[-Y]補(bǔ)，（2）試用它們的變形補(bǔ)碼計(jì)算X+Y=？，X-Y=？并指出結(jié)果是否溢出。,解答：（1）[X]補(bǔ)=1.01010，[-X]補(bǔ)=0.10110，[Y]補(bǔ)=1.11111，[-Y]補(bǔ)=0.00001,[X+Y]補(bǔ)=11.01010+11.11111=11.01001，X+Y=-0.10111，不溢出,[X-Y]補(bǔ)=11.01010+0.00001=11.01011，X-Y=-0.10101，不溢出,解：[x]補(bǔ)=1.0101[-x]補(bǔ)=0.1011[y]補(bǔ)=0.1101，計(jì)算過程如下：,10.已知x=－0.1011，y=0.1101，用補(bǔ)碼布斯乘法求xy，要求寫出機(jī)器的運(yùn)算步驟。,部分積R0乘數(shù)R1說明,,,,00.0000011010,初值yn+1=0，P=0,ynyn+1=10，+[-x]補(bǔ),+00.1011,,00.1011,右移1位，得P1,00.0101101101,ynyn+1=01，+[x]補(bǔ),+11.0101,,11.1010,右移1位，得P2,11.1101010110,ynyn+1=10，+[-x]補(bǔ),+00.1011,,00.1000,右移1位，得P3,00.0100001011,ynyn+1=11，+0,+00.0000,,00.0100,右移1位，得P4,00.0010000101,ynyn+1=01，+[x]補(bǔ),+11.0101,,11.0111000101,最后一步不右移，得P5,[x]補(bǔ)=1.0101[-x]補(bǔ)=0.1011,[y]補(bǔ)=0.1101,符號位參加運(yùn)算,,存儲系統(tǒng),1.存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的記憶設(shè)備，主要用途是什么？,存儲程序和數(shù)據(jù),2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的存儲器系統(tǒng)是指什么？,cache、主存貯器和外存貯器,3.主存貯器和CPU之間增加cache的目的是多少？,解決CPU和主存之間的速度匹配問題,4.閃速存儲器FlashMemory是一種______存儲器？,非易失性,5.相聯(lián)存儲器是按內(nèi)容訪問的存儲器，它屬于___存儲器？,并行,6.常用的Cache替換算法是什么？,近期最少使用算法,,7.計(jì)算機(jī)字長16位，它的存貯容量是64KB，若按字編址，那么它的尋址范圍是多少？,1B=8位，16位=2B,64KB=2B*32K，故尋址范圍為32K,,8.一個容量為64K32位的存儲器,其地址線和數(shù)據(jù)線的總和是多少根?,地址線：210*26=64K,所以地址線是16根,數(shù)據(jù)線是32根,總共是16+32=48根.,10已知某16位機(jī)主存采用半導(dǎo)體存儲器，其地址碼為20位，若使用16K8位的SRAM芯片組成該機(jī)所允許的最大主存空間，并選用模塊板結(jié)構(gòu)形式，問：(1)若每個模塊板為128K16位，共需幾個模塊板？(2)每個模塊板內(nèi)共有多少SRAM芯片？(3)主存共需多少RAM芯片？CPU如何選擇各模塊板？,解答,(1)所需模塊板N=220(128210)=8(塊)(2)每個模塊板內(nèi)所需的SRAM芯片數(shù)為n=(128K16K)(168)=16(片)(3)主存共需SRAM芯片數(shù)：M=168=128,,,,有一個具有20位地址和32位字長的存儲器，問：（1）該存儲器能存儲多少個字節(jié)的信息？（2）如果存儲器由512K8位SRAM芯片組成，需要多少芯片？（3）需要多少位地址作芯片選擇？,解：（1）∵220=1M，∴該存儲器能存儲的信息為：1M32/8=4MB（2）（1024K/512K）（32/8）=8（片）（3）需要1位地址作為芯片選擇。（選擇兩個512K32位的存儲體）,11,14請用圖示說明三級存儲體系分別由哪些部分組成，并比較Cache-主存和主存一輔存這兩個存儲層次的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。,【解】如圖所示，三級存儲體系由Cache存儲器、主存和輔存構(gòu)成。Cache和主存構(gòu)成了系統(tǒng)的內(nèi)存，而主存和輔存依靠輔助軟硬件的支持構(gòu)成了虛擬存儲器。