计算机组成原理第一章btbu

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1、毛典辉北京工商大学计算机与信息工程学院Email: l 参 考 书 白 中 英 ， 计 算 机 组 成 原 理 第 四 版 ， 科 学 出 版社 ， 2008 唐 硕 飞 ,计 算 机 组 成 原 理 ,高 等 教 育 出 版 社 ，2003 王 爱 英 ， 计 算 机 组 成 原 理 ， 清 华 大 学 出 版 社 ， 一 、 课 程 性 质 与 任 务 主 要 讲 解 简 单 、 单 台 计 算 机 的 完 整 组 成 原 理 和 内 部 运 行 机 制 ，包 括 运 算 器 部 件 、 控 制 器 部 件 、 存 储 器 子 系 统 、 输 入 /输 出 子系 统 与 输 入 /输 出

2、系 统 设 备 ， 围 绕 各 自 的 功 能 、 组 成 、 设 计 、实 现 、 使 用 等 知 识 进 行 介 绍 ；二 、 课 程 的 基 本 要 求 （ 课 程 教 学 应 使 学 生 达 到 的 基 本 要 求 ） 计 算 机 系 统 概 述 、 计 算 机 中 的 数 据 表 示 、 运 算 方 法 和 运 算 器 、 指 令 系统 、 随 机 逻 辑 和 微 程 序 控 制 原 理 、 存 储 系 统 、 输 入 输 出 系 统 、 计 算 机外 设 简 介 ， 要 求 学 生 掌 握 计 算 机 的 组 成 和 工 作 原 理 。 通 过 学 习 ， 使 学 生 了 解 计

3、算 机 的 组 成 原 理 及 工 作 原 理 ， 以 建 立 整 机 概念 。 本 课 程 设 有 实 验 ， 以 加 深 对 课 程 内 容 的 理 解 ， 培 养 学 生 的 动 手 能力 。三 、 课 程 与 其 他 课 程 的 联 系 与 分 工 先 修 课 ： 数 字 电 路 、 模 拟 电 路 、 汇 编 语 言 程 序 设 计 后 续 课 ： 计 算 机 系 统 结 构 、 关 系 密 切 的 还 有 操 作 系 统 等 课 程 。 教 学 大 纲 一 、 本 课 程 性 质 与 任 务学 习 内 容 ： 计 算 机 有 哪 些 部 分 组 成 的 ？ 每 个 部 分 的 工

4、作 原 理 是 什 么？ 每 个 部 分 如 何 设 计 、 实 现 ？ 各 部 分 之 间 如 何 协 同 工 作 ？ 学 习 用 途 ：怎 样 买 一 台 计 算 机 了 解 计 算 机 各 部 件 的 技术 参 数 理 解 软 件 是 如 何 在 计 算机 中 工 作 二 、 本 课 程 的 地 位 与 作 用 I/O systemProcessorCompiler OperatingSystem(Windows 98)Application (Netscape) Digital DesignCircuit Design Instruction Set ArchitectureDatap

5、ath & Control transistorsMemoryHardwareSoftware Assembler计 算 机 专 业 基 础 课 程 （ 必 修 ） 按 任 务 需 要 编 制 成 的 各 种 程 序用 来 管 理 整 个 计 算 机 系 统 系 统 软 件应 用 软 件 语 言 处 理 程 序 汇 编 程 序 、 编 译 程 序 、 解 释 程 序操 作 系 统服 务 性 程 序 诊 断 程 序 、 排 错 程 序 、 杀 毒 程 序数 据 库 管 理 系 统网 络 软 件软件 计 算 机 的 语 言自 然 语 言 ： 人 类 相 互 交 流 信 息 所 用 的 语 言高 级

6、 语 言 ： 一 种 和 自 然 语 言 接 近 并 能 为 计 算 机 接受 的 语 言 ， 这 种 语 言 被 称 为 计 算 机 的 高 级 语 言 。汇 编 语 言 ： 符 号 式 程 序 设 计 语 言 ， 属 于 低 级 语 言 。机 器 语 言 ： 由 二 进 制 代 码 表 示 的 指 令 能 够 被 机 器 执行 的 语 言 计 算 机 系 统 的 层 次 结 构高 级 语 言 虚 拟 机 器 M3汇 编 语 言 虚 拟 机 器 M2操 作 系 统 虚 拟 机 器机 器 语 言 实 际 机 器 M1微 指 令 系 统 微 程 序 机 器 M0软件硬件 三 、 本 课 程 的

