組成原理課件 - 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

《計(jì)算機(jī)組成原理》唐朔飛主編高等教育出版社面向21世紀(jì)課程教材

第2章計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

第3章計(jì)算機(jī)中的邏輯部件和運(yùn)算器

第4章指令系統(tǒng)

第5章CPU及控制器

第6章存儲(chǔ)器

第7章輸入輸出系統(tǒng)

主要內(nèi)容參考資料1、《計(jì)算機(jī)組成原理作業(yè)、習(xí)題及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》

2、《計(jì)算機(jī)組成原理》學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答唐朔飛編著高等教育出版社3、《計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》

王愛英編著清華大學(xué)出版社課程性質(zhì)及學(xué)時(shí)

專業(yè)必修課54學(xué)時(shí)（44理論+10實(shí)驗(yàn)）每周4學(xué)時(shí)（1~9、12~13周）考核辦法

平時(shí)：40分（出勤10、作業(yè)10、實(shí)驗(yàn)20）

考試：60分（期末閉卷考試）任課教師：蔡桂英辦公室：計(jì)算機(jī)控制教研室聯(lián)系方式電話箱：cai_guiying@第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

§1-1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

§1-3

計(jì)算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

§1-4計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用重點(diǎn)與難點(diǎn)

了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本概念

掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)

掌握衡量計(jì)算機(jī)性能的主要技術(shù)指標(biāo)

掌握馮·諾依曼計(jì)算機(jī)組成及工作過程

計(jì)算機(jī)如何區(qū)分存儲(chǔ)器中的指令和數(shù)據(jù)§1-1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介一、硬件（hardware）和軟件（software）

（1）計(jì)算機(jī)程序是為解決給定問題，計(jì)算機(jī)所要執(zhí)行的指令或語句的集合。

是管理計(jì)算機(jī)的一組程序,以便使計(jì)算機(jī)資源更有效的發(fā)揮作用。2、操作系統(tǒng)1、計(jì)算機(jī)程序和語言（2）計(jì)算機(jī)語言是人與計(jì)算機(jī)交流信息用的語言。

計(jì)算機(jī)語言分為機(jī)器語言、匯編語言、高級(jí)語言。它們通過匯編程序、解釋程序和編譯程序?qū)⒏鞣N語言編寫的源程序翻譯成目標(biāo)程序（機(jī)器語言）。二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)器M4（高級(jí)語言機(jī)器)虛擬機(jī)器M3（匯編語言機(jī)器）虛擬機(jī)器M2（操作系統(tǒng)機(jī)器）傳統(tǒng)機(jī)器M1（機(jī)器語言機(jī)器）微程序機(jī)器M0（微指令系統(tǒng)）由硬件直接執(zhí)行微指令用微程序解釋機(jī)器指令用機(jī)器語言解釋操作系統(tǒng)用匯編程序翻譯成機(jī)器語言程序用編譯程序翻譯成匯編語言程序§1-1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介（1）指令系統(tǒng)是硬件與軟件的接口；（2）軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的；（3）操作系統(tǒng)是用戶與計(jì)算機(jī)硬件的接口。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)由硬件、軟件組成的多層結(jié)構(gòu)。它通常由微程序級(jí)、傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)、操作系統(tǒng)級(jí)、匯編語言級(jí)、高級(jí)語言級(jí)組成。在每一級(jí)上都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。2、小結(jié)1、虛擬機(jī)器（virtualmachine)

在實(shí)際硬件機(jī)器級(jí)外面的所有機(jī)器層次都稱為虛擬機(jī)，它們是由軟件構(gòu)成的計(jì)算機(jī)外部特性，該機(jī)器依靠相應(yīng)的軟件才存在。二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)§1-1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介2、計(jì)算機(jī)組成1、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

是指機(jī)器語言或編譯程序設(shè)計(jì)者看到的計(jì)算機(jī)屬性，是硬件子系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。包括機(jī)器內(nèi)的數(shù)據(jù)表示、尋址方式、寄存器定義、指令系統(tǒng)、中斷機(jī)構(gòu)、機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換、輸入輸出機(jī)構(gòu)、信息保護(hù)等，這些都是機(jī)器語言和編譯程序員為了使其編寫的程序能在機(jī)器上正確運(yùn)行需要了解和遵循的計(jì)算機(jī)屬性。三、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成§1-1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，它主要研究硬件系統(tǒng)在邏輯上是如何組織的，機(jī)器內(nèi)部數(shù)據(jù)流和控制流的組成與邏輯設(shè)計(jì)。§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

控制器運(yùn)算器存儲(chǔ)器輸入裝置輸出裝置一、馮·

諾依曼機(jī)的組成及特點(diǎn)1.馮·

諾依曼機(jī)的組成§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

（1）計(jì)算機(jī)由五部分組成；（2）采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令；（3）指令由操作碼和地址碼組成；（4）存儲(chǔ)器線性編址，按地址訪問存儲(chǔ)單元；（5）指令按順序存放，PC指明下一條指令的地址；（6）以運(yùn)算器為中心，由控制器控制整個(gè)系統(tǒng)。2.馮·

諾依曼機(jī)的特點(diǎn)控制器存儲(chǔ)器運(yùn)算器輸入裝置輸出裝置二、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

數(shù)據(jù)和指令是如何流動(dòng)的？M二、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

ALUCUCPU主機(jī)I/OALU算術(shù)邏輯單元CU控制單元M主存儲(chǔ)器I/O設(shè)備1.

