计算机组成原理第一二章

1、计算机组成原理计算机组成原理唐朔飞唐朔飞第版第版高 等 教 育 出 版 社高 等 教 育 出 版 社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社具体要求 出勤出勤保证课堂人数，不定期点名 作业作业每篇留一次，全体同学都交。每篇预计请一个同学准备PPT讲稿，并到前面讲解，并回答其他同学的提问 习题课分散到课堂上，重点难点章节单独安排一两个课时。 为配合由高等教育出版社出版的面向21世纪课程教材计算机组成原理教学和自学的需要，随书出版了计算机组成原理配套课件。为了配合该教材的第版，本课件在保留原课件特色的基础上，做了相应的补充和修改。 该课件与计算机组成原理第版教材在体系上完全一致，它以课堂教学为

2、依托，帮助读者边阅读边思考，通过点击鼠标，逐行显示精练的文字和简明的图表，既可从文稿中对教材的重点和难点加深理解，又可从视图中看到动画演示效果，形象地理解各种电路的工作原理和设计思路。 新版课件提供了章目录和节目录。操作上除了顺序播放外，还可任选一章、任选一节播放，并可从任意一页幻灯片返回到上一级目录。具体功能如下。 1. 进入章目录后，可点击任一章播放。 2. 进入节目录后，可点击任一节播放。 3. 每一节播放结束时，可继续播放，也可点击本节最后一页幻灯片右下角的按钮，回到上一级目录，再点击节目录幻灯片右下角的按钮，即可回到章目录。 4. 点击任一页幻灯片右下角的按钮，均可回到上一级目录。

3、在修改课件过程中，哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院张丽杰、罗丹彦为课件的录入、排版、绘图、动画演示做了大量工作，在此表示衷心感谢。 由于时间仓促，难免有不妥之处，敬请读者和专家批评指正。 唐朔飞 2007年年12月月第第章章 计算机系统概论计算机系统概论第第章章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机系统简介计算机系统简介1.4 本书结构本书结构1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成1.1 计算机系统简介计算机系统简介由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序）组成1. 计算机系统计算机系统计算机系统计算机

4、系统计算机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等一、一、 计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件软软件件计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标程序程序结果结果翻译翻译运行运行2. 计算机的解题过程计算机的解题过程二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 M

5、2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器实际机器 M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M0用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令软软件件硬硬件件虚拟机器虚拟机器 M4虚拟机器虚拟机器 M3虚拟机器虚拟机器 M2实际机器实际机器 M1微程序机器微程序机器 M0程序员所见到的计算机系统的属性程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性概念性的结构与功能特性计算机计算机

6、体系结构体系结构计算机计算机组成组成实现计算机体系结构所体现的属性实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令有无乘法指令如何实现乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、（指令系统、数据类型、寻址技术、I/OI/O机理）机理）（具体指令的实现）（具体指令的实现）三、三、计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成1. 计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成3. 指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示4. 指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成6. 以运算器为中心以运算器为中心2. 指令和数据以同等地位存于存储器，指

7、令和数据以同等地位存于存储器， 可按地址寻访可按地址寻访5. 存储程序存储程序一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点5. 存储程序存储程序算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备数据线数据线控制线和反馈线控制线和反馈线冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备

8、数据线数据线控制线和反馈线控制线和反馈线二、计算机硬件框图二、计算机硬件框图1. 以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算数据线数据线控制线控制线反馈线反馈线ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O设备设备硬件硬件CU2. .现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存1. .上机前的准备上机前的准备 建立数学模型建立数学模型 - -+ +- -+ +- -= =!x9

9、!x7!x5!x3xx9753sin 编制解题程序编制解题程序 确定计算方法确定计算方法程序程序 运算的运算的 全部步骤全部步骤0, 1, 2,)( )(21nyn xynx= =+ += =指令指令 每每 一个步骤一个步骤三、计算机的工作步骤三、计算机的工作步骤取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中存存ax2 在存储器中在存储器中取取b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加ax2 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中= ( (ax + b) )x + c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a 在运算器中在

10、运算器中加加b 在运算器中在运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中计算计算 ax2 + bx + c编程举例编程举例000001 0000001000打印打印 停机停机取数取数 ACC存数存数 ACC 加加 ACC+ ACC乘乘 ACC ACC指令格式举例指令格式举例操作码操作码地址码地址码 打印机打印机指令和数据存于指令和数据存于主存单元的地址主存单元的地址 指令指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 00000010000001000取数取数x至至ACC 10001000000001001乘乘a得得ax ,存于存于ACC中中 2000011000000101

