計算機組成原理課程概況

1、 計算機組成原理計算機組成原理余曉容余曉容 Email：電電 話：話：136138315392v為什么要學習這門課程為什么要學習這門課程v課程框架課程框架v學習目標學習目標v學習方法及考評辦法學習方法及考評辦法v教材及參考資料教材及參考資料v預備知識預備知識數(shù)據(jù)的表示及碼制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的表示及碼制轉(zhuǎn)換邏輯函數(shù)邏輯函數(shù)3為什么要學習這門課程？為什么要學習這門課程？v計算機組成原理是研究計算機硬件技術的基礎知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)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；本科生的一門統(tǒng)設必修的專業(yè)基礎課程

2、；v后續(xù)多門課程后續(xù)多門課程 ( (系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 操作系統(tǒng)，編譯原操作系統(tǒng)，編譯原理，高級語言程序設計理，高級語言程序設計, , 計算機網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)庫計算機網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)庫) ) 的學習基礎。的學習基礎。v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)計算機考研專業(yè)基礎課統(tǒng)考科目包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（4545分）、計算機組成原理（分）、計算機組成原理（4545分）、操作系統(tǒng)分）、操作系統(tǒng)（3535分）和計算機網(wǎng)絡（分）和計算機網(wǎng)絡（2525分）。分）。4課程框架課程框架v計算機系統(tǒng)概論（計算機系統(tǒng)概論（1、2章）章）v計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（3、4、5章）章）v中央處理器（中央處理器（

3、CPU) v控制單元（控制單元（CU)5學習目標學習目標v理解單處理器計算機系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原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。算機系統(tǒng)的整機概念。v理解計算機系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟理解計算機系統(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。和基本實現(xiàn)方法。v能夠綜合運用計算機組成的基本原理和基本方法，能夠綜合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

4、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，對一些基本部件進行簡單設計計算、分析，對一些基本部件進行簡單設計;并能并能對高級程序設計語言對高級程序設計語言(如如C語言語言)中的相關問題進行中的相關問題進行分析。分析。6學習方法及考評辦法學習方法及考評辦法v學習方法學習方法課前預習課前預習課堂認真聽講課堂認真聽講課后獨立完成作業(yè)課后獨立完成作業(yè)v考評辦法考評辦法理論考核占理論考核占70%平時作業(yè)和課堂練習占平時作業(yè)和課堂練習占20%考勤考勤10%7教材及參考資料教材及參考資料v教材教材計算機組成原理計算機組成原理（第（第2版），版）， 唐朔飛著，高等教唐朔飛著，高等教育出版社育出版社v

5、參考書目參考書目計算機組成與設計計算機組成與設計， 王誠著王誠著 清華大學出版社清華大學出版社計算機硬件及組成原理計算機硬件及組成原理，Arnold S. Berger 著，著，吳為民等譯，機械工業(yè)出版社吳為民等譯，機械工業(yè)出版社計算機組成原理計算機組成原理（第（第3版），白中英，科學出版社，版），白中英，科學出版社，2000 8數(shù)據(jù)的表示及碼制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的表示及碼制轉(zhuǎn)換一、數(shù)據(jù)的表示與編碼一、數(shù)據(jù)的表示與編碼二、基二碼（二進制碼）二、基二碼（二進制碼）三、進位記數(shù)法與進制轉(zhuǎn)換三、進位記數(shù)法與進制轉(zhuǎn)換9v存儲方式存儲方式用數(shù)字電路的兩個狀態(tài)表示用數(shù)字電路的兩個狀態(tài)表示由上一層的抽象計算機來識別不

