計(jì)算機(jī)組成原理 第一章

計(jì)算機(jī)組成原理第一章教學(xué)內(nèi)容第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第2章計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用第3章系統(tǒng)總線(xiàn)第4章存儲(chǔ)器第5章輸入輸出系統(tǒng)第6章計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法第7章指令系統(tǒng)第8章CPU的結(jié)構(gòu)和功能第9章控制單元的功能第10章控制單元的設(shè)計(jì)第1篇概論第2篇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)第3篇中央處理器第4篇控制單元第2頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一篇概論第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.2計(jì)算機(jī)的基本組成

1.3計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)

第3頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)突出計(jì)算機(jī)組成的概貌和框架，如下圖所示。第4頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介一、計(jì)算機(jī)的軟硬件概念

硬件——組成計(jì)算機(jī)的各種實(shí)際裝置的總稱(chēng)。特點(diǎn)：看得見(jiàn)摸得著。

軟件——計(jì)算機(jī)運(yùn)行所需的各種程序及相關(guān)資料。分類(lèi)是？特點(diǎn)：看不見(jiàn)摸不著。

兩者的關(guān)系：相輔相成，缺一不可。（硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂）第5頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)——由硬件和軟件兩大部分組成。組織方法：分層——層次結(jié)構(gòu)。分層方法：從硬件開(kāi)始，按與其結(jié)合的緊密程度，一層一層向外分層。層次圖如下：第6頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器（軟、虛）匯編語(yǔ)言機(jī)器（軟、虛）操作系統(tǒng)機(jī)器（軟、虛）傳統(tǒng)機(jī)器（硬、實(shí)）微程序機(jī)器（硬、實(shí)）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)：M4(翻譯成匯編語(yǔ)言)M3(翻譯成機(jī)器語(yǔ)言)M2(機(jī)器語(yǔ)言解釋os)M1(用微程序解釋機(jī)器指令)M0(硬件執(zhí)行微指令)第7頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天

虛擬機(jī)——計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)于不同層次上的使用者來(lái)說(shuō)，可看成是一臺(tái)具有這一層次功能的計(jì)算機(jī)，而不考慮實(shí)際機(jī)器（硬件）的功能。為與實(shí)機(jī)相區(qū)別，稱(chēng)“虛擬機(jī)”。第8頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、區(qū)別“結(jié)構(gòu)”、“組成”

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（Computer

Architecture）

——指那些能被程序員（匯編、機(jī)器語(yǔ)言編程）所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性（指令集、數(shù)據(jù)類(lèi)型等）。

計(jì)算機(jī)組成（Computer

Organization）

——指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所給屬性的邏輯實(shí)現(xiàn)（指令的實(shí)現(xiàn)、如何傳送指令、運(yùn)算等）。

注意區(qū)別兩個(gè)概念！第9頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、系列機(jī)的概念

系列機(jī)——同一廠(chǎng)家生產(chǎn)、具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。

特點(diǎn)：軟件具有向上兼容，向后兼容性。第10頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：a、記憶能力強(qiáng)計(jì)算機(jī)可以長(zhǎng)久的存儲(chǔ)大量的文字、圖形、聲音等信息資料。b、快速處理能力數(shù)據(jù)處理是人類(lèi)社會(huì)的重要活動(dòng)，很多場(chǎng)合處理速度起著決定作用。1.2計(jì)算機(jī)的基本組成第11頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天c、足夠高的計(jì)算精度通常情況下，數(shù)值精度預(yù)置為15位有效數(shù)字。d、自動(dòng)完成各種操作計(jì)算機(jī)能自動(dòng)執(zhí)行存放在內(nèi)存中的程序。e、復(fù)雜的邏輯判斷能力計(jì)算機(jī)的智能特點(diǎn)主要表現(xiàn)在它的邏輯判斷能力上。

第12頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：1、由五大部件組成；2、指令和數(shù)據(jù)以二進(jìn)制存放，可按地址尋訪(fǎng)；3、指令由操作碼和地址碼組成；4、指令在存儲(chǔ)器內(nèi)一般按順序存放；5、機(jī)器以運(yùn)算器為中心，各設(shè)備間數(shù)據(jù)傳送均經(jīng)過(guò)運(yùn)算器。第13頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、計(jì)算機(jī)的硬件組成：典型的馮·諾依曼機(jī)組成框圖：（各硬件作用？缺點(diǎn)？）存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器結(jié)果數(shù)據(jù)指令以運(yùn)算器為中心計(jì)算步驟和開(kāi)始數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果第14頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（對(duì)馮諾依曼機(jī)進(jìn)行了許多改進(jìn)）：以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)組成框圖（存儲(chǔ)器要改進(jìn)什么？）：計(jì)算步驟和開(kāi)始數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果控制器輸入設(shè)備存儲(chǔ)器輸出設(shè)備運(yùn)算器以存儲(chǔ)器為中心數(shù)據(jù)結(jié)果地址指令第15頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天幾個(gè)概念：

CPU、I/O設(shè)備、ALU、CU、MM、主機(jī)。

計(jì)算機(jī)也可看成由主機(jī)和I/O設(shè)備兩大部分組成。用這種觀(guān)點(diǎn)描述的計(jì)算機(jī)組成框圖如下：第16頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件組成層次示意圖：I/O設(shè)備MM主機(jī)CPU控制器運(yùn)算器ALUCU第17頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程：

