计算机组成原理 第一章

计算机组成原理第一章教学内容第1章计算机系统概论第2章计算机的发展及应用第3章系统总线第4章存储器第5章输入输出系统第6章计算机的运算方法第7章指令系统第8章CPU的结构和功能第9章控制单元的功能第10章控制单元的设计第1篇概论第2篇计算机系统的硬件结构第3篇中央处理器第4篇控制单元第2页,共33页，2024年2月25日，星期天第一篇概论第一章计算机系统概论

1.1计算机系统简介

1.2计算机的基本组成

1.3计算机硬件的主要技术指标

第3页,共33页，2024年2月25日，星期天本章重点本章重点突出计算机组成的概貌和框架，如下图所示。第4页,共33页，2024年2月25日，星期天第一章计算机系统概论

1.1计算机系统简介一、计算机的软硬件概念

硬件——组成计算机的各种实际装置的总称。特点：看得见摸得着。

软件——计算机运行所需的各种程序及相关资料。分类是？特点：看不见摸不着。

两者的关系：相辅相成，缺一不可。（硬件是基础，软件是灵魂）第5页,共33页，2024年2月25日，星期天二、计算机系统的层次结构计算机系统——由硬件和软件两大部分组成。组织方法：分层——层次结构。分层方法：从硬件开始，按与其结合的紧密程度，一层一层向外分层。层次图如下：第6页,共33页，2024年2月25日，星期天高级语言机器（软、虚）汇编语言机器（软、虚）操作系统机器（软、虚）传统机器（硬、实）微程序机器（硬、实）计算机系统的多级层次结构：M4(翻译成汇编语言)M3(翻译成机器语言)M2(机器语言解释os)M1(用微程序解释机器指令)M0(硬件执行微指令)第7页,共33页，2024年2月25日，星期天

虚拟机——计算机系统对于不同层次上的使用者来说，可看成是一台具有这一层次功能的计算机，而不考虑实际机器（硬件）的功能。为与实机相区别，称“虚拟机”。第8页,共33页，2024年2月25日，星期天三、区别“结构”、“组成”

计算机系统结构（Computer

Architecture）

——指那些能被程序员（汇编、机器语言编程）所见到的计算机系统的属性（指令集、数据类型等）。

计算机组成（Computer

Organization）

——指计算机系统结构所给属性的逻辑实现（指令的实现、如何传送指令、运算等）。

注意区别两个概念！第9页,共33页，2024年2月25日，星期天四、系列机的概念

系列机——同一厂家生产、具有相同的系统结构，但有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。

特点：软件具有向上兼容，向后兼容性。第10页,共33页，2024年2月25日，星期天一、计算机的特点（优点）：a、记忆能力强计算机可以长久的存储大量的文字、图形、声音等信息资料。b、快速处理能力数据处理是人类社会的重要活动，很多场合处理速度起着决定作用。1.2计算机的基本组成第11页,共33页，2024年2月25日，星期天c、足够高的计算精度通常情况下，数值精度预置为15位有效数字。d、自动完成各种操作计算机能自动执行存放在内存中的程序。e、复杂的逻辑判断能力计算机的智能特点主要表现在它的逻辑判断能力上。

第12页,共33页，2024年2月25日，星期天二、冯·诺依曼计算机的特点：1、由五大部件组成；2、指令和数据以二进制存放，可按地址寻访；3、指令由操作码和地址码组成；4、指令在存储器内一般按顺序存放；5、机器以运算器为中心，各设备间数据传送均经过运算器。第13页,共33页，2024年2月25日，星期天三、计算机的硬件组成：典型的冯·诺依曼机组成框图：（各硬件作用？缺点？）存储器输入设备运算器输出设备控制器结果数据指令以运算器为中心计算步骤和开始数据计算结果第14页,共33页，2024年2月25日，星期天现代计算机（对冯诺依曼机进行了许多改进）：以存储器为中心的计算机组成框图（存储器要改进什么？）：计算步骤和开始数据计算结果控制器输入设备存储器输出设备运算器以存储器为中心数据结果地址指令第15页,共33页，2024年2月25日，星期天几个概念：