6、同的內(nèi)容由上一層的抽象計算機來識別不同的內(nèi)容v計算機中要存儲的數(shù)據(jù)計算機中要存儲的數(shù)據(jù)程序、整數(shù)、浮點數(shù)、字符（串）、邏輯值程序、整數(shù)、浮點數(shù)、字符（串）、邏輯值需要編碼進行表示需要編碼進行表示v編碼原則編碼原則少量簡單的基本符號少量簡單的基本符號一定的規(guī)則一定的規(guī)則表示大量復雜的信息表示大量復雜的信息一、數(shù)據(jù)編碼與表示一、數(shù)據(jù)編碼與表示10二、基二碼（二進制碼）二、基二碼（二進制碼）v只使用兩個基本符號：只使用兩個基本符號：v符號個數(shù)符號個數(shù)最少最少，物理上容易實現(xiàn)，物理上容易實現(xiàn)v與與二值邏輯二值邏輯的的 真真 假假 兩個值對應簡單兩個值對應簡單v用二進制碼表示數(shù)值數(shù)據(jù)運算規(guī)則簡單用二進制

7、碼表示數(shù)值數(shù)據(jù)運算規(guī)則簡單v二進制位可以表示任何對象二進制位可以表示任何對象v邏輯型邏輯型數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)v字符型數(shù)據(jù)的表示字符型數(shù)據(jù)的表示11v字符字符26 字母字母 = 5 位位大大/小寫小寫 + 其它符號其它符號 = 7 bits (in 8)世界上其他語言世界上其他語言 = 16 bits (unicode)v無符號整數(shù)無符號整數(shù) (0, 1, , 2n-1)v邏輯值邏輯值0 = False, 1 = Truev顏色顏色v位置位置 / 地址地址 / 指令指令v但但 n 位只能代表位只能代表 2n 個不同的對象個不同的對象1、二進制位可以表示任何對象、二進制位可以表示任何對象122、邏輯型數(shù)據(jù)、

8、邏輯型數(shù)據(jù)v邏輯型數(shù)據(jù)只有兩個值：邏輯型數(shù)據(jù)只有兩個值：真真 和和 假假；正好可以用二進制碼的兩個符號分別表示，正好可以用二進制碼的兩個符號分別表示，如：如：1 表示表示 真，真，則則0為為 假假v不必使用另外的編碼規(guī)則。不必使用另外的編碼規(guī)則。v對邏輯型數(shù)據(jù)可執(zhí)行邏輯的對邏輯型數(shù)據(jù)可執(zhí)行邏輯的與、或、非與、或、非等基本邏輯等基本邏輯運算；運算；X XY YX X與與Y YX X或或Y YX X的非的非0 00 00 00 01 10 01 10 01 11 11 10 00 01 10 01 11 11 11 10 013v字符作為人字符作為人機聯(lián)系的媒介，是最重要的數(shù)據(jù)機聯(lián)系的媒介，是最重

9、要的數(shù)據(jù)類型之一；類型之一；v當前的西文字符集由當前的西文字符集由 128 個符號組成，通常用個符號組成，通常用 8 位二進制編碼位二進制編碼,即即用一個字節(jié)來表示每一個符用一個字節(jié)來表示每一個符號號，當前通用的兩個標準字符集是：，當前通用的兩個標準字符集是：ASCII 碼碼：即：即 American Standard Code for Information InterchangeUNICODE: IS10646vASCII碼字符集具體編碼如下表所示：碼字符集具體編碼如下表所示：3、字符型字符型數(shù)據(jù)的表示數(shù)據(jù)的表示14ASCII字符編碼集字符編碼集 b6 b5 b4 000 001 010

10、011 100 101 110 111 b3 b2 b1 b0 0000 NUL DLE SP 0 P , p 0001 SOH DC1 ! 1 A Q a q 0010 STX DC2 “ 2 B R b r 0011 ETX DC3 # 3 C S c s 0100 EOT DC4 $ 4 D T d t 0101 ENQ NAK % 5 E U e u 0110 ACK SYN & 6 F V f v 0111 BEL ETB 7 G W g w 1000 BS CAN ( 8 H X h x 1001 HT EM ) 9 I Y i y 1010 LF SUB * : J Z