,,三級存儲體系為了提高存儲系統(tǒng)的性能價格比而構(gòu)造的層次性存儲體系，力圖使存儲系統(tǒng)的性能接近高速存儲器，而價格接近低速存儲器。,13.磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，存儲區(qū)域內(nèi)直徑22cm，外直徑33cm，道密度40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm,轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，問：,（1）共有多少個存儲面可用？（2）共有多少柱面？（3）盤組的總存儲容量是多少？（4）數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？（5）如采用定長數(shù)據(jù)塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么？在尋址命令中如何表示磁盤地址？(6)如果某文件長度超過了一個磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個存儲面上，還是記錄在同一個柱面上？,解答,（4）磁盤上的信息分布及磁盤編址,①磁盤記錄區(qū)的編址（14英寸6片盤組為例）扇區(qū)號：0～13；記錄面號：0～9；磁道號：0～202（最外磁道為0磁道）相同半徑的磁道構(gòu)成一個柱面磁盤編址：(臺號)記錄面號磁道號扇區(qū)號每個扇區(qū)記錄定長的數(shù)據(jù)扇區(qū)是磁盤存儲器可尋址的最小單位，讀寫操作是以扇區(qū)為單位一位一位串行操作。,圖3.51扇區(qū)示意圖,②記錄格式,(a)頭空、尾空—為磁盤控制器提供讀／寫的準(zhǔn)備時間。(b)序標(biāo)—寫入特定代碼，作為磁盤控制器的同步定位信號。(c)數(shù)據(jù)—512Ｂ(d)校驗(yàn)字—循環(huán)冗余碼，以提高可靠性。,頭空,,,,,,,數(shù)據(jù)（512個字節(jié)）,序標(biāo),,,校驗(yàn)字,,尾空,,頭空,,數(shù)據(jù),序標(biāo),,,,,磁道,磁盤運(yùn)動方向,,,,,一個扇區(qū)（一個記錄塊）,,,下個扇區(qū),,,,,,,,,扇標(biāo)脈沖,,,,,,扇標(biāo)脈沖,圖3.52硬盤數(shù)據(jù)記錄格式,8.磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，存儲區(qū)域內(nèi)直徑22cm,外直徑33cm,道密度40道/cm,內(nèi)層位密度400位/cm,轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，問：（1）共有多少個存儲面可用？（2）共有多少柱面？（3）盤組總存儲容量是多少？,答：,（2）有效存儲區(qū)域16.5–11=5.5(cm)，柱面：405.5＝220,(3)因?yàn)榈烂芏?40道/cm內(nèi)圈磁道周長為2пR=23.1411=69.08(cm)每道的信息量=400位/cm69.08cm=27632位每面的信息量=27632220=6079040位。盤組總?cè)萘?607904010=60790400位。,（1）共有10個存儲面可用，最上下兩面不用。,8.磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，存儲區(qū)域內(nèi)直徑22cm,外直徑33cm,道密度40道/cm,內(nèi)層位密度400位/cm,轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，問：（4）數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？,(4)磁盤數(shù)據(jù)傳輸速率DR=rN個字/秒。N為每條磁道容量，N=27632位。r為磁盤每秒轉(zhuǎn)速，r=240060=40（轉(zhuǎn)/秒）所以數(shù)據(jù)傳輸速率DR=rN=4027632=1105280位/秒,答：,8.磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，存儲區(qū)域內(nèi)直徑22cm,外直徑33cm,道密度40道/cm,內(nèi)層位密度400位/cm,轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，問：（5）如采用定長數(shù)據(jù)塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么？