计算机组成原理

计算机组成原理主讲人：江秀萍联系方式xp3382@126.comQQ:65585482使用教材：《计算机组成原理》第三版白中英主编科学出版社《计算机系统结构》第二版郑纬民等主编清华大学出版社HowcomputerworksRonWhite著,Que出版计算机组成原理教程张基温编著清华大学出版社全国高校信息管理专业系列教材计算机原理与系统结构侯炳辉等编著清华大学出版社高等学校教材课程的组成课堂授课作业总成绩=30%的平时成绩+70%的考试成绩课程要求不迟到早退记笔记及时完成作业，不完成没有成绩测验和考试不缺席及时反馈意见计算机系统的基本构成主存I/O接口运算器控制器内部寄存器组CPU系统总线主机辅存I/O设备外设计算机硬件计算机系统计算机软件计算机系统的基本构成系统软件应用软件计算机软件计算机系统计算机硬件操作系统语言处理程序诊断程序各种标准程序库。。。MISERPOFFICEOUTLOOK。。。第一章计算机系统概论1.1计算机的分类和应用1.2计算机的硬件1.3计算机的软件1.4计算机系统的层次结构1.1计算机分类及应用人类的计算工具算盘 计算尺机械计算机模拟计算机数字计算机1943——1946年美国宾夕法尼亚大学研制的电子数字积分器和计算机ENIAC是世界上第一台电子计算机——现代计算机的始祖。18万多个电子管，1500个继电器，重达30吨，占地170平米，耗电140千瓦，每秒钟能计算5000次加法。缺点：1.存储容量太小，只能存20个字长为10位的十进制数2.用线路连接的方法来编排程序，每次解题都需要人工改接连线，准备时间大大超过了实际计算时间电子管计算机-ENIACENIAC40年代的编程方法

计算机的分类按信息的形式和处理方式分巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机单片机按规模分：按用途分1.1计算机的分类和应用1.1.1计算机的分类（1）模拟：处理在时间和数值上连续的量举例：计算尺、时钟、电表数字：处理离散的量举例：电子计算机1.1计算机的分类和应用（2）数字计算机分类：专用计算机：如工控机、DSP、IOP通用计算机：GPP（3）通用机分类：巨型机（Super-Computer）大型机（Mainframe）中型机（Medium-sizeComputer）小型机（minicomputer）微型机（microcomputer）单片机（Single-ChipComputer）1.1计算机的分类和应用1.1计算机的分类和应用1.1.2计算机的应用科学计算：传统方式的工作量大、人工处理慢自动控制：数控机床、流水线控制测量和测试：提高精度、在恶劣条件下的测量信息处理：商务处理和管理应用教育和卫生：计算机辅助教学、多媒体教学家用电器：人工智能：1.2计算机的硬件1.2.1数字计算机的硬件组成冯.诺依曼体系结构：（1）采用二进制形式表示数据和指令（2）采用存储程序方式（3）有运算器、存储器、控制器、输入装置、输出装置等五大部件1、采用二进制形式表示数据和指令

在存储程序的计算机中，数据和指令都是以二进制形式存储在存储器中的。从存储器存储的内容来看两者并无区别．都是由0和1组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。计算机在读取指令时，把从计算机读到的信息看作是指令；而在读取数据时，把从计算机读到的信息看作是操作数。数据和指令在软件编制中就已加以区分，所以正常情况下两者不会产生混乱。有时我们也把存储在存储器中的数据和指令统称为数据，因为程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。2、采用存储程序方式

这是冯·诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上也体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。

冯·诺依曼机的这种工作方式，可称为控制流(指令流)驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令，然后根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。因此在执行程序的过程中，始终以控制信息流为驱动工作的因素，而数据信息流则是被动地被调用处理。为了控制指令序列的执行顺序，设置一个程序(指令)计数器PC(ProgramCounter)，让它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序现在是顺序执行的，每取出一条指令后PC内容加l，指示下一条指令该从何处取得。如果程序将转移到某处，就将转移的目标地址送入PC，以便按新地址读取后继指令。所以，PC就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，也就是指示控制流的形成。虽然程序与数据都采用二进制代码，仍可按照PC的内容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情况下程序是顺序执行的，所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除了个别即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区的不同区域内。非冯诺依曼化传统的冯·诺依曼型计算机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列。而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理。因此，近年来人们谋求突破传统冯·诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。对所谓非诺依曼化的探讨仍在争议中，一般认为它表现在以下三个方面的努力。

（1）在冯·诺依曼体制范畴内，对传统冯·诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。这些方向已比较成熟，成为标准结构；

