計(jì)算機(jī)組成原理課件

計(jì)算機(jī)組成原理

computerorganizationprinciple顧浩趙寶華第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

本章要點(diǎn)本章主要介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本部件的功能與結(jié)構(gòu)，同時(shí)介紹了計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)，通過本章的學(xué)習(xí)，讀者對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)有一個(gè)整體的概念。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

1．1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介1．2圖靈機(jī)（了解）1．3計(jì)算機(jī)的基本組成1．4計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)小結(jié)習(xí)題1.1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

1．虛擬機(jī)（VirtualMachine）的概念

應(yīng)用語言虛擬機(jī)M5（應(yīng)用語言）用應(yīng)用語言編寫的應(yīng)用語言程序經(jīng)應(yīng)用程序包翻譯成高級(jí)語言高級(jí)語言虛擬機(jī)M4（高級(jí)語言）高級(jí)語言程序經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語言（或某中間語言程序或機(jī)器語言程序）匯編語言虛擬機(jī)M3（匯編語言）匯編語言程序經(jīng)匯編程序翻譯成機(jī)器語言程序操作系統(tǒng)虛擬機(jī)M2(作業(yè)控制語言)由機(jī)器語言程序解釋操作系統(tǒng)命令傳統(tǒng)機(jī)器M1（機(jī)器語言）由微程序解釋機(jī)器指令微程序機(jī)器M0（微指令）由硬件直接執(zhí)行虛擬機(jī)是一個(gè)抽象的計(jì)算機(jī)，它由軟件實(shí)現(xiàn)，并與實(shí)際機(jī)器一樣，都具有一個(gè)指令集并可使用不同的存儲(chǔ)區(qū)域。如，一臺(tái)機(jī)器上配有C語言和Pascal語言的編譯程序，對(duì)C語言的用戶來講，這臺(tái)機(jī)器就是以C語言為機(jī)器語言的虛擬機(jī)，對(duì)Pascal語言的用戶來講，這臺(tái)機(jī)器就是以Pascal語言為機(jī)器語言的虛擬機(jī)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖本書的討論范圍翻譯(應(yīng)用軟件包)翻譯(編譯程序)翻譯(匯編程序)部分解釋(操作系統(tǒng))解釋硬件直接執(zhí)行2.虛擬機(jī)的層次結(jié)構(gòu)

從語言的角度來劃分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，那么虛擬機(jī)可分成如圖1-2所示的操作系統(tǒng)虛擬機(jī)、匯編語言虛擬機(jī)、高級(jí)語言虛擬機(jī)和應(yīng)用程序虛擬機(jī)等層次。虛擬機(jī)概念的引入，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。由于從各層次的虛擬機(jī)可方便地識(shí)別相應(yīng)層次的計(jì)算機(jī)語言，從而擺脫了這些語言必須在同一臺(tái)機(jī)器上執(zhí)行的情況，為日后的多處理機(jī)系統(tǒng)、分布式處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等新穎計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)夯實(shí)了基礎(chǔ)。

本書討論的范圍僅局限于傳統(tǒng)機(jī)器M1和微程序機(jī)器M0的組成原理和設(shè)計(jì)思想。

廣義語言解釋器作用對(duì)象控制信息狀態(tài)信息虛擬計(jì)算機(jī)觀察者1.1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)組成1.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是程序員看得見的計(jì)算機(jī)的屬性，即概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性。通常指用機(jī)器語言編程的程序員（也包括匯編語言程序設(shè)計(jì)者和匯編程序設(shè)計(jì)者）所看到的傳統(tǒng)機(jī)器的屬性，包括指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、存儲(chǔ)器尋址技術(shù)、I/O機(jī)理等，大多屬于抽象的屬性。2.計(jì)算機(jī)組成（ComputerOrganization）是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，即指如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，它包含了對(duì)許多程序員來說是透明的（即程序員是不知道的）硬件細(xì)節(jié)，它包括硬件部件的構(gòu)造及如何連接這些組件組成一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。注:在計(jì)算機(jī)中,

客觀存在的事物或?qū)傩詮哪硞€(gè)角度看不到,就叫”透明”。1.1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)組成1.2圖靈機(jī)

1.2.1圖靈機(jī)簡(jiǎn)介英國數(shù)學(xué)家A.M.Turring于1936年從計(jì)算一個(gè)數(shù)的一般過程著手對(duì)計(jì)算的本質(zhì)進(jìn)行研究，提出了一種理想的計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算本質(zhì)的真正認(rèn)識(shí)。圖靈機(jī)（TurringMachine，TM）并不是具體的機(jī)器，而是一個(gè)通用的計(jì)算機(jī)模型。目前已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中可計(jì)算理論和計(jì)算復(fù)雜性理論的基礎(chǔ)。所謂計(jì)算就是計(jì)算者（人或機(jī)器）對(duì)一條兩端可無限延長(zhǎng)的磁帶上的一串0和1進(jìn)行操作，一步一步地改變磁帶上的0或1，經(jīng)過有限步驟，最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)串的變換過程。圖靈機(jī)用形式化方法成功地表述了計(jì)算這一過程的本質(zhì)。圖靈的研究結(jié)果是：可計(jì)算性＝圖靈可計(jì)算性。