CPU、I/O设备、ALU、CU、MM、主机。

计算机也可看成由主机和I/O设备两大部分组成。用这种观点描述的计算机组成框图如下：第16页,共33页，2024年2月25日，星期天现代计算机硬件组成层次示意图：I/O设备MM主机CPU控制器运算器ALUCU第17页,共33页，2024年2月25日，星期天四、计算机的工作过程：

两大步骤：准备，上机

1.上机前的准备工作：三步①建立数学模型；②确定计算方法；③编程。

第18页,共33页，2024年2月25日，星期天实例例：计算ax2+bx+c的机器语言程序清单如下图所示：第19页,共33页，2024年2月25日，星期天2.计算机的工作过程：细化的计算机组成框图（整体）：图中示出了一台计算机寄存器级的最简结构（连接省去)。ACCMQALUXIRPCMDRMARCPUI/O控制单元CU存储体M运算器控制器主存储器……接口I/o设备第20页,共33页，2024年2月25日，星期天细化的计算机组成框图（运算器）：ACCMQALUX运算器①.

运算器：三个寄存器和ALU

ACC：累加器

MQ：乘商寄存器

X：操作数寄存器

三个寄存器作用见表1.1

第21页,共33页，2024年2月25日，星期天表1.1

各寄存器存放的操作数含义

运算寄存器操作数加法

减法

乘法

除法

ACC

被加数和

被减数差乘积高位

被除数余数

MQ

乘数乘积低位

商

X

加数

减数

被乘数

除数第22页,共33页，2024年2月25日，星期天寄存器操作常用描述方法

——寄存器传送语言：

X：X寄存器名[X]：X寄存器中的内容

M：存储器某一单元名[M]：存储器某单元内容第23页,共33页，2024年2月25日，星期天

加法：[M]X[ACC]＋[X]ACC

减法：[M]

X

[ACC]－[X]ACC

乘法：[M]MQ，[ACC]X，0ACC[X]×[MQ]ACC∥MQ

除法：[M]X[ACC]÷[X]MQ，RACC第24页,共33页，2024年2月25日，星期天细化的计算机组成框图（控制器）：

IRPC控制单元CU控制器……③.控制器的结构：

CU：控制单元

IR：指令寄存器

PC：程序计数器

第25页,共33页，2024年2月25日，星期天细化的计算机组成框图（I/O设备）：I/O④.

I/O：

I/O设备：完成输入/输出操作；

I/O接口：完成I/O设备与主机之间的连接。

设备接口第26页,共33页，2024年2月25日，星期天细化的计算机组成框图（存储器）：MDRMAR存储体M主存储器②.主存：

存储体：由许多存储单元组成

存储单元：由若干存储元组成

存储元：存放一位二进制代码的物理元件。

MDR：存储器数据寄存器

MAR：存储器地址寄存器

第27页,共33页，2024年2月25日，星期天1.3计算机硬件的主要技术指标一、机器字长：

CPU能同时处理的数据位数，即数据字长。相关概念：

存储字长：一个存储单元可存放的二进制位数。

指令字长：一条指令所具有的二进制代码位数。

字节（Byte）：计算机中另一种数据的表示单位。一个标准字节被规定为8位二进制代码。第28页,共33页，2024年2月25日，星期天三种字长的关系：

早期：三者相同；当前：通常规定：

存储字长=机器字长=字节的2n倍；例：常见字长=8位、16位、32位、64位等，分别称为8位机、16位机、32位机、64位机。

指令字长=字节的整数倍；例：单字节指令、双字节指令、三字节指令等。第29页,共33页，2024年2月25日，星期天二、存储容量：（仅讨论主存）

主存中可存放的二进制代码的总数。容量的具体表示与主存的编址方式有关。

主存编址方式：

按字编址：

存储容量=存储单元个数Χ存储字长

单位：位（b）

按字节编址：

存储容量=存储单元个数

单位：字节（B）第30页,共33页，2024年2月25日，星期天

例1：64KΧ32位（或216Χ32位）

——表示存储容量为64K个存储单元，存储字长为32位。例2：256KB——表示存储容量为256K个字节。此时，256KB相当于256KΧ8位。第31页,共33页，2024年2月25日，星期天1B=8b

1K=210X8=213b1K=210

=1024B;

1M=220=1024KB

1G=230=1024MB;1T=240