計(jì)算機(jī)組成原理第01章課件

計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教研室何ikehelin@21教材：計(jì)算機(jī)組成原理與匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（第三版）徐潔、俸遠(yuǎn)禎等電子工業(yè)出版社,2012年1月第三版

參考教材：1：計(jì)算機(jī)組成原理（第三版）

白中英科學(xué)出版社2000年11月2：計(jì)算機(jī)組成原理與匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)俸遠(yuǎn)禎、王正智、徐潔等電子工業(yè)出版社,1999年7月第二版

3：計(jì)算機(jī)組成原理

唐塑飛高等教育出版社，2000年第1版

一、存儲(chǔ)程序工作方式與諾依曼機(jī)

1945年提出：馮·諾依曼體制(結(jié)構(gòu))–––存儲(chǔ)程序。第一節(jié)基本概念計(jì)算機(jī)：是一種能夠存儲(chǔ)程序，能夠自動(dòng)連續(xù)地執(zhí)行程序，對(duì)各種數(shù)字化信息進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算的快速工具。1、采用二進(jìn)制代碼表示數(shù)據(jù)和指令

數(shù)據(jù)：計(jì)算機(jī)所處理的信息。指令：程序的最終可執(zhí)行形態(tài)，即機(jī)器指令---產(chǎn)生控制信息。均由二進(jìn)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(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中３）計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)將自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依此取出指令加以執(zhí)行。指令記數(shù)器PC－存放當(dāng)前指令所在存儲(chǔ)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(yùn)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(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。運(yùn)算器：在控制器的控制下進(jìn)行各種運(yùn)算存儲(chǔ)器：按地址存放或讀取內(nèi)容，存放數(shù)據(jù)、程序和運(yùn)算的中間結(jié)果控制器：神經(jīng)中樞，控制計(jì)算機(jī)各部分有序地工作輸入設(shè)備：I/O準(zhǔn)備好，向計(jì)算機(jī)發(fā)請(qǐng)求，控制器輸出設(shè)備：發(fā)I/O命令，進(jìn)行I/O操作

簡(jiǎn)單框圖如下：運(yùn)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(qǐng)求信號(hào)控制信號(hào)控制信號(hào)請(qǐng)求信號(hào)狀態(tài)信息操作命令圖1-1數(shù)字計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)單框圖信息控制信息流：指令代碼序列→微命令（控制信號(hào)，控制計(jì)算機(jī)的工作)數(shù)據(jù)信息流：計(jì)算機(jī)加工處理的對(duì)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(jì)算機(jī)中的各種信息用數(shù)字代碼表示數(shù)值大小、正負(fù)：符號(hào)位0－正數(shù)，１－負(fù)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(diǎn)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(jī)制上，數(shù)字代碼以數(shù)字型信號(hào)表示脈沖數(shù)字電信號(hào)用脈沖的有無(wú)表示0、1定時(shí)作用：脈沖的上升沿或下降沿表某一時(shí)刻，定時(shí)電平數(shù)字電信號(hào)利用電平信號(hào)的高低表不同的狀態(tài)高電平+5V－１，低電平0V－０模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)（時(shí)間上離散）采樣1101tvt1t1t0t11vvvv抗干擾能力強(qiáng)，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(jià)高；物理上易實(shí)現(xiàn)，并可存儲(chǔ)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(jì)的基礎(chǔ)。數(shù)字化方法表示信息的優(yōu)點(diǎn)三、數(shù)字計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)能在程序控制下自動(dòng)連續(xù)地工作2.運(yùn)算速度快3.運(yùn)算精度高4.具有較強(qiáng)的信息存貯能力5.通用性強(qiáng)一、硬件系統(tǒng)硬件：系統(tǒng)中可觸模得到的物理設(shè)備實(shí)體。以及將它們組織為一個(gè)計(jì)算機(jī)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(jì)。第二節(jié)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬軟組成與層次結(jié)構(gòu)CPU：核心。運(yùn)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(jī)儲(chǔ)器；CPU運(yùn)行程序時(shí)，讀取并執(zhí)行微程序，產(chǎn)生微命令序列，解釋執(zhí)行機(jī)器指令序列。主存：內(nèi)存，CPU按地址直接訪問(wèn)。半導(dǎo)體存儲(chǔ)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(jī)整體。硬件設(shè)計(jì)的范疇主存外存：輔存，主機(jī)之外，容量大，CPU不能直接訪問(wèn)。高速緩沖：CPU與主存之間，當(dāng)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(chǔ)器外部設(shè)備：I/O設(shè)備總線(xiàn)：主機(jī)通過(guò)一組總線(xiàn)連接各種I/O設(shè)備外圍接口：I/O接口，位于總線(xiàn)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(xiàn)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——小、微型機(jī)采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞－數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)總線(xiàn)BUS:一組能為多個(gè)部件分時(shí)共享的公共信息傳送線(xiàn)路。（數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)、控制線(xiàn)）共享：一組總線(xiàn)掛多個(gè)部件。分時(shí)：同一時(shí)刻同一組總線(xiàn)只接受一個(gè)發(fā)送源，否則沖突。不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用不同的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總線(xiàn)(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(xiàn)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例：1、PDP-11，16位小型機(jī)，單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)（下圖）2、IBM-PC，局部總線(xiàn)：與CPU直接連接，可訪問(wèn)屬于主機(jī)范疇的部件；系統(tǒng)總線(xiàn)：局部總線(xiàn)上的信息經(jīng)總線(xiàn)控制器和鎖存器再與外部相連，形成I/O擴(kuò)展總線(xiàn)－系統(tǒng)總線(xiàn)圖1–3帶通道的大中型計(jì)算機(jī)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(jī)