1.2.2圖靈機(jī)的基本模型

DATABD……q1參q2q3q4q5讀寫頭有限狀態(tài)控制器圖1-3圖靈機(jī)磁帶一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的確定型單帶圖靈機(jī)由一條雙向無限長(zhǎng)的磁帶（被分割分無窮個(gè)小方格）、一個(gè)有限狀態(tài)控制器與一個(gè)讀寫磁頭構(gòu)成。圖靈機(jī)一步一步地進(jìn)行工作。工作情況取決于以下三點(diǎn)：1．機(jī)器的內(nèi)部狀態(tài)。2．讀寫磁頭掃描在磁帶哪個(gè)方格上。3．讀寫磁頭掃描的方格上有什么信息。馮.諾依曼與ENAICJohnVonNeuman(1903—1957)

1944年參加“ENIAC”計(jì)算機(jī)研究工作。1953年3月，他領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)表了全新的存儲(chǔ)程序式通用電子計(jì)算機(jī)方案—電子離散變量自動(dòng)計(jì)算機(jī)EDVAC。1946年與他人合作提出更完善的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)報(bào)告，是以仙農(nóng)提出的二進(jìn)制，程序內(nèi)存以及指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)為基礎(chǔ)，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的根基。

1.3.2計(jì)算機(jī)的主要部件控制器輸入設(shè)備存儲(chǔ)器輸出設(shè)備運(yùn)算器計(jì)算步驟和原始數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果圖1.5存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的五大部件:1.輸入設(shè)備2.輸出設(shè)備3.存儲(chǔ)器4.運(yùn)算器:又叫ALU5.控制器MM主存儲(chǔ)器ALU算術(shù)邏輯部件CU控制單元CPUI/O設(shè)備主機(jī)圖1-6現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的組成框圖現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的三大部件:1.CPU(運(yùn)算器+控制器)2.I/O設(shè)備3.主存儲(chǔ)器MM1.3.3計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲(chǔ)器地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線圖1-7單總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)原理圖●數(shù)據(jù)總線：用于傳輸數(shù)據(jù)；●地址總線：用于傳輸內(nèi)存存儲(chǔ)單元的地址；●控制總線：用于傳輸控制信號(hào)。分時(shí)和共享是總線的兩大基本特點(diǎn)。

注意:數(shù)據(jù),地址和控制總線并不是三組總線,它們都是系統(tǒng)總線的一部分。1.3.4計(jì)算機(jī)的工作過程2.指令:程序是由指令組成的。指令是機(jī)器所能識(shí)別的一組編制成特定格式的代碼串，它要求機(jī)器在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間段(指令周期)內(nèi)，完成一組特定的操作。指令的基本格式可歸結(jié)為操作碼OP和操作數(shù)地址AD兩部分。⑴指出計(jì)算機(jī)應(yīng)完成的一組操作內(nèi)容，⑵兩個(gè)操作數(shù)的地址和存放結(jié)果的地址及尋址方式。⑶為保證程序執(zhí)行的連續(xù)性，在執(zhí)行當(dāng)前指令時(shí)，還需指出下一條指令的地址。1.3.4計(jì)算機(jī)的工作過程3.指令的執(zhí)行指令規(guī)定的內(nèi)容是通過控制器執(zhí)行的。⑴控制器的功能①定序功能——保證按程序規(guī)定的順序執(zhí)行指令。②定時(shí)功能——控制器為各部件提供統(tǒng)一節(jié)拍，使各條指令及組成每條指令的基本操作（稱為微操作）都嚴(yán)格地按規(guī)定的時(shí)間有條不紊地自動(dòng)執(zhí)行。③操作控制功能——控制器應(yīng)能按照指令規(guī)定的內(nèi)容，在相應(yīng)的節(jié)拍向有關(guān)部件發(fā)出操作控制信號(hào)。

