计算机组成原理第1章.ppt

计算机组成原理,余晓容 Email：xryu 电 话：13613831539,为什么要学习这门课程？,计算机组成原理是研究计算机硬件技术的基础知识、基本思想和基本方法的课程，是计算机专业本科生的一门统设必修的专业基础课程； 不是只有设计计算机硬件系统的人才要学这门课,计算机专业的人员都应该对其有所了解； 是学习后续多门课程 (系统结构， 操作系统，编译原理，高级语言程序设计, 计算机网络，数据库) 的基础。 计算机考研专业基础课统考科目包括数据结构、计算机组成原理（45分）、操作系统和计算机网络。,学习目标,理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。 理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。 能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能对一些基本部件进行简单设计。,学习方法及考评办法,学习方法 课前预习 课堂认真听讲 课后独立完成作业 考评办法 理论考核占70% 作业占15% 课堂占15%,教材及参考资料,教材 计算机组成原理（第2版）， 唐朔飞著，高等教育出版社 参考书目 计算机组成与设计， 王诚著 清华大学出版社 计算机硬件及组成原理，Arnold S. Berger 著，吴为民等译，机械工业出版社 计算机组成原理（第3版），白中英，科学出版社，2000,1 计算机系统概论,1.1 计算机系统简介,1.3 计算机硬件的主要技术指标,1.2 计算机的基本组成,1.4 课程内容简介,1.1 计算机系统简介,一、计算机的软硬件概念 1、计算机硬件（Hardware） 计算机系统使用的电子线路和电子元件等物理设备的总称，是一切构成计算机的物理实体，如主机、外设。硬件是构成计算机的物质基础，是计算机系统的核心。 半个世纪以来，计算机已发展为一个庞大的家族，尽管各种类型的计算机的性能、结构、应用等方面存在着差别，但是它们的基本组成结构却是相同的。计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分构成。,1.1,计算机硬件系统组成图,1.1,运算器 在计算机中，运算器是一种执行部件。其主要任务是完成信息的加工处理。这些处理主要有加、减、乘、除等算术运算和与、或、非、异或、同或等逻辑运算。运算器主要由运算逻辑单元ALU和寄存器两部分组成，寄存器部件用来提供参与运算的操作数，并暂时存放运算结果。 存储器 主要功能是存放程序与数据。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。存储器主要由存储体、地址寄存器与译码线路、读写电路与数据寄存器、控制线路等构成，包括ROM（只读存储器）和RAM（随机存取存储器）两种。,1.1,控制器 控制器是计算机的控制中心。控制器作为CPU（中央处理器）的核心部件主要用来协调计算机的工作，完成程序信息的处理和数据的输入/输出。 输入输出设备 输入设备的任务是输入用户提供的原始信息，并且将其转换为计算机能识别的信息。常用的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪等。 输出设备的任务是将计算机的处理结果以能被人们接受的或能为其他计算机所接受的形式输出。常用的输出设备有：打印机、显示器、绘图仪等。,1.1,2、软件 由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成,语言处理程序,操作系统,服务性程序,数据库管理系统,网络软件,软 件,应用软件,系统软件,管理硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石（包括进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理）,1.1,二、计算机系统的层次结构 1、计算机的解题过程,计算机,2、层次结构,高级语言,虚拟机器 M3,汇编语言,虚拟机器 M2,机器语言,实际机器 M1,微指令系统,微程序机器 M0,应用层,虚拟机器 M4,1.1,用编译程序翻译 成汇编语言程序,用汇编程序翻译 成机器语言程序,用机器语言解释操作系统,用微指令解释机器指令,由硬件直接执行微指令,1.1,1.1,三、计算机体系结构和计算机组成,程序员所见到的计算机系统的属性 概念性的结构与功能特性,实现计算机体系结构所体现的属性,有无乘法指令,如何实现乘法指令,（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）,（具体指令的实现）,1.2 计算机的基本组成,一、冯诺依曼计算机 基本思想：计算机要自动完成解题任务，必须将事先设计好的用以描述计算机解题过程的程序如同数据一样用二进制形式储存在机器中，计算机在工作时从机器中逐条取出指令加以执行。