哈工大計算機組成原理第一章課件唐朔飛老師

1、1.1 計算機系統(tǒng)簡介計算機系統(tǒng)簡介1.4 本書結(jié)構(gòu)本書結(jié)構(gòu)1.3 計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.2 計算機的基本組成計算機的基本組成更多資料下載更多資料下載: http:/ 由具有各類特殊功能由具有各類特殊功能的信息（程序）組成的信息（程序）組成1. 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機的實體計算機的實體如主機、外設(shè)等如主機、外設(shè)等一、一、 計算機軟、硬件的概念計算機軟、硬件的概念硬件硬件軟件軟件按任務(wù)需要編制成的各種程序按任務(wù)需要編制成的各種程序用來管理整個計算機系統(tǒng)用來管理整個計算機系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件語言處理程序語言處理程序操作系統(tǒng)操作

2、系統(tǒng)服務(wù)性程序服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)軟件軟軟件件計算機計算機高級語高級語言程序言程序目標(biāo)目標(biāo)程序程序結(jié)果結(jié)果翻譯翻譯運行運行2. 計算機的解題過程計算機的解題過程二、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級語言高級語言虛擬機器虛擬機器 M M3匯編語言匯編語言虛擬機器虛擬機器 M M2操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)虛擬機器虛擬機器機器語言機器語言實際機器實際機器 M M1微指令系統(tǒng)微指令系統(tǒng)微程序機器微程序機器 M M0用編譯程序翻譯用編譯程序翻譯成匯編語言程序成匯編語言程序用匯編程序翻譯用匯編程序翻譯成機器語言程序成機器語言程序用機器語言解釋操作系統(tǒng)用機器語言解釋操作系

3、統(tǒng)用微指令解釋機器指令用微指令解釋機器指令由硬件直接執(zhí)行微指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟軟件件硬硬件件虛擬機器虛擬機器 M M4虛擬機器虛擬機器 M M3虛擬機器虛擬機器 M M2實際機器實際機器 M M1微程序機器微程序機器 M M0程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計算機計算機體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)計算機計算機組成組成實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性有無乘法指令有無乘法指令如何實現(xiàn)乘法指令如何實現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/OI/O機理）機理）（具體指令的

4、實現(xiàn)）（具體指令的實現(xiàn)）三、三、計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成1. 計算機由五大部件組成計算機由五大部件組成3. 指令和數(shù)據(jù)用二進制表示指令和數(shù)據(jù)用二進制表示4. 指令由操作碼和地址碼組成指令由操作碼和地址碼組成6. 以運算器為中心以運算器為中心2. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器 可按地址尋訪可按地址尋訪5. 存儲程序存儲程序一、馮馮諾依曼計算機的特點諾依曼計算機的特點5. 存儲程序存儲程序算術(shù)運算算術(shù)運算邏輯運算邏輯運算存放數(shù)據(jù)存放數(shù)據(jù)和程序和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機將信息轉(zhuǎn)換成機器能識別的形式器能識別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形

5、式人們熟悉的形式指揮程序指揮程序運行運行馮馮諾依曼計算機硬件框圖諾依曼計算機硬件框圖存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運算器運算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備馮馮諾依曼計算機硬件框圖諾依曼計算機硬件框圖存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運算器運算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備二、計算機硬件框圖二、計算機硬件框圖1. 以存儲器為中心的計算機硬件框圖以存儲器為中心的計算機硬件框圖程序程序存儲器存儲器輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備運算器運算器控制器控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果計算計算ALUALU主存主存輔存輔存CPUCPU主機主機I/OI/O硬件硬件CUCU2. .現(xiàn)代計算機硬件框圖現(xiàn)代計算機硬件框圖存儲器存儲器輸

6、入設(shè)備輸入設(shè)備運算器運算器輸出設(shè)備輸出設(shè)備控制器控制器ALUALUCPU主機主機I/OI/OCUCU主主存存1. .上機前的準(zhǔn)備上機前的準(zhǔn)備 建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型 - -+ +- -+ +- -= =!x9!x7!x5!x3xx9753sin 編制解題程序編制解題程序 確定計算方法確定計算方法程序程序 運算的運算的 全部步驟全部步驟0, 1, 2,)( )(21nyn xynx= =+ += =指令指令 每每 一個步驟一個步驟三、計算機的工作步驟三、計算機的工作步驟取取x 至運算器中至運算器中乘以乘以x 在運算器中在運算器中乘以乘以a a 在運算器中在運算器中存存a ax2 在存儲器中在存

7、儲器中取取b b 至運算器中至運算器中乘以乘以x 在運算器中在運算器中加加a ax2 在運算器中在運算器中加加c c 在運算器中在運算器中= (= (a ax + + b b) )x + + c c 取取x 至運算器中至運算器中乘以乘以a a 在運算器中在運算器中加加b b 在運算器中在運算器中乘以乘以x 在運算器中在運算器中加加c c 在運算器中在運算器中計算計算 ax2 + bx + c編程舉例編程舉例000001 0000001000000001 0000001000打印打印 停機停機取數(shù)取數(shù) ACC ACC存數(shù)存數(shù) ACC ACC 加加 ACC+ ACC+ ACCACC乘乘 ACCAC

8、C ACC ACC指令格式舉例指令格式舉例操作碼操作碼地址碼地址碼 打印機打印機指令和數(shù)據(jù)存于指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址主存單元的地址 指令指令 注釋注釋操作碼操作碼 地址碼地址碼 00000010000001000取數(shù)取數(shù)x至至ACC 10001000000001001乘乘a得得ax存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011加加c得得ax2 + bx + c,存于存于ACC 50000100000001100將將ax2 +