使CPU與I/O操作并行執(zhí)行，I/O設(shè)備種類(lèi)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(gè)CPU構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)?？傊窃鰪?qiáng)并行處理能力。7)多存貯休交叉訪問(wèn)技術(shù)（并行主存系統(tǒng)）8)多機(jī)系統(tǒng)（多個(gè)CPU構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)）4)超標(biāo)量方式（同時(shí)執(zhí)行多條指令）5)超長(zhǎng)指令字（相當(dāng)于多條常規(guī)指令，提高并行速度）6)陣列機(jī)（多個(gè)處理部件組成一個(gè)陣列-單指令流多數(shù)據(jù)流）流水處理（利用時(shí)間重疊提高并行處理能力）2)向量機(jī)（用向量運(yùn)算器并行處理適于向量化的任務(wù)）3)精減指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC（提高單機(jī)運(yùn)算速度）二、軟件系統(tǒng)軟件：各類(lèi)程序和文件，是一些觸摸不到的二進(jìn)制信息。1.系統(tǒng)軟件：負(fù)責(zé)系統(tǒng)的調(diào)度管理，提供程序的運(yùn)行環(huán)境和開(kāi)發(fā)環(huán)境，為方便用戶(hù)使用，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率或擴(kuò)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(jī)調(diào)度、存儲(chǔ)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(yùn)行。3)數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序：DBMS4)各種服務(wù)性支撐軟件：為幫助用戶(hù)使用與維護(hù)計(jì)算機(jī)提供一種集成環(huán)境。5)各種標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù)2)語(yǔ)言處理程序解釋方式編譯方式源程序→機(jī)器指令2.應(yīng)用軟件：用戶(hù)為解決某一特定問(wèn)題而編制的程序?？茖W(xué)計(jì)算類(lèi)程序2)工程設(shè)計(jì)類(lèi)程序3)數(shù)據(jù)處理類(lèi)程序4)信息管理類(lèi)程序5)自動(dòng)控制類(lèi)程序6)情報(bào)檢索類(lèi)程序數(shù)學(xué)模型，算法用戶(hù)程序作為軟件資源的應(yīng)用程序語(yǔ)言處理程序(解釋、編譯)操作系統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)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(jí)用戶(hù)程序級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)微程序級(jí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的逐級(jí)生成過(guò)程：1、擬定指令系統(tǒng)：CPU硬軟界面2、制作硬件系統(tǒng)：能實(shí)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(yǔ)言處理程序及夾各種軟件資源：在OS管理下執(zhí)行5、用戶(hù)應(yīng)用程序數(shù)學(xué)模型，算法用戶(hù)程序作為軟件資源的應(yīng)用程序語(yǔ)言處理程序(解釋、編譯)操作系統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)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(jí)用戶(hù)程序級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)微程序級(jí)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(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的過(guò)程。1、系統(tǒng)分析級(jí)：模型、算法2、用戶(hù)程序級(jí)：用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)程序3、操作系統(tǒng)級(jí)：源程序→目標(biāo)程序。編輯、編譯、調(diào)試源程序4、機(jī)器語(yǔ)言級(jí)：執(zhí)行目標(biāo)代碼5、微程序級(jí)：對(duì)用戶(hù)透明數(shù)學(xué)模型，算法用戶(hù)程序作為軟件資源的應(yīng)用程序語(yǔ)言處理程序(解釋、編譯)操作系統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)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(jí)用戶(hù)程序級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)微程序級(jí)圖1-4硬軟件組成的層次結(jié)構(gòu)模型圖1-5從語(yǔ)言角度劃分的層次結(jié)構(gòu)模型專(zhuān)用語(yǔ)言虛擬機(jī)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)

