計算機組成原理第01章課件

計算機組成原理計算機與信息工程學院計算機科學與技術教研室何ikehelin@21教材：計算機組成原理與匯編語言程序設計（第三版）徐潔、俸遠禎等電子工業(yè)出版社,2012年1月第三版

參考教材：1：計算機組成原理（第三版）

白中英科學出版社2000年11月2：計算機組成原理與匯編語言程序設計俸遠禎、王正智、徐潔等電子工業(yè)出版社,1999年7月第二版

3：計算機組成原理

唐塑飛高等教育出版社，2000年第1版

一、存儲程序工作方式與諾依曼機

1945年提出：馮·諾依曼體制(結構)–––存儲程序。第一節(jié)基本概念計算機：是一種能夠存儲程序，能夠自動連續(xù)地執(zhí)行程序，對各種數字化信息進行算術運算或邏輯運算的快速工具。1、采用二進制代碼表示數據和指令

數據：計算機所處理的信息。指令：程序的最終可執(zhí)行形態(tài)，即機器指令---產生控制信息。均由二進制代碼表示（0、1序列），易用二值邏輯電路處理----處理功能邏輯化

2、采用存貯程序工作方式1)事先編制程序2)將程序存貯于計算機的存儲器中３）計算機在運行時將自動地、連續(xù)地從存儲器中依此取出指令加以執(zhí)行。指令記數器PC－存放當前指令所在存儲單元的地址以控制指令序列的執(zhí)行順序。以ＰＣ內容作為地址讀取指令，再按指令給出的操作數地址去讀取數據。數據區(qū)一般，數據、程序分區(qū)存放代碼區(qū)

3.由運算器、存貯器、控制器、輸入裝置、輸出裝置等五大部件，構成計算機硬件系統(tǒng)。運算器：在控制器的控制下進行各種運算存儲器：按地址存放或讀取內容，存放數據、程序和運算的中間結果控制器：神經中樞，控制計算機各部分有序地工作輸入設備：I/O準備好，向計算機發(fā)請求，控制器輸出設備：發(fā)I/O命令，進行I/O操作

