組成原理復(fù)習(xí)課件

2023/2/31一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論2023/2/32計(jì)算機(jī)硬件的基本組成

組成計(jì)算機(jī)的基本部件有中央處理器CPU（運(yùn)算器和控制器）、存儲(chǔ)器和輸入、輸出設(shè)備。2023/2/33

一般認(rèn)為馮.諾依曼機(jī)具有如下基本特點(diǎn):計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。采用存儲(chǔ)程序的方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一存儲(chǔ)器中，由指令組成的程序可以修改。數(shù)據(jù)以二進(jìn)制碼表示指令由操作碼和地址碼組成。指令在存儲(chǔ)器中按執(zhí)行順序存放，由指令計(jì)數(shù)器指明要執(zhí)行的指令所在的單元地址，一般按順序替增。機(jī)器以運(yùn)算器為中心，數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過運(yùn)算器。2023/2/34

計(jì)算機(jī)的工作過程是本章的重點(diǎn)。人們需將事先編好的程序(指令序列)送至計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器內(nèi)，然后計(jì)算機(jī)按此指令序列逐條完成全部指令的功能，直至程序結(jié)束。因此，要了解計(jì)算機(jī)的工作過程，必須首先了解計(jì)算機(jī)完成一條指令的信息流程。計(jì)算機(jī)的工作過程

1．完成一條指令的信息流程以取數(shù)指令(即將指令地址碼指示的存儲(chǔ)單元中的操作數(shù)取出后送至運(yùn)算器的Acc中)為例，其信息流程是：取指令PC->MAR->M->MDR->IR

分析指令oP(IR)->cu

執(zhí)行指令A(yù)d(IR)->MAR->M->MDR->ACC

此外，每完成一條指令，還必須為取下條指令作準(zhǔn)備，形成下一條指令的地址

2計(jì)算機(jī)的工作過程計(jì)算機(jī)的工作過程實(shí)質(zhì)就是不斷從存儲(chǔ)器中逐條取出指令，送至控制器，經(jīng)分析后由cu發(fā)出各種操作命令．指揮各部件完成各種操作，直至程序中全部指令執(zhí)行結(jié)束。2023/2/352023/2/36

計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)CPU時(shí)鐘周期：主頻：為了使8086CPU的各種操作協(xié)調(diào)同步進(jìn)行，8086CPU必須在時(shí)鐘信號(hào)CLK控制下工作，時(shí)鐘信號(hào)是一個(gè)周期性的脈沖信號(hào)，一個(gè)時(shí)鐘脈沖的時(shí)間長度稱為一個(gè)時(shí)鐘周期(ClockCycle)

，是時(shí)鐘頻率（主頻）的倒數(shù)，時(shí)鐘周期是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的時(shí)間基準(zhǔn)，是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)，也是時(shí)序分析的刻度，8086的主頻為5MHz，時(shí)鐘周期為200ns，8086-1的主頻為10MHz，時(shí)鐘周期為100ns。

2023/2/37CPI：執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期（主頻的倒數(shù)）數(shù)MIPS：每秒執(zhí)行百萬條指令。如某機(jī)每秒能執(zhí)行200萬條指令，則記作2MIPSMFLOPS：每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)

存儲(chǔ)容量=存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)*存儲(chǔ)字長2023/2/38例1、設(shè)主存儲(chǔ)器容量為64Kx32位，并且指令字長、存儲(chǔ)字長、機(jī)器字長三者相等，寫出各寄存器的位數(shù)。解：由主存容量為64Kx32位得216=64K，故MAR為16位，MDR為32位。因指令字長＝存儲(chǔ)字長＝機(jī)器字長，則IR、Acc、均為32位。例2指令和數(shù)據(jù)都存于存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)如何區(qū)分它們。解：通常完成一條指令可分為取指階段和執(zhí)行階段。在取指階段通過訪問存儲(chǔ)器可將指令取出；在執(zhí)行階段通過訪問存儲(chǔ)器可將操作數(shù)取出。這樣，雖然指令和數(shù)據(jù)都是以0、1代碼形式存在存儲(chǔ)器中，但CPU可以判斷出在取指階段訪問存儲(chǔ)器取出的0、1代碼是指令；在執(zhí)行階段訪存取出的0、1代碼是數(shù)據(jù)。