兩大步驟：準(zhǔn)備，上機(jī)

1.上機(jī)前的準(zhǔn)備工作：三步①建立數(shù)學(xué)模型；②確定計(jì)算方法；③編程。

第18頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天實(shí)例例：計(jì)算ax2+bx+c的機(jī)器語(yǔ)言程序清單如下圖所示：第19頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程：細(xì)化的計(jì)算機(jī)組成框圖（整體）：圖中示出了一臺(tái)計(jì)算機(jī)寄存器級(jí)的最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)（連接省去)。ACCMQALUXIRPCMDRMARCPUI/O控制單元CU存儲(chǔ)體M運(yùn)算器控制器主存儲(chǔ)器……接口I/o設(shè)備第20頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天細(xì)化的計(jì)算機(jī)組成框圖（運(yùn)算器）：ACCMQALUX運(yùn)算器①.

運(yùn)算器：三個(gè)寄存器和ALU

ACC：累加器

MQ：乘商寄存器

X：操作數(shù)寄存器

三個(gè)寄存器作用見(jiàn)表1.1

第21頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天表1.1

各寄存器存放的操作數(shù)含義

運(yùn)算寄存器操作數(shù)加法

減法

乘法

除法

ACC

被加數(shù)和

被減數(shù)差乘積高位

被除數(shù)余數(shù)

MQ

乘數(shù)乘積低位

商

X

加數(shù)

減數(shù)

被乘數(shù)

除數(shù)第22頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天寄存器操作常用描述方法

——寄存器傳送語(yǔ)言：

X：X寄存器名[X]：X寄存器中的內(nèi)容

M：存儲(chǔ)器某一單元名[M]：存儲(chǔ)器某單元內(nèi)容第23頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天

加法：[M]X[ACC]＋[X]ACC

減法：[M]

X

[ACC]－[X]ACC

乘法：[M]MQ，[ACC]X，0ACC[X]×[MQ]ACC∥MQ

除法：[M]X[ACC]÷[X]MQ，RACC第24頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天細(xì)化的計(jì)算機(jī)組成框圖（控制器）：

IRPC控制單元CU控制器……③.控制器的結(jié)構(gòu)：

CU：控制單元

IR：指令寄存器

PC：程序計(jì)數(shù)器

第25頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天細(xì)化的計(jì)算機(jī)組成框圖（I/O設(shè)備）：I/O④.

I/O：

I/O設(shè)備：完成輸入/輸出操作；

I/O接口：完成I/O設(shè)備與主機(jī)之間的連接。

設(shè)備接口第26頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天細(xì)化的計(jì)算機(jī)組成框圖（存儲(chǔ)器）：MDRMAR存儲(chǔ)體M主存儲(chǔ)器②.主存：

存儲(chǔ)體：由許多存儲(chǔ)單元組成

存儲(chǔ)單元：由若干存儲(chǔ)元組成

存儲(chǔ)元：存放一位二進(jìn)制代碼的物理元件。

MDR：存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器

MAR：存儲(chǔ)器地址寄存器

第27頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)一、機(jī)器字長(zhǎng)：

CPU能同時(shí)處理的數(shù)據(jù)位數(shù)，即數(shù)據(jù)字長(zhǎng)。相關(guān)概念：

存儲(chǔ)字長(zhǎng)：一個(gè)存儲(chǔ)單元可存放的二進(jìn)制位數(shù)。

指令字長(zhǎng)：一條指令所具有的二進(jìn)制代碼位數(shù)。

字節(jié)（Byte）：計(jì)算機(jī)中另一種數(shù)據(jù)的表示單位。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)字節(jié)被規(guī)定為8位二進(jìn)制代碼。第28頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天三種字長(zhǎng)的關(guān)系：

早期：三者相同；當(dāng)前：通常規(guī)定：

存儲(chǔ)字長(zhǎng)=機(jī)器字長(zhǎng)=字節(jié)的2n倍；例：常見(jiàn)字長(zhǎng)=8位、16位、32位、64位等，分別稱(chēng)為8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)、64位機(jī)。

指令字長(zhǎng)=字節(jié)的整數(shù)倍；例：?jiǎn)巫止?jié)指令、雙字節(jié)指令、三字節(jié)指令等。第29頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、存儲(chǔ)容量：（僅討論主存）

主存中可存放的二進(jìn)制代碼的總數(shù)。容量的具體表示與主存的編址方式有關(guān)。

主存編址方式：

按字編址：

存儲(chǔ)容量=存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)Χ存儲(chǔ)字長(zhǎng)

單位：位（b）

按字節(jié)編址：

存儲(chǔ)容量=存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)

單位：字節(jié)（B）第30頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天

例1：64KΧ32位（或216Χ32位）

——表示存儲(chǔ)容量為64K個(gè)存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)字長(zhǎng)為32位。例2：256KB——表示存儲(chǔ)容量為256K個(gè)字節(jié)。此時(shí)，256KB相當(dāng)于256KΧ8位。第31頁(yè),共33頁(yè)，2024年2月25日，星期天1B=8b

1K=210X8=213b1K=210

=1024B;

1M=220=1024KB

1G=230=1024MB;1T=240