计算机组成原理,吉林大学计算机.

计算机组成原理唐朔飞第２版高等教育出版社高等教育电子音像出版社第１章计算机系统概论第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２章计算机的发展及应用第１章计算机系统概论1.1计算机系统简介1.4本书结构1.3计算机硬件的主要技术指标1.2计算机的基本组成1.1计算机系统简介由具有各类特殊功能的信息（程序）组成1.计算机系统计算机系统计算机的实体，如主机、外设等一、计算机的软硬件概念硬件软件按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统系统软件应用软件语言处理程序操作系统服务性程序数据库管理系统网络软件软件1.1计算机高级语言程序目标程序结果翻译运行1.12.计算机的解题过程二、计算机系统的层次结构高级语言虚拟机器M3汇编语言虚拟机器M2操作系统虚拟机器机器语言实际机器M1微指令系统微程序机器M01.1用编译程序翻译成汇编语言程序用汇编程序翻译成机器语言程序用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令软件硬件1.1虚拟机器M4虚拟机器M3虚拟机器M2实际机器M1微程序机器M0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计算机体系结构计算机组成实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）（具体指令的实现）1.1三、计算机体系结构和计算机组成1.2计算机的基本组成1.计算机由五大部件组成3.指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访5.存储程序一、冯·诺依曼计算机的特点5.存储程序算术运算逻辑运算存放数据和程序将信息转换成机器能识别的形式将结果转换成人们熟悉的形式指挥程序运行1.2冯·诺依曼计算机硬件框图存储器输入设备运算器控制器输出设备1.2冯·诺依曼计算机硬件框图存储器输入设备运算器控制器输出设备二、计算机硬件框图1.21.以存储器为中心的计算机硬件框图程序存储器输出设备输入设备运算器控制器数据结果计算ALU主存辅存CPU主机I/O设备硬件CU2.现代计算机硬件框图存储器输入设备运算器输出设备控制器1.2ALUCPU主机I/O设备CU主存1.上机前的准备•建立数学模型-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…•编制解题程序•确定计算方法程序——运算的全部步骤0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——每一个步骤1.2三、计算机的工作步骤存储体大楼存储单元存放一串二进制代码存储字存储单元中二进制代码的组合存储字长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按地址寻访–存储单元–存储元件（0/1）–房间–床位（无人/有人）(1)存储器的基本组成1.2MDR主存储器存储体MAR2.计算机的解题过程MARMDR存储单元个数16存储字长8设MAR=4位MDR=8位1.2存储器地址寄存器反映存储单元的个数存储器数据寄存器反映存储字长(1)存储器的基本组成MDR主存储器存储体MARACCMQX(2)运算器的基本组成及操作过程1.2运算器MQACCALUX被加数被减数被除数乘数商加数减数被乘数除数加法减法乘法除法和差余数乘积高位乘积低位取指令分析指令执行指令PCIRCUPCIRCU取指执行PC存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（PC）+1PCIR存放当前欲执行的指令访存访存完成一条指令1.2(3)控制器的基本组成12356789以取数指令为例4(4)主机完成一条指令的过程1.2CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O设备12356798以存数指令为例41.2(4)主机完成一条指令的过程CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O设备(5)ax2+bx+c程序的运行过程•将程序通过输入设备送至计算机•程序首地址•打印结果•分析指令•取指令…•停机•启动程序运行,(PC)+1PC•执行指令1.2MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC1.3计算机硬件的主要技术指标1.机器字长2.运算速度CPU一次能处理数据的位数与CPU中的寄存器位数有关=ni=1fitiTM吉普森法主频每秒执行百万条指令MIPS执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒浮点运算次数FLOPS221=256KB213=1KB如3.存储容量主存容量辅存容量存储单元个数×存储字长字节数字节数80GB如MARMDR容量1081632存放二进制信息的总位数1.31K=2101B=23b1GB=230b1K×8位64K×32位第１篇概论1.4本书结构计算机1.4本书结构第２篇计算机系统的硬件结构计算机I/O系统总线存储器CPU1.4本书结构CPU内部互连ALUCU寄存器中央处理器第３篇CPU计算机I/O系统总线存储器CPU1.4本书结构CPU内部互连ALUCU寄存器中央处理器寄存器和解码器控制单元排队逻辑控制存储器第４篇CU计算机I/O系统总线存储器CPU第２章计算机的发展及应用2.3计算机的展望2.2计算机的应用2.1计算机的发展史2.1计算机的发展史一、计算机的产生和发展1946年美国ENIAC1955年退役十进制运算180001500150301500多个电子管多个继电器千瓦吨平方英尺5000次加法／秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程硬件技术对计算机更新换代的影响100000000超大规模集成电路1978－现在五10000000大规模集成电路1972－19771000000中小规模集成电路1965－1971200000晶体管1958－196440000电子管1946－1957速度/（次/秒）硬件技术时间代三四二一2.1二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片存储器芯片1971年8位16位32位64位4位（4004）1970年256位1K位16K位64K位256K位1M位16M位64M位4K位4M位2.1三、软件技术的兴起和发展机器语言面向机器汇编语言面向机器高级语言面向问题FORTRAN科学计算和工程计算PASCAL结构化程序设计C＋＋面向对象Java适应网络环境1.