第一章 計(jì)算機(jī) 組成原理

第一章計(jì)算機(jī)組成原理第一頁，共三十三頁，2022年，8月28日計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，主要介紹計(jì)算機(jī)各大組成部件的結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計(jì)方法以及組成整機(jī)的有關(guān)技術(shù)。B：本課程的主要內(nèi)容?計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論?數(shù)據(jù)信息的表示方法?信息的存儲(chǔ)?指令系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)?控制器的原理和設(shè)計(jì)?系統(tǒng)總線?輸入輸出A：課程介紹第二頁，共三十三頁，2022年，8月28日計(jì)算機(jī)組成原理在計(jì)算機(jī)系列課程中的地位和作用

計(jì)算機(jī)組成原理數(shù)字邏輯電路匯編語言計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)接口技術(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)用其它基礎(chǔ)課

基礎(chǔ)課

專業(yè)基礎(chǔ)課

專業(yè)課第三頁，共三十三頁，2022年，8月28日參考書目：1.(美)RANDALE.BRYANT；DAVIDO‘HALLARON.深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（修訂版）.(08年度暢銷榜TOP50).中國(guó)電力出版社.2.(荷)ANDREWS.TANENBAUM.計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)化方法（英文影印版）（第5版）.人民郵電出版社.3.(美)DAVIDA.PATTERSON；JOHNL.HENNESSY.計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)硬件/軟件接口(原書第3版).機(jī)械工業(yè)出版社.4.CarlHamacherZvonkoVranesicSafwatZaky著.計(jì)算機(jī)組成.機(jī)械工業(yè)出版社.5.唐朔飛.計(jì)算機(jī)組成原理(第2版).高等教育出版社6.白中英；戴志濤；周鍥；楊旭東；張杰.計(jì)算機(jī)組成原理.科學(xué)出版社.第四頁，共三十三頁，2022年，8月28日

全書教學(xué)學(xué)時(shí)安排第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述3學(xué)時(shí)第二章數(shù)據(jù)信息的表示5學(xué)時(shí)第三章運(yùn)算方法與運(yùn)算器8學(xué)時(shí)第四章存儲(chǔ)系統(tǒng)12學(xué)時(shí)第五章指令系統(tǒng)4學(xué)時(shí)第六章中央處理器10學(xué)時(shí)第七章流水線（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中學(xué)習(xí)）第八章系統(tǒng)總線4學(xué)時(shí)第九章輸入/輸出系統(tǒng)6學(xué)時(shí)共計(jì)52學(xué)時(shí)第五頁，共三十三頁，2022年，8月28日

本章主要知識(shí)點(diǎn)：?計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由哪幾部分構(gòu)成、各有何作用？?馮諾依曼計(jì)算機(jī)的工作原理?計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)?透明性概念?固件?計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第六頁，共三十三頁，2022年，8月28日一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成：硬件+軟件構(gòu)成的復(fù)雜的自動(dòng)化設(shè)備，由多層次結(jié)構(gòu)構(gòu)成。?硬件：由有形的電子器件構(gòu)成,如運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器等?軟件：為了方便用戶使用計(jì)算機(jī)而編制的各種程序。2、計(jì)算機(jī)的分類（可從不同的角度進(jìn)行）模擬計(jì)算機(jī)(analoguecomputer):數(shù)據(jù)的表示和處理以模擬信號(hào)進(jìn)行。數(shù)字計(jì)算機(jī)(digitalcomputer)：數(shù)據(jù)的表示和處理以數(shù)字信號(hào)進(jìn)行。第七頁，共三十三頁，2022年，8月28日3、數(shù)字計(jì)算機(jī)的分類

專用機(jī)：為某些特定的應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)通用機(jī)：巨、大、中、小、微、單片第八頁，共三十三頁，2022年，8月28日4、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用科學(xué)計(jì)算自動(dòng)控制測(cè)量和測(cè)試信息處理教育、衛(wèi)生家用電器人工智能第九頁，共三十三頁，2022年，8月28日二、計(jì)算機(jī)硬件第十頁，共三十三頁，2022年，8月28日二、計(jì)算機(jī)硬件1)運(yùn)算器：完成算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、比較、轉(zhuǎn)移和測(cè)試等功能的部件。另外還具有傳輸數(shù)據(jù)的功能。條件狀態(tài)寄存器第十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日指揮協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)其他部件進(jìn)行工作的重要部件?？刂破鞲鶕?jù)不同的指令，產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的控制信號(hào)。運(yùn)算器+控制器件=？2)控制器CPU第十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日第十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日?保存程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果的場(chǎng)所;

