計算機組成原理課件

計算機組成原理

computerorganizationprinciple顧浩趙寶華第1章計算機系統(tǒng)概論

本章要點本章主要介紹計算機系統(tǒng)基本部件的功能與結(jié)構(gòu)，同時介紹了計算機的層次結(jié)構(gòu)，通過本章的學習，讀者對計算機系統(tǒng)應(yīng)有一個整體的概念。第1章計算機系統(tǒng)概論

1．1計算機系統(tǒng)簡介1．2圖靈機（了解）1．3計算機的基本組成1．4計算機的主要性能指標小結(jié)習題1.1.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

1．虛擬機（VirtualMachine）的概念

應(yīng)用語言虛擬機M5（應(yīng)用語言）用應(yīng)用語言編寫的應(yīng)用語言程序經(jīng)應(yīng)用程序包翻譯成高級語言高級語言虛擬機M4（高級語言）高級語言程序經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語言（或某中間語言程序或機器語言程序）匯編語言虛擬機M3（匯編語言）匯編語言程序經(jīng)匯編程序翻譯成機器語言程序操作系統(tǒng)虛擬機M2(作業(yè)控制語言)由機器語言程序解釋操作系統(tǒng)命令傳統(tǒng)機器M1（機器語言）由微程序解釋機器指令微程序機器M0（微指令）由硬件直接執(zhí)行虛擬機是一個抽象的計算機，它由軟件實現(xiàn)，并與實際機器一樣，都具有一個指令集并可使用不同的存儲區(qū)域。如，一臺機器上配有C語言和Pascal語言的編譯程序，對C語言的用戶來講，這臺機器就是以C語言為機器語言的虛擬機，對Pascal語言的用戶來講，這臺機器就是以Pascal語言為機器語言的虛擬機。計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖本書的討論范圍翻譯(應(yīng)用軟件包)翻譯(編譯程序)翻譯(匯編程序)部分解釋(操作系統(tǒng))解釋硬件直接執(zhí)行2.虛擬機的層次結(jié)構(gòu)

從語言的角度來劃分計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，那么虛擬機可分成如圖1-2所示的操作系統(tǒng)虛擬機、匯編語言虛擬機、高級語言虛擬機和應(yīng)用程序虛擬機等層次。虛擬機概念的引入，推動了計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。由于從各層次的虛擬機可方便地識別相應(yīng)層次的計算機語言，從而擺脫了這些語言必須在同一臺機器上執(zhí)行的情況，為日后的多處理機系統(tǒng)、分布式處理系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、并行計算機系統(tǒng)等新穎計算機體系結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)夯實了基礎(chǔ)。

本書討論的范圍僅局限于傳統(tǒng)機器M1和微程序機器M0的組成原理和設(shè)計思想。

廣義語言解釋器作用對象控制信息狀態(tài)信息虛擬計算機觀察者1.1.3計算機體系結(jié)構(gòu)與計算機組成1.計算機體系結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）計算機體系結(jié)構(gòu)是程序員看得見的計算機的屬性，即概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性。通常指用機器語言編程的程序員（也包括匯編語言程序設(shè)計者和匯編程序設(shè)計者）所看到的傳統(tǒng)機器的屬性，包括指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、存儲器尋址技術(shù)、I/O機理等，大多屬于抽象的屬性。2.計算機組成（ComputerOrganization）是計算機體系結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，即指如何實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，它包含了對許多程序員來說是透明的（即程序員是不知道的）硬件細節(jié)，它包括硬件部件的構(gòu)造及如何連接這些組件組成一個計算機系統(tǒng)。注:在計算機中,

客觀存在的事物或?qū)傩詮哪硞€角度看不到,就叫”透明”。1.1.3計算機體系結(jié)構(gòu)與計算機組成1.2圖靈機

1.2.1圖靈機簡介英國數(shù)學家A.M.Turring于1936年從計算一個數(shù)的一般過程著手對計算的本質(zhì)進行研究，提出了一種理想的計算機的數(shù)學模型，實現(xiàn)了對計算本質(zhì)的真正認識。圖靈機（TurringMachine，TM）并不是具體的機器，而是一個通用的計算機模型。目前已成為計算機科學中可計算理論和計算復(fù)雜性理論的基礎(chǔ)。所謂計算就是計算者（人或機器）對一條兩端可無限延長的磁帶上的一串0和1進行操作，一步一步地改變磁帶上的0或1，經(jīng)過有限步驟，最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號串的變換過程。圖靈機用形式化方法成功地表述了計算這一過程的本質(zhì)。圖靈的研究結(jié)果是：可計算性＝圖靈可計算性。