CPU：由運(yùn)算器（ALU）、控制器組成。2.主機(jī)：CPU、主存儲(chǔ)器、I/O接口和系統(tǒng)總線組成。控制器存儲(chǔ)器運(yùn)算器輸入裝置輸出裝置二、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

3、計(jì)算機(jī)中的兩種信息流（1）指令流：是控制信息（操作指令），在執(zhí)行時(shí)由控制器分散向各個(gè)部件。（2）數(shù)據(jù)流：它受控制器（操作指令）的控制，從一個(gè)部件流向另一個(gè)部件，邊流動(dòng)邊加工處理。

（3）區(qū)別：取指周期從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，而在執(zhí)行周期從內(nèi)存讀出或送入內(nèi)存的信息流是數(shù)據(jù)流。0000010000001000打印

停機(jī)取數(shù)α[α]ACC存數(shù)βACC

β加γACC+[γ]

ACC乘δACC×[δ]ACC1.

指令格式舉例操作碼地址碼

[

]打印機(jī)三、計(jì)算機(jī)的工作過程

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

2.計(jì)算ax2+bx+c程序清單指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址

指令

注釋操作碼

地址碼00000010000001000取數(shù)x至ACC10001000000001001乘a得ax存于ACC中20000110000001010加b得ax+b,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c,存于ACC50000100000001100將ax2+bx+c存于主存單元60001010000001100打印7000110停機(jī)8

x原始數(shù)據(jù)x9a原始數(shù)據(jù)a10b原始數(shù)據(jù)b11c原始數(shù)據(jù)c12存放結(jié)果2.計(jì)算ax2+bx+c程序清單ACCMQX3.計(jì)算機(jī)的解題過程(1)運(yùn)算器的基本組成及操作過程運(yùn)算器MQACCALUX被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位三、計(jì)算機(jī)的工作過程

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

運(yùn)算器MQACCALUXACC被加數(shù)ACC初態(tài)①加法操作過程ACC+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M三、計(jì)算機(jī)的工作過程

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

②減法操作過程運(yùn)算器MQACCALUX指令減MACC被減數(shù)ACC初態(tài)[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC三、計(jì)算機(jī)的工作過程

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

運(yùn)算器MQACCALUXACCACC被乘數(shù)初態(tài)ACCMQ[M]MQ指令乘M③乘法操作過程XACCX00ACCALU[X]×[MQ]ACC∥MQACCMQ三、計(jì)算機(jī)的工作過程

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

運(yùn)算器MQACCALUXACC被除數(shù)ACC初態(tài)ACC÷[X]ALUMACCMQ余數(shù)在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作過程三、計(jì)算機(jī)的工作過程

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

存儲(chǔ)體大樓存儲(chǔ)單元存放一串二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)字存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)按地址尋訪–

存儲(chǔ)單元–

存儲(chǔ)元件（0/1）–

房間–

床位（無人/

有人）(2)存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARMDR三、計(jì)算機(jī)的工作過程

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

MARMDR

存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)

16存儲(chǔ)字長(zhǎng)

8

設(shè)MAR

=

4

位

MDR

=

8

位存儲(chǔ)器地址寄存器反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)(2)存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARMDR三、計(jì)算機(jī)的工作過程

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

(3)控制器的基本組成PC程序計(jì)數(shù)器，存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，具有自動(dòng)加1的功能。IR指令寄存器，存放當(dāng)前的指令。三、計(jì)算機(jī)的工作過程

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

控制器CU控制單元IRPC主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARMDR(4)主機(jī)包括運(yùn)算器、控制器和主存儲(chǔ)器。三、計(jì)算機(jī)的工作過程

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

控制器CU控制單元IRPC主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARMDR運(yùn)算器MQACCALUXCPU(4)I/OI/O設(shè)備I/O子系統(tǒng)包括I/O設(shè)備和相應(yīng)的接口。三、計(jì)算機(jī)的工作過程

§1-2計(jì)算機(jī)的基本組成

控制器CU控制單元IRPC主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARMDR運(yùn)算器MQACCALUXCPU

§1-3計(jì)算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

一、字長(zhǎng)是指計(jì)算機(jī)CPU一次能并行處理的二進(jìn)制位數(shù)。二、存儲(chǔ)容量

存儲(chǔ)器可容納的二進(jìn)制信息量。存儲(chǔ)容量的計(jì)算單位，通?？捎米止?jié)（Byte）和位(bit)作單位來表示。存儲(chǔ)容量＝存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)×存儲(chǔ)字長(zhǎng)