1.3.4計(jì)算機(jī)的工作過程⑵控制器的組成分別由指令部件、時(shí)序部件和操作控制部件來完成。操作控制器指令指針I(yè)P時(shí)序部件指令譯碼地址計(jì)算指令寄存器IR…操作控制信號(hào)……指令指令……數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)……指令地址操作數(shù)地址+1地址單元nn+1mm+1······操作數(shù)送ALU圖1-8控制器工作原理圖指令⑶一條指令的執(zhí)行過程①把指令指針I(yè)P中的指令地址送存儲(chǔ)器，從該地址取出指令送指令寄存器IR；②地址計(jì)算部件，根據(jù)IR中的地址碼形成操作數(shù)地址送存儲(chǔ)器，從該地址取出數(shù)據(jù)，送到運(yùn)算器中的寄存器；③將IR中的操作碼OP送指令譯碼器進(jìn)行譯碼；④在控制器發(fā)出的操作信號(hào)的控制下，各有關(guān)部件執(zhí)行操作碼OP規(guī)定的操作；⑤指令指針I(yè)P加1。1.4計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)1．主頻主頻即時(shí)鐘頻率，是指計(jì)算機(jī)的CPU在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)目。2．機(jī)器字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng)是指CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。3．主存容量主存容量是指一個(gè)主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的全部信息量。4．運(yùn)算速度運(yùn)算速度是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)，它與許多因素有關(guān)。5．兼容性兼容性（compatibility）是指一臺(tái)設(shè)備、一個(gè)程序或一個(gè)適配器在功能上能容納或替代以前版本或型號(hào)的能力。這個(gè)性能指標(biāo)往往與系列機(jī)聯(lián)系在一起的。

舉例指令參數(shù)傳送加減乘除邏輯其他使用頻度(%)執(zhí)行時(shí)間(ns)30200204001025002030020250上表是某計(jì)算機(jī)的使用統(tǒng)計(jì)表,按表計(jì)算該機(jī)的運(yùn)算速度為:V=1/(0.3×200+0.2×400+0.1×2500+0.2×300+0.2×250)×10-9=1/(60+80+250+60+50)×10-9=2×106條/S=2MIPS5．兼容性系列機(jī)的軟件兼容分為向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。向上（下）兼容是指按某檔次機(jī)器編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行在比它更高（低）檔的機(jī)器上，系列機(jī)內(nèi)的軟件兼容一般是可以做到向上兼容，但向下兼容則要看到什么樣的程度，不是都能做到的；向前（后）兼容是按某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)的某種型號(hào)機(jī)器編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行在它之前（后）投放市場(chǎng)的機(jī)器上。對(duì)系列機(jī)的軟件向下和向前兼容可不作要求，但必須保證向后兼容。向后兼容是軟件兼容的根本保證，也是系列機(jī)的根本特征。系列機(jī)：指同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列內(nèi)不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)。

兼容機(jī)：指不同廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與系列機(jī)的思想是一致的。圖1-10兼容性示意圖機(jī)器檔次當(dāng)前機(jī)器高向上兼容向下兼容低向前兼容向后兼容時(shí)間習(xí)題1一.選擇題1．在下列四句話中，最能準(zhǔn)確反映計(jì)算機(jī)主要功能的是

。A．計(jì)算機(jī)可以存儲(chǔ)大量信息B．計(jì)算機(jī)能代替人的腦力勞動(dòng)C．計(jì)算機(jī)是一種信息處理機(jī)D．計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算2．1946年2月，在美國誕生了世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，它的名字叫（1），1949年研制成功的世界上第一臺(tái)存儲(chǔ)程序式的計(jì)算機(jī)稱為（2）。（1）A．EDVACB．EDSACC．ENIACD．UNIVAC-Ⅰ（2）A．EDVACB．EDSACC．ENIACD．UNIVAC-Ⅰ3．計(jì)算機(jī)硬件能直接執(zhí)行的只能是

。A．符號(hào)語言B．機(jī)器語言C．匯編語言D．機(jī)器語言和匯編語言4．運(yùn)算器的核心部件是

。A.數(shù)據(jù)總線B．?dāng)?shù)據(jù)選擇器C.累加寄存器D.算術(shù)邏輯運(yùn)算部件習(xí)題15．存儲(chǔ)器主要用來

。A．存放程序B．存放數(shù)據(jù)C．存放微程序D．存放程序和數(shù)據(jù)6．目前我們所說的個(gè)人臺(tái)式商用機(jī)屬于

。A．巨型機(jī)B．中型機(jī)C．小型機(jī)D．微型機(jī)7．至今為止，計(jì)算機(jī)中所含所有信息仍以二進(jìn)制方式表示，其原因是

。A．節(jié)約元件B．運(yùn)算速度快C．物理器件性能決定D．信息處理方便8．對(duì)計(jì)算機(jī)軟、硬件資源進(jìn)行管理，是

的功能。A．操作系統(tǒng)B．?dāng)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)C．語言處理程序D．用戶程序9．企事業(yè)單位用計(jì)算機(jī)計(jì)算、管理職工工資，這屬于計(jì)算機(jī)的

應(yīng)用領(lǐng)域。A．科學(xué)計(jì)算B．?dāng)?shù)據(jù)處理C．過程控制D．輔助設(shè)計(jì)習(xí)題110．微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展以

技術(shù)為標(biāo)志。A．操作系統(tǒng)B．微處理器C．硬盤D．軟件二、填空題1．操作系統(tǒng)是一種（1），用于（2），是（3）的接口。（1）A．系統(tǒng)程序B．應(yīng)用程序C．用戶程序