計(jì)算機(jī)原理與設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)原理

ComputerPrinciples國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2/35AboutPrincipleDefinition:Ageneraltruthorbeliefthatisusedasabaseforreasoning,oraction,orforthedevelopmentoffurtherideas.Alawofnatureasscientificallydiscoveredandstated.原理的特點(diǎn)普適，但有特例2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院3/35課程設(shè)置本課程是計(jì)算機(jī)各專業(yè)、網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)本科必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。它從計(jì)算機(jī)部件及行為層次的角度，闡述計(jì)算機(jī)的硬件組成，即控制器(CU)、運(yùn)算器(ALU)、存儲(chǔ)器(M)以及輸入/輸出(I/O)控制部件的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、邏輯功能與設(shè)計(jì)、以及實(shí)現(xiàn)方法。學(xué)習(xí)內(nèi)容基本組成（BasicOrganization）工作原理（Principle）設(shè)計(jì)方法（LayoutMethod）常識(shí)性知識(shí)（CommonSense）2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院4/35知識(shí)點(diǎn)參見目錄：緒論指令系統(tǒng)運(yùn)算方法與運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器輸入輸出(I/O)控制計(jì)算機(jī)模塊結(jié)構(gòu)與互連2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院5/35參考文獻(xiàn)參考書

“Slidesforprinciplesofcomputerarchitecture”2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院6/35學(xué)習(xí)目標(biāo)及方法學(xué)習(xí)目標(biāo)：花時(shí)少、效率高;掌握基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)行創(chuàng)造力訓(xùn)練；培養(yǎng)一流的計(jì)算機(jī)人才。學(xué)習(xí)方法：概念、原理與設(shè)計(jì)——what?why?how?提倡懷疑；聽課時(shí)追隨老師的思路，積極思考；溫故而知新。2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院7/35其他需要說明的問題關(guān)于課堂紀(jì)律；關(guān)于課程安排；關(guān)于課后作業(yè)；關(guān)于考試。第一章緒論Introduction2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院9/35內(nèi)容提要計(jì)算機(jī)的發(fā)展史（簡(jiǎn)介）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成（掌握）計(jì)算機(jī)工作過程（第一章/了解、全課程/掌握）計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)和分類（掌握）計(jì)算機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展（簡(jiǎn)介）2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院10/351、計(jì)算機(jī)及其發(fā)展史計(jì)算工具計(jì)算過程：獲取數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)。計(jì)算工具的發(fā)展就是計(jì)算過程自動(dòng)化程度不斷提高的過程：手工計(jì)算機(jī)械計(jì)算電子計(jì)算電子計(jì)算機(jī)的分代以電子器件為標(biāo)志2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院11/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成存儲(chǔ)程序原理計(jì)算機(jī)要自動(dòng)完成解題任務(wù)，必須將事先設(shè)計(jì)好、用以描述計(jì)算機(jī)解題過程的程序（即指令的有序集合），和數(shù)據(jù)一樣，采用二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在機(jī)器內(nèi)部，計(jì)算機(jī)在工作時(shí)自動(dòng)高速地從機(jī)器中逐條取出指令并加以執(zhí)行。存儲(chǔ)程序控制是計(jì)算機(jī)能自動(dòng)工作的關(guān)鍵所在。2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院12/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)的功能數(shù)據(jù)傳送功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能數(shù)據(jù)處理功能操作控制功能操作判斷功能2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院13/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)以二進(jìn)制表示和存儲(chǔ)程序控制為核心。存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備輸入設(shè)備2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院14/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成。在《計(jì)算機(jī)原理》課程中主要涉及硬件方面。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)程序及數(shù)據(jù)處理所需的手續(xù)、規(guī)則和文件的總稱，包括程序和文檔。程序和文檔的區(qū)別在于是否可以執(zhí)行。計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)的電子元件和機(jī)電裝置的統(tǒng)稱。軟件和硬件具有邏輯上的等效性硬件軟化（算法）與軟件硬化（固件）2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院15/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)——以存儲(chǔ)器為中心存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備輸入設(shè)備2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院16/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成運(yùn)算器ALU（ArithmeticandLogicUnit）完成算術(shù)與邏輯運(yùn)算，加法器是ALU的核心。移位器ALU鎖存器1鎖存器2寄存器組R0Rn-1...R1內(nèi)部總線flag2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院17/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成控制器CU（ControlUnit）的作用：根據(jù)預(yù)定的步驟，控制與協(xié)調(diào)各部件的自動(dòng)工作。是計(jì)算機(jī)的管理機(jī)構(gòu)和指揮中心。控制器完成的工作實(shí)質(zhì)上就是控制指令執(zhí)行：獲取指令、譯碼、產(chǎn)生控制信號(hào)。連續(xù)不斷、有條不紊地繼續(xù)上述動(dòng)作，即所謂的執(zhí)行程序。2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院18/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成控制器CU的組成：指令控制、地址形成、定時(shí)、微操作控制部件微操作控制信號(hào)CPTSG微操作控制部件IDIR狀態(tài)......XR地址計(jì)算ARPCMBR到內(nèi)存選址系統(tǒng)到計(jì)算機(jī)各部件2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院19/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成控制器CU的組成：指令控制部件：PC：程序計(jì)數(shù)器、指令地址寄存器；IR：存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令；ID：對(duì)指令操作碼進(jìn)行譯碼以識(shí)別指令。地址形成部件：AR：存放需要訪問數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元地址；XR：變址寄存器，用于變址尋址；地址計(jì)算部件。注意：CPU中能夠完成計(jì)算的部件不止ALU一個(gè)。2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院20/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成控制器CU的組成：時(shí)序部件：主頻CP和時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器TSG：節(jié)拍和主頻周期的關(guān)系微操作（Micro－operation）控制部件Why?微操作與微程序；微程序通常固化在ROM（ReadOnlyMemory）中。CPTSG2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院21/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成存儲(chǔ)器M（Memory）存儲(chǔ)器的構(gòu)成存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元讀寫線路存儲(chǔ)緩沖寄存器00...0000...0100...1011...11存儲(chǔ)體地址譯碼器存儲(chǔ)地址寄存器MBRMAR地址總線數(shù)據(jù)總線存儲(chǔ)時(shí)序控制線路讀/寫命令............2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院22/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成輸入與輸出設(shè)備（Input/OutputDevice）又稱外設(shè)、簡(jiǎn)稱I/O；主機(jī)：CPU、內(nèi)存儲(chǔ)器及相應(yīng)接口；種類：輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備I/O的特點(diǎn)：速度較慢。2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院23/352、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成互連結(jié)構(gòu)（InterconnectionStructure）作用：數(shù)據(jù)交換。BUS：連接簡(jiǎn)單；數(shù)據(jù)傳輸率不高；微機(jī)中大量使用?；ミB網(wǎng)（InterconnectionNetwork）：連接復(fù)雜；數(shù)據(jù)傳輸率高；對(duì)速度要求高的巨型機(jī)、并行機(jī)中大量使用。2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院24/353、計(jì)算機(jī)的工作過程一個(gè)簡(jiǎn)單例子：已知a、b、c、d、x，求解代數(shù)多項(xiàng)式：y=ax3+bx2+cx+d。y=a*x3+b*x2+c*x+d5次乘法，3次加法y=((a*x+b)*x+c)*x+d3次乘法，3次加法a