簡單框圖如下：運算器存貯器控制器輸入設備輸出設備程序和數據結果數據結果地址指令請求信號控制信號控制信號請求信號狀態(tài)信息操作命令圖1-1數字計算機的簡單框圖信息控制信息流：指令代碼序列→微命令（控制信號，控制計算機的工作)數據信息流：計算機加工處理的對象數值型：非數值型：字符、文字、圖像聲音、邏輯值等二、信息的數字化表示在計算機中的各種信息用數字代碼表示數值大小、正負：符號位0－正數，１－負數字符：１B表示（ASCII碼），中文字符2B指令：每種指令按約定的指令格式，用一種數字代碼表示設備狀態(tài)：不同編碼表示不同狀態(tài)，00－空閑,01－忙，10－完成一次操作。圖像（點陣）；聲音（采樣）；邏輯信息等等。善于用約定的代碼表示各種需描述的信息________編碼2、在物理機制上，數字代碼以數字型信號表示脈沖數字電信號用脈沖的有無表示0、1定時作用：脈沖的上升沿或下降沿表某一時刻，定時電平數字電信號利用電平信號的高低表不同的狀態(tài)高電平+5V－１，低電平0V－０模擬信號數字信號（時間上離散）采樣1101tvt1t1t0t11vvvv抗干擾能力強，可靠性高；可獲得很寬的表示范圍及高的精度。增加位數，硬件代價高；物理上易實現，并可存儲信息（用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容）；能用數字邏輯技術處理—硬件設計的基礎。數字化方法表示信息的優(yōu)點三、數字計算機的特點能在程序控制下自動連續(xù)地工作2.運算速度快3.運算精度高4.具有較強的信息存貯能力5.通用性強一、硬件系統(tǒng)硬件：系統(tǒng)中可觸模得到的物理設備實體。以及將它們組織為一個計算機系統(tǒng)的體系結構。此外，構成的方法及工藝技術都屬于硬件設計。第二節(jié)計算機系統(tǒng)的硬軟組成與層次結構CPU：核心。運算器+控制器組合邏輯控制器：由若干組合邏輯主控制器電路產生微命令序列。微程序控制器：將微命令序列以代碼形式編成微程序，存入控制存機儲器；CPU運行程序時，讀取并執(zhí)行微程序，產生微命令序列，解釋執(zhí)行機器指令序列。主存：內存，CPU按地址直接訪問。半導體存儲器硬件包括哪些部件；具備那些基本功能；采用何種電路、器件構成；工藝上如何組裝；各部件按什么體系結構連成有機整體。硬件設計的范疇主存外存：輔存，主機之外，容量大，CPU不能直接訪問。高速緩沖：CPU與主存之間，當前正使用的程序、數據復制于其中，提高CPU訪存速度。存儲器外部設備：I/O設備總線：主機通過一組總線連接各種I/O設備外圍接口：I/O接口，位于總線與各種I/O設備之間，起緩沖與連接作用的部件。1.以總線為基礎的系統(tǒng)結構——小、微型機采用總線結構實現數據傳遞－數據通路結構總線BUS:一組能為多個部件分時共享的公共信息傳送線路。（數據線、地址線、控制線）共享：一組總線掛多個部件。分時：同一時刻同一組總線只接受一個發(fā)送源，否則沖突。不同的計算機系統(tǒng)采用不同的總線結構。系統(tǒng)總線(地址、數據、控制)CPU主存公共接口接口接口I/OI/O圖1–2以總線為基礎的系統(tǒng)結構例：1、PDP-11，16位小型機，單總線結構（下圖）2、IBM-PC，局部總線：與CPU直接連接，可訪問屬于主機范疇的部件；系統(tǒng)總線：局部總線上的信息經總線控制器和鎖存器再與外部相連，形成I/O擴展總線－系統(tǒng)總線圖1–3帶通道的大中型計算機系統(tǒng)結構CPU主存通道通道I/O控制器I/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/O控制器I/O控制器I/O控制器2.采用通道或I0P的大型系統(tǒng)結構–––大、中型機

使CPU與I/O操作并行執(zhí)行，I/O設備種類與數量增多3.提高系統(tǒng)性能的若干技術一是提高單CPU性能，二是用多個CPU構成多機系統(tǒng)?？傊窃鰪姴⑿刑幚砟芰?。7)多存貯休交叉訪問技術（并行主存系統(tǒng)）8)多機系統(tǒng)（多個CPU構成多機系統(tǒng)）4)超標量方式（同時執(zhí)行多條指令）5)超長指令字（相當于多條常規(guī)指令，提高并行速度）6)陣列機（多個處理部件組成一個陣列-單指令流多數據流）流水處理（利用時間重疊提高并行處理能力）2)向量機（用向量運算器并行處理適于向量化的任務）3)精減指令系統(tǒng)計算機RISC（提高單機運算速度）二、軟件系統(tǒng)軟件：各類程序和文件，是一些觸摸不到的二進制信息。1.系統(tǒng)軟件：負責系統(tǒng)的調度管理，提供程序的運行環(huán)境和開發(fā)環(huán)境，為方便用戶使用，提高計算機系統(tǒng)的效率或擴展硬件功能而編制的程序。操作系統(tǒng)：核心，作業(yè)調度、處理機調度、存儲管理、文件系統(tǒng)、外圍設備管理，任何其它軟件必須在OS的支持下才能運行。3)數據庫管理程序：DBMS4)各種服務性支撐軟件：為幫助用戶使用與維護計算機提供一種集成環(huán)境。5)各種標準程序庫2)語言處理程序解釋方式編譯方式源程序→機器指令2.應用軟件：用戶為解決某一特定問題而編制的程序?？茖W計算類程序2)工程設計類程序3)數據處理類程序4)信息管理類程序5)自動控制類程序6)情報檢索類程序數學模型，算法用戶程序作為軟件資源的應用程序語言處理程序(解釋、編譯)操作系統(tǒng)機器語言(指令系統(tǒng))硬核微程序控制器硬件邏輯部件系統(tǒng)分析級用戶程序級操作系統(tǒng)級機器語言級微程序級圖1-4硬軟件組成的層次結構模型1.硬軟組成的層次結構三、層次結構模型上圖中，自下而上，反映了計算機系統(tǒng)的逐級生成過程：1、擬定指令系統(tǒng)：CPU硬軟界面2、制作硬件系統(tǒng)：能實現指令功能硬連邏輯部件微程序控制器3、配置OS4、配置語言處理程序及夾各種軟件資源：在OS管理下執(zhí)行5、用戶應用程序數學模型，算法用戶程序作為軟件資源的應用程序語言處理程序(解釋、編譯)操作系統(tǒng)機器語言(指令系統(tǒng))硬核微程序控制器硬件邏輯部件系統(tǒng)分析級用戶程序級操作系統(tǒng)級機器語言級微程序級圖1-4硬軟件組成的層次結構模型自上而下，反映了應用計算機求解問題的過程。1、系統(tǒng)分析級：模型、算法2、用戶程序級：用程序設計語言編寫程序3、操作系統(tǒng)級：源程序→目標程序。編輯、編譯、調試源程序4、機器語言級：執(zhí)行目標代碼5、微程序級：對用戶透明數學模型，算法用戶程序作為軟件資源的應用程序語言處理程序(解釋、編譯)操作系統(tǒng)機器語言(指令系統(tǒng))硬核微程序控制器硬件邏輯部件系統(tǒng)分析級用戶程序級操作系統(tǒng)級機器語言級微程序級圖1-4硬軟件組成的層次結構模型圖1-5從語言角度劃分的層次結構模型專用語言虛擬機高級語言虛擬機匯編語言虛擬機