1.2.2圖靈機的基本模型

DATABD……q1參q2q3q4q5讀寫頭有限狀態(tài)控制器圖1-3圖靈機磁帶一臺標準的確定型單帶圖靈機由一條雙向無限長的磁帶（被分割分無窮個小方格）、一個有限狀態(tài)控制器與一個讀寫磁頭構(gòu)成。圖靈機一步一步地進行工作。工作情況取決于以下三點：1．機器的內(nèi)部狀態(tài)。2．讀寫磁頭掃描在磁帶哪個方格上。3．讀寫磁頭掃描的方格上有什么信息。馮.諾依曼與ENAICJohnVonNeuman(1903—1957)

1944年參加“ENIAC”計算機研究工作。1953年3月，他領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)表了全新的存儲程序式通用電子計算機方案—電子離散變量自動計算機EDVAC。1946年與他人合作提出更完善的計算機設(shè)計報告，是以仙農(nóng)提出的二進制，程序內(nèi)存以及指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲為基礎(chǔ)，奠定了現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)的根基。

1.3.2計算機的主要部件控制器輸入設(shè)備存儲器輸出設(shè)備運算器計算步驟和原始數(shù)據(jù)計算結(jié)果圖1.5存儲器為中心的計算機結(jié)構(gòu)框圖傳統(tǒng)計算機的五大部件:1.輸入設(shè)備2.輸出設(shè)備3.存儲器4.運算器:又叫ALU5.控制器MM主存儲器ALU算術(shù)邏輯部件CU控制單元CPUI/O設(shè)備主機圖1-6現(xiàn)代計算機的組成框圖現(xiàn)代計算機的三大部件:1.CPU(運算器+控制器)2.I/O設(shè)備3.主存儲器MM1.3.3計算機的總線結(jié)構(gòu)運算器控制器存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲器地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線圖1-7單總線結(jié)構(gòu)的計算機原理圖●數(shù)據(jù)總線：用于傳輸數(shù)據(jù)；●地址總線：用于傳輸內(nèi)存存儲單元的地址；●控制總線：用于傳輸控制信號。分時和共享是總線的兩大基本特點。

注意:數(shù)據(jù),地址和控制總線并不是三組總線,它們都是系統(tǒng)總線的一部分。1.3.4計算機的工作過程2.指令:程序是由指令組成的。指令是機器所能識別的一組編制成特定格式的代碼串，它要求機器在一個規(guī)定的時間段(指令周期)內(nèi)，完成一組特定的操作。指令的基本格式可歸結(jié)為操作碼OP和操作數(shù)地址AD兩部分。⑴指出計算機應(yīng)完成的一組操作內(nèi)容，⑵兩個操作數(shù)的地址和存放結(jié)果的地址及尋址方式。⑶為保證程序執(zhí)行的連續(xù)性，在執(zhí)行當前指令時，還需指出下一條指令的地址。1.3.4計算機的工作過程3.指令的執(zhí)行指令規(guī)定的內(nèi)容是通過控制器執(zhí)行的。⑴控制器的功能①定序功能——保證按程序規(guī)定的順序執(zhí)行指令。②定時功能——控制器為各部件提供統(tǒng)一節(jié)拍，使各條指令及組成每條指令的基本操作（稱為微操作）都嚴格地按規(guī)定的時間有條不紊地自動執(zhí)行。③操作控制功能——控制器應(yīng)能按照指令規(guī)定的內(nèi)容，在相應(yīng)的節(jié)拍向有關(guān)部件發(fā)出操作控制信號。