11、0加加b得得ax+b ,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011加加c得得ax2 + bx + c ,存于存于ACC 50000100000001100将将ax2 + bx +c ,存于主存单元存于主存单元 60001010000001100打印打印 7000110停机停机 8 x原始数据原始数据x 9 a原始数据原始数据a 10 b原始数据原始数据b 11 c原始数据原始数据c 12存放结果存放结果计算计算 ax2 + bx + c 程序清单程序清单存储体存储体大楼大楼存储单元存储单元 存放一串二

12、进制代码存放一串二进制代码存储字存储字 存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长存储字长 存储单元中二进制代码的位数存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0/1） 房间房间 床位床位（无人（无人/ / 有人）有人）( (1) )存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR2. .计算机的解题过程计算机的解题过程MARMDR 存储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8 设设 MAR = = 4 位位 MDR = = 8 位位存储器地址寄存器存储

13、器地址寄存器反映存储单元的个数反映存储单元的个数存储器数据寄存器存储器数据寄存器反映存储字长反映存储字长( (1) )存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR累加器累加器 ACC MQ X(2)运算器的基本组成及操作过程运算器的基本组成及操作过程运算器运算器MQACCALUX被加数被加数被减数被减数被除数被除数乘数乘数商商加数加数减数减数被乘数被乘数除数除数加法加法减法减法乘法乘法除法除法和和差差余数余数乘积高位乘积高位乘积低位乘积低位乘商寄乘商寄存器存器操作数操作数寄存器寄存器运算器运算器MQACCALUXACC 被加数被加数ACC初态初态 加法操作过程加法操

14、作过程 ACC+X ALU M XXACCACC指令指令 加加M 减法操作过程减法操作过程运算器运算器MQACCALUX指令指令 减减MACC 被减数被减数ACC初态初态 M XX ACC-X ALUACCACC运算器运算器MQACCALUXACCACC 被乘数被乘数初态初态 MQ M MQ指令指令 乘乘M 乘法操作过程乘法操作过程X ACC XALU X MQ 00ACCACCMQACCMQ运算器运算器MQACCALUXACC 被除数被除数ACC初态初态 ACC X ALUMQACCMQ余数在余数在ACC中中指令指令 除除M M XX 除法操作过程除法操作过程取指令取指令分析指令分析指令执行

15、指令执行指令PCIRCUPCIRCU取指取指执行执行PC 存放当前欲执行指令的地址，存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（具有计数功能（PC）+ + 1 1 PCIR 存放当前欲执行的指令存放当前欲执行的指令访存访存访存访存完成完成一条一条指令指令( (3) )控制器的基本组成控制器的基本组成12356789以取数指令为例以取数指令为例 (LDA 08H)(LDA 08H)4( (4) )主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备12356798以存数指令为例

16、以存数指令为例 (STA 0CH)(STA 0CH)4( (4) )主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备( (5) ) ax2 + bx + c 程序的运行程序的运行过程过程 将程序通过输入设备送至计算机将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址程序首地址 打印结果打印结果 分析指令分析指令 取指令取指令 停机停机 启动程序运行启动程序运行,(PC,(PC )+)+ 1 PC1 PC 执行指令执行指令 MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP

17、(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1. .机器字长机器字长2. .运算速度运算速度CPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与 CPU 中的中的 寄存器位数寄存器位数 有关有关= =ni = =1fi tiTM吉普森法吉普森法主频主频每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPS执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPS221 = = 256 KB213 = = 1 KB如如3. .存储容量存储容量主存容量主存容量辅

18、存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长字节数字节数字节数字节数 80 GB如如 MAR MDR 容量容量 10 8 16 32存放二进制信息的总位数存放二进制信息的总位数1K = 210 1B = 23b1GB = 230b1 K 8位位64 K 32位位存储容量单位（补充）存储容量单位（补充）中文单位中文单位中文简称中文简称英文单位英文单位英文简称英文简称进率进率（Byte=1）位位比特比特bitb0.125字节字节字节字节ByteB1千字节千字节千字节千字节KiloByteKB210兆字节兆字节兆兆MegaByteMB220吉字节吉字节吉吉GigaByteGB230太字节