實際機器(機器語言物理機)程序2.從語言功能角度劃分層次結構機器語言物理機：執(zhí)行機器語言虛擬機：配置軟件擴充機器功能后所形成的計算機，實際硬件并不具備這種機器功能。匯編語言虛擬機：與指令系統(tǒng)一一對應高級語言虛擬機：與物理機無關，算法語言專用語言虛擬機：基本字長：參與一次運算的數的位數。位數越多，計算精度越高。微機：8、16、32、64位機2.數據通路寬度：第三節(jié)計算機的性能指標數據總線一次所能并行傳送的位數。CPU內部的一般等于基本字長，而外部的取決于系統(tǒng)總線，可與內部的相等，也可小于內部的。內外相等：Intel80386，均為32位，32位機外部寬度小于內部：Intel8088，內16位，外8位，準16位機反映了寄存器、運算部件、數據總線的位數。硬件實現基本字長運算，軟件支持實現多字長運算。影響信息傳送能力，從而影響計算機的有效處理速度。3.主存容量：CPU可以直接訪問的存貯器容量。影響計算機的處理能力按字節(jié)編址：每個存儲單元為8位，即1B

用字節(jié)數表示。1MB、640KB2）按字編址：每個存儲單元為一個字，字長超過8位用單元數（字數）×位數表示。64K×16位4.外存容量：與計算機聯機的外存容量。以字節(jié)數表示5.運算速度：1）CPU時鐘頻率：很大程度反映CPU速度的快慢2)每秒平均執(zhí)行指令數(IPS)3)幾種典型四則運算所需的時間高速計算機以浮點運算速度為指標6.所配置的外圍設備及其性能指標。7.系統(tǒng)軟件配置情況。習題一、填空題1、計算機系統(tǒng)由

系統(tǒng)和

系統(tǒng)構成。

2、計算機系統(tǒng)的三個層次結構由內到外分別是

、系統(tǒng)軟件和

。3、計算機軟件一般分為兩大類：一類叫

，另一類叫

。操作系統(tǒng)屬于

類。4、現在主要采用

結構作為計算機硬件之間的連接方式。5、在計算機術語中，將運算器、控制器、高速緩存合在一起，稱為

，而將

、存儲器、輸入輸出接口和系統(tǒng)總線合在一起，稱為

。6、存儲

，并按

順序執(zhí)行，這是

型計算機的工