9、bx + c存于主存單元存于主存單元 60001010000001100打印打印 7000110停機停機 8 x原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)x 9 a原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)a 10 b原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)b 11 c原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)c 12存放結(jié)果存放結(jié)果計算計算 ax2 + bx + c 程序清單程序清單 ACC MQ X2. .計算機的解題過程計算機的解題過程(1)(1)運算器的基本組成及操作過程運算器的基本組成及操作過程運算器運算器MQACCALUX被加數(shù)被加數(shù)被減數(shù)被減數(shù)被除數(shù)被除數(shù)乘數(shù)乘數(shù)商商加數(shù)加數(shù)減數(shù)減數(shù)被乘數(shù)被乘數(shù)除數(shù)除數(shù)加法加法減法減法乘法乘法除法除法和和差差余數(shù)余數(shù)乘積高位乘積高位乘積低位乘積低

10、位運算器運算器MQACCALUXACC ACC 被加數(shù)被加數(shù)ACC初態(tài)初態(tài) 加法操作過程加法操作過程 ACC+XACC+XALU M XM XXACCACCACC指令指令 加加M M 減法操作過程減法操作過程運算器運算器MQACCALUX指令指令 減減M MACC ACC 被減數(shù)被減數(shù)ACC初態(tài)初態(tài) M XM XX ACC-XACC-XALUACCACCACC運算器運算器MQACCALUXACCACC ACC 被乘數(shù)被乘數(shù)初態(tài)初態(tài) ACCMQ MMMQMQ指令指令 乘乘M M 乘法操作過程乘法操作過程X ACCACCX X00ACCACCALU XXMQMQACCACCMQMQACCMQ運算器

11、運算器MQACCALUXACC ACC 被除數(shù)被除數(shù)ACC初態(tài)初態(tài) ACCACCXXALUMQMQACCMQ余數(shù)在余數(shù)在ACCACC中中指令指令 除除M M M M X XX 除法操作過程除法操作過程存儲體存儲體大樓大樓存儲單元存儲單元 存放一串二進制代碼存放一串二進制代碼存儲字存儲字 存儲單元中二進制代碼的組合存儲單元中二進制代碼的組合存儲字長存儲字長 存儲單元中二進制代碼的位數(shù)存儲單元中二進制代碼的位數(shù)每個存儲單元賦予一個地址號每個存儲單元賦予一個地址號按地址尋訪按地址尋訪 存儲單元存儲單元 存儲元件存儲元件（0/1） 房間房間 床位床位（無人（無人/ / 有人）有人）( (2) )存儲器

12、的基本組成存儲器的基本組成主存儲器主存儲器存儲體存儲體MARMARMDRMDRMARMARMDRMDR 存儲單元個數(shù)存儲單元個數(shù) 16存儲字長存儲字長 8 設(shè)設(shè) MARMAR = = 4 位位 MDRMDR = = 8 位位存儲器地址寄存器存儲器地址寄存器反映存儲單元的個數(shù)反映存儲單元的個數(shù)存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲字長反映存儲字長( (2) )存儲器的基本組成存儲器的基本組成主存儲器主存儲器存儲體存儲體MARMARMDRMDR取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令PCPCIRIRCUCUPCIRCUCU取指取指執(zhí)行執(zhí)行PC PC 存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令

13、的地址 具有計數(shù)功能（具有計數(shù)功能（PCPC）+ + 1 PC1 PCIR IR 存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存訪存訪存完成完成一條一條指令指令( (3) )控制器的基本組成控制器的基本組成12356789以取數(shù)指令為例以取數(shù)指令為例4( (4) )主機完成一條指令的過程主機完成一條指令的過程CU控制控制單元單元主存儲器主存儲器MDRMAR存儲體存儲體CPUPC控制器控制器IR運算器運算器MQACCALUXI/O12356798以存數(shù)指令為例以存數(shù)指令為例4CU控制控制單元單元主存儲器主存儲器MDRMAR存儲體存儲體CPUPC控制器控制器IR運算器運算器MQACCALUXI/

14、O( (4) )主機完成一條指令的過程主機完成一條指令的過程( (5) ) ax2 + bx + c 程序的運行程序的運行過程過程 將程序通過輸入設(shè)備送至計算機將程序通過輸入設(shè)備送至計算機 程序首地址程序首地址 打印結(jié)果打印結(jié)果 分析指令分析指令 取指令取指令 停機停機 啟動程序運行啟動程序運行,(PC,(PC )+)+ 1 PC1 PC 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC1. .機器字長機器字長2. .運算速度運算速度CPUCPU 一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)與與 CPUCPU 中的中的 寄存器位數(shù)寄存器位數(shù) 有關(guān)有關(guān)= =ni = =1fi tiTM吉普森法吉普森法主頻主頻每秒執(zhí)行百萬條指令每秒執(zhí)行百萬條指令MIPSMIPS執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù)CPICPI每秒浮點運算次數(shù)每秒浮點運算次數(shù)FLOPSFLOPS221 = = 256KB213 = = 1KB如如：3. .存儲容量存儲容量主存容量主存容量輔存容量輔存容量存儲單元個數(shù)存儲單元個數(shù) 存儲字長存儲字長字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 80GB如：如：MAR MDR MAR