1單元11計算機(jī)系統(tǒng)概論

1、 計算機(jī)組成原理計算機(jī)組成原理computer organization 尹尹 輝輝email: tel: 51688278(o) addr: 九教學(xué)樓北515計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院計算機(jī)組成原理計算機(jī)組成原理 教學(xué)大綱1.理解理解單單處理器計算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原處理器計算機(jī)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，具有理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整完整的計的計算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。2.理解計算機(jī)系統(tǒng)理解計算機(jī)系統(tǒng)層次層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟化結(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)的基本知識件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知

2、識和基本實現(xiàn)方法。和基本實現(xiàn)方法。3.能夠運(yùn)用計算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對能夠運(yùn)用計算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對有關(guān)計算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進(jìn)行有關(guān)計算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進(jìn)行計計算、分析算、分析，并能對一些基本部件進(jìn)行，并能對一些基本部件進(jìn)行簡單設(shè)計簡單設(shè)計。 參考教材：執(zhí)行順序執(zhí)行順序 教材章節(jié)教材章節(jié)0第章第章 計算機(jī)系統(tǒng)概論計算機(jī)系統(tǒng)概論第章第章 計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用 自學(xué)自學(xué)8第章第章 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線2第章第章 存儲器存儲器7第章第章 輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)1第章第章 計算機(jī)的運(yùn)算方法計算機(jī)的運(yùn)算方法3第章第章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)4第章第章

3、 cpu cpu 的結(jié)構(gòu)和功能的結(jié)構(gòu)和功能5第章第章 控制單元的功能控制單元的功能6第第1010章章 控制單元的設(shè)計控制單元的設(shè)計教學(xué)安排：l 課程總共64學(xué)時理論課48學(xué)時實驗16學(xué)時l 考核： 實驗成績：20分 作業(yè)及平時測驗（研究性教學(xué)研究性教學(xué) ）：30分 期末開卷考試：50分教學(xué)安排： http:/ 0/作業(yè)提交課程資源主要參考資料： 1.白中英計算機(jī)組成原理，科學(xué)出版社，2007-12-01 2. 唐朔飛. 計算機(jī)組成原理:學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答. 高等教育出版社,2006. 3.薛勝軍. 計算機(jī)組成原理. 華中科技大學(xué)出版社 . 2010教學(xué)目標(biāo)

4、：教學(xué)目標(biāo)： （1）了解計算機(jī)的基本組成、主要技術(shù)指標(biāo)）了解計算機(jī)的基本組成、主要技術(shù)指標(biāo) （2）理解馮諾依曼的兩種體系結(jié)構(gòu)特點）理解馮諾依曼的兩種體系結(jié)構(gòu)特點 （3）理解計算機(jī)系統(tǒng)層次的劃分方法及）理解計算機(jī)系統(tǒng)層次的劃分方法及 各個層次在計算機(jī)系統(tǒng)中的作用各個層次在計算機(jī)系統(tǒng)中的作用教學(xué)單元一：教學(xué)單元一：計算機(jī)系統(tǒng)概論計算機(jī)系統(tǒng)概論第第章章 計算機(jī)系統(tǒng)概論計算機(jī)系統(tǒng)概論1.1 計算機(jī)系統(tǒng)簡介計算機(jī)系統(tǒng)簡介1.3 計算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)計算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.2 計算機(jī)的基本組成計算機(jī)的基本組成1.1 1.1 計算機(jī)系統(tǒng)簡介計算機(jī)系統(tǒng)簡介由具有各類特殊功能由具有各類特殊功能的信息（程

5、序）組成的信息（程序）組成1. 計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)的實體，計算機(jī)的實體，如主機(jī)、外設(shè)等如主機(jī)、外設(shè)等一、一、 計算機(jī)的軟硬件概念計算機(jī)的軟硬件概念硬件硬件軟件軟件按任務(wù)需要編制成的各種程序按任務(wù)需要編制成的各種程序用來管理整個計算機(jī)系統(tǒng)用來管理整個計算機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件語言處理程序語言處理程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)服務(wù)性程序服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)軟件軟軟件件計算機(jī)計算機(jī)高級語高級語言程序言程序目標(biāo)目標(biāo)程序程序結(jié)果結(jié)果翻譯翻譯運(yùn)行運(yùn)行2. 計算機(jī)的解題過程計算機(jī)的解題過程i=0i=i+1move r0,0add r0,100

