研究生課程計算機(jī)組成原理課件

計算機(jī)組成原理一、計算機(jī)系統(tǒng)簡介由具有各類特殊功能的信息（程序）組成1.計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)的實體，由各種電子元器件組成，如主機(jī)、外設(shè)等硬件軟件按任務(wù)需要編制成的各種程序用來管理整個計算機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)語言處理程序標(biāo)準(zhǔn)庫程序服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件軟件信息管理軟件輔助設(shè)計軟件文字處理軟件各種程序包1.2以存儲器為中心的計算機(jī)硬件框圖程序存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計算ALU主存輔存CPU主機(jī)I/O設(shè)備硬件CU計算機(jī)的主要硬件存儲器輸入設(shè)備運算器輸出設(shè)備控制器1.2存儲體大樓存儲單元存放一串二進(jìn)制代碼–存儲單元–存儲元件（0/1）–

房間–

床位（無人/

有人）(1)主存儲器1.2MDR主存儲器存儲體MAR3.計算機(jī)的各主要組成取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCUPCIRCU取指執(zhí)行PC

存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，

具有計數(shù)功能（PC）+

1PCIR

存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存完成一條指令1.2(3)控制器I/O設(shè)備相應(yīng)接口1.2(4)I/O系統(tǒng)5.計算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.機(jī)器字長CPU

一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。3.運算速度<1>MIPS(millioninstructionpersecond)百萬指令每秒<2>執(zhí)行一條指令所需要的平均時鐘周期數(shù)CPI(cycleperinstruction)<3>每秒執(zhí)行的浮點操作數(shù)目FLOPS（floatingpointoperationpersecond）或MFLOPS(millionFLOPS)百萬浮點操作每秒二、

計算機(jī)的發(fā)展史1946年美國ENIAC1955年退役十進(jìn)制運算180001500150301500多個電子管多個繼電器千瓦噸平方英尺5000次加法／秒用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程世界上第一臺電子計算機(jī)ENIAC(1946)2.1IBMSystem／360

2.12.1

1.

IBM:BlueGene/L-eServerBlueGene

Solution212992個CPU最大平均速度478200GFLOPS最快的五臺超級計算機(jī)（截止到2007.11）2.12.IBM:JUGENE-BlueGene/PSolution

65536個CPU最大平均速度167300GFLOPS

最快的五臺超級計算機(jī)（截止到2007.11）2.14.HP:EKA-ClusterPlatform3000BL460c

14240個CPU最大平均速度117900GFLOPS最快的五臺超級計算機(jī)（截止到2007.11）2.1最快的五臺超級計算機(jī)（截止到2007.11）5.HP:ClusterPlatform3000BL460c 13728個CPU最大平均速度102800GFLOPSMoore定律Intel公司的締造者之一GordonMoore提出微芯片上集成的晶體管數(shù)目每三年翻兩番2.1系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線雙向與機(jī)器字長、存儲字長有關(guān)單向與存儲地址、I/O地址有關(guān)有出有入計算機(jī)各部件之間的信息傳輸線存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認(rèn)中斷請求、總線請求2.總線分類總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線總線時鐘帶寬ISA168MHz（獨立）16MBpsEISA328MHz（獨立）33MBpsVESA(VL-BUS)326433MHz（CPU）133MBpsPCI326433MHz（獨立）66MHz（獨立）132MBps528MBpsAGP3266.7MHz（獨立）133MHz（獨立）266MBps533MBpsRS-232串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計算機(jī)）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（調(diào)制解調(diào)器）之間的標(biāo)準(zhǔn)接口USB串行接口總線標(biāo)準(zhǔn)普通無屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高1.5Mbps(USB1.0)12Mbps(USB1.0)480Mbps

(USB2.0)3.3

3.總線標(biāo)準(zhǔn)磁盤、磁帶、光盤高速緩沖存儲器（Cache）FlashMemory存儲器主存儲器輔助存儲器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM靜態(tài)RAM動態(tài)RAM1.按在計算機(jī)中的作用分類4.1緩存CPU主存輔存2.緩存主存層次和主存輔存層次緩存主存輔存主存虛擬存儲器10ns20ns200nsms虛地址邏輯地址實地址物理地址主存儲器4.1（速度）（容量）3.高速緩沖存儲器程序訪問的局部性原理Cache的命中率CPU欲訪問的信息在Cache中的比率。Cache的命中率與Cache的容量、塊長、程序本身和替換策略等有關(guān)。4.輔助存儲器磁盤磁盤組主軸磁頭音圈電機(jī)位置檢測定位驅(qū)動模擬控制放大閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由磁盤控制器送來的目標(biāo)磁道信號測速輸出讀寫臂傳動機(jī)構(gòu)主軸定位驅(qū)動數(shù)據(jù)控制五、輸入輸出系統(tǒng)程序查詢方式程序中斷方式DMA方式I/O通道方式I/O處理機(jī)方式I/O設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式1.數(shù)制與進(jìn)位計數(shù)法六.計算機(jī)的運算方法1)十進(jìn)制(Decimal)

