哈工大計(jì)算機(jī)組成原理第一章課件唐朔飛老師

1、1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.4 本書結(jié)構(gòu)本書結(jié)構(gòu)1.3 計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.2 計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成更多資料下載更多資料下載: http:/ 由具有各類特殊功能由具有各類特殊功能的信息（程序）組成的信息（程序）組成1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的實(shí)體計(jì)算機(jī)的實(shí)體如主機(jī)、外設(shè)等如主機(jī)、外設(shè)等一、一、 計(jì)算機(jī)軟、硬件的概念計(jì)算機(jī)軟、硬件的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(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用來(lái)管理整個(gè)計(jì)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(yǔ)言處理程序語(yǔ)言處理程序操作系統(tǒng)操作

2、系統(tǒng)服務(wù)性程序服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)軟件軟軟件件計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)高級(jí)語(yǔ)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(jì)算機(jī)的解題過(guò)程計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M M3匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M M2操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M M1微指令系統(tǒng)微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器微程序機(jī)器 M M0用編譯程序翻譯用編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言程序成匯編語(yǔ)言程序用匯編程序翻譯用匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序成機(jī)器語(yǔ)言程序用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系

3、統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟軟件件硬硬件件虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M M4虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M M3虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M M2實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M M1微程序機(jī)器微程序機(jī)器 M M0程序員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性程序員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)組成組成實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性有無(wú)乘法指令有無(wú)乘法指令如何實(shí)現(xiàn)乘法指令如何實(shí)現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/OI/O機(jī)理）機(jī)理）（具體指令的

4、實(shí)現(xiàn)）（具體指令的實(shí)現(xiàn)）三、三、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成1. 計(jì)算機(jī)由五大部件組成計(jì)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(chǔ)器指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器 可按地址尋訪可按地址尋訪5. 存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序一、馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)5. 存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序算術(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(shí)別的形式器能識(shí)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

5、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(jì)算機(jī)硬件框圖諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)硬件框圖諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器存儲(chǔ)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)備二、計(jì)算機(jī)硬件框圖二、計(jì)算機(jī)硬件框圖1. 以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖程序程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)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(jì)算計(jì)算ALUALU主存主存輔存輔存CPUCPU主機(jī)主機(jī)I/OI/O硬件硬件CUCU2. .現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件框圖現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸

6、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ALUALUCPU主機(jī)主機(jī)I/OI/OCUCU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(jì)算方法確定計(jì)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(gè)步驟一個(gè)步驟三、計(jì)算機(jī)的工作步驟三、計(jì)算機(jī)的工作步驟取取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 a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中存存a ax2 在存儲(chǔ)器中在存

7、儲(chǔ)器中取取b 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a ax2 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加c c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中= (= (a ax + + b b) )x + + c c 取取x 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以a a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加b b 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中乘以乘以x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加c c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中計(jì)算計(jì)算 ax2 + bx + c編程舉例編程舉例000001 0000001000000001 0000001000打印打印 停機(jī)停機(jī)取數(shù)取數(shù) ACC ACC存數(shù)存數(shù) ACC ACC 加加 ACC+ ACC+ ACCACC乘乘 ACCAC

8、C 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)指令和數(shù)據(jù)存于指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址主存單元的地址 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 30001000000001000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 +

9、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(jì)算計(jì)算 ax2 + bx + c 程序清單程序清單 ACC MQ X2. .計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程(1)(1)運(yùn)算器的基本組成及操作過(guò)程運(yùn)算器的基本組成及操作過(guò)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

10、位運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXACC ACC 被加數(shù)被加數(shù)ACC初態(tài)初態(tài) 加法操作過(guò)程加法操作過(guò)程 ACC+XACC+XALU M XM XXACCACCACC指令指令 加加M M 減法操作過(guò)程減法操作過(guò)程運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUX指令指令 減減M MACC ACC 被減數(shù)被減數(shù)ACC初態(tài)初態(tài) M XM XX ACC-XACC-XALUACCACCACC運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXACCACC ACC 被乘數(shù)被乘數(shù)初態(tài)初態(tài) ACCMQ MMMQMQ指令指令 乘乘M M 乘法操作過(guò)程乘法操作過(guò)程X ACCACCX X00ACCACCALU XXMQMQACCACCMQMQACCMQ運(yùn)算器

11、運(yùn)算器MQACCALUXACC ACC 被除數(shù)被除數(shù)ACC初態(tài)初態(tài) ACCACCXXALUMQMQACCMQ余數(shù)在余數(shù)在ACCACC中中指令指令 除除M M M M X XX 除法操作過(guò)程除法操作過(guò)程存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體大樓大樓存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存放一串二進(jìn)制代碼存放一串二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)字存儲(chǔ)字 存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)按地址尋訪按地址尋訪 存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存儲(chǔ)元件存儲(chǔ)元件（0/1） 房間房間 床位床位（無(wú)人（無(wú)人/ / 有人）有人）( (2) )存儲(chǔ)器

12、的基本組成存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體MARMARMDRMDRMARMARMDRMDR 存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù) 16存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 8 設(shè)設(shè) MARMAR = = 4 位位 MDRMDR = = 8 位位存儲(chǔ)器地址寄存器存儲(chǔ)器地址寄存器反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)( (2) )存儲(chǔ)器的基本組成存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體MARMARMDRMDR取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令PCPCIRIRCUCUPCIRCUCU取指取指執(zhí)行執(zhí)行PC 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

13、的地址 具有計(jì)數(shù)功能（具有計(jì)數(shù)功能（PCPC）+ + 1 PC1 PCIR IR 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12356789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(guò)程主機(jī)完成一條指令的過(guò)程CU控制控制單元單元主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體CPUPC控制器控制器IR運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXI/O12356798以存數(shù)指令為例以存數(shù)指令為例4CU控制控制單元單元主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體CPUPC控制器控制器IR運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXI/

14、O( (4) )主機(jī)完成一條指令的過(guò)程主機(jī)完成一條指令的過(guò)程( (5) ) ax2 + bx + c 程序的運(yùn)行程序的運(yùn)行過(guò)程過(guò)程 將程序通過(guò)輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī)將程序通過(guò)輸入設(shè)備送至計(jì)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(dòng)程序運(yùn)行啟動(dòng)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. .機(jī)器字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng)2. .運(yùn)算速度運(yùn)算速度CPUCPU 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 CPUCPU 中的中的 寄存器位數(shù)寄存器位數(shù) 有關(guān)有關(guān)= =ni = =1fi tiTM吉普森法吉普森法主頻主頻每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令MIPSMIPS執(zhí)行一條指令所需時(shí)鐘周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需時(shí)鐘周期數(shù)CPICPI每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)FLOPSFLOPS221 = = 256KB213 = = 1KB如如：3. .存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量主存容量主存容量輔存容量輔存容量存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù) 存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 80GB如：如：MAR MDR MAR