計算機組成原理1

計算機組成原理計算機科學(xué)與技術(shù)系硬件教研室趙志瑛

138345026162015.3碩士研究生計算機專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試：

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)45分計算機組成原理45分操作系統(tǒng)35分計算機網(wǎng)絡(luò)25分

=150分課程介紹

一、課程性質(zhì)

計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)中與硬件相關(guān)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課。前繼：數(shù)字邏輯電路設(shè)計

二、課程任務(wù)

建立計算機系統(tǒng)的整體概念，理解計算機硬件各子系統(tǒng)的組成原理、基本部件的構(gòu)造和組織方式、基本運算的操作原理、部件和單元的設(shè)計思想及實現(xiàn)技術(shù)等。

三、研究方法

不結(jié)合具體機型，圍繞單CPU硬件系統(tǒng)，從整體框架入手，自頂向下，層層細化。

1、注重一般性原理的理解，了解問題解決方法的沿革。即：典型機型歷史硬件設(shè)計原理

最新發(fā)展追蹤（主動查閱資料盡可能了解本專業(yè)前沿知識）

2、理論→→→初步實踐

四、學(xué)時安排

理論：62學(xué)時實驗：10學(xué)時

五、參考教材

計算機組成原理唐朔飛高等教育出版社計算機組成與結(jié)構(gòu)王愛英清華大學(xué)出版社計算機組織與體系結(jié)構(gòu)白中英清華大學(xué)出版社

六、授課內(nèi)容第１章計算機系統(tǒng)概論1.1計算機系統(tǒng)簡介1.4本書結(jié)構(gòu)1.3計算機硬件的主要技術(shù)指標1.2計算機的基本組成計算機組成概貌計算機工作原理重點:1、計算機發(fā)展盡管千變?nèi)f化，但其最根本的組成原理還是基于馮?諾依曼的結(jié)構(gòu)。2、簡明了解計算機內(nèi)部的工作過程：指令流和數(shù)據(jù)流在機器內(nèi)由（I/O→）存儲器→CPU→存儲器（→I/O）的過程，是通過逐條取指令、分析指令和執(zhí)行指令來運行程序的。

難點：1、本章概念、名詞較多，這些只是為進一步深化學(xué)習打下基礎(chǔ)，因此嚴格講本章沒什么難點，只要建立計算機組成的框架即可。

2、指令和數(shù)據(jù)都以0或1代碼存放于存儲器，計算機如何區(qū)分，應(yīng)注意理解。1.1計算機系統(tǒng)簡介由具有各類特殊功能的信息（程序）組成1.計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機的實體，如主機、外設(shè)等一、計算機的軟件與硬件硬件軟件2.計算機硬件與軟件可實現(xiàn)邏輯功能的等效

性能、價格、實現(xiàn)的難易程度不同軟、硬件界面模糊軟、硬件功能分配比例考慮應(yīng)用、效率、價格、資源狀況的綜合平衡（性價比），可在很寬范圍內(nèi)變化。3.計算機軟硬件的發(fā)展

硬件：摩爾定律作用未來受限

軟件：日益復(fù)雜……不同角度、不同研究領(lǐng)域?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)劃分不同。使用語言功能二、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級語言虛擬機器M4匯編語言虛擬機器M3操作系統(tǒng)虛擬機器M2機器語言實際機器M1微指令系統(tǒng)微程序機器M0用編譯程序翻譯成匯編語言程序用匯編程序翻譯成機器語言程序用機器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件虛擬機器M4虛擬機器M3虛擬機器M2實際機器M1微程序機器M0數(shù)字邏輯層模型機分析與設(shè)計結(jié)果匯編編譯或解釋2.計算機的解題過程1.軟硬件界面向“上”延伸高級語言程序匯編語言程序可執(zhí)行程序（目標程序）言程序機器語鏈接運行程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計算機體系結(jié)構(gòu)計算機組成計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性實現(xiàn)有無乘法指令如何實現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/O）（具體指令的實現(xiàn)）3.計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成4.常用術(shù)語

透明：客觀存在的事物或?qū)傩裕瑥哪硞€角度看（感覺）不到；

系列機：具有相同體系結(jié)構(gòu)、使用相同基本指令系統(tǒng)的多個不同型號的計算機組成的產(chǎn)品系列；軟件可移植性：使用在某個系列機中的軟件直接或很少修改即可運行在其它系列機的可能性；兼容：指計算機軟件硬件的通用性；

固件：寫有特定程序的可編程器件。1.2計算機的基本組成1.由五大部件組成；2.

指令和數(shù)據(jù)用二進制代碼表示；4.指令由操作碼和地址碼組成；5.

以運算器為中心（早期）。3.

