计算机原理与设计

计算机原理

ComputerPrinciples国防科技大学计算机学院2023/1/14国防科技大学计算机学院2/35AboutPrincipleDefinition:Ageneraltruthorbeliefthatisusedasabaseforreasoning,oraction,orforthedevelopmentoffurtherideas.Alawofnatureasscientificallydiscoveredandstated.原理的特点普适，但有特例2023/1/14国防科技大学计算机学院3/35课程设置本课程是计算机各专业、网络工程专业本科必修的专业基础课。它从计算机部件及行为层次的角度，阐述计算机的硬件组成，即控制器(CU)、运算器(ALU)、存储器(M)以及输入/输出(I/O)控制部件的结构组成、工作原理、逻辑功能与设计、以及实现方法。学习内容基本组成（BasicOrganization）工作原理（Principle）设计方法（LayoutMethod）常识性知识（CommonSense）2023/1/14国防科技大学计算机学院4/35知识点参见目录：绪论指令系统运算方法与运算器控制器存储器输入输出(I/O)控制计算机模块结构与互连2023/1/14国防科技大学计算机学院5/35参考文献参考书

“Slidesforprinciplesofcomputerarchitecture”2023/1/14国防科技大学计算机学院6/35学习目标及方法学习目标：花时少、效率高;掌握基础知识，进行创造力训练；培养一流的计算机人才。学习方法：概念、原理与设计——what?why?how?提倡怀疑；听课时追随老师的思路，积极思考；温故而知新。2023/1/14国防科技大学计算机学院7/35其他需要说明的问题关于课堂纪律；关于课程安排；关于课后作业；关于考试。第一章绪论Introduction2023/1/14国防科技大学计算机学院9/35内容提要计算机的发展史（简介）计算机系统组成（掌握）计算机工作过程（第一章/了解、全课程/掌握）计算机的性能指标和分类（掌握）计算机的应用与发展（简介）2023/1/14国防科技大学计算机学院10/351、计算机及其发展史计算工具计算过程：获取数据、存储数据、加工数据。计算工具的发展就是计算过程自动化程度不断提高的过程：手工计算机械计算电子计算电子计算机的分代以电子器件为标志2023/1/14国防科技大学计算机学院11/352、计算机系统组成存储程序原理计算机要自动完成解题任务，必须将事先设计好、用以描述计算机解题过程的程序（即指令的有序集合），和数据一样，采用二进制形式存储在机器内部，计算机在工作时自动高速地从机器中逐条取出指令并加以执行。存储程序控制是计算机能自动工作的关键所在。2023/1/14国防科技大学计算机学院12/352、计算机系统组成计算机的功能数据传送功能数据存储功能数据处理功能操作控制功能操作判断功能2023/1/14国防科技大学计算机学院13/352、计算机系统组成冯.诺依曼体系结构以二进制表示和存储程序控制为核心。存储器运算器控制器输出设备输入设备2023/1/14国防科技大学计算机学院14/352、计算机系统组成完整的计算机系统由硬件和软件组成。在《计算机原理》课程中主要涉及硬件方面。计算机软件系统计算机程序及数据处理所需的手续、规则和文件的总称，包括程序和文档。程序和文档的区别在于是否可以执行。计算机硬件系统组成计算机的电子元件和机电装置的统称。软件和硬件具有逻辑上的等效性硬件软化（算法）与软件硬化（固件）2023/1/14国防科技大学计算机学院15/352、计算机系统组成现代计算机结构——以存储器为中心存储器运算器控制器输出设备输入设备2023/1/14国防科技大学计算机学院16/352、计算机系统组成运算器ALU（ArithmeticandLogicUnit）完成算术与逻辑运算，加法器是ALU的核心。移位器ALU锁存器1锁存器2寄存器组R0Rn-1...R1内部总线flag2023/1/14国防科技大学计算机学院17/352、计算机系统组成控制器CU（ControlUnit）的作用：根据预定的步骤，控制与协调各部件的自动工作。是计算机的管理机构和指挥中心。控制器完成的工作实质上就是控制指令执行：获取指令、译码、产生控制信号。连续不断、有条不紊地继续上述动作，即所谓的执行程序。2023/1/14国防科技大学计算机学院18/352、计算机系统组成控制器CU的组成：指令控制、地址形成、定时、微操作控制部件微操作控制信号CPTSG微操作控制部件IDIR状态......XR地址计算ARPCMBR到内存选址系统到计算机各部件2023/1/14国防科技大学计算机学院19/352、计算机系统组成控制器CU的组成：指令控制部件：PC：程序计数器、指令地址寄存器；IR：存放当前正在执行的指令；ID：对指令操作码进行译码以识别指令。地址形成部件：AR：存放需要访问数据的存储单元地址；XR：变址寄存器，用于变址寻址；地址计算部件。注意：CPU中能够完成计算的部件不止ALU一个。2023/1/14国防科技大学计算机学院20/352、计算机系统组成控制器CU的组成：时序部件：主频CP和时序信号产生器TSG：节拍和主频周期的关系微操作（Micro－operation）控制部件Why?微操作与微程序；微程序通常固化在ROM（ReadOnlyMemory）中。CPTSG2023/1/14国防科技大学计算机学院21/352、计算机系统组成存储器M（Memory）存储器的构成存储单元存储单元读写线路存储缓冲寄存器00...0000...0100...1011...11存储体地址译码器存储地址寄存器MBRMAR地址总线数据总线存储时序控制线路读/写命令............2023/1/14国防科技大学计算机学院22/352、计算机系统组成输入与输出设备（Input/OutputDevice）又称外设、简称I/O；主机：CPU、内存储器及相应接口；种类：输入设备输出设备输入输出设备I/O的特点：速度较慢。2023/1/14国防科技大学计算机学院23/352、计算机系统组成互连结构（InterconnectionStructure）作用：数据交换。BUS：连接简单；数据传输率不高；微机中大量使用。互连网（InterconnectionNetwork）：连接复杂；数据传输率高；对速度要求高的巨型机、并行机中大量使用。2023/1/14国防科技大学计算机学院24/353、计算机的工作过程一个简单例子：已知a、b、c、d、x，求解代数多项式：y=ax3+bx2+cx+d。y=a*x3+b*x2+c*x+d5次乘法，3次加法y=((a*x+b)*x+c)*x+d3次乘法，3次加法a