6、0 0 000 0001 0 000 1二、計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)用編譯程序翻譯用編譯程序翻譯成匯編語言程序成匯編語言程序用用匯編匯編程序翻譯程序翻譯成機(jī)器語言程序成機(jī)器語言程序用機(jī)器語言解釋用機(jī)器語言解釋操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器語言由硬件直接執(zhí)行由硬件直接執(zhí)行微指令微指令軟軟件件硬硬件件虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 m4虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 m3虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 m2實際機(jī)器實際機(jī)器 m1微程序機(jī)器微程序機(jī)器 m0高級語言高級語言i=i+1add r0,1001 0 000 1計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計算機(jī)組成計算機(jī)組成三、三、計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計算機(jī)組成計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計算機(jī)組

7、成architecture organization 是指那些能夠被程序員所見到的計算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性，（指令集，尋址技術(shù)等抽象的屬性，如乘法指令）指如何實現(xiàn)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，它包含了許多對程序員來說是透明的硬件細(xì)節(jié)。 （乘法指令的實現(xiàn)）i=i* *2 21.2 1.2 計算機(jī)的基本組成計算機(jī)的基本組成1. 計算機(jī)由五大部件組成計算機(jī)由五大部件組成3. 指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示4. 指令由操作碼和地址碼組成指令由操作碼和地址碼組成6. 以運(yùn)算器為中心以運(yùn)算器為中心2. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器 可按地址尋訪

8、可按地址尋訪5. 存儲程序存儲程序一、馮馮諾依曼計算機(jī)的特點諾依曼計算機(jī)的特點5. 存儲程序（順序存放）存儲程序（順序存放）001 0 000 1001 0 000 1(add r0,1)算術(shù)運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)存放數(shù)據(jù)和程序和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)將信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器能識別的形式器能識別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式人們熟悉的形式指揮程序指揮程序運(yùn)行運(yùn)行馮馮諾依曼計算機(jī)硬件框圖諾依曼計算機(jī)硬件框圖存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備馮馮諾依曼計算機(jī)硬件框圖諾依曼計算機(jī)硬件框圖存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出

9、設(shè)備二、計算機(jī)硬件框圖二、計算機(jī)硬件框圖1. 以存儲器為中心的計算機(jī)硬件框圖以存儲器為中心的計算機(jī)硬件框圖程序程序存儲器存儲器輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果計算計算alu主存主存輔存輔存cpu主機(jī)主機(jī)i/o設(shè)備設(shè)備硬件硬件cu2. .現(xiàn)代計算機(jī)硬件框圖現(xiàn)代計算機(jī)硬件框圖存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器輸出設(shè)備輸出設(shè)備控制器控制器alucpu主機(jī)主機(jī)i/o設(shè)備設(shè)備cu主主存存1. .上機(jī)前的準(zhǔn)備上機(jī)前的準(zhǔn)備 建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型 - -+ +- -+ +- -= =!x9!x7!x5!x3xx9753sin 編制解題程序編制解題程序 確定計算

10、方法確定計算方法程序程序 運(yùn)算的運(yùn)算的 全部步驟全部步驟0, 1, 2,)( )(21nyn xynx= =+ += =指令指令 每每 一個步驟一個步驟三、計算機(jī)的工作步驟三、計算機(jī)的工作步驟yn+1= =取取x 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中乘以乘以a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中存存ax2 在存儲器中在存儲器中取取b 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加ax2 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中= ( (ax + b) )x + c 取取x 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加b 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中乘以乘以x 在運(yùn)算器中

11、在運(yùn)算器中加加c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中計算計算 ax2 + bx + c編程舉例編程舉例ax2bxx=6000001 0000001000打印打印 停機(jī)停機(jī)取數(shù)取數(shù) acc存數(shù)存數(shù) acc 加加 acc+ acc乘乘 acc acc指令格式舉例指令格式舉例操作碼操作碼地址碼地址碼 打印機(jī)打印機(jī)主存單元的主存單元的地址（十）地址（十） 指令指令 注釋注釋操作碼操作碼 地址碼地址碼 00000010000001000取數(shù)取數(shù)x至至acc 10001000000001001乘乘a得得ax ,存于存于acc中中 20000110000001010加加b得得ax+b ,存于存于acc中中 3000100

