計(jì)算機(jī)組成原理 第一章

1、1代課教師：吝春妮代課教師：吝春妮所屬單位：教科院所屬單位：教科院唐朔飛唐朔飛 編著編著高等教育出版社計(jì)算機(jī)組成原理2教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容第第1 1章章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第第2 2章章 計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用第第3 3章章 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線第第4 4章章 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器第第5 5章章 輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)第第6 6章章 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法第第7 7章章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)第第8 8章章 CPUCPU的結(jié)構(gòu)和功能的結(jié)構(gòu)和功能第第9 9章章 控制單元的功能控制單元的功能第第1010章章 控制單元的設(shè)計(jì)控制單元的設(shè)計(jì)第第1篇篇 概論概論第第2篇篇 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件

2、結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)第第3篇篇 中央處理器中央處理器第第4 4篇篇 控制單元控制單元3第一章第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1.2 計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成 1.3 計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo) 4本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)突出計(jì)算機(jī)組成的概貌和框架，如下圖所示。51.11.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介一、計(jì)算機(jī)的軟硬件概念一、計(jì)算機(jī)的軟硬件概念 硬件硬件組成計(jì)算機(jī)的各種實(shí)際裝置的總稱。組成計(jì)算機(jī)的各種實(shí)際裝置的總稱。 特點(diǎn)：看得見摸得著。特點(diǎn)：看得見摸得著。 軟件軟件計(jì)算機(jī)運(yùn)行所需的各種計(jì)算機(jī)運(yùn)行所需的各種程序程序及相關(guān)及相

3、關(guān) 資料。資料。分類是？分類是？ 特點(diǎn)：看不見摸不著。特點(diǎn)：看不見摸不著。 兩者的關(guān)系兩者的關(guān)系：相輔相成，缺一不可。：相輔相成，缺一不可。 （硬件是（硬件是基礎(chǔ)基礎(chǔ)，軟件是，軟件是靈魂靈魂）6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由由硬件和軟件硬件和軟件兩大部分組成。兩大部分組成。 組織方法：分層組織方法：分層層次結(jié)構(gòu)。層次結(jié)構(gòu)。 分層方法：從分層方法：從硬件硬件開始，按與其結(jié)合的緊開始，按與其結(jié)合的緊 密程度，一層一層向外分層。層次圖如下：密程度，一層一層向外分層。層次圖如下：789 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（Computer Architecture） 指那些能被程序員（匯編、機(jī)器語言指那些能被程序員

4、（匯編、機(jī)器語言編編程程）所見到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的）所見到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性屬性（指令集、數(shù)（指令集、數(shù)據(jù)類型等）據(jù)類型等）。 計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成（Computer Organization） 指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所給屬性的指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所給屬性的邏輯實(shí)邏輯實(shí)現(xiàn)現(xiàn)（指令的實(shí)現(xiàn)、如何傳送指令、運(yùn)算等）（指令的實(shí)現(xiàn)、如何傳送指令、運(yùn)算等）。 注意注意區(qū)別區(qū)別兩兩個(gè)概念！個(gè)概念！10 系列機(jī)系列機(jī)同一廠家生產(chǎn)、具有相同的系統(tǒng)同一廠家生產(chǎn)、具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的結(jié)構(gòu)，但有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。機(jī)器。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：軟件軟件具有具有向上兼容，向后兼容向上兼容，

5、向后兼容性性。11一、計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：一、計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：a、記憶能力強(qiáng)記憶能力強(qiáng) 計(jì)算機(jī)可以長(zhǎng)久的存儲(chǔ)大量的文字、圖形、計(jì)算機(jī)可以長(zhǎng)久的存儲(chǔ)大量的文字、圖形、聲音等信息資料聲音等信息資料。b、 快速處理能力快速處理能力 數(shù)據(jù)處理是人類社會(huì)的重要活動(dòng)，很多場(chǎng)數(shù)據(jù)處理是人類社會(huì)的重要活動(dòng)，很多場(chǎng)合處理速度起著決定作用。合處理速度起著決定作用。12c、足夠高的計(jì)算精度足夠高的計(jì)算精度 通常情況下，數(shù)值精度預(yù)置為通常情況下，數(shù)值精度預(yù)置為15位有效數(shù)字。位有效數(shù)字。d、自動(dòng)完成各種操作、自動(dòng)完成各種操作 計(jì)算機(jī)能自動(dòng)執(zhí)行存放在內(nèi)存中的程序。計(jì)算機(jī)能自動(dòng)執(zhí)行存放在內(nèi)存中的程序。e、復(fù)雜的邏

6、輯判斷能力復(fù)雜的邏輯判斷能力 計(jì)算機(jī)的智能特點(diǎn)主要表現(xiàn)在它的邏輯判斷計(jì)算機(jī)的智能特點(diǎn)主要表現(xiàn)在它的邏輯判斷能力上。能力上。 131、由五大部件、由五大部件組成組成；2、指令和數(shù)據(jù)指令和數(shù)據(jù)以二進(jìn)制存放，可按地址尋訪；以二進(jìn)制存放，可按地址尋訪；3、指令由操作碼和地址碼組成指令由操作碼和地址碼組成；4、指令在存儲(chǔ)器內(nèi)一般按順序存放；、指令在存儲(chǔ)器內(nèi)一般按順序存放；5、機(jī)器以運(yùn)算器為中心，各設(shè)備間數(shù)據(jù)傳送均經(jīng)、機(jī)器以運(yùn)算器為中心，各設(shè)備間數(shù)據(jù)傳送均經(jīng)過運(yùn)算器。過運(yùn)算器。結(jié)結(jié)果果數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)指令指令計(jì)算步驟和計(jì)算步驟和開始數(shù)據(jù)開始數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果計(jì)算步驟和計(jì)算步驟和開始數(shù)據(jù)開始數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果數(shù)