例如，完成ADDM指令需兩次訪存：第一次訪存是取指階段，CPU根據(jù)PC給出的地址取出指令；第二次訪存是執(zhí)行階段，CPU根據(jù)存于IR的指令中M給出的地址取出操作數(shù)?？梢姡珻PU就是根據(jù)取指階段和執(zhí)行階段的訪存性質(zhì)不同來區(qū)分指令和數(shù)據(jù)的。2023/2/392023/2/310二、數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算常用的幾種進(jìn)位數(shù)制：

(1)二進(jìn)制B(2)八進(jìn)制Q(3)十六進(jìn)制H(4)十進(jìn)制D計(jì)算機(jī)中常用的進(jìn)制：二、八、十六數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

1.二（八、十六）進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)

2.二進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制、十六進(jìn)制的關(guān)系

3.十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號(hào)的表示數(shù)據(jù)的數(shù)值通常以正（＋）、負(fù)（－）號(hào)后跟絕對(duì)值來表示，稱為真值。正負(fù)號(hào)也要數(shù)字化，0－正號(hào)，1－負(fù)號(hào)，正號(hào)有時(shí)可省，這種表示數(shù)的形式稱為機(jī)器數(shù)。例：(+9)10表示為：（01001）2

(-9)10表示為：（11001）22023/2/311表示一位十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制碼的每一位有確定的權(quán)。一般用8421碼，其4個(gè)二進(jìn)制碼的權(quán)從高到低分別為8、4、2和1。故稱這種編碼為“以二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制(binary

coded

decimal，簡稱BCD)碼”。2023/2/312校驗(yàn)碼1.奇偶校驗(yàn)碼：這種方案只能發(fā)現(xiàn)一位錯(cuò)或奇數(shù)個(gè)位錯(cuò)，但不能確定是哪一位錯(cuò)，也不能發(fā)現(xiàn)偶數(shù)個(gè)位錯(cuò)。2.海明校驗(yàn)碼：能檢測出二位同時(shí)出錯(cuò)、亦能檢測出一位出錯(cuò)并能自動(dòng)糾錯(cuò)。三種機(jī)器數(shù)的小結(jié)

對(duì)于正數(shù)，原碼=補(bǔ)碼=反碼

對(duì)于負(fù)數(shù)，符號(hào)位為1，其數(shù)值部分原碼除符號(hào)位外每位取反末位加1補(bǔ)碼原碼除符號(hào)位外每位取反反碼

最高位為符號(hào)位，書寫上用“,”（整數(shù)）或“.”（小數(shù)）將數(shù)值部分和符號(hào)位隔開2023/2/314定點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算1.定點(diǎn)數(shù)的表示無符號(hào)數(shù)的表示；有符號(hào)數(shù)的表示。2.定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算定點(diǎn)數(shù)的位移運(yùn)算；原碼定點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算；補(bǔ)碼定點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算；定點(diǎn)數(shù)的乘/除運(yùn)算；溢出概念和判別方法。

2023/2/315減法運(yùn)算如何實(shí)現(xiàn)？

減法可轉(zhuǎn)換成加上減數(shù)的負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼來完成。即：[X-Y]補(bǔ)=X補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)2023/2/316浮點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算

浮點(diǎn)數(shù)的表示

浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍；IEEE754標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算（了解步驟）1.“對(duì)階”－－使兩數(shù)階碼相等(對(duì)齊兩數(shù)的小數(shù)點(diǎn)）2.尾數(shù)加/減3.結(jié)果規(guī)格化4.舍入5.檢查階碼是否溢出2023/2/317N=M*RE

規(guī)格化:當(dāng)R＝2，且尾數(shù)值不為0時(shí)，其絕對(duì)值應(yīng)大于或等于(0.5)10

。對(duì)非規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)，通過將尾數(shù)左移或右移，并修改階碼值使之滿足規(guī)格化要求尾數(shù)用補(bǔ)碼表示的規(guī)格化形式：數(shù)符與尾數(shù)小數(shù)點(diǎn)后第1位數(shù)字相異例如：最大正數(shù)=215×(1–2–10)