各种语言2.12.系统软件语言处理程序汇编程序编译程序解释程序操作系统DOSUNIXWindows服务性程序装配调试诊断排错数据库管理系统数据库和数据库管理软件网络软件2.13.软件发展的特点⑴开发周期长⑵制作成本昂贵⑶检测软件产品质量的特殊性软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档2.12.2计算机的应用一、科学计算和数据处理二、工业控制和实时控制三、网络技术1.电子商务2.网络教育3.敏捷制造四、虚拟现实五、办公自动化和管理信息系统六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术八、人工智能2.22.3计算机的展望一、计算机具有类似人脑的一些超级智能功能要求计算机的速度达1015/秒二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制•芯片集成度受物理极限的制约•按几何级数递增的制作成本•芯片的功耗、散热、线延迟三、？替代传统的硅芯片1.光计算机2.DNA生物计算机3.量子计算机利用光子取代电子进行运算和存储通过控制DNA分子间的生化反应利用原子所具有的量子特性2.3第３章系统总线3.1总线的基本概念3.2总线的分类3.3总线特性及性能指标3.4总线结构3.5总线控制3.1总线的基本概念一、为什么要用总线二、什么是总线三、总线上信息的传送总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质串行并行四、总线结构的计算机举例1.面向CPU的双总线结构框图中央处理器CPUI/O总线M总线3.1主存I/O接口I/O设备1I/O设备2……I/O接口I/O接口I/O设备n单总线（系统总线）2.单总线结构框图CPU主存I/O接口I/O设备1I/O设备2I/O接口…I/O设备nI/O接口…3.13.以存储器为中心的双总线结构框图系统总线主存CPUI/O接口I/O设备1…I/O设备nI/O接口…存储总线3.13.2总线的分类1.片内总线2.系统总线芯片内部的总线数据总线地址总线控制总线双向与机器字长、存储字长有关单向与存储地址、I/O地址有关有出有入计算机各部件之间的信息传输线存储器读、存储器写总线允许、中断确认中断请求、总线请求3.通信总线串行通信总线并行通信总线传输方式3.2用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信3.3总线特性及性能指标CPU插板主存插板I/O插板一、总线物理实现BUS主板1.机械特性2.电气特性3.功能特性4.时间特性二、总线特性尺寸、形状、管脚数及排列顺序传输方向和有效的电平范围每根传输线的功能信号的时序关系3.3地址数据控制三、总线的性能指标1.总线宽度2.标准传输率3.时钟同步/异步4.总线复用5.信号线数6.总线控制方式7.其他指标数据线的根数每秒传输的最大字节数（MBps）同步、不同步地址线与数据线复用地址线、数据线和控制线的总和负载能力并发、自动、仲裁、逻辑、计数3.3ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模块系统总线标准四、总线标准系统模块3.3标准界面总线标准数据线总线时钟带宽ISA168MHz（独立）33MBpsEISA328MHz（独立）33MBpsVESA(VL-BUS)3232MHz（CPU）133MBpsPCI326433MHz（独立）64MHz（独立）132MBps528MBpsAGP3266.7MHz（独立）133MHz（独立）266MBps533MBpsRS-232串行通信总线标准数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口USB串行接口总线标准普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高1.5Mbps(USB1.0)12Mbps(USB1.0)480Mbps(USB2.0)3.3四、总线标准3.4总线结构一、单总线结构单总线（系统总线）CPU主存I/O接口I/O设备1I/O设备2I/O接口…I/O设备nI/O接口…1.双总线结构具有特殊功能的处理器，由通道对I/O统一管理通道I/O接口设备n……I/O接口设备0CPU主存主存总线I/O总线二、多总线结构3.42.三总线结构主存总线DMA总线I/O总线CPU主存设备1设备n高速外设I/O接口I/O接口I/O接口……3.43.三总线结构的又一形式3.4局域网系统总线CPUCache局部总线扩展总线接口扩展总线Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存4.四总线结构多媒体Modem主存扩展总线接口局域网SCSICPU串行接口FAX系统总线局部总线高速总线扩展总线图形Cache/桥3.41.传统微型机总线结构三、总线结构举例3.4存储器SCSIⅡ控制器主存控制器ISA、EISA8MHz的16位数据通路标准总线控制器33MHz的32位数据通路系统总线多媒体高速局域网高性能图形CPU……Modem2.VL-BUS局部总线结构3.433MHz的32位数据通路系统总线ISA、EISA多媒体高速局域网高性能图形图文传真8MHz的16位数据通路标准总线控制器CPU主存控制器存储器局部总线控制器SCSIⅡ控制器VLBUS……Modem3.PCI总线结构3.4CPU多媒体PCI桥高速局域网高性能图形图文传真PCI总线系统总线33MHz的32位数据通路8MHz的16位数据通路ISA、EISA标准总线控制器SCSIⅡ控制器存储器Modem4.多层PCI总线结构PCI总线2存储器桥0桥4PCI设备桥5总线桥桥3桥1设备桥2第一级桥第二级桥第三级桥PCI总线4PCI总线5PCI总线3PCI总线1PCI总线0存储器总线标准总线CPU3.43.5总线控制一、总线判优控制•总线判优控制分布式集中式•主设备(模块)对总线有控制权•从设备(模块)响应从主设备发来的总线命令1.基本概念链式查询计数器定时查询独立请求方式2.链式查询方式总线控制部件I/O接口0…BSBRI