?常用的單位和之間的換算關(guān)系位—bit字節(jié)---Byte1Byte=8bitKBIKB=1024B(需要10位表示)MB1MB=1024KB（需要20位表示）GB1GB=1024MB（需要30位表示）TB1TB=1024GB（需要40位表示）⑦PB1PB=1024TB(需要50位表示)3)內(nèi)存儲(chǔ)器(Memory)第十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日?存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)及訪問機(jī)制示意圖ＣＰＵ＋存儲(chǔ)器=？主機(jī)第十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日4)輸入和輸出設(shè)備?常用的輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、磁盤機(jī)、磁帶機(jī)等?常用的輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、磁盤機(jī)、磁帶機(jī)等?提供人---機(jī)接口第十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日5)系統(tǒng)總線計(jì)算機(jī)內(nèi)各大部件之間的連接部件。第十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.馮諾依曼計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)由五大部分組成;基本原理：存儲(chǔ)程序和程序控制;計(jì)算機(jī)的大體工作過程可描述如下：①通過輸入設(shè)備將解題程序和數(shù)據(jù)送入主存。(存儲(chǔ)程序)①②③③③③④⑤②控制器從主存中逐條取出程序的指令，并控制實(shí)現(xiàn)指令功能。③在指令功能實(shí)現(xiàn)過程中，由運(yùn)算器完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理。④將運(yùn)算結(jié)果送主存。⑤通過輸出設(shè)備反饋程序運(yùn)行結(jié)果。②~⑤稱為程序控制第十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日

馮諾依曼計(jì)算機(jī)的基本體系結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī):Intel80X86ARM7MIPS等。

哈佛結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)：MotorolaMC68、ZilogZ8、ARM9、ARM10、ARM11等。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)多是Cache采用哈佛結(jié)構(gòu)，主存采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)。?未來的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(馮諾依曼結(jié)構(gòu)的不足：并行能力不夠)

數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)第十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日

應(yīng)用軟件：為解決某些具體的問題而編制的各種程序

系統(tǒng)軟件：為簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，方便計(jì)算機(jī)的使用、提高計(jì)算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途而編制的各種程序。

?各種服務(wù)程序：診斷、排錯(cuò)程序

?語言程序：匯編、C、編譯等

?操作系統(tǒng)OS

?DBMS三、計(jì)算機(jī)軟件軟件的分類：

未來軟件的發(fā)展趨勢(shì)：人--機(jī)界面不斷提升、智能化第二十頁，共三十三頁，2022年，8月28日四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1、五級(jí)結(jié)構(gòu)，不同的級(jí)面向不同的用戶對(duì)象，采用不同的方法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。2、分級(jí)的好處：有利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，單級(jí)的修改只需要修改相鄰級(jí)的接口或相鄰級(jí)，不會(huì)影響其它級(jí)。第二十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日?第1、2級(jí)由硬件實(shí)現(xiàn)，3~5級(jí)由軟件實(shí)現(xiàn)，稱為虛擬機(jī)。?第1微程序設(shè)計(jì)級(jí)，用戶只能用微指令編寫程序，并由計(jì)算機(jī)硬件直接執(zhí)行。采用硬布線的計(jì)算機(jī)沒有該級(jí)。?第2級(jí)一般機(jī)器級(jí)，(稱傳統(tǒng)機(jī)器級(jí))用機(jī)器語言編寫程序。該級(jí)也是硬件級(jí)。?第3級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)，由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。用機(jī)器語言或操作系統(tǒng)級(jí)指令編程3、各級(jí)的說明：第二十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日4、各級(jí)的說明：?第4級(jí)匯編語言級(jí)，用匯編語言編程。?高級(jí)語言級(jí)，用高級(jí)語言編程，程序設(shè)計(jì)不需要太多的硬件支持，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、程序界面友好、但程序的效率較低。?語言與虛擬機(jī)之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系：機(jī)器定義了語言，語言也定義了機(jī)器。第二十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日各級(jí)之間的關(guān)系?高層是低層功能的擴(kuò)展和虛擬化，低層是高層的基礎(chǔ)。?站在不同層次，得到不同的概念，看到不同的計(jì)算機(jī)屬性，使用不同的編程工具。第二十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日