在尋址命令中如何表示磁盤地址？,(5)采用定長數(shù)據(jù)塊格式，直接尋址的最小單位是一個記錄塊（一個扇區(qū)），每個記錄塊記錄固定字節(jié)數(shù)目的信息。,答：,在定長記錄的數(shù)據(jù)塊中，活動頭磁盤組的編址方式如下：,此地址格式表示有4臺磁盤，每臺有16個記錄面，每面有220道（28=256），每道有16個扇區(qū)。,8.磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，存儲區(qū)域內(nèi)直徑22cm,外直徑33cm,道密度40道/cm,內(nèi)層位密度400位/cm,轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，問：(6)如果某文件長度超過了一個磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個存儲面上，還是記錄在同一個柱面上？,答：,(6)如果某文件長度超過了一個磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個柱面上，因?yàn)椴恍枰匦抡业?，這樣數(shù)據(jù)讀寫速度快。,指令系統(tǒng),1.寄存器間接尋址方式中，操作數(shù)處在哪里？,主存儲器,2.在CPU中，暫存指令的寄存器是什么？,指令寄存器,3.指令格式中，操作碼字段表征指令的什么？,指令的操作特征和功能,4.單地址指令中為了完成兩個數(shù)的算術(shù)運(yùn)算，除地址碼指明的一個操作數(shù)以外，另一個數(shù)常需采用哪種尋址方式？,隱含尋址方式,5.堆棧是指按什么規(guī)則存入或取出信息的特定的存儲區(qū)？,先進(jìn)后出或后進(jìn)先出,4.1.1指令的基本格式,1.操作碼OP,操作碼字段,操作數(shù)地址字段,用于指示指令的操作性質(zhì)及功能。,N—指令系統(tǒng)基本指令的條數(shù)。n—OP的二進(jìn)制位數(shù)。,在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時,對該型號的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的每條指令都要規(guī)定一個操作碼。指令操作碼具體說明操作的性質(zhì)和功能。組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的規(guī)模,通常,一個n位的操作碼最多能夠表示2n條指令。,n≥log2N或N≤2n,,指示操作數(shù)或指令的地址,A的位數(shù)越多，在內(nèi)存中訪問的范圍（尋址范圍）越大。,通常還包含尋址方式碼。,操作碼字段,操作數(shù)地址字段,2.地址碼A,地址碼用來描述該指令的操作對象,或直接給出操作數(shù)的存儲器地址。根據(jù)一條指令中有幾個操作數(shù)地址.可將該指令稱為幾操作數(shù)指令或稱為幾地址指令。,7.某臺計(jì)算機(jī)字長為16位，主存容量為64K字，采用單字長單地址指令，共有64條指令。試采用4種尋址方式（直接、間接、變址、相對）設(shè)計(jì)指令格式。,解,64條指令需占用操作碼字段（OP）6位，這樣，指令字余下10位。為了覆蓋主存64K字的地址空間，設(shè)尋址模式（X）為2位，形式地址（D）為8位。,其指令格式如下,尋址模式X定義如下,X=00直接尋址，有效地址E=D（256單元）,X=01間接尋址，有效地址E=(D)（64K）,X=10變址尋址，有效地址E=(R)+D（64K）,X=11相對尋址，有效地址E=(PC)+D（64K）,8.一種單地址指令格式如下所示，其中I為間接特征，X為尋址模式，D為形式地址。I，X，和D用于指定該指令的操作數(shù)有效地址Ｅ。設(shè)R為變址寄存器，PC為程序計(jì)數(shù)器，請?jiān)谙卤碇械?列位置填入適當(dāng)?shù)膶ぶ贩绞矫Q。,,答,這八種尋址方式依次是①直接尋址②相對尋址③變址尋址④寄存器間址⑤間接尋址⑥相對間址⑦變址間址⑧寄存器二次間址。,中央處理器CPU,1.計(jì)算機(jī)的工作過程分為哪兩個階段？,第一階段：取出指令和解釋指令；第二階段執(zhí)行指令,2.CISC的含義是什么？,復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī),3.RISC的含義是什么？