乘以x上步結(jié)果加b上步結(jié)果乘以x上步結(jié)果加c上步結(jié)果乘以x上步結(jié)果加daxax+bax2+bxax2+bx+cax3+bx2+cxax3+bx2+cx+d2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院25/353、計(jì)算機(jī)的工作過程指令集簡(jiǎn)介指令操作碼OP(8位)Ri(4位)D(20位)操作操作碼指令功能符號(hào)表示加法乘法取數(shù)存數(shù)停機(jī)02H08H10H14HFFHRiRi+(D)RiRi×(D)Ri

(D)DRiHLT2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院26/353、計(jì)算機(jī)的工作過程指令A(yù)DD的執(zhí)行過程（取指＋執(zhí)行）MARPC讀命令MBRM(PC)IRMBRPCPC+1MARD讀操作數(shù)MBR(D)鎖存器1Ri鎖存器2MBR加法命令Ri

鎖存器1+鎖存器2停機(jī)取數(shù)加法乘法存數(shù)停機(jī)取指令過程執(zhí)行指令過程2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院27/353、計(jì)算機(jī)的工作過程計(jì)算機(jī)總體框圖移位器ALU鎖存器1鎖存器2寄存器組R0Rn-1...R1CPU內(nèi)部總線flag運(yùn)算器MBR地址譯碼器存儲(chǔ)體......MAR存儲(chǔ)時(shí)序控制線路CPTSG微操作控制部件IDIR狀態(tài)XR地址計(jì)算ARPC+1............I/O設(shè)備I/O設(shè)備設(shè)備控制器設(shè)備控制器I/O控制部件......系統(tǒng)總線輸入輸出設(shè)備微操作控制信號(hào)到內(nèi)存選址系統(tǒng)節(jié)拍信號(hào)指令譯碼控制器內(nèi)存儲(chǔ)器2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院28/353、計(jì)算機(jī)的工作過程計(jì)算y的源程序主存地址指令或數(shù)據(jù)說明00A0000A0100A0200A0300A0400A0500A0600A0700A081008020802080214FF88888888000B0100B0000B0200B0000B0300B0000B0400B0500000取數(shù)：R8a乘法：R8a×x加法：R8a×x+b乘法：R8(a×x+b)×x加法：R8(a×x+b)×x+c乘法：R8((a×x+b)×x+c)×x加法：R8((a×x+b)×x+c)×x+d存數(shù)：(00B05)R8停機(jī)00B0000B0100B0200B0300B0400B05xabcdy2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院29/353、性能分析與分類性能指標(biāo)：主頻：5M～3G+提高主頻的方法：工藝速度：吉布森混合法計(jì)算各種指令執(zhí)行速度計(jì)算典型程序運(yùn)算速度Benchmark實(shí)際測(cè)試、模擬分析2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院30/353、性能分析與分類性能指標(biāo)：運(yùn)算精度精度與寄存器的位數(shù)的關(guān)系存儲(chǔ)容量主存越大，處理問題的能力越強(qiáng)與外存交換次數(shù)越少，效率越高存取周期M的類型2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院31/353、性能分析與分類性能指標(biāo)：需要綜合考慮各種因素特別注意運(yùn)算速度的評(píng)價(jià)方法時(shí)間是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的根本標(biāo)準(zhǔn)2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院32/353、性能分析與分類計(jì)算機(jī)的分類標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的用途專用通用計(jì)算機(jī)的規(guī)模巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)、單片機(jī)2023/1/14國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院3