7、數(shù)據(jù)據(jù)結(jié)結(jié)果果地地址址指指令令16幾個(gè)概念：幾個(gè)概念：CPU、I/O設(shè)備設(shè)備、ALU、CU、MM、主機(jī)主機(jī)。計(jì)算機(jī)也可看成由計(jì)算機(jī)也可看成由主機(jī)和主機(jī)和I/O設(shè)備設(shè)備兩兩大部分組成。用這種觀點(diǎn)描述的計(jì)算機(jī)大部分組成。用這種觀點(diǎn)描述的計(jì)算機(jī)組成框圖如下：組成框圖如下：控制器控制器運(yùn)算器運(yùn)算器18 兩大步驟：準(zhǔn)備，上機(jī)兩大步驟：準(zhǔn)備，上機(jī) 1. 上機(jī)前的準(zhǔn)備工作：三步上機(jī)前的準(zhǔn)備工作：三步 建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型； 確定計(jì)算方法確定計(jì)算方法； 編程編程。 19實(shí) 例例：計(jì)算例：計(jì)算ax2+bx+c的的機(jī)器語言程序清單機(jī)器語言程序清單如下圖所示：如下圖所示：細(xì)化的計(jì)算機(jī)組成框圖細(xì)化的計(jì)算機(jī)組成框圖

8、（整體）（整體）： 23 24 26 2728一、機(jī)器字長(zhǎng)一、機(jī)器字長(zhǎng)： CPU能同時(shí)處理的數(shù)據(jù)位數(shù)，即能同時(shí)處理的數(shù)據(jù)位數(shù)，即數(shù)據(jù)字長(zhǎng)數(shù)據(jù)字長(zhǎng)。相關(guān)概念：相關(guān)概念： 存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng)：一個(gè)存儲(chǔ)單元可存放的二進(jìn)制位數(shù)。：一個(gè)存儲(chǔ)單元可存放的二進(jìn)制位數(shù)。 指令字長(zhǎng)指令字長(zhǎng)：一條指令所具有的二進(jìn)制代碼位數(shù)。：一條指令所具有的二進(jìn)制代碼位數(shù)。 字節(jié)（字節(jié)（Byte）：）：計(jì)算機(jī)中另一種數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)中另一種數(shù)據(jù)的的表示表示單位。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)字節(jié)被規(guī)定為單位。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)字節(jié)被規(guī)定為8位二進(jìn)制代碼。位二進(jìn)制代碼。29 早期：三者相同；早期：三者相同； 當(dāng)前：通常規(guī)定：當(dāng)前：通常規(guī)定： 存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) = 機(jī)器字

9、長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng) = 字節(jié)的字節(jié)的2n倍；倍； 例：常見字長(zhǎng)例：常見字長(zhǎng) = 8位、位、16位、位、32位、位、64位位等，分別稱為等，分別稱為8位機(jī)、位機(jī)、16位機(jī)、位機(jī)、32位機(jī)、位機(jī)、64位機(jī)。位機(jī)。 指令字長(zhǎng)指令字長(zhǎng) = 字節(jié)的整數(shù)倍；字節(jié)的整數(shù)倍； 例：?jiǎn)巫止?jié)指令、雙字節(jié)指令、三字節(jié)例：?jiǎn)巫止?jié)指令、雙字節(jié)指令、三字節(jié)指令等。指令等。30 31 例例1：64K32位（或位（或21632位位） 表示存儲(chǔ)容量為表示存儲(chǔ)容量為64K個(gè)存儲(chǔ)單元個(gè)存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)字長(zhǎng)為存儲(chǔ)字長(zhǎng)為32位。位。 例例2：256KB 表示存儲(chǔ)容量為表示存儲(chǔ)容量為256K個(gè)字節(jié)。個(gè)字節(jié)。 此時(shí)，此時(shí)， 256KB相當(dāng)于相當(dāng)于2

10、56K8位。位。321B=8b 1K=210 X 8=213b1K = 210 = 1024B; 1M = 220 = 1024KB 1G = 230 = 1024MB; 1T = 240 = 1024GB 33 計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度與計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度與CPU主頻、主頻、指令復(fù)雜程指令復(fù)雜程度度等有關(guān)。等有關(guān)。 常用表示方法：常用表示方法： 單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行指令的單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)平均條數(shù)。 常用計(jì)量單位：常用計(jì)量單位： MIPS每秒執(zhí)行百萬條指令數(shù)。每秒執(zhí)行百萬條指令數(shù)。 CPI執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期（時(shí)鐘主頻（時(shí)鐘主頻的倒數(shù)）的倒數(shù)）。 FLOPS每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)。每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)。 34 1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)軟、硬件的、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)軟、硬件的分層結(jié)合體分層結(jié)合體。 2、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)