實(shí)際機(jī)器(機(jī)器語(yǔ)言物理機(jī))程序2.從語(yǔ)言功能角度劃分層次結(jié)構(gòu)機(jī)器語(yǔ)言物理機(jī)：執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言虛擬機(jī)：配置軟件擴(kuò)充機(jī)器功能后所形成的計(jì)算機(jī)，實(shí)際硬件并不具備這種機(jī)器功能。匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)：與指令系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)：與物理機(jī)無(wú)關(guān)，算法語(yǔ)言專(zhuān)用語(yǔ)言虛擬機(jī)：基本字長(zhǎng)：參與一次運(yùn)算的數(shù)的位數(shù)。位數(shù)越多，計(jì)算精度越高。微機(jī)：8、16、32、64位機(jī)2.數(shù)據(jù)通路寬度：第三節(jié)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)總線(xiàn)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(zhǎng)，而外部的取決于系統(tǒng)總線(xiàn)，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(jī)外部寬度小于內(nèi)部：Intel8088，內(nèi)16位，外8位，準(zhǔn)16位機(jī)反映了寄存器、運(yùn)算部件、數(shù)據(jù)總線(xiàn)的位數(shù)。硬件實(shí)現(xiàn)基本字長(zhǎng)運(yùn)算，軟件支持實(shí)現(xiàn)多字長(zhǎng)運(yùn)算。影響信息傳送能力，從而影響計(jì)算機(jī)的有效處理速度。3.主存容量：CPU可以直接訪問(wèn)的存貯器容量。影響計(jì)算機(jī)的處理能力按字節(jié)編址：每個(gè)存儲(chǔ)單元為8位，即1B

用字節(jié)數(shù)表示。1MB、640KB2）按字編址：每個(gè)存儲(chǔ)單元為一個(gè)字，字長(zhǎng)超過(guò)8位用單元數(shù)（字?jǐn)?shù)）×位數(shù)表示。64K×16位4.外存容量：與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)的外存容量。以字節(jié)數(shù)表示5.運(yùn)算速度：1）CPU時(shí)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(yùn)算所需的時(shí)間高速計(jì)算機(jī)以浮點(diǎn)運(yùn)算速度為指標(biāo)6.所配置的外圍設(shè)備及其性能指標(biāo)。7.系統(tǒng)軟件配置情況。習(xí)題一、填空題1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由

系統(tǒng)和

系統(tǒng)構(gòu)成。

2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三個(gè)層次結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外分別是

、系統(tǒng)軟件和

。3、計(jì)算機(jī)軟件一般分為兩大類(lèi)：一類(lèi)叫

，另一類(lèi)叫

。操作系統(tǒng)屬于

類(lèi)。4、現(xiàn)在主要采用

結(jié)構(gòu)作為計(jì)算機(jī)硬件之間的連接方式。5、在計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)中，將運(yùn)算器、控制器、高速緩存合在一起，稱(chēng)為

，而將

、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口和系統(tǒng)總線(xiàn)合在一起，稱(chēng)為

。6、存儲(chǔ)

，并按

順序執(zhí)行，這是

型計(jì)算機(jī)的工