計(jì)算機(jī)組成原理第01章教材

第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.4本書(shū)結(jié)構(gòu)1.3計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.2計(jì)算機(jī)的基本組成教學(xué)目標(biāo)：了解硬件和軟件、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、分類和應(yīng)用，目的在于使學(xué)生先有一個(gè)較粗的總體概念，以便于展開(kāi)后續(xù)各章內(nèi)容。重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)；硬件框圖；“存儲(chǔ)程序”；硬件技術(shù)指標(biāo)。難點(diǎn):計(jì)算機(jī)如何區(qū)分同樣以0、1代碼的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的指令和數(shù)據(jù)？1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介由具有各類特殊功能的信息（程序）組成1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的實(shí)體如主機(jī)、外設(shè)等一、計(jì)算機(jī)軟、硬件的概念硬件軟件按任務(wù)需要編制成的各種程序用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件語(yǔ)言處理程序操作系統(tǒng)服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件軟件1.1計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言程序目標(biāo)程序結(jié)果翻譯運(yùn)行1.12.計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器M3匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)器M2操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器機(jī)器語(yǔ)言實(shí)際機(jī)器M1微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器M01.1用編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言程序用匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件1.1虛擬機(jī)器M4虛擬機(jī)器M3虛擬機(jī)器M2實(shí)際機(jī)器M1微程序機(jī)器M0程序員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性有無(wú)乘法指令如何實(shí)現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/O機(jī)理）（具體指令的實(shí)現(xiàn)）1.1三、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成1.2計(jì)算機(jī)的基本組成1.計(jì)算機(jī)由五大部件組成3.指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示4.指令由操作碼和地址碼組成6.以運(yùn)算器為中心2.指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器

可按地址尋訪5.存儲(chǔ)程序一、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)5.存儲(chǔ)程序算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運(yùn)行1.2馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備1.2馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備二、計(jì)算機(jī)硬件框圖1.21.以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖程序存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算ALU主存輔存CPU主機(jī)I/O硬件CU2.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器1.2ALUCPU主機(jī)I/OCU主存1.上機(jī)前的準(zhǔn)備建立數(shù)學(xué)模型-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序確定計(jì)算方法程序—運(yùn)算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令—每一個(gè)步驟1.2三、計(jì)算機(jī)的工作步驟取x

至運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中乘以a在運(yùn)算器中存ax2在存儲(chǔ)器中取b至運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中加ax2

在運(yùn)算器中加c在運(yùn)算器中=(ax+b)x+c取x

至運(yùn)算器中乘以a在運(yùn)算器中加b在運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中加c在運(yùn)算器中計(jì)算ax2+bx+c1.2編程舉例0000010000001000打印

停機(jī)取數(shù)α[α]ACC存數(shù)β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]

ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式舉例1.2操作碼地址碼

[

]打印機(jī)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)x9

a原始數(shù)據(jù)a10

b原始數(shù)據(jù)b11

c原始數(shù)據(jù)c12存放結(jié)果1.2計(jì)算ax2+bx+c程序清單ACCMQX2.計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程(1)運(yùn)算器的基本組成及操作過(guò)程1.2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)乘積高位乘積低位運(yùn)算器MQACCALUXACC被加數(shù)ACC初態(tài)①加法操作過(guò)程1.2[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M1.2②減法操作過(guò)程運(yùn)算器MQACCALUX指令減MACC被減數(shù)ACC初態(tài)[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC運(yùn)算器MQACCALUXACCACC被乘數(shù)初態(tài)1.2ACCMQ[M]MQ指令乘M③乘法操作過(guò)程X[ACC]X00ACCALU[X]×[MQ]ACC∥MQACCMQ運(yùn)算器MQACCALUXACC被除數(shù)ACC初態(tài)1.2[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余數(shù)在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作過(guò)程存儲(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(wú)人/

有人）(2)存儲(chǔ)器的基本組成1.2主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARMDRMARMDR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1.2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取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCUPCIRCU取指執(zhí)行PC存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址具有計(jì)數(shù)功能（PC）+

1PCIR存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存完成一條指令1.2(3)控制器的基本組成12356789以取數(shù)指令為例4(4)主機(jī)完成一條指令的過(guò)程1.2CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O12356798以存數(shù)指令為例41.2CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O(4)主機(jī)完成一條指令的過(guò)程(5)ax2+bx+c程序的運(yùn)行過(guò)程將程序通過(guò)輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī)程序首地址打印結(jié)果分析指令取指令…停機(jī)啟動(dòng)程序運(yùn)行,(PC