2）二進(jìn)制(Binary)

3）八進(jìn)制(Octal)4）十六進(jìn)制(Hexadecimal)符號:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F2.定點數(shù)的表示（1）無符號數(shù)用二進(jìn)制表示反映無符號數(shù)的表示范圍8位0~255（2）有符號數(shù)6.1原碼反碼補碼移碼N=S×rj浮點數(shù)的一般形式S

尾數(shù)j

階碼r

基數(shù)（基值）6.23.浮點數(shù)的表示浮點數(shù)的表示形式Sf

代表浮點數(shù)的符號n

其位數(shù)反映浮點數(shù)的精度m

其位數(shù)反映浮點數(shù)的表示范圍jf

和m

共同表示小數(shù)點的實際位置6.2jf

j1

j2

jm

Sf

S1S2

Sn

……j

階碼S

尾數(shù)階符數(shù)符階碼的數(shù)值部分尾數(shù)的數(shù)值部分小數(shù)點位置IEEE754標(biāo)準(zhǔn)短實數(shù)長實數(shù)臨時實數(shù)符號位S

階碼尾數(shù)總位數(shù)1

8233211152641156480S

階碼（含階符）尾數(shù)數(shù)符小數(shù)點位置尾數(shù)為規(guī)格化表示非“0”的有效位最高位為“1”（隱含）6.24.定點運算（1）移位運算算術(shù)移位和邏輯移位（2）補碼加減運算溢出判斷（3）原碼和補碼的乘法運算（4）原碼和補碼的除法運算5.浮點運算浮點加減運算浮點乘除運算七.指令系統(tǒng)指令的尋址方式2.指令系統(tǒng)的設(shè)計取指令分析指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結(jié)果的輸出總線管理處理異常情況和特殊請求1.控制器的功能2.運算器的功能實現(xiàn)算術(shù)運算和邏輯運算指令控制操作控制時間控制數(shù)據(jù)加工處理中斷八、CPU的結(jié)構(gòu)和功能2.CPU結(jié)構(gòu)PCIR指令控制操作控制時間控制數(shù)據(jù)加工處理中斷ALU寄存器中斷系統(tǒng)CU時序電路寄存器ALU

中斷

系統(tǒng)CUCPU控制總線數(shù)據(jù)總線地址總線8.1九.控制單元的功能完成一條指令分4個工作周期取指周期間址周期執(zhí)行周期中斷周期十.控制單元的設(shè)計10.1組合邏輯設(shè)計10.2微程序設(shè)計組合邏輯設(shè)計步驟1.列出操作時間表T2T1T0FE取指JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII111111111111111111111111111111111111111111111110.12.寫出微操作命令的最簡表達(dá)式=FE

·T1+IND·T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX·T1(ADD+LDA)M(MAR)MDR=T1{FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)}10.13.畫出邏輯圖特點

思路清晰，簡單明了

龐雜，調(diào)試?yán)щy，修改困難

速度快&&&11&&&&&≥1FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M(MAR)MDR（RISC）&&10.11.寫出對應(yīng)機(jī)器指令的微操作及節(jié)拍安排假設(shè)CPU

結(jié)構(gòu)與組合邏輯相同(1)取指階段微操作分析10.210.2微程序設(shè)計(2)取指階段的微操作及節(jié)拍安排(3)執(zhí)行階段的微操作及節(jié)拍安排2.確定微指令格式(1)微指令的編碼方式(2)后續(xù)微指令的地址形成方式采用直接控制由機(jī)器指令的操作碼通過微地址形成部件形成由微指令的下地址字段直接給出(3)微指令字長10.2(4)微指令字長的確定(5)定義微指令操作控制字段每一位的微操作3.編寫微指令碼點1116LDA12111ADD11004COM03CLA111011100微指令地址(八進(jìn)制)微程序