指令（程序）和數(shù)據(jù)以同等地位順序存儲于存儲器，可按地址尋訪；一、馮·諾依曼計算機的特點指令：機器完成某種操作的命令。指令系統(tǒng)：機器可執(zhí)行全部指令集合。程序：為解決某特定問題而設(shè)計的有序指令集合。

算術(shù)運算邏輯運算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機器能識別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運行馮·諾依曼計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備不同角度，不同發(fā)展時期，硬件框圖描述不同。

1、早期，以運算器為中心。二、計算機硬件框圖（馮·諾依曼計算機硬件框圖）存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備2.以存儲器為中心的計算機硬件框圖程序存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計算ALU主存輔存CPU主機I/O設(shè)備硬件CU3.現(xiàn)代計算機硬件邏輯框圖存儲器輸入設(shè)備運算器輸出設(shè)備控制器ALUCPU主機I/O設(shè)備CU主存接口1.上機前的準備分析問題，建立數(shù)學(xué)模型；-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序。確定計算方法；程序——運算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——每一個步驟三、計算機的工作步驟2.計算機工作過程（以機器語言級程序為例）程序及數(shù)據(jù)存入主存（順序存放）；調(diào)試程序；輸出運算結(jié)果。從程序的起始地址開始運行程序；取指令指令分析（譯碼）指令執(zhí)行區(qū)別指令和數(shù)據(jù)的依據(jù)：指令周期的不同階段指令周期算法設(shè)計

(ax

+

b)x

+

c

取x

至運算器中乘以a

在運算器中加b

在運算器中乘以x

在運算器中加c

在運算器中1、數(shù)學(xué)模型ax2+bx+c四、模型機工作過程舉例2、模型機（16位）？寄存器位數(shù)運算器MQACCALUXPCIRCUMDR主存儲器存儲體MARCPU總線ACCMQX(1)運算器的基本組成運算器MQACCALUX商被除數(shù)乘數(shù)被乘數(shù)除數(shù)被減數(shù)被加數(shù)加數(shù)減數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位ALU取指令分析指令執(zhí)行指令CUPCIRCU取指執(zhí)行PC

存放當前欲執(zhí)行指令的地址，

具有計數(shù)功能（PC）+

1PCIR

存放當前執(zhí)行的指令訪存訪存(2)控制器的基本組成CU存儲體大樓存儲單元存放一串二進制代碼存儲字存儲單元中二進制代碼的組合存儲字長存儲單元中二進制代碼的位數(shù)–存儲單元–存儲元件（0/1）–

房間–

床位（無人/

有人）(3)存儲器的基本組成MDR主存儲器存儲體MAR存儲器容量

字數(shù)*字長(位)K、M、G、T存儲體MDR主存儲器存儲體MAR存儲單元訪問方式：按地址訪問每個存儲單元賦予一個地址號存儲單元訪問類型：*存儲單元地址與內(nèi)容存（寫）/?。ㄗx）MARMDR存儲單元個數(shù)：

16存儲字長：

8

設(shè)MAR

=

4

位

MDR

=

8

位存儲器地址寄存器（當前訪問M單元地址）（反映存儲單元的個數(shù)）存儲器數(shù)據(jù)寄存器（當前訪問M單元數(shù)據(jù)）

(反映存儲字長)MDR主存儲器存儲體MAR2、模型機（16位）？寄存器位數(shù)運算器MQACCALUXPCIRCUMDR主存儲器存儲體MARCPU總線3、模型機指令系統(tǒng)操作碼地址碼指令格式：OP(6b)Ad(10b)可操作類型(指令個數(shù))26可訪問存儲空間210(000H----3FFH)指令操作功能指令操作數(shù)地址功能指令助記符操作碼地址碼

ACC←

[M]000001…………LDAM

[M]←ACC000010…………STAMACC←ACC+

[M]000011…………ADDM

ACC←

ACC

*[M]000100…………MULM打印←

[M]000101…………PRTM停機000110HALT指令系統(tǒng)：(ax

+

b)x

+

c

MULMa4、計算ax2+bx+c

程序清單及存儲器結(jié)構(gòu)

算法設(shè)計：

(ax

+

b)x

+

c

LDAMxADDMbMULMxADDMcSTAMyPRTMyHALT指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000000000000010000001000取數(shù)x至ACC

00000000010001000000001001乘a得ax,存于ACC中

00100000110000001010加b得ax+b,存于ACC中

00110001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中

01000000110000001011加c得ax2+bx+c,存于ACC

01010000100000001100將ax2+bx+c,存于主存單元

01100001010000001100打印

0111000110停機

1000

x原始數(shù)據(jù)x

1001

a原始數(shù)據(jù)a

1010

b原始數(shù)據(jù)b

1011

c原始數(shù)據(jù)c1100y存放結(jié)果程序區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)MULMa

算法設(shè)計：

(ax

+

b)x

+

c

LDAMxADDMbMULMxADDMcSTAMyPRTMyHALTADD00BHMUL009HLDA008HADD00AHMUL008HSTA00CHPRT00CHHALTORG000H程序及數(shù)據(jù)存入主存（順序存放）設(shè)PC初值（程序首地址）（PC=0）啟動程序運行：（LDAMx）5、模型機工作過程分析指令取指令執(zhí)行指令

MARMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMDRACC[MAR]MDRPC(PC

)+

1[MAR]MDRLDAMx…………訪問程序區(qū)訪問數(shù)據(jù)區(qū)指令周期高級語言虛擬機器M3匯編語言虛擬機器M2操作系統(tǒng)虛擬機器機器語言實際機器M1微指令系統(tǒng)微程序機器M0分析指令取指令執(zhí)行指令

MARMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMDRACC[MAR]MDRPC(PC

)+

1[MAR]MDRLDAMx…………機器語言機器微程序機器微指令微操作分析指令取指令執(zhí)行指令

MARMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMDRACC[MAR]MDRPC(PC

)+

1[MAR]MDRLDAMx…………數(shù)據(jù)流、控制流（信息流）123678910以取數(shù)指令（LDAMx）為例4完成一條指令信息流程CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器