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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(shù)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(jié)構(gòu)， 操作系統(tǒng)，編譯原理，高級語言程序設計, 計算機網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)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(jù)結(jié)構(gòu)、計算機組成原理（45分）、操作系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡。,學習目標,理解單處理器計算機系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)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(guān)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(shù)指標,1.2 計算機的基本組成,1.4 課程內(nèi)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(gòu)成計算機的物理實體，如主機、外設。硬件是構(gòu)成計算機的物質(zhì)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(jié)構(gòu)、應用等方面存在著差別，但是它們的基本組成結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shù)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(jié)果。 存儲器 主要功能是存放程序與數(shù)據(jù)。程序是計算機操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)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(jù)寄存器、控制線路等構(gòu)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(diào)計算機的工作，完成程序信息的處理和數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(jié)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(jù)庫管理系統(tǒng),網(wǎng)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(nèi)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(jié)構(gòu) 1、計算機的解題過程,,計算機,,2、層次結(jié)構(gòu),,,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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與功能特性,實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)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(jù)類型、尋址技術(shù)、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(jù)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(jù)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi),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(jù)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(nèi)容回顧,計算機系統(tǒng)分硬件、軟件兩部分，由五個層次構(gòu)成； 計算機體系結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)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(shù)性能指標,1.機器字長,CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)與CPU中的寄存器位數(shù)有關(guān),,響應時間：從事件開始到事件結(jié)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(nèi)的數(shù)據(jù)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(nèi)容簡介,計算機系統(tǒng)概論（1、2章） 計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu) 第三章 系統(tǒng)總線（3~4個課時） 內(nèi)容 總線基本概念、總線分類、總線特性和性能指標、總線結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)即單總線結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)，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(nèi)容 存儲器分類和存儲器的層次結(jié)構(gòu)； 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(jié)構(gòu)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(shù)指標、磁記錄原理和記錄方式、磁盤存儲器的結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)中各自起的作用。,1.4,第五章 輸入輸出系統(tǒng)（8個課時） 內(nèi)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(nèi)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(shù)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(shù)（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(shù)（Complex Instruction Set Computer，即 CISC）的區(qū)別 ；,,1.4,第八章 CPU的結(jié)構(gòu)和功能（6個課時） 內(nèi)容 CPU的功能及結(jié)構(gòu)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(shù)在提高整機效能方面所起的作用，以及流水技術(shù)。,,1.4,控制單元 第九章 控制單元的功能（6個課時） 內(nèi)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(guān)系。,,1.4,第十章 控制單元的設計（6個課時） 內(nèi)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(jié)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？,