（2）用多个冯·诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。这方面的研究目前比较活跃；

（3）从根本上改变冯·诺依曼机的控制流驱动方式。例如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行地执行。这是真正非诺依曼化的计算机，它为并行处理开辟了新的前景，但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中。CPU主存外设系统总线计算机组成内部总线控制器运算器寄存器组CPU组成总线系统：各部件之间传送信息的通路和器件计算机硬件系统的基本构成

输出设备

输入设备

运算器

控制器

存储器计算结果程序和数据计算机的组成部件控制流CS数据流DS计算机硬件系统的基本构成1.2计算机的硬件运算器：处理和计算数据控制器：实现计算自动化存储器：存放数据和程序输入设备：输入数据和程序输出设备：输出计算机的处理结果总线包括数据总线，地址总线和控制总线总线连接各部件，传输相互间的信号中央处理器（CPU）主机一般的计算机结构框图（存储器为中心）1.2计算机的硬件（1）1.运算器：完成二进制编码的算术或逻辑运算的部件。运算器由累加器（用符号LA）、通用寄存器（用符号LB）和算术逻辑单元（用符号ALU）组成。（1）算术运算和逻辑运（2）在计算机中参与运算的数是二进制（3）运算器的长度相关概念基本字长：指参与运算的数的基本位数，它标志着计算精度。位数越多，精度越高，但硬件成本也越高，因为它决定着寄存器、运算部件、数据总线的位数。（8、16、32位）运算速度：同一台计算机，执行不同的运算所需时间可能不同，因而对运算速度的描述采用不同的方法。常用的CPU时钟频率、每秒平均执行指令数（ips）、单独注明时间等。1.2计算机的硬件（2）2.存储器：存储器包括内存储器、外存储器和只读存储器、高速缓冲存储器以及寄存器等。（1）存储数据和程序（2）容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）（3）分类内存（ROM、RAM）、外存（4）存储器单位：相关概念存储单元：在存储器中把保存一个数的16个触发器称为一个存储单元。地址：存储器是由许多存储单元组成的，每个存储单元都有编号，称为地址。存储容量：存储器所有单元的总数称为存储器的存储容量。内存：半导体存储器称为内存储器。外存储器：半导体存储器的存储容量有限，因此计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，简称外存1.2计算机的硬件（3）控制器用于控制整个计算机自动地、连续地和协调地完成一条条指令。由三大部件组成：指令部件时序部件操作控制部件程序计数器PC指令寄存器IR程序译码器ID由触发器组成一组逻辑电路时钟信号源、节拍发生器和微操作电路1.2计算机的硬件（3）3.控制器(1)控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期：取指令的一段时间。执行周期：执行指令的一段时间中央处理器：运算器加控制器主机：CPU与存储器合称主机(2)计算程序指令：每一个基本操作称为一个指令程序：解算某一个问题的一串指令序列，叫做该问题的就算程序，简称程序。

1.2计算机的硬件（3）(3)指令的形式操作码：操作的性质地址码：操作数的地址存储程序：将解题的程序存放到存储器程序控制：控制器根据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务。

指令系统：一台计算机所有的上百种基本的指令。（486，586）操作码

操作数1.2计算机的硬件（3）（4）指令流和数据流字长：把组成一个字的二进制位数称为字长。（8位机，16位机等等）数据字：某字代表要处理的数据。指令字：如果某字代表一个指令。指令流：取指周期从内存中读出的信息流是指令流。数据流：在执行周期从内存中读出的信息流是数据流。手工模仿计算机工作（1）手工模仿计算机工作（2）加法001减法010乘法011除法100取数101存数110打印111停机0001.2计算机的硬件（4）鼠标、软盘、键盘、触摸屏、声音识别器、图形识别器、摄像设备和光阅读机等。输出设备打印机、绘图仪、显示终端、声响设备、大屏幕等。输入设备4适配器与I/O设备计算机硬件系统的一种构成形式存储器运算器控制器适配器输入设备输出设备系统总线1.2计算机的硬件1.2.2计算机系统结构的过去和未来发展：电子管→晶体管→集成电路→大规模、超大规模集成电路趋势：

由于计算机网络和分布式计算机系统能为信息处理提供廉价的服务，因此计算机系统的进一步发展，“三网合一”，将进入以通信为中心的体系结构。

计算机智能化将进一步发展，各种知识库及人工智能技术将进一步普及，人们将用自然语言和机器对话。计算机从数值计算为主过渡到知识推理为主，从而使计算机进入知识处理阶段。

