計算機組成原理課件

計算機組成原參《ComputerOrganizationandDesign》hardwareandsoftwareinterfacePattersonandHennessy,3ndEdition,MorganKaufmannPub. 等翻《ComputerSystems：ARandalE.BryantDevidO’Hallaron,Prentice-HallInternationInc.2003中文譯本：《深入理解計算機系 公共郵：hgdjsj-第一章計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機的基本計算機硬件的主要本書結(jié)計算機一、計算機軟、硬件的計算機系 計算機硬件：CPU+MM+ 計算機軟件：系統(tǒng)軟件+應(yīng)用軟計算機PC主PCI總線

CPU內(nèi)存解剖一臺計算個人計個人計機和外多個電每個集成電路有十幾十幾個十幾個門電上千萬計算機機器語言面向機器匯編語言面向機器高級語言面向問

面向?qū)m應(yīng)網(wǎng)絡(luò)②語言處理程 匯編程序編譯程序解釋程 DOSUNIXWindows 裝配調(diào)試診斷排錯數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件計算機目程結(jié)翻運計算一個典型程序的轉(zhuǎn)換處理 <sp 35105110991081171001013260115116100105111 \n \n <sp> \n 1046210101051101163210997105110404110123\ <sp> <sp> <sp> <sp> 10323232321121141051101161024034104101 <sp \ 108111443211911111410810092110344159101#include23int45 o,6

o.c的ASCII文本程序的功能是輸出 二、計算機系統(tǒng)操作匯編操作機器

虛擬機器虛擬機器虛擬機器虛擬機器虛擬實際實際機器temptemp=v[k]=v[k+1]=軟件10001100010100000000000000001010110001010000000000000000 …, DATASSEGMENTSTRINGDBDATASENDS

13,10,

OWORLD!CODES AAA:MOV ENDS

最終用End系統(tǒng)管SystemInstruction CircuitDigitalCircuit

★指令系統(tǒng)（即ISA）是軟/硬件的★不同用戶工作在不同層次，所看到的計算機不 的部分三、計算機組成和計算機體系 組成原理計算機系統(tǒng)屬性的具體邏輯實現(xiàn)，包含了三、計算機組成和計算機體系體系結(jié)構(gòu)機器是否有乘法指令是體系結(jié)構(gòu)考慮的組成原乘法指令的實現(xiàn)方式則是組成原理要考計算機的基本一、 計算機的特 指令和數(shù)據(jù)均用二進制代碼表示一、 計算機的特性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)在器中的位置。指令在器中按順序存放。一般情況下，指令按機器以運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與器的數(shù)據(jù)二、計算機各功能部件的基本運算器主要包括算術(shù)邏輯運算單元（ALU）和寄存寄存器由觸發(fā)器構(gòu)成，用 一些最頻繁使用的數(shù)據(jù) 程序和數(shù)據(jù)基 單元字

控制器控制全機各部件自動、協(xié)調(diào)的工作，完成程序的輸入、運行以及運算結(jié)果的處輸入設(shè)輸出設(shè)

將外部信息（）將機器的運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信供給外部世以運算器為中心的計算機結(jié)構(gòu)框器輸入輸入輸出 運算輸入設(shè)輸入設(shè)器輸出設(shè)控控制現(xiàn)代運算控制輸出

輔

主

計算機主 主四、計算機的工作上機前的建立數(shù)學確定計算方sinxx

x3 x5 x7 x9

9!x1(ynx)(n0,1, … 編制解題程序—運算的全部步驟指令—每一個步驟編程舉計算ax2+bx+ =(ax+b)x+設(shè)指令格

取數(shù)指令助記 LDA其他指

10位二進制代碼（地址碼存數(shù) 加 [ACC]+[γ 乘 [ACC]×[δ

打印 [停計算ax2bxc程主 指地址操作 地址 abc

注取數(shù)x至乘a得ax存于ACC加b得ax+b,存于ACC加c得ax2bxc,存于ACC將ax2bxc存于主存單元停原始數(shù)據(jù)存放計算運算器的基本組成及操作過XXX加X加和加減減乘乘乘乘積除余商除法操作X運算X運算M加初態(tài) 被加