5、軟件和硬件的邏輯等價(jià)性?從邏輯功能看，任何由軟件實(shí)現(xiàn)的操作都可以由硬件來完成；反過來，任何由硬件實(shí)現(xiàn)的指令都可以由軟件來模擬。?進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行軟/硬件功能界面的劃分。即確定計(jì)算機(jī)的功能，哪些采用硬件實(shí)現(xiàn)、哪些采用軟件實(shí)現(xiàn)。?劃分的原理就是軟件和硬件的邏輯等價(jià)性?劃分的依據(jù)是性能/價(jià)格。6、固件軟件的固化。從功能上看是軟件，從形態(tài)上看是硬件。第二十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日1)本來存在的事物，從某個(gè)角度去看卻好象不存在。2)計(jì)算機(jī)分層結(jié)構(gòu)中的透明性:一般機(jī)器級(jí)的特性，如通用寄存器的數(shù)量對(duì)高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)者透明微指令的格式對(duì)一般機(jī)器級(jí)程序設(shè)計(jì)者透明還存在很多透明性7、透明性第二十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日7、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)1)幾個(gè)常用指標(biāo)(1)機(jī)器字長(zhǎng)指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)；由加法器、寄存器的位數(shù)決定；一般等于內(nèi)部寄存器的位數(shù)；字長(zhǎng)越長(zhǎng)，表示數(shù)據(jù)的范圍就越大，計(jì)算精確度就越高；目前常見的計(jì)算機(jī)為32位和64位計(jì)算機(jī)。第二十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日(2)數(shù)據(jù)總線寬度數(shù)據(jù)總線寬度是指數(shù)據(jù)總線一次能并行傳送的信息位數(shù)。一般指CPU內(nèi)部運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)總線。有些計(jì)算機(jī)內(nèi)部與外部數(shù)據(jù)總線寬度不一致：8086、80286、80386內(nèi)外數(shù)據(jù)總線等寬；8088、80386SX外部總線寬度小于內(nèi)部總線寬度；Pentium外總線64位，內(nèi)總線32位（兩條32位流水線）第二十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日(3)主存儲(chǔ)器容量和帶寬主存容量是指其包含的存儲(chǔ)單元總數(shù)量。主存可以字節(jié)編址、也可以字

編址。存儲(chǔ)帶寬指單位時(shí)間內(nèi)從存儲(chǔ)器中讀出的二進(jìn)制數(shù)的信息量，常用單位B/s（字節(jié)/秒）表示。第二十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日(4)CPU執(zhí)行時(shí)間表示執(zhí)行一段程序所占用的CPU時(shí)間(程序的執(zhí)行時(shí)間除CPU時(shí)間外還包括I/O、存儲(chǔ)訪問、各類排隊(duì)時(shí)延等)。CPU時(shí)間的公式：CPU時(shí)間=程序中所有指令的時(shí)鐘周期數(shù)之和時(shí)鐘周期時(shí)間=程序中所有指令的時(shí)鐘周期數(shù)之和/時(shí)鐘頻率

(回顧匯編語言課程中延時(shí)子程序的設(shè)計(jì)原理)(5)CPI(ClockcyclesPerInstruction)執(zhí)行一條指令所需要的平均時(shí)鐘周期數(shù)CPI=程序中所有指令的時(shí)鐘周期數(shù)之和/指令條數(shù)=程序中各類指令的CPI程序中該類指令的比例考慮CPI后的CPU時(shí)間可表示為:CPU時(shí)間=ICi表示第i條指令的條數(shù)第三十頁，共三十三頁，2022年，8月28日(6)MIPS(MillionInstructionsPerSecond)表示每秒執(zhí)行多少百萬條指令MIPS106=指令條數(shù)執(zhí)行時(shí)間CPU時(shí)鐘周期總數(shù)=指令條數(shù)106/ffCPI=106MIPS指令條數(shù)106程序的執(zhí)行時(shí)間Te=第三十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日2)應(yīng)用舉例例1假設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)主頻為1GHZ，在其上運(yùn)行200000條指令的目標(biāo)代碼，程序主要由4條指令組成，他們所占的比例和各自的CPI如下表所示。指令類型CPI指令混合比例算術(shù)和邏輯160%Load/Store218%轉(zhuǎn)移41