随着大规模集成电路的发展，不仅用多处理机技术来实现大型机系统功能，而且会出现计算机的动态结构，即所谓模块化计算机系统结构。

多媒体技术将有重大突破和发展，并在微处理机、计算机网络与通信等方面引起一次巨大变革。1.3计算机软件计算机软件是指计算机系统使用的各种程序和文档资料的总称1.3计算机的软件1.3.1软件的组成与分类分类：系统程序、应用程序1.3.2软件的发展演变手编程序（目的程序）→汇编程序→算法语言（高级语言）高级语言与机器语言的转换：编译系统、解释系统操作系统、数据库1.3计算机的软件机器指令：CPU能直接识别并遵照执行的指令。它在形式上表现为由0和1构成的二进制编码。机器指令一般由操作码和操作数（地址码）两部分构成，操作码在前，操作数（地址码）在后。指令系统：一台计算机的全部机器指令就是我们常说的计算机的指令系统。机器语言：是用二进制编码的机器指令的集合及一组使用机器指令的规则。是CPU能直接识别的唯一语言。只有用机器语言描述的程序，CPU才能直接执行。用机器语言描述的程序称为目的程序或目标程序。1.3计算机的软件特点：1.从形式上表现为由0、1序列组成的指令系统2.机器语言不需要经过任何翻译工作，执行效率高3.难记忆，难理解，难开发，难调试，易出错4.不同型号CPU的指令集有较大差异，对应的机器指令也不同，但同一系列的CPU指令集有向上兼容性，如：Intel80386指令集就包含了8086的指令集A0002002060120A202201.3计算机的软件汇编语言：是一种采用助记符表示的程序设计语言。即用助记符表示指令的操作码和操作数A0002002060120A20220MOVAL,VAR1ADDAL,VAR2MOVVAR3,AL汇编语言程序是符号化的机器语言程序，也就是说汇编语言程序中的每一条指令语句都与机器语言程序的每一条机器指令对应。1.3计算机的软件高级语言：由英文字母、数字、运算符号等按照一定的语法规则组成。计算机不会直接执行，需将其翻译成机器能执行的语言——机器语言，再在机器上运行。A0002002060120A20220MOVAL,VAR1ADDAL,VAR2MOVVAR3,ALC=a+b1.3计算机的软件1、程序员用高级语言编写程序2、将程序与数据输入计算机，并由计算机将程序翻译成机器语言程序，保存在计算机的存储器中3、运行程序，输出结果存储器是计算机中用以存放原始数据、程序以及中间运算结果的设备，最后的处理结果也往往先暂时存在存储器中，然后再输送出去。存储器分成一个个单元，每个单元有自己的编号，称为该单元的地址。数据或指令是以二进制代码形式存放在存储器中。1.3计算机的软件用高级语言编写程序翻译成机器语言执行程序人工编写计算机上运行计算机上运行源程序目标程序输出结果1.4计算机系统的层次结构1.4.1多级组成的计算机系统

1.4.2软件与硬件的逻辑等价性第0级由硬件实现。第1级由微程序实现。第2级是传统指令系统（机器语言）机器。第3级是操作系统机器。操作系统是运行在第２级上的解释程序第4级是汇编语言机器。第5级是高级语言机器。第6级是应用语言机器。计算机系统的层次结构从学科领域来划分：第0和第1级属于计算机组织与结构，第3至第5级是系统软件，第6级是应用软件。它们之间仍有交叉：第0级要求一定的数字逻辑基础；第2级涉及汇编语言程序设计的内容；第3级与计算机系统结构密切相关。在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在。虚拟机器M4(高级语言机器)虚拟机器M3(汇编语言或中间语言机器)虚拟机器M2(操作系统语言机器)实际机器M1(机器语言机器)高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言或中间语言程序本级语言程序经编译程序翻译成机器语言程序或操作系统语言一般用机器语言解释操作系统语言由硬件或微程序执行机器语言硬件依靠软件才存在的机器计算机系统的层次结构应用语言物理计算机（硬件）虚拟计算机（软件）高级语言汇编语言系统原语机器指令系统机器指令时序硬操作时序第1级第0级第2级第3级第4级第5级第6级从语言功能层次划分计算机系统结构、组成及其实现计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定

指令系统体系结构（ISA）硬件软件补充：计算机的性能指标（1）基本字长：基本字长是指参与运算的数的基本位数，它标志着计算精度。位数越多，精度越高，但硬件成本也越高，因为它决定着寄存器、运算部件、数据总线等的位数。

（2）主存容量：主存储器是CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就放在主存之中。主存容量大则可以运行比较复杂的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的软件支撑环境。所以，计算机处理能力的大小在很大程度上取决于主存容量的大小。（3）外存容量：外存容量一般是指计算机系统中联机运行的外存储器容量。由于操作系统、编译程序及众多的软件资源往往存放在外存之中，需用时再调入主存运行。在批处理、多道程序方式中，也常将各用户待执行的程序、数据以作业形式先放在外存中，再陆续调入主存运行。所以，联机外存容量也是一项重要指标，一般以字节数表示。