法操作X運算X運算M減初態(tài) 被減

M乘法操作M乘運算運算X初 被乘 0

法操作運運算M除初 被除 余數(shù)在ACC 體體– 單元– 單元存放一串 體最小可編址單字節(jié)8 若干個字節(jié)組合而

字 單元中二進制代碼的位按地址尋

每 單元賦予一個地址器的基本 體

器地址寄反 單元的個器數(shù)據(jù)寄反 字00000001

MAR4MDR8單元個數(shù)完成取指令PC一條分析指令I(lǐng)R指令執(zhí)行指令

取指訪存執(zhí)行訪存PC存放當前欲執(zhí)行指令的地址具有計數(shù)功能（PC）+1 IR放當前欲執(zhí)行的指主機完成一條指令以取數(shù)指令為體體 控單X

62 4運算

控制 9以存數(shù)指令為體體 控單X

62 4

控制 8ax2bxc程序的運將程序程序首地 啟動程序取指令 分析指令

IR,(PC)+ 執(zhí)行指令 …打印…停計算機硬件的主要技術(shù)機器

CPU主CPU寄存器位數(shù)主運算

TMnn每秒執(zhí)行百萬條執(zhí)行一條指令所需時鐘每秒百萬次浮點運 容

存放二進制信息的總主存

單元個數(shù) 字如 容 1K×8 64K32如：213221=

1K=1Byte=輔存

字節(jié)

1G=基本的性能評價標準是：CPU的執(zhí)行時"XisntimesfasterthanY"

相對性能用執(zhí)

=

間的倒數(shù)來表 CPU執(zhí)行時間的計CPU執(zhí)行時間CPU時鐘周期數(shù)X時鐘周=CPU時鐘周期數(shù)/時鐘頻=指令/XCPIX時鐘周CPU時鐘周期指令條數(shù)XCPICPI=CPU時鐘周期數(shù)/÷指令/程序AspectsofCPUCPU

= =Instructions instr.clockInstr.Set.思考：三個因素與哪些方面有關(guān)AspectsofCPUCPUCPUtime=SecondsProgram=InstructionsProgramInstructionCycles SecondsCycleinstr.clock√√√Instr.Set√√√√√如何計算CC假定CPIi和Ci分別為第i類指令的CPI和指令條總時鐘

nn所以

CPU時間＝時鐘周期CPIinn假定Fi是第i條指令在程序中的出現(xiàn)頻率，則程序綜合CPI為CPI

∑i=

x

此

Instruction_已知CPU時間、時鐘頻率、總時鐘數(shù)、指令則程序綜合CPI為CPICPU時間×時鐘頻率指令條總時鐘周指令條問題：指令的CPI、機器的CPI、程序的CPI各能反映哪方面的性能單靠 CPU的性能！為什么？如：單周期處理器CPI=1，性能差在要設(shè)計一臺機器B，希望該程序在B上運行只需6s.PIB上時鐘周期數(shù)是在機器上的1.2倍。機器的時鐘頻率達到的多少倍才能使程序P在上執(zhí)行速度是上的10/61.67倍？sweCPU時間A時鐘周期數(shù)A時鐘頻率時鐘周期數(shù)A10secx400MHz4000M個時鐘頻率B=時鐘周期數(shù)B/CPU時間B=1.2x4000M/6sec=800機器B的頻率是A的兩倍，但機器B的速度并不是A如何給出綜合評價結(jié)果先看一個例子Program1:1seconmachineA,10seconmachineBProgram2:1000seconA，100seconBWhatareyourAis10timesAis10timesfasterthanBforBis10timesfasterthanAfor的值來表示Bis1001/110=9.1ti