11、j z 1011 VT ESC + ; K k 1100 FF FS , N n 1111 SI US / ? O _ o 15v字符串的表示與存儲字符串的表示與存儲字符串是指連續(xù)的一串字符，它們占據(jù)主存中連續(xù)的多個字節(jié)，字符串是指連續(xù)的一串字符，它們占據(jù)主存中連續(xù)的多個字節(jié)，每個字節(jié)存放一個字符，對一個主存字的多個字節(jié)，有按從低位每個字節(jié)存放一個字符，對一個主存字的多個字節(jié)，有按從低位到高位字節(jié)次序存放的，也有按從高位到低位字節(jié)次序存放的。到高位字節(jié)次序存放的，也有按從高位到低位字節(jié)次序存放的。例如：例如：IF AB THEN READ(C)就可以有如下不同的存放方式：就可以有如下不同的存放

12、方式：I F AI F A B T B TH E NH E NR E A DR E A D( C )( C )A F IA F IT B T B N E HN E HD A E RD A E R ) C ( ) C (假定每個字由假定每個字由4個字節(jié)組成個字節(jié)組成表示字符串數(shù)據(jù)要給出串存放的主存起始地址和串的長度。表示字符串數(shù)據(jù)要給出串存放的主存起始地址和串的長度。16vUNICODE編碼編碼使用使用16位表示一個字符，可以表示位表示一個字符，可以表示65536個個字符字符將整個編碼空間劃分為塊，每塊為將整個編碼空間劃分為塊，每塊為16的整數(shù)的整數(shù)倍，按塊進行分配。倍，按塊進行分配。保留保留6

13、400個碼點供本地化使用。個碼點供本地化使用。并無法覆蓋所有字符。并無法覆蓋所有字符。17三、進位記數(shù)法與進制轉(zhuǎn)換三、進位記數(shù)法與進制轉(zhuǎn)換1、進位計數(shù)法、進位計數(shù)法2 2、十進制轉(zhuǎn)二進制、十進制轉(zhuǎn)二進制3 3、二到八或十六進制轉(zhuǎn)換、二到八或十六進制轉(zhuǎn)換練習練習4 4、二、二 十進制編碼十進制編碼（BCDBCD編碼）編碼）18N N=i=-md di* *irN 代表一個數(shù)值代表一個數(shù)值r 是這個數(shù)制的基是這個數(shù)制的基(Radix)i表示這些符號排列的位號表示這些符號排列的位號di是位號為是位號為i i的位上的一個符號的位上的一個符號ri是位號為是位號為i i的位上的一個的位上的一個 1 1 代

14、表的值代表的值irdi*是第是第i i位的所代表的實際值位的所代表的實際值表示表示m+k+1m+k+1位的值求累加和位的值求累加和 k1、進位計數(shù)法、進位計數(shù)法19整數(shù)部分除整數(shù)部分除2 2取余取余 小數(shù)部分乘小數(shù)部分乘2 2取整取整2 1 1222521011010.625 * 210.25 * 200.5 * 21 0.0 除盡為止除盡為止 求得位數(shù)滿足要求為止求得位數(shù)滿足要求為止低低高高高高低低從二進制數(shù)求其十進制的值，逐位碼權累加求和從二進制數(shù)求其十進制的值，逐位碼權累加求和2 2、十進制轉(zhuǎn)二進制、十進制轉(zhuǎn)二進制20二到八二到八 從小數(shù)點向左右從小數(shù)點向左右三位一分組三位一分組（10

15、011 100 . 01)10 011 100 . 01)2 2 = ( 234 . 2 ) = ( 234 . 2 )8 8 010 010 二到十六二到十六 從小數(shù)點向左右從小數(shù)點向左右四位一分組四位一分組（1001 1100 . 01)1001 1100 . 01)2 2 = ( 9C . 4 ) = ( 9C . 4 )1616 01000100 說明：整數(shù)部分不足位數(shù)對轉(zhuǎn)換無影響，說明：整數(shù)部分不足位數(shù)對轉(zhuǎn)換無影響，小數(shù)部分小數(shù)部分不足位數(shù)要補零湊足不足位數(shù)要補零湊足，否則出錯。，否則出錯。3 3、二到八或十六進制轉(zhuǎn)換、二到八或十六進制轉(zhuǎn)換211、將十進制、將十進制123.6875轉(zhuǎn)