乘以x上步结果加b上步结果乘以x上步结果加c上步结果乘以x上步结果加daxax+bax2+bxax2+bx+cax3+bx2+cxax3+bx2+cx+d2023/1/14国防科技大学计算机学院25/353、计算机的工作过程指令集简介指令操作码OP(8位)Ri(4位)D(20位)操作操作码指令功能符号表示加法乘法取数存数停机02H08H10H14HFFHRiRi+(D)RiRi×(D)Ri

(D)DRiHLT2023/1/14国防科技大学计算机学院26/353、计算机的工作过程指令ADD的执行过程（取指＋执行）MARPC读命令MBRM(PC)IRMBRPCPC+1MARD读操作数MBR(D)锁存器1Ri锁存器2MBR加法命令Ri

锁存器1+锁存器2停机取数加法乘法存数停机取指令过程执行指令过程2023/1/14国防科技大学计算机学院27/353、计算机的工作过程计算机总体框图移位器ALU锁存器1锁存器2寄存器组R0Rn-1...R1CPU内部总线flag运算器MBR地址译码器存储体......MAR存储时序控制线路CPTSG微操作控制部件IDIR状态XR地址计算ARPC+1............I/O设备I/O设备设备控制器设备控制器I/O控制部件......系统总线输入输出设备微操作控制信号到内存选址系统节拍信号指令译码控制器内存储器2023/1/14国防科技大学计算机学院28/353、计算机的工作过程计算y的源程序主存地址指令或数据说明00A0000A0100A0200A0300A0400A0500A0600A0700A081008020802080214FF88888888000B0100B0000B0200B0000B0300B0000B0400B0500000取数：R8a乘法：R8a×x加法：R8a×x+b乘法：R8(a×x+b)×x加法：R8(a×x+b)×x+c乘法：R8((a×x+b)×x+c)×x加法：R8((a×x+b)×x+c)×x+d存数：(00B05)R8停机00B0000B0100B0200B0300B0400B05xabcdy2023/1/14国防科技大学计算机学院29/353、性能分析与分类性能指标：主频：5M～3G+提高主频的方法：工艺速度：吉布森混合法计算各种指令执行速度计算典型程序运算速度Benchmark实际测试、模拟分析2023/1/14国防科技大学计算机学院30/353、性能分析与分类性能指标：运算精度精度与寄存器的位数的关系存储容量主存越大，处理问题的能力越强与外存交换次数越少，效率越高存取周期M的类型2023/1/14国防科技大学计算机学院31/353、性能分析与分类性能指标：需要综合考虑各种因素特别注意运算速度的评价方法时间是评价系统性能的根本标准2023/1/14国防科技大学计算机学院32/353、性能分析与分类计算机的分类标准计算机的用途专用通用计算机的规模巨型机、大型机、小型机、微型机、单片机2023/1/14国防科技大学计算机学院3