,精簡指令集計(jì)算機(jī),4.CPU的運(yùn)算器的作用是什么？,進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算,5.計(jì)算機(jī)的指令周期是由什么組成的？,由若干個CPU周期（機(jī)器周期）組成,6.流水CPU是的構(gòu)造原理是什么？,以時間并行性為原理構(gòu)造的處理器,指令周期,2．指令周期舉例,（1）CLA指令的指令周期,CLA指令功能：將累加器AC清0。,5.2.1指令周期,2．指令周期舉例,ADD30；功能：（AC）+（30）→AC,（2）ADD指令的指令周期,,7.畫出指令標(biāo)量流水線時空圖，分析指令流水線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其優(yōu)點(diǎn)。,流水線工作方式的特點(diǎn):,①具有時間的并行性；,②流水線分工越細(xì)，可同時運(yùn)行的指令越多，吞吐率就越高。但需增加硬件，控制更復(fù)雜；,③流水線每個階段的執(zhí)行時間應(yīng)盡量一致；,④流水線充滿（滿載）時達(dá)到最大的吞吐率。,1、試談?wù)動?jì)算機(jī)系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。,【答】采用總線結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以減少傳輸線的數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性，便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和實(shí)現(xiàn)積木化。采用總線結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是通常不允許兩種信息源的代碼同時傳送，也就是說，利用總線傳送信息具有分時性的特點(diǎn)。,總線及其互聯(lián)結(jié)構(gòu),2、總線有哪幾種傳送方式？,【答】串行傳送和并行傳送兩種。,3、衡量總線性能的重要指標(biāo)是什么，它定義是什么？,【答】總線帶寬，它是指總線本身所能達(dá)到的最高傳送速率。單位是MB/s.,4、PCI總線的最高傳輸速率是多少？,采用64位字長的處理器，最高傳輸速率是264MB/s.,,1、鍵盤、鼠標(biāo)屬于什么設(shè)備？,【答】輸入設(shè)備。,2、顯示器、打印機(jī)屬于什么設(shè)備？,【答】輸出設(shè)備。,3、CRT顯示器的刷新存儲器存儲的字符地址和什么相對應(yīng)？,【答】屏幕上顯示的該字符的位置,4、什么是不可屏蔽中斷？,【答】不受“中斷允許標(biāo)志位IF”的控制，即只要有“非屏蔽中斷”產(chǎn)生，CPU必須響應(yīng)的中斷。,5、中斷的兩個重要特性是什么？,【答】程序切換和隨機(jī)性。,6、DMA控制器從CPU完全接管對總線的控制，但數(shù)據(jù)交換仍然要經(jīng)過CPU。(),【答】錯誤，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU。,7、DMA方式是一種在過程完全由硬件(DMA控制器)實(shí)現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存直接交換信息的工作方式。,【答】數(shù)據(jù)交換過程,8.假設(shè)某計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中僅有磁盤、磁帶、打印機(jī)三個設(shè)備同時工作。磁盤以30us的間隔向控制器發(fā)DMA請求，磁帶以50us的間隔發(fā)DMA請求，打印機(jī)以110us間隔發(fā)DMA請求。根據(jù)傳輸速率，磁盤優(yōu)先權(quán)最高，磁帶次之，打印機(jī)最低。假設(shè)DMA控制器每完成一次DMA傳送所需的時間是3us。打印機(jī)先提出請求，其后磁盤和磁帶同時提出請求。畫出多路DMA控制器工作時空圖，說明工作情況。,解答：磁盤：,,磁帶：,打印機(jī)：,DMA控制器：,,,,,3us,,,,3,,,,,,,,1,2,1,2,1,1,2,1:磁盤,2:磁帶,3:打印機(jī),,,,,,,在100us時間段內(nèi)，為磁盤服務(wù)4次，磁帶3次，打印機(jī)1次。,