計(jì)算機(jī)組成原理1

計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系硬件教研室趙志瑛

138345026162015.3碩士研究生計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試：

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)45分計(jì)算機(jī)組成原理45分操作系統(tǒng)35分計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)25分

=150分課程介紹

一、課程性質(zhì)

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)中與硬件相關(guān)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課。前繼：數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)

二、課程任務(wù)

建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，理解計(jì)算機(jī)硬件各子系統(tǒng)的組成原理、基本部件的構(gòu)造和組織方式、基本運(yùn)算的操作原理、部件和單元的設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)技術(shù)等。

三、研究方法

不結(jié)合具體機(jī)型，圍繞單CPU硬件系統(tǒng)，從整體框架入手，自頂向下，層層細(xì)化。

1、注重一般性原理的理解，了解問題解決方法的沿革。即：典型機(jī)型歷史硬件設(shè)計(jì)原理

最新發(fā)展追蹤（主動(dòng)查閱資料盡可能了解本專業(yè)前沿知識(shí)）

2、理論→→→初步實(shí)踐

四、學(xué)時(shí)安排

理論：62學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)：10學(xué)時(shí)

五、參考教材

計(jì)算機(jī)組成原理唐朔飛高等教育出版社計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)王愛英清華大學(xué)出版社計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)白中英清華大學(xué)出版社

六、授課內(nèi)容第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1.4本書結(jié)構(gòu)1.3計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.2計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)組成概貌計(jì)算機(jī)工作原理重點(diǎn):1、計(jì)算機(jī)發(fā)展盡管千變?nèi)f化，但其最根本的組成原理還是基于馮?諾依曼的結(jié)構(gòu)。2、簡(jiǎn)明了解計(jì)算機(jī)內(nèi)部的工作過程：指令流和數(shù)據(jù)流在機(jī)器內(nèi)由（I/O→）存儲(chǔ)器→CPU→存儲(chǔ)器（→I/O）的過程，是通過逐條取指令、分析指令和執(zhí)行指令來運(yùn)行程序的。

難點(diǎn)：1、本章概念、名詞較多，這些只是為進(jìn)一步深化學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，因此嚴(yán)格講本章沒什么難點(diǎn)，只要建立計(jì)算機(jī)組成的框架即可。

2、指令和數(shù)據(jù)都以0或1代碼存放于存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)如何區(qū)分，應(yīng)注意理解。1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介由具有各類特殊功能的信息（程序）組成1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的實(shí)體，如主機(jī)、外設(shè)等一、計(jì)算機(jī)的軟件與硬件硬件軟件2.計(jì)算機(jī)硬件與軟件可實(shí)現(xiàn)邏輯功能的等效

性能、價(jià)格、實(shí)現(xiàn)的難易程度不同軟、硬件界面模糊軟、硬件功能分配比例考慮應(yīng)用、效率、價(jià)格、資源狀況的綜合平衡（性價(jià)比），可在很寬范圍內(nèi)變化。3.計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展

硬件：摩爾定律作用未來受限

軟件：日益復(fù)雜……不同角度、不同研究領(lǐng)域?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)劃分不同。使用語(yǔ)言功能二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器M4匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)器M3操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器M2機(jī)器語(yǔ)言實(shí)際機(jī)器M1微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器M0用編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言程序用匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件虛擬機(jī)器M4虛擬機(jī)器M3虛擬機(jī)器M2實(shí)際機(jī)器M1微程序機(jī)器M0數(shù)字邏輯層模型機(jī)分析與設(shè)計(jì)結(jié)果匯編編譯或解釋2.計(jì)算機(jī)的解題過程1.軟硬件界面向“上”延伸高級(jí)語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序可執(zhí)行程序（目標(biāo)程序）言程序機(jī)器語(yǔ)鏈接運(yùn)行程序員所見到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性實(shí)現(xiàn)有無(wú)乘法指令如何實(shí)現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/O）（具體指令的實(shí)現(xiàn)）3.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成4.常用術(shù)語(yǔ)

透明：客觀存在的事物或?qū)傩裕瑥哪硞€(gè)角度看（感覺）不到；

系列機(jī)：具有相同體系結(jié)構(gòu)、使用相同基本指令系統(tǒng)的多個(gè)不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)組成的產(chǎn)品系列；軟件可移植性：使用在某個(gè)系列機(jī)中的軟件直接或很少修改即可運(yùn)行在其它系列機(jī)的可能性；兼容：指計(jì)算機(jī)軟件硬件的通用性；

固件：寫有特定程序的可編程器件。1.2計(jì)算機(jī)的基本組成1.由五大部件組成；2.

指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制代碼表示；4.指令由操作碼和地址碼組成；5.

以運(yùn)算器為中心（早期）。3.