MAR位數(shù)反映存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)

MDR位數(shù)反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)三、運(yùn)算速度

運(yùn)算速度可用每秒所能執(zhí)行的指令條數(shù)表示，單位是條/秒，常用MIPS（MillionInstructionsPerSecond），即每秒執(zhí)行百萬條指令。CPI,FLOPS3計(jì)算機(jī)的展望2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史

§1-4計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史一、計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展1946年美國ENIAC1955年退役十進(jìn)制運(yùn)算180001500150301500多個(gè)電子管多個(gè)繼電器千瓦噸平方英尺5000次加法／秒用手工搬動(dòng)開關(guān)和拔插電纜來編程世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC(1946)1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史硬件技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的影響100000000

超大規(guī)模集成電路1978~現(xiàn)在10000000

大規(guī)模集成電路1972~19771000000

中小規(guī)模集成電路1965~1971

200000

晶體管1958~1964

40000

電子管1946~1957

速度（次/秒）

硬件技術(shù)

時(shí)間

代三四二一1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史第一臺(tái)vonNeumann系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史IBMSystem／360

1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2003.06）1.IBM:Seaborg 6080個(gè)CPU最大平均速度7.304TF(1012)1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史2.IBM:ASCIWhite8192個(gè)CPU最大平均速度7.304TF(1012)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2003.06）1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史3.LinuxNetworX:MCRLinuxCluster

2304個(gè)CPU最大平均速度7.634TF(1012)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2003.06）1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史4096個(gè)CPU最大平均速度13.88TF(1012)4.HP:ASCI

Q

最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2003.06）1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史5.NEC:EarthSimulator 5120個(gè)CPU最大平均速度35.86TF(1012)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2003.06）1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

（1）科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理；（2）工業(yè)控制和實(shí)時(shí)控制；（3）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用；（4）虛擬現(xiàn)實(shí)；（5）辦公自動(dòng)化和管理信息系統(tǒng)；

（6）CAD/CAM/CIMS；（7）多媒體技術(shù)；（8）人工智能。3計(jì)算機(jī)的展望一、填空1、計(jì)算機(jī)各組成部件相互連接方式，從早期的以（）為中心，發(fā)展到現(xiàn)在的以（）為中心。2、用二進(jìn)制代碼表示的計(jì)算機(jī)語言稱為（），用助記符編寫的語言稱為（）。3、解釋程序是邊解釋邊執(zhí)行，不會(huì)生成（）。4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)中，位于硬件之外的所有層次統(tǒng)稱為（）。5、現(xiàn)在主要有用（）結(jié)構(gòu)作為計(jì)算機(jī)硬件之間的連接方式。6、在計(jì)算機(jī)術(shù)語中，將運(yùn)算器、控制器合在一起稱（）。而將（）、存儲(chǔ)器、I/O接口和系統(tǒng)總線合在起稱為（）。7、存儲(chǔ)（），并按（）順序執(zhí)行，這是馮.諾依曼型計(jì)算機(jī)的工作原理。8、計(jì)算機(jī)中有（）在流動(dòng)：一股是（）即操作命令，其發(fā)源地是（），它分散流向各個(gè)部件；另一股是（），它受（）的控制，從一個(gè)部件流向另一個(gè)部件，邊流動(dòng)邊加工。9、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)由硬件、軟件組成的多層結(jié)構(gòu)。它通常由（）級(jí)、傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)、（）級(jí)、匯編語言級(jí)、和（）級(jí)組成。在每一級(jí)上都能進(jìn)行（）。10、衡量計(jì)算機(jī)性能的主要指標(biāo)有（）、（）和（）等三項(xiàng)。二、判斷題1、會(huì)計(jì)電算化屬于計(jì)算機(jī)在科學(xué)計(jì)算方面的應(yīng)用。（）2、決定計(jì)算機(jī)計(jì)算精度的主要指標(biāo)是計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)。（）3、計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度指標(biāo)的含義是每秒能執(zhí)行多少條操作系統(tǒng)的命令。（）4、計(jì)算機(jī)的運(yùn)算部件和控制部件做在一塊集成電路芯片上，這塊芯片叫單片機(jī)。（）三、選擇題1、馮.諾依曼機(jī)工作方式的基本特點(diǎn)是（）。A、多指令流單數(shù)據(jù)流B、按地址訪問并順序執(zhí)行指令C、堆棧操作D、存儲(chǔ)器按內(nèi)容選擇地址2、計(jì)算機(jī)中信息以二進(jìn)制方式表示的理由是（）。A、節(jié)約元件B、運(yùn)算速度快C、物理器件性能決定D、信息處理方便3、CPU的組成中不包含（）。A、存儲(chǔ)器