16、換成二進制轉(zhuǎn)換成二進制整數(shù)部分：整數(shù)部分：1111011小數(shù)部分：小數(shù)部分：0.10112 、將、將1111000010.01101轉(zhuǎn)換成八、十六進制轉(zhuǎn)換成八、十六進制八進制：八進制： 1702.32十六進制：十六進制：3C2.683、將八進制、將八進制247.63轉(zhuǎn)換成二進制轉(zhuǎn)換成二進制10100111.1100114、將十六進制、將十六進制 F5B.48轉(zhuǎn)換成二進制轉(zhuǎn)換成二進制111101011011.01001練習練習22v用四位二進制表示一位十進制；用四位二進制表示一位十進制；v1616個編碼狀態(tài)選用其中的個編碼狀態(tài)選用其中的1010個編碼有多種個編碼有多種方案；方案；例如：例如：84

17、218421碼，余碼，余 3 3 碼，循環(huán)碼碼，循環(huán)碼v又可區(qū)分為：又可區(qū)分為：有權碼：每位上的有權碼：每位上的 1 1 代表確定的值代表確定的值無權碼：無法確定每位上的無權碼：無法確定每位上的 1 1 代表的值代表的值4 4、二、二 十進制編碼（十進制編碼（BCDBCD編碼）編碼）23 0 0000 1 0111 2 0110 3 0101 4 0100 5 1011 6 1010 7 1001 8 1000 9 1111如何判定碼權如何判定碼權結(jié)論結(jié)論此編碼系統(tǒng)有權碼此編碼系統(tǒng)有權碼驗證各碼的值驗證各碼的值從一編碼求碼權從一編碼求碼權4 +（-2）+（-1）4 +（-2）4 +（-1）8

18、+（-2）+（-1）8 + 4 +（-2）+（-1）4-28-124 0 0011 1 0100 2 0101 3 0110 4 0111 5 1000 6 1001 7 1010 8 1011 9 1100 如何判定碼權如何判定碼權結(jié)論結(jié)論此編碼系統(tǒng)為無權碼此編碼系統(tǒng)為無權碼從一編碼求碼權從一編碼求碼權驗證各碼的值驗證各碼的值1122+1 = 025邏輯函數(shù)邏輯函數(shù)一、基本概念一、基本概念二、基本邏輯運算二、基本邏輯運算三、邏輯函數(shù)的基本定理三、邏輯函數(shù)的基本定理四、邏輯函數(shù)的基本運算規(guī)則四、邏輯函數(shù)的基本運算規(guī)則26一、基本概念一、基本概念1、邏輯代數(shù)、邏輯代數(shù)1847年年George B

19、oole提出描述客觀事務邏輯關系的布爾代數(shù)；提出描述客觀事務邏輯關系的布爾代數(shù)；1938年年Claude E.Shannon將布爾代數(shù)用于設計開關電路；將布爾代數(shù)用于設計開關電路；布爾代數(shù)已經(jīng)成為分析和設計數(shù)字邏輯電路的基礎和有力工具，布爾代數(shù)已經(jīng)成為分析和設計數(shù)字邏輯電路的基礎和有力工具，又稱為邏輯代數(shù)。又稱為邏輯代數(shù)。2、邏輯函數(shù)、邏輯函數(shù)利用利用“函數(shù)變量（自變量、因變量）函數(shù)變量（自變量、因變量）”關系描述邏關系描述邏輯代數(shù)之間的關系輯代數(shù)之間的關系例：例：v十字路口的車輛與交通指揮燈十字路口的車輛與交通指揮燈F=(R,Y,G)F=(R,Y,G)v任意具有因果關系的邏輯變量任意具有因果

