计算机组成原理第一章btbu.ppt

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1、计算机组成原理毛典辉北京工商大学计算机与信息工程学院Email:第一章 计算机系统概论l 参考书白中英，计算机组成原理第四版，科学出版社，2008唐硕飞,计算机组成原理,高等教育出版社，2003王爱英，计算机组成原理，清华大学出版社，一、课程性质与任务 主 要 讲 解 简 单、单 台 计 算 机 的 完 整 组 成 原 理 和 内 部 运 行 机 制，包 括 运 算 器 部 件、控 制 器 部 件、存 储 器 子 系 统、输 入/输 出 子系 统 与 输 入/输 出 系 统 设 备，围 绕 各 自 的 功 能、组 成、设 计、实现、使用等知识进行介绍；二、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的

2、基本要求）计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的组成和工作原理。通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。三、课程与其他课程的联系与分工 先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计 后续课：计算机系统结构、关系密切的还有操作系统等课程。教学大纲一、本课程性质与任务学习内容：计算机有哪些部分组成的？每个部分的工作原理是什么？每个部分如何设计、实现？各部分之间如何协同工作？学习用途：怎样买一台计算机 了解

3、计算机各部件的技术参数 理解软件是如何在计算机中工作二、本课程的地位与作用 I/O system ProcessorCompilerOperatingSystem(Windows 98)Application(Netscape)Digital DesignCircuit DesignInstruction Set ArchitectureDatapath&Control transistorsMemoryHardwareSoftwareAssembler计算机 专业 基础 课程（必修）按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统 系统软件应用软件语言处理程序 汇编程序、编译程序、解释程序操

4、作系统服务性程序 诊断程序、排错程序、杀毒程序数据库管理系统网络软件软件计算机的语言自然语言：人类相互交流信息所用的语言 高级语言：一种和自然语言 接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为 计算机的高级语言。汇编语言：符号式程序设计语言，属于低级语言。机器语言：由二进制代码表示的指令能够被机器执行的语言。计算机系统的层次结构高级语言虚拟机器 M3汇编语言虚拟机器 M2操作系统虚拟机器机器语言实际机器 M1微指令系统微程序机器 M0软件硬件三、本课程的知识点1.计算机系统概述l 建立整机概念、理解Von Neumann 计算机体系结构思想，以及按此思想设计的计算机组成部件和功能l 怎样区分存储

5、器中存储的是数据还是指令？2.数据表示与运算器l 正数与负数、定点数和浮点数各种机器码表示方法与表示范围 l 各种数的加减乘除运算规则以及校验技术l ALU的设计 3.存储器l 存储器的分类及其相关概念l 静态存储器与动态存储器的组成结构和工作原理。l 存储器的扩展、地址分配与片选逻辑（与CPU的连接）l Cache的基工作原理以及与主存之间的映射方式、替换算法以及写策略l 虚拟存储器（页式、段式、段页式）本课程的知识点（续）4.存储器1.什么是指令和指令系统2.指令的格式以及寻址方式5.中央处理器l CPU的功能与基本结构l 常用指令的执行过程以及执行周期l 微指令的格式与编码方法l 微程序

6、控制器的工作过程6.总线与输入输出系统l 总线的作用以及分类l 总线的仲裁以及总线标准l I/O接口的基本功能l 主机访问I/O设备的控制方式第一篇 概论本课程知识结构内部互连ALU CU寄存器中央处理单元寄存器解码器控制单元排队逻辑控制存储器第二篇计算机系统硬件结构第三篇 CPU 第四篇 CU计算机I/O系统总线存储器CPU概念性的结构与功能特性计算机体系结构计算机组成实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令如何实现乘法指令（具体指令的实现）四、计算机体系结构和计算机组成算术运算逻辑运算存放数据和程序将信息转换成机器能识别的形式将结果转换成人们熟悉的形式指挥程序运行冯诺依曼计算机硬件结构框

7、图存储器输入设备 运算器控制器输出设备1.计算机由五大部件组成包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备3.指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器 可按地址寻访5.存储程序冯诺依曼计算机的特点二、计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图程序存储器 输出设备 输入设备运算器控制器数据结果计算ALU主存辅存CPU主机I/O硬件CU2.现代计算机硬件框图存储器输入设备运算器输出设备控制器ALUCPU主机I/OCU主存1.上机前的准备 建立数学模型-+-+-=!x9!x7!x5!x3x x9 7 5 3sin 编制解题程序 确定计

8、算方法程序 运算的 全部步骤0,1,2,)()(21nyn xynx=+=指令 每 一个步骤三、计算机的工作步骤取x 至运算器中乘以x 在运算器中乘以a 在运算器中存ax2 在存储器中取b 至运算器中乘以x 在运算器中加ax2 在运算器中加c 在运算器中=(ax+b)x+c 取x 至运算器中乘以a 在运算器中加b 在运算器中乘以x 在运算器中加c 在运算器中计算 ax2+bx+c编程举例000001 0000001000打印 停机取数 ACC存数 ACC 加 ACC+ACC乘 ACC ACC指令格式举例1.2操作码 地址码 打印机指令和数据存于主存单元的地址 指令 注释操作码 地址码 0 00