2+1111×0.111111111110個(gè)1最小正數(shù)最大負(fù)數(shù)最小負(fù)數(shù)=2–15×2–1

=–215×(1–2–10)

=2–16=–2–15×2–1

=–2–162-1111×0.10000000009個(gè)02-1111×(–0.1000000000)9個(gè)02+1111×(–0.1111111111)10個(gè)1設(shè)m=4，n=10，r=2尾數(shù)規(guī)格化后的浮點(diǎn)數(shù)表示范圍6.22023/2/319算術(shù)邏輯單元ALU

1.串行加法器和并行加法器

2.算術(shù)邏輯單元ALU的功能和機(jī)構(gòu)2023/2/320(2)串行多位加法器

XnYnCn-1CnFnX1Y1 F1C0C1XnYnCn-1CnFnX2Y2 XnYnCn-1CnFnXnYnCn-1CnFnC2C3C4X3Y3 X4Y4 F2F3F4

n個(gè)全加器相連可得n位加法器，但加法時(shí)間較長，因?yàn)槲婚g進(jìn)位是串行傳送的，本位全加和Fi必須等低位進(jìn)位Ci-1來到后才能進(jìn)行，加法時(shí)間與位數(shù)有關(guān)。只有改變進(jìn)位逐傳送的路徑，才能提高加法器工作速度。解決辦法之一：采用“超前進(jìn)位產(chǎn)生電路”，來同時(shí)產(chǎn)生各位進(jìn)位，從而實(shí)現(xiàn)快速加法，這種加法器稱為“超前進(jìn)位加法器”。2023/2/321GIVPIVGIIIPIIIGIIPIIGIPI74182CIIICIICIC0

7418174181741817418174181:實(shí)現(xiàn)算術(shù)邏輯運(yùn)算及組內(nèi)并行。74182：接收了組間的輔助函數(shù)后，產(chǎn)生組間的并行進(jìn)位信號(hào)CIII

、CII

、CI，分別將其送到各小組的加法器上一個(gè)16位的ALU部件，要實(shí)現(xiàn)組內(nèi)并行，組間并行運(yùn)算。所需器件為：74181芯片四塊，74182一塊2023/2/322三、存儲(chǔ)器層次機(jī)構(gòu)寄存器Cache主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器2023/2/323

半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器1.SRAM存儲(chǔ)器的工作原理2.DRAM存儲(chǔ)器的工作原理2023/2/324存儲(chǔ)信息原理動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM（動(dòng)態(tài)MOS型）：依靠電容存儲(chǔ)電荷的原理存儲(chǔ)信息。功耗較小,容量大,速度較快,作主存。靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM（雙極型、靜態(tài)MOS型）

依靠雙穩(wěn)態(tài)電路內(nèi)部交叉反饋的機(jī)制存儲(chǔ)信息。功耗較大,速度快,作Cache。SRAM：利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來保存信息，只要不斷電，信息是不會(huì)丟失的，因?yàn)槠洳恍枰M(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，故稱為“靜態(tài)”存儲(chǔ)器。DRAM：利用MOS電容存儲(chǔ)電荷來保存信息，使用時(shí)需要給電容充電才能使信息保持，即要定期刷新。2023/2/325

CPU與主存之間采取異步工作方式，以ready信號(hào)表示一次訪存操作的結(jié)束2023/2/326重要習(xí)題存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展(1)位擴(kuò)展概念:位擴(kuò)展指的是用多個(gè)存儲(chǔ)器器件對(duì)字長進(jìn)行擴(kuò)充（2）字?jǐn)U展字?jǐn)U展指的是增加存儲(chǔ)器中字的數(shù)量。例:

4個(gè)16K8位靜態(tài)芯片組成64K8位存儲(chǔ)器。2023/2/327(3)字位擴(kuò)展例:由Intel2114(1K4位)芯片組成容量為4K8位的主存儲(chǔ)器的邏輯框圖,說明地址總線和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，該存儲(chǔ)器與8位字長的CPU的連接關(guān)系。解：此題所用芯片是同種芯片。（1）片數(shù)=存儲(chǔ)器總?cè)萘浚ㄎ唬?芯片容量（位）