20、關系的邏輯變量F=(A1,A2,An)F=(A1,A2,An)27v邏輯表達式邏輯表達式用邏輯運算符將關系表達式或邏輯量連接起來的式子用邏輯運算符將關系表達式或邏輯量連接起來的式子v真值表真值表表征邏輯事件輸入和輸出之間全部可能狀態(tài)的表格表征邏輯事件輸入和輸出之間全部可能狀態(tài)的表格v邏輯圖邏輯圖主要用二進制邏輯單元圖形符號所繪制的電路簡圖主要用二進制邏輯單元圖形符號所繪制的電路簡圖v卡諾圖卡諾圖邏輯函數(shù)的一種圖形表示，將邏輯函數(shù)的最小項表達邏輯函數(shù)的一種圖形表示，將邏輯函數(shù)的最小項表達式中的各最小項相應地填入一個方格圖內(nèi)。式中的各最小項相應地填入一個方格圖內(nèi)。3、邏輯函數(shù)的表達方式、邏輯函數(shù)的

21、表達方式281、邏輯函數(shù)與真值表、邏輯函數(shù)與真值表v例：給定函數(shù)例：給定函數(shù)F=(A,B)，兩個自，兩個自變量，共有四種取值組合：變量，共有四種取值組合：F(0,0)=0；F(0,1)=0；F(1,0)=1；F(1,1)=1；v三個自變量，有八種取值組合三個自變量，有八種取值組合邏輯代數(shù)邏輯代數(shù)邏輯值邏輯值 0 0、1 1 代表兩種不同的狀態(tài)代表兩種不同的狀態(tài)邏輯運算邏輯運算 三種基本運算（與、或、非）的組合三種基本運算（與、或、非）的組合運算的表示運算的表示 最基本的表示最基本的表示真值表真值表邏輯變量邏輯變量ABF000010101111二、基本邏輯運算二、基本邏輯運算292、基本邏輯運算

22、、基本邏輯運算與運算與運算 “”v當一邏輯事件發(fā)生的當一邏輯事件發(fā)生的所有條件全部具備后，所有條件全部具備后，該邏輯事件才發(fā)生，該邏輯事件才發(fā)生，這種關系稱為這種關系稱為與邏輯與邏輯ABF000010100111ABY &303、基本邏輯運算、基本邏輯運算或運算或運算 “+”當一邏輯事件發(fā)生的當一邏輯事件發(fā)生的所有條件中只要有一所有條件中只要有一個條件得到滿足，該個條件得到滿足，該邏輯事件就會發(fā)生，邏輯事件就會發(fā)生，這種關系稱為這種關系稱為或邏輯或邏輯ABF000011101111ABY 1314、基本邏輯運算、基本邏輯運算非運算非運算 “”v邏輯事件的發(fā)生以邏輯事件的發(fā)生以其相反的條

23、件為依其相反的條件為依據(jù)，這種關系稱為據(jù)，這種關系稱為非邏輯非邏輯AF=A0110 1 A Y 32邏輯代數(shù)的相等（定理的基本邏輯代數(shù)的相等（定理的基本出發(fā)點）出發(fā)點） F1=A+B F2=ABF1=A+B F2=ABvF1(A1，A2 ， ，An)=F2(A1，A2 ， ，An)v同一邏輯函數(shù)的兩個不同公式表同一邏輯函數(shù)的兩個不同公式表達形式達形式v兩個邏輯函數(shù)的真值表必定相同兩個邏輯函數(shù)的真值表必定相同邏輯代數(shù)的公理邏輯代數(shù)的公理v三個基本運算的公式形式三個基本運算的公式形式A AB BA AB BF1F1F2F20 00 01 11 11 11 10 01 11 10 00 00 01 10 00 01 10 00 01 11 10 00 00 00 0三、邏輯函數(shù)的基本定理三、邏輯函數(shù)的基本定理33這三個基本運算都可以推廣到多個邏輯變量上這三個基本運算都可以推廣到多個邏輯變量上F1=A1 A2 AnF2=A1 +A2 + +An34邏輯函數(shù)的基本定理：邏輯函數(shù)的基本定理：v邏輯運算的優(yōu)先