1.3.4計算機的工作過程⑵控制器的組成分別由指令部件、時序部件和操作控制部件來完成。操作控制器指令指針I(yè)P時序部件指令譯碼地址計算指令寄存器IR…操作控制信號……指令指令……數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)……指令地址操作數(shù)地址+1地址單元nn+1mm+1······操作數(shù)送ALU圖1-8控制器工作原理圖指令⑶一條指令的執(zhí)行過程①把指令指針I(yè)P中的指令地址送存儲器，從該地址取出指令送指令寄存器IR；②地址計算部件，根據(jù)IR中的地址碼形成操作數(shù)地址送存儲器，從該地址取出數(shù)據(jù)，送到運算器中的寄存器；③將IR中的操作碼OP送指令譯碼器進行譯碼；④在控制器發(fā)出的操作信號的控制下，各有關(guān)部件執(zhí)行操作碼OP規(guī)定的操作；⑤指令指針I(yè)P加1。1.4計算機的主要性能指標1．主頻主頻即時鐘頻率，是指計算機的CPU在單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)目。2．機器字長機器字長是指CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。3．主存容量主存容量是指一個主存儲器所能存儲的全部信息量。4．運算速度運算速度是一項綜合性指標，它與許多因素有關(guān)。5．兼容性兼容性（compatibility）是指一臺設(shè)備、一個程序或一個適配器在功能上能容納或替代以前版本或型號的能力。這個性能指標往往與系列機聯(lián)系在一起的。

舉例指令參數(shù)傳送加減乘除邏輯其他使用頻度(%)執(zhí)行時間(ns)30200204001025002030020250上表是某計算機的使用統(tǒng)計表,按表計算該機的運算速度為:V=1/(0.3×200+0.2×400+0.1×2500+0.2×300+0.2×250)×10-9=1/(60+80+250+60+50)×10-9=2×106條/S=2MIPS5．兼容性系列機的軟件兼容分為向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。向上（下）兼容是指按某檔次機器編制的程序，不加修改地就能運行在比它更高（低）檔的機器上，系列機內(nèi)的軟件兼容一般是可以做到向上兼容，但向下兼容則要看到什么樣的程度，不是都能做到的；向前（后）兼容是按某個時期投入市場的某種型號機器編制的程序，不加修改地就能運行在它之前（后）投放市場的機器上。對系列機的軟件向下和向前兼容可不作要求，但必須保證向后兼容。向后兼容是軟件兼容的根本保證，也是系列機的根本特征。系列機：指同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列內(nèi)不同型號的計算機。

兼容機：指不同廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與系列機的思想是一致的。圖1-10兼容性示意圖機器檔次當前機器高向上兼容向下兼容低向前兼容向后兼容時間習題1一.選擇題1．在下列四句話中，最能準確反映計算機主要功能的是

。A．計算機可以存儲大量信息B．計算機能代替人的腦力勞動C．計算機是一種信息處理機D．計算機可實現(xiàn)高速運算2．1946年2月，在美國誕生了世界上第一臺電子數(shù)字計算機，它的名字叫（1），1949年研制成功的世界上第一臺存儲程序式的計算機稱為（2）。（1）A．EDVACB．EDSACC．ENIACD．UNIVAC-Ⅰ（2）A．EDVACB．EDSACC．ENIACD．UNIVAC-Ⅰ3．計算機硬件能直接執(zhí)行的只能是

。A．符號語言B．機器語言C．匯編語言D．機器語言和匯編語言4．運算器的核心部件是

。A.數(shù)據(jù)總線B．數(shù)據(jù)選擇器C.累加寄存器D.算術(shù)邏輯運算部件習題15．存儲器主要用來

。A．存放程序B．存放數(shù)據(jù)C．存放微程序D．存放程序和數(shù)據(jù)6．目前我們所說的個人臺式商用機屬于

。A．巨型機B．中型機C．小型機D．微型機7．至今為止，計算機中所含所有信息仍以二進制方式表示，其原因是

。A．節(jié)約元件B．運算速度快C．物理器件性能決定D．信息處理方便8．對計算機軟、硬件資源進行管理，是

的功能。A．操作系統(tǒng)B．數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)C．語言處理程序D．用戶程序9．企事業(yè)單位用計算機計算、管理職工工資，這屬于計算機的

應(yīng)用領(lǐng)域。A．科學計算B．數(shù)據(jù)處理C．過程控制D．輔助設(shè)計習題110．微型計算機的發(fā)展以

技術(shù)為標志。A．操作系統(tǒng)B．微處理器C．硬盤D．軟件二、填空題1．操作系統(tǒng)是一種（1），用于（2），是（3）的接口。（1）A．系統(tǒng)程序B．應(yīng)用程序C．用戶程序