,1.2,冯诺依曼计算机特点,1. 计算机由五大部件组成,3. 指令和数据用二进制表示,4. 指令由操作码和地址码组成,6. 以运算器为中心,5. 指令在存储器内按顺序存放,1.2,二、计算机的硬件框图 典型的冯诺依曼计算机结构图（以运算器为中心）,1.2,以存储器为中心的计算机硬件框图,1.2,现代计算机组成框图,1.2,三、计算机的工作步骤,1.上机前的准备,建立数学模型,编制解题程序,确定计算方法,程序 运算的 全部步骤,指令 每 一个步骤,(n=0,1,2,),1.2,取x 至运算器中,乘以x 在运算器中,乘以a 在运算器中,存ax2 在存储器中,取b 至运算器中,乘以x 在运算器中,加ax2 在运算器中,加c 在运算器中,= (ax + b)x + c,取x 至运算器中,乘以a 在运算器中,加b 在运算器中,乘以x 在运算器中,加c 在运算器中,计算 ax2 + bx + c,1.2,000001 0000001000,打印 ,停机,取数 ,存数 ,加 ,乘 ,ACC ACC, 打印机,指令格式举例,1.2,计算 ax2 + bx + c 程序清单,注：此例中用到的a、b、c和x值需事先存入存储器的相应单元内,1.2,2.计算机的解题过程,细化的计算机组成框图,存储体,大楼,存储单元 存放一串二进制代码,存储字 存储单元中二进制代码的组合,存储字长 存储单元中二进制代码的位数,每个存储单元赋予一个地址号,按地址存取, 存储单元, 存储元件,（0/1）, 房间, 床位,（无人/ 有人）,(1)主存储器的基本组成,1.2,MAR,MDR,存储器地址寄存器 位数反映存储单元的个数,存储器数据寄存器 位数反映存储字长,1.2,(2)运算器的基本组成及操作过程,被加数,被减数,被除数,乘数,商,加数,减数,被乘数,除数,加法,减法,乘法,除法,和,差,余数,1.2, 加法操作过程,1.2, 减法操作过程,1.2, 乘法操作过程,1.2, 除法操作过程,1.2,内容回顾,计算机系统分硬件、软件两部分，由五个层次构成； 计算机体系结构与计算机组成的区别； 冯诺依曼计算机的基本思想； 计算机的基本组成；,内容回顾,取指令,分析指令,执行指令,PC,IR,CU,取指,执行,IR 存放当前欲执行的指令,完成 一条 指令,(3)控制器的基本组成,1.2,以取数指令为例,1.2,(4)主机完成一条指令的过程,以存数指令为例,1.2,(5) ax2 + bx + c 程序的运行过程,将程序通过输入设备送至计算机,程序首地址,打印结果,分析指令,取指令,停机,启动程序运行,执行指令,MAR,M,MDR,IR,PC,CU,OP(IR),Ad(IR),MAR,M,MDR,ACC,PC,1.2,以计算从1到10的累加和为例，看一看3个级别语言的程序 C+程序 汇编语言程序 机器语言程序(16进制) sum=0 2000: sub R15, R15 01FF for(i=0;i10;i+) sub R1, R1 0111 sum=sum+i; mvrd R0, 0A 8800 000A printf(“%dn”,sum); 2003: inc R1 0910 return; add R15, R1 00F1 cmp R1, R0 0310 jrnz 2003 47FC cala 0664 CE00 0064 ret 8F00,三个级别的程序设计语言,1.2,以计算从1到10的累加和为例，看一看3个级别语言的程序 BASIC程序 汇编语言程序 机器语言程序(16进制) 10 sum=0 2000: sub R15, R15 01FF 20 for i=1 to 10 sub R1, R1 0111 30 sum=sum+i mvrd R0, 0A 8800 000A 40 next i 2003: inc R1 0910 50 print sum add R15, R1 00F1 60 end cmp R1, R0 0310 jrnz 2003 47FC cala 0664 CE00 0064 ret 8F00,三个级别的程序设计语言,1.2,1.3 计算机硬件的主要技术性能指标,1.机器字长,CPU一次能处理数据的位数与CPU中的寄存器位数有关,响应时间：从事件开始到事件结束的时间， 又称执行时间。,2. 吞吐量、响应时间,吞吐量：单位时间内的数据输出数量。,1.3,CPU执行时间：TCPU=InCPITC In：执行程序中指令的总数 CPI：执行每条指令所需的平均时钟周期数 TC：时钟周期时间的长度,3. CPU时钟周期、主频、CPU执行时间,CPU时钟周期：机器主频的倒数，Tc,主频：CPU工作主时钟的频率，机器主频Rc,4.