7、知 识 点1. 计 算 机 系 统 概 述l 建 立 整 机 概 念 、 理 解 Von Neumann 计 算 机 体 系 结 构 思 想 ， 以 及按 此 思 想 设 计 的 计 算 机 组 成 部 件 和 功 能l 怎 样 区 分 存 储 器 中 存 储 的 是 数 据 还 是 指 令 ？2. 数 据 表 示 与 运 算 器l 正 数 与 负 数 、 定 点 数 和 浮 点 数 各 种 机 器 码 表 示 方 法 与 表 示 范 围 l 各 种 数 的 加 减 乘 除 运 算 规 则 以 及 校 验 技 术l ALU的 设 计 3. 存 储 器l 存 储 器 的 分 类 及 其 相 关

8、概 念l 静 态 存 储 器 与 动 态 存 储 器 的 组 成 结 构 和 工 作 原 理 。l 存 储 器 的 扩 展 、 地 址 分 配 与 片 选 逻 辑 （ 与 CPU的 连 接 ）l Cache的 基 工 作 原 理 以 及 与 主 存 之 间 的 映 射 方 式 、 替 换 算 法 以 及写 策 略l 虚 拟 存 储 器 （ 页 式 、 段 式 、 段 页 式 ） 本 课 程 的 知 识 点 （ 续 ）4. 存 储 器l 什 么 是 指 令 和 指 令 系 统l 指 令 的 格 式 以 及 寻 址 方 式5. 中 央 处 理 器l CPU的 功 能 与 基 本 结 构l 常 用

9、指 令 的 执 行 过 程 以 及 执 行 周 期l 微 指 令 的 格 式 与 编 码 方 法l 微 程 序 控 制 器 的 工 作 过 程6. 总 线 与 输 入 输 出 系 统l 总 线 的 作 用 以 及 分 类l 总 线 的 仲 裁 以 及 总 线 标 准 l I/O接 口 的 基 本 功 能l 主 机 访 问 I/O设 备 的 控 制 方 式 第 一 篇 概 论内 部互 连ALU CU寄 存 器中 央 处 理 单 元 寄 存 器解 码 器控 制 单 元排 队逻 辑 控 制存 储 器 第 二 篇计 算 机 系 统 硬 件 结 构第 三 篇 CPU第 四 篇 CU计 算 机 I/O系

10、统 总 线存 储 器 CPU 概 念 性 的 结 构 与 功 能 特 性计 算 机体 系 结 构计 算 机组 成 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（ 具 体 指 令 的 实 现 ）四 、 计 算 机 体 系 结 构 和 计 算 机 组 成 算 术 运 算逻 辑 运 算存 放 数 据和 程 序将 信 息 转 换 成 机器 能 识 别 的 形 式 将 结 果 转 换 成人 们 熟 悉 的 形 式指 挥 程 序运 行冯 诺 依 曼 计 算 机 硬 件 结 构 框 图存 储 器输 入 设 备 运 算 器控 制 器 输 出 设

11、 备 1. 计 算 机 由 五 大 部 件 组 成 包 括 控 制 器 、 运 算器 、 存 储 器 、 输 入 设 备 、 输 出 设 备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2. 指 令 和 数 据 以 同 等 地 位 存 于 存 储 器 可 按 地 址 寻 访5. 存 储 程 序冯 诺 依 曼 计 算 机 的 特 点 二 、 计 算 机 硬 件 框 图以 存 储 器 为 中 心 的 计 算 机 硬 件 框 图程 序 存 储 器 输 出 设 备输 入 设 备 运 算 器控 制 器数 据 结 果计

