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(shù)教研室何ikehelin@21教材：計算機組成原理與匯編語言程序設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu))–––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(shù)字化信息進行算術(shù)運算或邏輯運算的快速工具。1、采用二進制代碼表示數(shù)據(jù)和指令

數(shù)據(jù)：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(chǎn)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(shù)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(nèi)容作為地址讀取指令，再按指令給出的操作數(shù)地址去讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)區(qū)一般，數(shù)據(jù)、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(gòu)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(nèi)容，存放數(shù)據(jù)、程序和運算的中間結(jié)果控制器：神經(jīng)中樞，控制計算機各部分有序地工作輸入設(shè)備：I/O準備好，向計算機發(fā)請求，控制器輸出設(shè)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(shè)備輸出設(shè)備程序和數(shù)據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)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(shù)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(shù)據(jù)信息流：計算機加工處理的對象數(shù)值型：非數(shù)值型：字符、文字、圖像聲音、邏輯值等二、信息的數(shù)字化表示在計算機中的各種信息用數(shù)字代碼表示數(shù)值大小、正負：符號位0－正數(shù)，１－負數(shù)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(shù)字代碼表示設(shè)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(shù)字代碼以數(shù)字型信號表示脈沖數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)，硬件代價高；物理上易實現(xiàn)，并可存儲信息（用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容）；能用數(shù)字邏輯技術(shù)處理—硬件設(shè)計的基礎(chǔ)。數(shù)字化方法表示信息的優(yōu)點三、數(shù)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(shè)備實體。以及將它們組織為一個計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。此外，構(gòu)成的方法及工藝技術(shù)都屬于硬件設(shè)計。第二節(jié)計算機系統(tǒng)的硬軟組成與層次結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)生微命令序列，解釋執(zhí)行機器指令序列。主存：內(nèi)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(gòu)成；工藝上如何組裝；各部件按什么體系結(jié)構(gòu)連成有機整體。硬件設(shè)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(shù)據(jù)復(fù)制于其中，提高CPU訪存速度。存儲器外部設(shè)備：I/O設(shè)備總線：主機通過一組總線連接各種I/O設(shè)備外圍接口：I/O接口，位于總線與各種I/O設(shè)備之間，起緩沖與連接作用的部件。1.以總線為基礎(chǔ)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——小、微型機采用總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞－數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總線(地址、數(shù)據(jù)、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(chǔ)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例：1、PDP-11，16位小型機，單總線結(jié)構(gòu)（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(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)–––大、中型機

使CPU與I/O操作并行執(zhí)行，I/O設(shè)備種類與數(shù)量增多3.提高系統(tǒng)性能的若干技術(shù)一是提高單CPU性能，二是用多個CPU構(gòu)成多機系統(tǒng)?？傊窃鰪姴⑿刑幚砟芰Α?)多存貯休交叉訪問技術(shù)（并行主存系統(tǒng)）8)多機系統(tǒng)（多個CPU構(gòu)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(shù)據(jù)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(wù)）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(diào)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(diào)度、處理機調(diào)度、存儲管理、文件系統(tǒng)、外圍設(shè)備管理，任何其它軟件必須在OS的支持下才能運行。3)數(shù)據(jù)庫管理程序：DBMS4)各種服務(wù)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(yīng)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(shè)計類程序3)數(shù)據(jù)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(shù)學模型，算法用戶程序作為軟件資源的應(yīng)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(jié)構(gòu)模型1.硬軟組成的層次結(jié)構(gòu)三、層次結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(yīng)用程序數(shù)學模型，算法用戶程序作為軟件資源的應(yīng)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(jié)構(gòu)模型自上而下，反映了應(yīng)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(shè)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(diào)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(shù)學模型，算法用戶程序作為軟件資源的應(yīng)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(jié)構(gòu)模型圖1-5從語言角度劃分的層次結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)高級語言虛擬機：與物理機無關(guān)，算法語言專用語言虛擬機：基本字長：參與一次運算的數(shù)的位數(shù)。位數(shù)越多，計算精度越高。微機：8、16、32、64位機2.數(shù)據(jù)通路寬度：第三節(jié)計算機的性能指標數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送的位數(shù)。CPU內(nèi)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(nèi)部的相等，也可小于內(nèi)部的。內(nèi)外相等：Intel80386，均為32位，32位機外部寬度小于內(nèi)部：Intel8088，內(nèi)16位，外8位，準16位機反映了寄存器、運算部件、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。硬件實現(xiàn)基本字長運算，軟件支持實現(xiàn)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(shù)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(shù)（字數(shù)）×位數(shù)表示。64K×16位4.外存容量：與計算機聯(lián)機的外存容量。以字節(jié)數(shù)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(shù)(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(shè)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(gòu)成。

2、計算機系統(tǒng)的三個層次結(jié)構(gòu)由內(nèi)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(xiàn)在主要采用

結(jié)構(gòu)作為計算機硬件之間的連接方式。5、在計算機術(shù)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