19、太字节太太TrillionByteTB240拍字节拍字节拍拍PetaBytePB250艾字节艾字节艾艾ExaByteEB260泽字节泽字节泽泽ZettaByteZB270尧字节尧字节尧尧YottaByteYB280千亿亿亿字节千亿亿亿字节千亿亿亿字节千亿亿亿字节BrontByteBB290皮秒的单位换算（补充）皮秒的单位换算（补充） 0.000001皮秒皮秒=1渺秒渺秒 0.001 皮秒皮秒 =1飞秒飞秒 1,000 皮秒皮秒 = 1纳秒纳秒 1,000,000 皮秒皮秒 = 1微秒微秒 1,000,000,000 皮秒皮秒 = 1毫秒毫秒 1,000,000,000,000 皮秒皮秒 = 1

20、秒秒 60,000,000,000,000 皮秒皮秒=1分钟分钟 3,600,000,000,000,000 皮秒皮秒=1小时小时 86,400,000,000,000,000 皮秒皮秒=1天天 31,536,000,000,000,000,000 皮秒皮秒=1年（平年）年（平年）第第篇篇 概论概论1.4 本书结构本书结构计算机计算机1.4 本书结构本书结构第篇第篇计算机系统的硬件结构计算机系统的硬件结构计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU1.4 本书结构本书结构 CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器第第篇篇 CPU计算机计算机I/O系统总线系统总线

21、存储器存储器CPU1.4 本书结构本书结构 CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器寄存器寄存器和解码器和解码器控制单元控制单元排队排队逻辑逻辑控制控制存储器存储器第篇第篇 CU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU第章第章 计算机的发展及应用计算机的发展及应用2.3 计算机的展望计算机的展望2.2 计算机的应用计算机的应用2.1 计算机的发展史计算机的发展史2.1 计算机的发展史计算机的发展史一、计算机的产生和发展一、计算机的产生和发展1946年年 美国美国 ENIAC1955年退役年退役十进制运算十进制运算18 0001 500150301 500多个

22、电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在五五 10 000 000 大规模大规模 集成电路集成电路 19721977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 200 000 晶体管晶体管 19581964 40 000 电子管电子管 19461957

23、 速度速度 /（次（次/秒）秒） 硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一第一台第一台von Neumann 系统结构的计算机系统结构的计算机IBM System360 1.IBM: BlueGene/L - eServer Blue Gene Solution212 992 个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 478 200 GFLOPS最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）2. .IBM: JUGENE - Blue Gene/P Solution 65 536个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 167 300 GFLOPS 最快的五台超

24、级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）3. .SGI: SGI Altix ICE 820014 336个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 126 900 GFLOPS 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）4. HP : EKA - Cluster Platform 3000 BL460c14 240个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 117 900 GFLOPS最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）5. HP :

25、Cluster Platform 3000 BL460c13 728个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 102 800 GFLOPS最权威的超级计算机排名的参考网址最权威的超级计算机排名的参考网址 二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片微处理器芯片存储器芯片存储器芯片1971年年 8位位16位位32位位64位位4位（位（4004）1970年年256位位 1K位位16K位位64K位位256K位位1M位位16M位位64M位位4K位位4M位位Moore 定律定律Intel 公司的缔造者之一公司的缔造者之一 Gordon Moore

26、 1965年提出年提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番晶体管数目每三年翻两番Data of introductionData of introductionIntelIntel处理器与摩尔定律时间线处理器与摩尔定律时间线Intel 公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品8080 8位位 1974年年8086 16位位 1979年年 2.9 万个晶体管万个晶体管80286 16位位 1982年年 13.4 万个晶体管万个晶体管80386 32位位 1985年年 27.5 万个晶体管万个晶体管80486 32位位 1989年年 120.0 万个晶体管万个晶体管Pentiu

27、m 64位（准）位（准） 1993年年 310.0 万个晶体管万个晶体管Pentium Pro 64位（准）位（准） 1995年年 550.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准） 1997年年 750.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准） 1999年年 950.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 万个晶体管万个晶体管2007 年年 芯片上可集成芯片上可集成 3 亿亿 5 千万千万 个个晶体管晶体管 预计预计2010 年年 芯片上可集成芯片上可集成 8 亿亿 个晶体管个晶体管三、软件技术的兴起和发展三、软件技术的兴起和发展机器语言机器语言 面向机器