12、算 ALU主 存辅 存 CPU 主 机I/O 硬 件CU2.现 代 计 算 机 硬 件 框 图存 储 器输 入 设 备运 算 器输 出 设 备控 制 器 ALUCPU主 机 I/OCU主存 1.上 机 前 的 准 备 建 立 数 学 模 型 -+-+-= !x9!x7!x5!x3xx 9753sin 编 制 解 题 程 序 确 定 计 算 方 法程 序 运 算 的 全 部 步 骤 0, 1, 2, )()(21 nyn xynx =+= 指 令 每 一 个 步 骤三 、 计 算 机 的 工 作 步 骤 取 x 至 运 算 器 中乘 以 x 在 运 算 器 中乘 以 a 在 运 算 器 中存 a

13、x2 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编 程 举 例 000001 0000001000打 印 停 机取 数 ACC存 数 ACC 加 ACC+ ACC乘 ACC ACC指 令 格 式 举 例操 作 码 地 址 码 打 印 机 指 令 和 数 据 存 于主 存 单 元 的 地 址 指 令 注 释操

14、 作 码 地 址 码 0 000001 0000001000 取 数 x至 ACC 1 000100 0000001001 乘 a得 ax存 于 ACC中 2 000011 0000001010 加 b得 ax+b,存 于 ACC中 3 000100 0000001000 乘 x得 （ ax+b)x,存 于 ACC中 4 000011 0000001011 加 c得 ax2 + bx + c,存 于 ACC 5 000010 0000001100 将 ax2 + bx + c存 于 主 存 单 元 6 000101 0000001100 打 印 7 000110 停 机 8 x 原 始 数 据

15、 x 9 a 原 始 数 据 a 10 b 原 始 数 据 b 11 c 原 始 数 据 c 12 存 放 结 果 计 算 ax2 + bx + c 程 序 清 单 ACC MQ X2.计 算 机 的 解 题 过 程(1)运 算 器 的 基 本 组 成 及 操 作 过 程运 算 器 MQACCALUX 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 数乘 积 高 位 乘 积 低 位 运 算 器 MQACCALUX ACC 被 加 数初 态 加 法 操 作 过 程 ACC+XM XACC指 令 加 M 减 法 操 作 过 程运 算 器 MQ

16、ACCALUX 指 令 减 MACC 被 减 数初 态 M XACC-X ACC 运 算 器 MQACCALUX ACC 被 乘 数初 态 M MQ指 令 乘 M 乘 法 操 作 过 程 ACC X0 0 ACCX MQ ACC MQ 运 算 器 MQACCALUX ACC 被 除 数ACC 初 态 ACC X MQ余 数 在 ACC中指 令 除 MM X 除 法 操 作 过 程 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

17、 赋 予 一 个 地 址 号按 地 址 寻 访 存 储 单 元 存 储 元 件 （ 0/1） 房 间 床 位 （ 无 人 / 有 人 ）(2)存 储 器 的 基 本 组 成主 存 储 器存 储 体MAR MDR MARMDR 存 储 单 元 个 数 16存 储 字 长 8 设 MAR = 4 位 MDR = 8 位存 储 器 地 址 寄 存 器反 映 存 储 单 元 的 个 数存 储 器 数 据 寄 存 器反 映 存 储 字 长(2)存 储 器 的 基 本 组 成主 存 储 器存 储 体MAR MDR举 例 ： 颜 色 如 何 表 示 与 存 储 取 指 令分 析 指 令执 行 指 令 PCI

18、RCUPCIRCU 取 指执 行PC 存 放 当 前 欲 执 行 指 令 的 地 址 具 有 计 数 功 能 （ PC） + 1 PCIR 存 放 当 前 欲 执 行 的 指 令 访 存访 存完 成一 条指 令(3)控 制 器 的 基 本 组 成 1 2 35 6 7 89以 取 数 指 令 为 例 4(4)主 机 完 成 一 条 指 令 的 过 程CU控 制单 元 主 存 储 器MDRMAR存 储 体CPU PC控 制 器 IR运 算 器 MQACCALUX I/O 1 2 35 6 7 98以 存 数 指 令 为 例 4CU控 制单 元 主 存 储 器MDRMAR存 储 体CPU PC控

19、制 器 IR运 算 器 MQACCALUX I/O(4)主 机 完 成 一 条 指 令 的 过 程 (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 ,(PC )+ 1 PC 执 行 指 令 MAR M MDR IRPC CUOP(IR)Ad(IR) MAR M MDR ACCPC 1.机 器 字 长2.运 算 速 度 CPU 一 次 能 处 理 数 据 的 位 数与 CPU 中 的 寄 存 器 位 数 有 关= ni =1 fi