运算速度,影响因素：主频、操作、主存速度等,CPI 执行一条指令所需时钟周期数,每秒浮点运算百万次数,MFLOPS,衡量方式,普通法 完成一次加法或乘法时间,1.3,221 = 256 KB,5.存储容量,主存容量,辅存容量,存储单元个数 存储字长,字节数,字节数 80 GB,如 MAR MDR 容量,10 8,16 32,存放二进制信息的总位数,1 K 8位,64 K 32位,1.3,1.4 课程内容简介,计算机系统概论（1、2章） 计算机系统的硬件结构（3、4、5章） 中央处理器（CPU) 控制单元（CU),计算机系统的硬件结构 第三章 系统总线（34个课时） 内容 总线基本概念、总线分类、总线特性和性能指标、总线结构和总线控制； 要求 了解总线的基本概念，在此基础上了解总线的发展、分类和各类总线标准，理解总线的两类结构即单总线结构和多总线结构，重点需要掌握总线为解决众多部件争用总线而进行的判优控制和通信控制的控制原理。,1.4,第四章 存储器（1416个课时） 内容 存储器分类和存储器的层次结构； 主存储器（包括半导体存储芯片简介、静态随机存取存储器和动态随机存取存储器 、只读存储器、存储器与CPU连接、存储器校验、提高访存速度的措施）； 高速缓冲存储器（Cache）（包括Cache的基本结构及工作原理、Cache-主存地址映像、替换算法）； 辅助存储器（包括辅助存储器的特点及主要技术指标、磁记录原理和记录方式、磁盘存储器的结构、光盘存储器的存取原理）； 要求 必须掌握各类存储器的工作原理，以及各类存储器在存储器的层次结构中各自起的作用。,1.4,第五章 输入输出系统（8个课时） 内容 输入输出系统的发展概况及组成、I/O与主机的编址方式、传送方式、联络方式以及设备寻址；外部设备分类及简介；I/O接口的功能及基本组成；程序查询方式的工作原理及程序查询接口电路；程序中断方式的工作原理及程序中断接口电路、中断服务流程；直接存取（Direct Memory Access ）方式的特点、DMA接口电路的功能、组成、类型及DMA 的工作过程； 要求 掌握主机与I/O交换的三种控制方式，即程序查询、程序中断和DMA，以及它们各自所需的硬件及软件支持 ；,1.4,中央处理器 第六章 计算机的运算方法（16个课时） 内容 计算机中有符号数（原码、补码、反码、移码）和无符号数的表示；计算机中数的定点表示和浮点表示；定点运算；浮点四则运算；算术逻辑单元； 要求 掌握计算机中有符号数、无符号数、定点数和浮点数的各种表示，以及移位、定点补码加减运算、定点原码一位乘和两位乘及补码Booth算法、定点原码和补码加减交替除法，以及浮点补码加减运算。了解不同的运算方法对运算器结构的影响，以及提高运算速度采取的各种措施，包括快速进位链的设计方法 ；,1.4,第七章 指令系统（8个课时） 内容 机器指令的一般格式；操作数类型和操作类型；指令的地址格式和寻址方式；指令格式举例；精简指令系统计算机技术（Reduced Instruction Set Computer，即 RISC）； 要求 要求掌握不同的寻址方式对操作数寻址范围以及对编程的影响，掌握不同的寻址方式所要求的硬件和信息的加工过程；还应了解RISC的主要特点及其与复杂指令系统计算机技术（Complex Instruction Set Computer，即 CISC）的区别 ；,1.4,第八章 CPU的结构和功能（6个课时） 内容 CPU的功能及结构框图；指令周期；指令流水；中断系统（包括引起中断的各种因素，中断系统所需解决的共性问题，如：中断请求标记、中断判优、中断响应、中断服务、中断返回、多重中断等）； 要求 掌握机器完成一条指令的全过程、中断技术在提高整机效能方面所起的作用，以及流水技术。,1.4,控制单元 第九章 控制单元的功能（6个课时） 内容 微操作命令的分析（按取指周期、间指周期、执行周期和中断周期分析不同指令的微操作命令）；控制单元的外特性；多级时序系统；控制方式；控制信号实例分析 ； 要求 理解控制单元为完成不同指令所发出的各种操作命令，以及指令周期、机器周期、时钟周期与操作命令的关系。,1.4,第十章 控制单元的设计（6个课时） 内容 组合逻辑设计；组合逻辑控制单元框图、微操作节拍安排、组合逻辑设计举例；微程序设计；微程序控制单元框图及工作原理、微指令的编码方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序设计举例； 要求 初步掌握控制单元的两种设计方法，进一步理解组合逻辑控制器和微程序控制器在设计思想、硬件组成及其工作原理方面的不同；结合时序系统的概念，学会按不同指令要求，写出相应的微操作命令及节拍安排。,1.4,作业,1.4、1.9、1.11,QUESTION？,