12、0000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于acc中中 40000110000001011加加c得得ax2 + bx + c ,存于存于acc 50000100000001100將將ax2 + bx +c ,存于主存單元存于主存單元 60001010000001100打印打印 7000110停機(jī)停機(jī) 8 x原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)x 9 a原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)a 10 b原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)b 11 c原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)c 12存放結(jié)果存放結(jié)果計算計算 ax2 + bx + c 程序清單程序清單存儲體存儲體大樓大樓存儲單元存儲單元 存放一串二進(jìn)制代碼存放一串二進(jìn)制代碼存儲字存儲字 存儲單元中二進(jìn)制代

13、碼的組合存儲單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲字長存儲字長 存儲單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)存儲單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)每個存儲單元賦予一個地址號每個存儲單元賦予一個地址號按地址尋訪按地址尋訪 存儲單元存儲單元 存儲元件存儲元件（0/1） 房間房間 床位床位（無人（無人/ / 有人）有人）( (1) )存儲器的基本組成存儲器的基本組成mdr主存儲器主存儲器存儲體存儲體mar2. .計算機(jī)的解題過程計算機(jī)的解題過程marmdr 存儲單元：存儲單元： 16存儲字長存儲字長 8 設(shè)設(shè) mar = = 4 位位 mdr = = 8 位位存儲器地址寄存器存儲器地址寄存器反映存儲單元的個數(shù)反映存儲單元的個數(shù)存儲器數(shù)據(jù)寄存

14、器存儲器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲字長反映存儲字長( (1) )存儲器的基本組成存儲器的基本組成mdr主存儲器主存儲器存儲體存儲體mar acc mq x(2)運(yùn)算器的基本組成及操作過程運(yùn)算器的基本組成及操作過程運(yùn)算器運(yùn)算器mqaccalux被加數(shù)被加數(shù)被減數(shù)被減數(shù)被除數(shù)被除數(shù)乘數(shù)乘數(shù)商商加數(shù)加數(shù)減數(shù)減數(shù)被乘數(shù)被乘數(shù)除數(shù)除數(shù)加法加法減法減法乘法乘法除法除法和和差差余數(shù)余數(shù)乘積高位乘積高位乘積低位乘積低位acc 被加數(shù)被加數(shù)acc初態(tài)初態(tài) 加法操作過程加法操作過程 acc+x alu m xxaccacc指令指令 加加m運(yùn)算器運(yùn)算器mqaccaluxaccumulator 減法操作過程減法操作過程運(yùn)算器

15、運(yùn)算器mqaccalux指令指令 減減macc 被減數(shù)被減數(shù)acc初態(tài)初態(tài) m xx acc-x aluaccacc運(yùn)算器運(yùn)算器mqaccaluxaccacc 被乘數(shù)被乘數(shù)初態(tài)初態(tài) mq m mq指令指令 乘乘m 乘法操作過程乘法操作過程x acc xalu x mq 00accaccmqaccmq運(yùn)算器運(yùn)算器mqaccaluxacc 被除數(shù)被除數(shù)acc初態(tài)初態(tài) acc x alumqaccmq余數(shù)在余數(shù)在acc中中指令指令 除除m m xx 除法操作過程除法操作過程取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令pcircu取指取指執(zhí)行執(zhí)行pc 存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址

16、， 具有計數(shù)功能（具有計數(shù)功能（pc）+ + 1 1 pcir 存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存訪存訪存完成完成一條一條指令指令( (3) )控制器的基本組成控制器的基本組成cu 控制單元控制單元pcircu12356789以取數(shù)指令為例以取數(shù)指令為例4( (4) )主機(jī)完成一條指令的過程主機(jī)完成一條指令的過程cu控制控制單元單元主存儲器主存儲器mdrmar存儲體存儲體cpupc控制器控制器ir運(yùn)算器運(yùn)算器mqaccaluxi/o設(shè)設(shè)備備12356798以以存數(shù)存數(shù)指令為例指令為例4( (4) )主機(jī)完成一條指令的過程主機(jī)完成一條指令的過程cu控制控制單元單元主存儲器主存儲器m