=4K*8/（1K*4）=8（片）（2）CPU總線（由存儲(chǔ)器容量決定）地址線位數(shù)=log2(字?jǐn)?shù))=log2(4K)=12(位)

數(shù)據(jù)線位數(shù)=字長=8（位）2023/2/328（3）芯片總線（由芯片容量決定）地址線=log2(1K)=10(位)

數(shù)據(jù)線=4（位）（4）分組（組內(nèi)并行工作，Cs連在一起，組間串行工作，Cs分別連接譯碼器的輸出）組內(nèi)芯片數(shù)=存儲(chǔ)器字長/芯片字長

=8/4=2（片）組數(shù)=芯片總數(shù)/組內(nèi)片數(shù)=8/2=4（組）（5）地址分配與片選邏輯2023/2/3292023/2/330定期向電容補(bǔ)充電荷刷新

DRAM采用“讀出”方式進(jìn)行再生。利用單元數(shù)據(jù)線上的讀出放大器來實(shí)現(xiàn)。由于DRAM每列都有自己的讀出放大器，只要依次改變行地址輪流進(jìn)行讀放再生即可。這種方式稱行地址再生方式。

(1)集中刷新：在一個(gè)刷新周期(從上一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器刷新結(jié)束到下一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器全部刷新一遍為止)內(nèi)，利用一段固定的時(shí)間，依次對(duì)存儲(chǔ)器的所有行逐一再生，在此期間停止對(duì)存儲(chǔ)器的讀和寫。2023/2/3312ms（2）異步刷新例.把刷新操作分散到刷新周期（2ms）內(nèi)用在大多數(shù)計(jì)算機(jī)中。每隔一段時(shí)間刷新一行。128行≈15.6微秒每隔15.6微秒提一次刷新請(qǐng)求，刷新一行；2毫秒內(nèi)刷新完所有行。R/W刷新R/W刷新R/WR/WR/W15.6微秒15.6微秒15.6微秒刷新請(qǐng)求刷新請(qǐng)求（DMA請(qǐng)求）（DMA請(qǐng)求）2023/2/332高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）Cache引入為解決CPU和主存之間的速度差距,提高整機(jī)的運(yùn)算速度,在CPU和主存之間插入的由高速電子器件組成的容量不大,但速度很高的存儲(chǔ)器作為緩沖區(qū)。解決了速度與成本之間的矛盾（速度接近c(diǎn)ache，容量與每位價(jià)格接近于主存）。Cache特點(diǎn)存取速度快，容量小，存儲(chǔ)控制和管理由硬件實(shí)現(xiàn)2023/2/333cache存儲(chǔ)器工作原理—程序訪問的局部性

這種對(duì)局部范圍的存儲(chǔ)器地址頻繁訪問，而對(duì)此范圍以外的地址則訪問甚少的現(xiàn)象就稱為程序訪問的局部性。時(shí)間局部性：如果一個(gè)信息項(xiàng)正在被訪問，那么在近期它很可能還會(huì)被再次訪問。(程序循環(huán)、堆棧)空間局部性：在最近的將來將用到的信息很可能與現(xiàn)在正在使用的信息在空間地址上是臨近的。(指令順序執(zhí)行、數(shù)組存放)2023/2/334例：CPU執(zhí)行一段程序時(shí)，cache完成存取的次數(shù)為1900次，主存完成存取的次數(shù)為100次，已知cache存取周期為50ns，主存存取周期為250ns，求cache-主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時(shí)間。解：

h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=0.95

ta=htc+(1-h)tm=0.95*50+0.05*250=60ns例:已知Cache存儲(chǔ)周期為40ns,主存存儲(chǔ)周期為200ns,Cache-主存系統(tǒng)平均訪問時(shí)間為50ns,求Cache的命中率是多少?解:

因?yàn)閠a=h*tc+(1-h)(tm+tc)

所以h=(tm+tc-ta)/tm=(200+40-50)/200=19/202023/2/335Cache地址4位9位主存地址7位4位9位11位9位主存地址7位Cache和主存之間的映射方式