20、tiTM 吉 普 森 法主 频 每 秒 执 行 百 万 条 指 令MIPS 执 行 一 条 指 令 所 需 时 钟 周 期 数CPI 每 秒 浮 点 运 算 次 数FLOPS 完 成 一 个 任务 所 花 费 的全 部 时 间 221 = 256KB213 = 1KB如 ：3.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 80GB如 ： MAR MDR 容 量10 816 32存 放 二 进 制 信 息 的 总 数 量 1K = 2101Byte = 231G = 2301K 8位64K 32位 通 用 计 算 机 分 类 通 用 计

21、算 机 根 据 体 积 、 简 易 性 、 功 率损 耗 、 性 能 指 标 、 数 据 存 储 容 量 、 指 令 系统 规 模 和 机 器 价 格 等 可 以 分 为 ：l 超 级 计 算 机l 大 型 机l 服 务 器l 工 作 站l 微 型 机l 单 片 机 一 、 计 算 机 的 产 生 和 发 展1946年 美 国 ENIAC 1955年 退 役十 进 制 运 算18 0001 500150301 500 多 个 电 子 管多 个 继 电 器千 瓦吨平 方 英 尺5 000 次 加 法 秒用 手 工 搬 动 开 关 和 拔 插 电 缆 来 编 程 世 界 上 第 一 台 电 子 计

22、 算 机 ENIAC(1946) 硬 件 技 术 对 计 算 机 更 新 换 代 的 影 响 100 000 000 超 大 规 模 集 成 电 路 1978现 在 10 000 000 大 规 模 集 成 电 路 19721977 1 000 000 中 小 规 模 集 成 电 路 19651971 200 000 晶 体 管 19581964 40 000 电 子 管 19461957 速 度 （ 次 /秒 ） 硬 件 技 术 时 间 代三四二一 Moore 定 律Intel 公 司 的 缔 造 者 之 一 Gordon Moore 提 出微 芯 片 上 集 成 的 晶 体 管 数 目 每

23、 三 年 翻 两 番每 18个 月 ， 集 成 电 路 的 性 能 将 提 高 一 倍 ，而 其 价 格 将 降 低 一 半 。 Intel 公 司 的 典 型 微 处 理 器 产 品8080 8位 1974年8086 16位 1979年 2.9 万80286 16位 1982年 13.4 万80386 32位 1985年 27.5 万80486 32位 1989年 120.0 万Pentium 64位 （ 准 ） 1993年 310.0 万Pentium pro 64位 （ 准 ） 1995年 550.0 万Pentium 64位 （ 准 ） 1997年 550.0 万 以 上Pentium

24、 64位 （ 准 ） 1999年 800.0 万 以 上Pentium 64位 2000年 4 200.0 万预 计 2007 年 芯 片 上 可 集 成 3 亿 5 千 万 晶 体 管 2010 年 芯 片 上 可 集 成 8 亿 晶 体 管 第 一 台 von Neumann 系 统 结 构 的 计 算 机 IBM System 360 最 快 的 五 台 超 级 计 算 机 （ 截 止 到 2003.06）1.IBM: Seaborg6 080个 CPU 最 大 平 均 速 度 7.304 TF (10 12) 2.IBM: ASCI White8 192个 CPU 最 大 平 均 速

25、度 7.304 TF (10 12) 最 快 的 五 台 超 级 计 算 机 （ 截 止 到 2003.06） 3.Linux NetworX : MCR Linux Cluster 最 快 的 五 台 超 级 计 算 机 （ 截 止 到 2003.06）2 304个 CPU 最 大 平 均 速 度 7.634 TF (10 12) 最 快 的 五 台 超 级 计 算 机 （ 截 止 到 2003.06）4. HP : ASCI Q4 096个 CPU 最 大 平 均 速 度 13.88 TF (10 12) 最 快 的 五 台 超 级 计 算 机 （ 截 止 到 2003.06）5.NEC: Earth Simulator5 120个 CPU 最 大 平 均 速 度 35.86 TF (10 12)