指令（程序）和數(shù)據(jù)以同等地位順序存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器，可按地址尋訪；一、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)指令：機(jī)器完成某種操作的命令。指令系統(tǒng)：機(jī)器可執(zhí)行全部指令集合。程序：為解決某特定問題而設(shè)計(jì)的有序指令集合。

算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運(yùn)行馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備不同角度，不同發(fā)展時(shí)期，硬件框圖描述不同。

1、早期，以運(yùn)算器為中心。二、計(jì)算機(jī)硬件框圖（馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖）存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備2.以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖程序存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算ALU主存輔存CPU主機(jī)I/O設(shè)備硬件CU3.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件邏輯框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器ALUCPU主機(jī)I/O設(shè)備CU主存接口1.上機(jī)前的準(zhǔn)備分析問題，建立數(shù)學(xué)模型；-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序。確定計(jì)算方法；程序——運(yùn)算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——每一個(gè)步驟三、計(jì)算機(jī)的工作步驟2.計(jì)算機(jī)工作過程（以機(jī)器語(yǔ)言級(jí)程序?yàn)槔┏绦蚣皵?shù)據(jù)存入主存（順序存放）；調(diào)試程序；輸出運(yùn)算結(jié)果。從程序的起始地址開始運(yùn)行程序；取指令指令分析（譯碼）指令執(zhí)行區(qū)別指令和數(shù)據(jù)的依據(jù)：指令周期的不同階段指令周期算法設(shè)計(jì)

(ax

+

b)x

+

c

取x

至運(yùn)算器中乘以a

在運(yùn)算器中加b

在運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中加c

在運(yùn)算器中1、數(shù)學(xué)模型ax2+bx+c四、模型機(jī)工作過程舉例2、模型機(jī)（16位）？寄存器位數(shù)運(yùn)算器MQACCALUXPCIRCUMDR主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARCPU總線ACCMQX(1)運(yùn)算器的基本組成運(yùn)算器MQACCALUX商被除數(shù)乘數(shù)被乘數(shù)除數(shù)被減數(shù)被加數(shù)加數(shù)減數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位ALU取指令分析指令執(zhí)行指令CUPCIRCU取指執(zhí)行PC

存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，

具有計(jì)數(shù)功能（PC）+

1PCIR

存放當(dāng)前執(zhí)行的指令訪存訪存(2)控制器的基本組成CU存儲(chǔ)體大樓存儲(chǔ)單元存放一串二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)字存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)–存儲(chǔ)單元–存儲(chǔ)元件（0/1）–

房間–

床位（無(wú)人/

有人）(3)存儲(chǔ)器的基本組成MDR主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MAR存儲(chǔ)器容量

字?jǐn)?shù)*字長(zhǎng)(位)K、M、G、T存儲(chǔ)體MDR主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MAR存儲(chǔ)單元訪問方式：按地址訪問每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)存儲(chǔ)單元訪問類型：*存儲(chǔ)單元地址與內(nèi)容存（寫）/?。ㄗx）MARMDR存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)：

16存儲(chǔ)字長(zhǎng)：

8

設(shè)MAR

=

4

位

MDR

=

8

位存儲(chǔ)器地址寄存器（當(dāng)前訪問M單元地址）（反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)）存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器（當(dāng)前訪問M單元數(shù)據(jù)）

(反映存儲(chǔ)字長(zhǎng))MDR主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MAR2、模型機(jī)（16位）？寄存器位數(shù)運(yùn)算器MQACCALUXPCIRCUMDR主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARCPU總線3、模型機(jī)指令系統(tǒng)操作碼地址碼指令格式：OP(6b)Ad(10b)可操作類型(指令個(gè)數(shù))26可訪問存儲(chǔ)空間210(000H----3FFH)指令操作功能指令操作數(shù)地址功能指令助記符操作碼地址碼

ACC←

[M]000001…………LDAM

[M]←ACC000010…………STAMACC←ACC+

[M]000011…………ADDM

ACC←

ACC

*[M]000100…………MULM打印←

[M]000101…………PRTM停機(jī)000110HALT指令系統(tǒng)：(ax

+

b)x

+

c

MULMa4、計(jì)算ax2+bx+c

程序清單及存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

算法設(shè)計(jì)：

(ax

+

b)x

+

c

LDAMxADDMbMULMxADDMcSTAMyPRTMyHALT指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000000000000010000001000取數(shù)x至ACC

00000000010001000000001001乘a得ax,存于ACC中

00100000110000001010加b得ax+b,存于ACC中

00110001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中

01000000110000001011加c得ax2+bx+c,存于ACC

01010000100000001100將ax2+bx+c,存于主存單元

01100001010000001100打印

0111000110停機(jī)

1000

x原始數(shù)據(jù)x

1001

a原始數(shù)據(jù)a

1010

b原始數(shù)據(jù)b

1011

c原始數(shù)據(jù)c1100y存放結(jié)果程序區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)MULMa

算法設(shè)計(jì)：

(ax

+

b)x

+

c

LDAMxADDMbMULMxADDMcSTAMyPRTMyHALTADD00BHMUL009HLDA008HADD00AHMUL008HSTA00CHPRT00CHHALTORG000H程序及數(shù)據(jù)存入主存（順序存放）設(shè)PC初值（程序首地址）（PC=0）啟動(dòng)程序運(yùn)行：（LDAMx）5、模型機(jī)工作過程分析指令取指令執(zhí)行指令

MARMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMDRACC[MAR]MDRPC(PC

)+

1[MAR]MDRLDAMx…………訪問程序區(qū)訪問數(shù)據(jù)區(qū)指令周期高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器M3匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)器M2操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器機(jī)器語(yǔ)言實(shí)際機(jī)器M1微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器M0分析指令取指令執(zhí)行指令

MARMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMDRACC[MAR]MDRPC(PC

)+

1[MAR]MDRLDAMx…………機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器微程序機(jī)器微指令微操作分析指令取指令執(zhí)行指令

MARMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMDRACC[MAR]MDRPC(PC

)+

1[MAR]MDRLDAMx…………數(shù)據(jù)流、控制流（信息流）123678910以取數(shù)指令（LDAMx）為例4完成一條指令信息流程CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器