17、drmar存儲體存儲體i/o設(shè)設(shè)備備cpupc控制器控制器ir運(yùn)算器運(yùn)算器mqaccalux( (5) ) ax2 + bx + c 程序的運(yùn)行程序的運(yùn)行過程過程 將程序通過輸入設(shè)備送至計算機(jī)將程序通過輸入設(shè)備送至計算機(jī) 程序首地址程序首地址 打印結(jié)果打印結(jié)果 分析指令分析指令 取指令取指令 停機(jī)停機(jī) 啟動程序運(yùn)行啟動程序運(yùn)行,(pc,(pc )+)+ 1 pc1 pc 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 marmarm mmdrmdririrpcpccucuop(ir)op(ir)ad(ir)ad(ir)marmarm mmdrmdraccaccpcpc1.3 1.3 計算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)計算機(jī)硬件的主要

18、技術(shù)指標(biāo)1. .機(jī)器字長機(jī)器字長2. .運(yùn)算速度運(yùn)算速度cpu 一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)與與 cpu 中的中的 寄存器位數(shù)寄存器位數(shù) 有關(guān)有關(guān)= =fi titm吉普森法吉普森法主頻主頻每秒執(zhí)行百萬條指令每秒執(zhí)行百萬條指令million instruction per secondmillion instruction per secondmips執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù)cycle per instructioncycle per instructioncpi每秒浮點運(yùn)算次數(shù)每秒浮點運(yùn)算次數(shù)floating point opefloating poi

19、nt oper ration per secondation per secondflopsfi第第i條指令在全部操作的百分比條指令在全部操作的百分比ti第第i條指令執(zhí)行時間條指令執(zhí)行時間221b = = 256 kb213 b= = 1 kb如如3. .存儲容量存儲容量主存容量主存容量輔存容量輔存容量存儲單元個數(shù)存儲單元個數(shù) 存儲字長存儲字長字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 80 gb如如 mar mdr 容量容量 10 8 16 32存放二進(jìn)制信息的總位數(shù)存放二進(jìn)制信息的總位數(shù)1k = 210 1b = 23b1gb = 230b1 k 8位位64 k 32位位 概論概論1.4 1.4 課程主要內(nèi)

20、容課程主要內(nèi)容計算機(jī)計算機(jī)1.4 1.4 計算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)計算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)計算機(jī)計算機(jī)i/o系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線存儲器存儲器cpu1.4 1.4 cpu內(nèi)部互連內(nèi)部互連alucu寄存器寄存器中央處理器中央處理器 cpu計算機(jī)計算機(jī)i/o系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線存儲器存儲器cpu1.4 1.4 cpu內(nèi)部互連內(nèi)部互連alucu寄存器寄存器中央處理器中央處理器寄存器寄存器和解碼器和解碼器控制單元控制單元排隊排隊邏輯邏輯控制控制存儲器存儲器 cu計算機(jī)計算機(jī)i/o系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線存儲器存儲器cpu思考題：思考題：1.2 計算機(jī)系統(tǒng)從功能上可劃分為哪些層次？各計算機(jī)系統(tǒng)從功能上可劃分為哪些層次？各層次在計算機(jī)系統(tǒng)中起什么作用？層次在計算機(jī)系統(tǒng)中起什么作用？ 1.5 馮馮.諾依曼計算機(jī)體系的基本思想是什么？按諾依曼計算機(jī)體系的基本思想是什么？按照此思想設(shè)計的計算機(jī)硬件系統(tǒng)應(yīng)由哪些部件組照此思想設(shè)計的計算機(jī)硬件系統(tǒng)應(yīng)由哪些部件組成？各起什么作用？成？各起什么作用？1.11. 指令和數(shù)據(jù)都存于存儲器中，計算機(jī)如何指令和數(shù)據(jù)都存于存儲器中，計算機(jī)如何區(qū)分它們？區(qū)分它們？【計算機(jī)內(nèi)部由哪兩種信息在流動？計算機(jī)內(nèi)部由哪兩種信息在流動？它們彼此有什么關(guān)系？它們彼此有什么關(guān)系？】單選例題 馮諾依曼計算