9、0001 0000001000 取数x至ACC 1 000100 0000001001 乘a得ax存于ACC中 2 000011 0000001010 加b得ax+b,存于ACC中 3 000100 0000001000 乘x得（ax+b)x,存于ACC中 4 000011 0000001011 加c得ax2+bx+c,存于ACC 5 000010 0000001100 将ax2+bx+c存于主存单元 6 000101 0000001100打印 7 000110停机 8 x 原始数据x 9 a 原始数据a 10 b 原始数据b 11 c 原始数据c 12存放结果1.2计算 ax2+bx+c 程

10、序清单 ACC MQ X2.计算机的解题过程(1)运算器的基本组成及操作过程1.2运算器MQ ACCALUX被加数被减数被除数乘数商加数减数被乘数除数加法减法乘法除法和差余数乘积高位乘积低位运算器MQ ACCALUXACC 被加数ACC初态 加法操作过程1.2ACC+XALUM XXACCACC指令 加 M1.2 减法操作过程运算器MQ ACCALUX指令 减 MACC 被减数ACC初态 M XXACC-XALUACCACC运算器MQ ACCALUXACCACC 被乘数 初态 1.2ACC MQM MQ指令 乘 M 乘法操作过程XACC X00 ACCALUXMQACCMQACC MQ运算器M

11、Q ACCALUXACC 被除数ACC初态 1.2ACCXALUMQACCMQ余数在ACC中指令 除 MM XX 除法操作过程存储体大楼存储单元 存放一串二进制代码存储字 存储单元中二进制代码的组合存储字长 存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访 存储单元 存储元件（0/1）房间 床位（无人/有人）(2)存储器的基本组成主存储器存储体MAR MDRMARMDR 存储单元个数 16存储字长 8 设 MAR=4 位 MDR=8 位存储器地址寄存器反映存储单元的个数存储器数据寄存器反映存储字长(2)存储器的基本组成主存储器存储体MAR MDR举例：颜色如何表示与存储取指令分析

12、指令执行指令PCIRCUPC IRCU取指执行PC 存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（PC）+1 PCIR 存放当前欲执行的指令访存访存完成一条指令(3)控制器的基本组成12 3567 89以取数指令为例4(4)主机完成一条指令的过程1.2CU控制单元主存储器MDR MAR存储体CPUPC控制器IR运算器MQ ACCALUXI/O12 3567 98以存数指令为例41.2CU控制单元主存储器MDR MAR存储体CPUPC控制器IR运算器MQ ACCALUXI/O(4)主机完成一条指令的过程(5)ax2+bx+c 程序的运行过程 将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址 打印结果 分析指令

13、 取指令 停机 启动程序运行,(PC)+1 PC 执行指令 1.2MAR M MDR IR PCCU OP(IR)Ad(IR)MAR M MDR ACCPC计算机硬件的主要技术指标1.机器字长2.运算速度CPU 一次能处理数据的位数与 CPU 中的 寄存器位数 有关=ni=1fi tiTM 吉普森法主频每秒执行百万条指令MIPS执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒浮点运算次数FLOPS完成一个任务所花费的全部时间221=256KB213=1KB 如：3.存储容量主存容量辅存容量存储单元个数 存储字长字节数字节数 80GB如：MAR MDR 容量10 816 32存放二进制信息的总数量1K=21

14、01Byte=231G=2301K 8位64K 32位计算机的分类通用计算机分类 通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为：l 超级计算机l 大型机l 服务器l 工作站l 微型机l 单片机计算机的发展史一、计算机的产生和发展1946年 美国 ENIAC 1955年退役十进制运算18 0001 500150301 500多个电子管多个继电器千瓦吨平方英尺5 000次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模 集成电路 1978现在 10 0

15、00 000 大规模 集成电路 19721977 1 000 000 中小规模 集成电路 19651971 200 000 晶体管 19581964 40 000 电子管 19461957 速度（次/秒）硬件技术 时间 代三四二一Moore 定律Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。Intel 公司的典型微处理器产品8080 8位 1974年8086 16位 1979年 2.9 万80286 16位 1982年 13.4 万80386 32位 1985年 27.5 万80486 32位 1989年 120.0 万Pentium 64位（准）1993年 310.0 万Pentium pro 64位（准）1995年 550.0 万Pentium 64位（准）1997年 550.0 万以上Pentium 64位（准）1999年 800.0 万以上Pentium 64位 2000年 4 200.0 万预计 2007 年 芯片上可集成 3 亿 5 千万 晶体管 2010 年 芯片上可集成 8 亿 晶体管第一台von Neumann 系统结构的计算机IBM System360