（1）直接映像2023/2/336例：設(shè)有一個(gè)cache的容量為2K字，每個(gè)塊為16字。

(1)該cache可容納多少個(gè)塊？

(2)如果主存的容量是256K字，則有多少個(gè)塊？

(3)主存的地址有多少位？cache地址有多少位？

(4)在直接映象方式下，主存中的第i塊映象到cache中哪一個(gè)塊中？

(5)進(jìn)行地址映象時(shí)，存儲(chǔ)器的地址分成哪幾段？各段分別有多少位？解：(1)cache中有2048/16=128個(gè)塊。(2)主存有256K/16=214＝16384個(gè)塊。(3)主存容量為256K＝218字，所以主存的地址有18位。

cache容量為2K=211字，所以cache字地址為11位。(4)主存中的第i塊映象到cache中第imod128個(gè)塊中。(5)存儲(chǔ)器的字地址分成三段：區(qū)地址、組地址、塊內(nèi)字地址。區(qū)地址的長度為18-11=7位，組地址為7位，塊內(nèi)字地址為4位。2023/2/337（2）全相聯(lián)映像:允許主存中的每一個(gè)字塊映象到Cache的任何一個(gè)字塊位置上。是最靈活但成本最高的一種方式(3)組相聯(lián)映像組內(nèi)全相聯(lián)，組間直接映像2023/2/338四、指令系統(tǒng)1.定長操作碼:指令的操作碼的位置、位數(shù)固定相同2.擴(kuò)展操作碼（變長）

各指令操作碼的位置、位數(shù)不固定，根據(jù)需要變化（即操作碼的長度可變，且分散得放在指令字的不同字段中）例題：某計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)有80條指令。當(dāng)采用固定編碼方式時(shí)，其操作碼的長度是多少？在80條指令中，有10條常用指令，使用概率是%90，另外70條的使用概率為%10，若采用變長編碼，則操作碼的平均長度是多少？

2023/2/339例.（方法一）指令字長16位，可含有3、2、1或0個(gè)地址，每個(gè)地址占4位。（見教材P130~131）操作碼地址碼15~1211~87~43~00000X

YZ

1110XYZ............11110000Y

Z1111

1110Y

Z............三地址指令15條二地址指令15條1111

11110000Z111111111110Z............一地址指令15條1111

1111

1111000011111111

11111111............零地址指令16條可表示61條指令2023/2/340例.（方法二）指令字長16位，可含有3、2、1或0個(gè)地址，每個(gè)地址占4位。（見教材P130~131）操作碼地址碼15~1211~87~43~00000X

YZ

1110XYZ............11110000Y

Z1111

1101Y

Z............三地址指令15條二地址指令14條1111

11100000Z111111111110Z............一地址指令31條1111

1111

1111000011111111

11111111............零地址指令16條可表示76條指令2023/2/341尋址方式尋址方式分為指令尋址和數(shù)據(jù)尋址兩類指令尋址：確定下一條要執(zhí)行的指令的地址的方法分為順序?qū)ぶ泛吞S尋址。數(shù)據(jù)尋址：確定本條指令執(zhí)行的操作數(shù)地址1．直接尋址2．寄存器尋址3.基址尋址4．變址尋址5．間接尋址6．相對(duì)尋址7．立即數(shù)2023/2/342五、中央處理器（CPU）

2023/2/3431.硬布線控制器2.微程序控制器2023/2/344硬布線控制器操作控制信號(hào)的產(chǎn)生

指令:操作碼+地址碼在機(jī)器內(nèi)設(shè)置一個(gè)指令譯碼器，輸入:操作碼輸出:反映出當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。由譯碼器的輸出和機(jī)器周期狀態(tài)cyl～cy4作為輸入，使用邏輯電路產(chǎn)生操作控制信號(hào)。7位OP2023/2/345微指令如何產(chǎn)生控制信號(hào)：

微指令最簡單的組成形式：

將每個(gè)控制信號(hào)用一個(gè)控制位來表示，當(dāng)該位為“1”時(shí)，定義為有控制信號(hào)，當(dāng)該位為“0”時(shí)，沒有控制