)+

1PC執(zhí)行指令

1.2MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC1.3計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.機(jī)器字長(zhǎng)2.運(yùn)算速度CPU

一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)與

CPU

中的

寄存器位數(shù)

有關(guān)=ni

=1fi

tiTM∑吉普森法主頻每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令MIPS執(zhí)行一條指令所需時(shí)鐘周期數(shù)CPI每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)FLOPS221

=

256KB213=

1KB如：3.存儲(chǔ)容量主存容量輔存容量存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)

×

存儲(chǔ)字長(zhǎng)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)80GB如：MARMDR容量10

816

32存放二進(jìn)制信息的總數(shù)量1.31K=2101Byte=231G=2301K

×

8位64K

×

32位第一篇概論1.4本書(shū)結(jié)構(gòu)內(nèi)部互連ALUCU寄存器中央處理單元寄存器解碼器控制單元排隊(duì)邏輯控制存儲(chǔ)器第二篇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)第三篇CPU第四篇CU計(jì)算機(jī)I/O系統(tǒng)總線存儲(chǔ)器CPU典型例題：1.2如何理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)？1.4如何理解計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)？

1.5馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是什么？1.6畫(huà)出計(jì)算機(jī)硬件組成框圖，說(shuō)明各部件的作用及計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)。1.7解釋概念：存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)元件、存儲(chǔ)基元、存儲(chǔ)元、存儲(chǔ)字、存儲(chǔ)字長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量、機(jī)器字長(zhǎng)、指令字長(zhǎng)。1.8解釋英文代號(hào)：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS典型例題：1.9畫(huà)出主機(jī)框圖，分別以存數(shù)指令“STAM”和加法指令“ADDM”（M均為主存地址）為例，在圖中按序標(biāo)出完成該指令（包括取指令階段）的信息流程。假設(shè)主存容量為256M*32位，在指令字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)、機(jī)器字長(zhǎng)相等的條件下，指出圖中各寄存器的位數(shù)。1.11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？達(dá)標(biāo)練習(xí)：1.下列有關(guān)運(yùn)算器的描述中，______是正確的。A.只做算術(shù)運(yùn)算，不做邏輯運(yùn)算B.只做加法C.能暫時(shí)存放運(yùn)算結(jié)果D.既做算術(shù)運(yùn)算，又做邏輯運(yùn)算答案：C2.計(jì)算機(jī)的A.______是計(jì)算機(jī)B.______結(jié)構(gòu)的重要組成部分,也是計(jì)算機(jī)不同于一般電子設(shè)備的本質(zhì)所在。答案：A.軟件B.系統(tǒng)

達(dá)標(biāo)練習(xí)：3.CPU主要包括______。A.控制器B.控制器、運(yùn)算器、cacheC.運(yùn)算器和主存D.控制器、ALU和主存答案：B4.下列______屬于應(yīng)用軟件。A.操作系統(tǒng)B.編譯系統(tǒng)C.連接程序D.文本處理答案：D達(dá)標(biāo)練習(xí)：5.主存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)主要是A.______、B.______、存儲(chǔ)周期和存儲(chǔ)器帶寬。答案：A.存儲(chǔ)容量B.存取時(shí)間

6.運(yùn)算器的兩個(gè)主要功能是：A.______，B.______。答案：A.算術(shù)運(yùn)算B.邏輯運(yùn)算

7.說(shuō)明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。答案:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為：微程序機(jī)器級(jí)，一般機(jī)器級(jí)（或稱機(jī)器語(yǔ)言級(jí)），操作系統(tǒng)級(jí)，匯編語(yǔ)言級(jí)，高級(jí)語(yǔ)言級(jí)。達(dá)標(biāo)練習(xí)：8.目前的計(jì)算機(jī)，從原理上講______。A.指令以二進(jìn)制形式存放，數(shù)據(jù)以十進(jìn)制形式存放B.指令以十進(jìn)制形式存放，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存放C.指令和數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制形式存放D.指令和數(shù)據(jù)都以十進(jìn)制形式存放答案：C

9.計(jì)算機(jī)問(wèn)世至今，新型機(jī)器不斷推陳出新，不管怎樣更新，依然保有“存儲(chǔ)程序”的概念，最早提出這種概念的是______。A.巴貝奇B.馮.諾依曼C.帕斯卡D.