补充：计算机的性能指标（3）运算速度：同一台计算机，执行不同的运算所需时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同方法。常用的有CPU时钟频率、每秒平均执行指令数(ips)、单独注明时间等。（4）所配置的外围设备及其性能指标

外围设备配置也是影响整个系统性能的重要因素，所以在系统技术说明中常给出允许配置情况与实际配置情况。系统软件配置情况

作为一种硬件系统，允许配置的系统软件原则上是可以不断扩充的，但实际购买的某个系统究竟已配置哪些软件，则表明它的当前功能。

小结计算机系统硬件系统软件系统系统软件应用软件运算器控制器寄存器存储器输入/输出接口I/O设备CPU系统总线主机RAMROM第二章运算方法和运算器2.1数据与文字的表示方法2.2定点加法、减法运算2.3定点乘法运算2.4定点除法运算2.5定点运算器的组成2.6浮点运算方法和浮点运算器本章需掌握的主要内容1．掌握定点数和浮点数以及原码、反码、补码的表示方法；2．掌握补码加减运算的方法，溢出的概念与检测方法，基本的二进制加法。3．理解定点乘法运算和除法运算的工作原理；4．理解ALU的功能、设计方法和工作原理；5．掌握基本的浮点运算方法，了解浮点运算器的组成和原理；6．理解内部总线的概念、分类及特点；

2.1数据与文字的表示方法2.1.1数据格式

在选择计算机的数的表示方式时，应当全面考虑以下几个因素：要表示的数的类型(小数、整数、实数和复数)：决定表示方式可能遇到的数值范围：确定存储、处理能力数值精确度：处理能力相关数据存储和处理所需要的硬件代价：造价高低

1.定点数的表示方法（1）定点纯小数

x0

x1x2x3…xn-1xn

表示数的范围是0≤|ｘ|≤1－2－n符号小数点固定于符号位之后，不需专门存放位置量值(最小数、最大数、最接近0的正数、最接近0的负数）x=0.00...0x=1.00...0

x=0

正0和负0都是0

X=0.11...1

x=1－2－n

最大

X=0.00...01

x=2－n

最接近0的正数

X=1.00...01

x=－2－n最接近0的负数

X=1.11...1

x=－(1－2－n）)最小

1.定点数的表示方法（1）定点纯整数

x0

x1x2x3…xn-1xn表示数的范围是0≤|ｘ|≤2n-1？最小数、最大数、最接近0的正数、最接近0的负数呢

符号量值小数点固定于最后一位之后，不需专门存放位置2.浮点数的表示方法浮点格式：容许的数值范围很大，但要求的处理硬件比较复杂。1）

定点数表示法定点指小数点的位置固定，为了处理方便，一般分为定点纯整数和纯小数。2）

浮点数表示法(小数点位置随阶码不同而浮动)2.浮点数的表示方法格式N=Re.m机器中表示浮点表示法，即小数点的位置是浮动的。其思想来源于科学计数法。基数,取固定的值,比如10,2等指数尾数阶符

阶码

数符

尾数

IEEE754的浮点数

浮点数的规格化：主要解决同一浮点数表示形式的不唯一性问题的规定，否则尾数要进行左移或右移。32位浮点数64位浮点数

机器零的概念：尾数为0或是阶码值小于所能表示的最小数。S（31）E（30-23）M（22-0）S（63）E（62-52）M（51-0）十进制数串的表示方法字符串形式：一个字节存放一个十进制的数位或符号位BCD(压缩)：一个字节存放两个十进制的数位编码方式有权码：（8421码、2421码、5211码）无权码：（余三码、格雷码）

自定义数据表示标志符数据表示描述符数据表示区别：

标志符与每个数据相连，二者合起来存放在一个存储单元，而描述符要和数据分开存放；

描述符表示中，先访问描述符，后访问数据，至少增加一次访存；

描述符是程序的一部分，而不是数据的一部分。复习1、冯诺依曼体系结构的概括？（1）采用二进制形式表示数据和指令（2）采用存储程序方式（3）有运算器、存储器、控制器、输入装置、输出装置等五大部件2、中央处理器是由哪两大部件组成？3、主机又是指什么？4、计算机“运算速度”指标的含义是指每秒钟能执行多少条操作系统的命令。5、利用大规模集成电路技术把计算机的运算部件和控制部件做在一块集成电路芯片上，这样的一块芯片叫做单片机。6、决定计算机计算精度