计算机组成原理(本全PPT)白中英

1计算机组成原理白中英2概述计算机组成：主要指计算机硬件的具体实现方式及工作原理从三方面掌握本课程内容–硬件结构：从物理上、逻辑上掌握计算机各部件和器件的构成和作用–实现方式：硬件联接形式和内部处理方式（如控制器、运算器的实现方式等）–工作原理：计算机各部分内部工作过程3本课程的重要地位本课程是计算机及相关专业的核心专业基础课，对后续课程（操作系统、接口与通信等）的学习十分重要。考研必考课程。通过课程的学习主要掌握以下内容本课程主要讲授单处理机系统的组成及工作原理。分析和说明计算机由哪些功能部件组成（结构），各功能部件在整机中的作用，以及它们如何完成各自所分配的任务（工作原理）。学习难点内容较多、结构复杂、要有数字逻辑的基础学习思路（方法）分析结构、弄清原理、多做练习4主要内容计算机系统概述（计算机基础、基本概念）运算方法和运算器（计算机中数据的表示和编码：包括数值、非数值数据，整数、小数，汉字，校验码等。计算机中运算方法：定点运算、浮点运算、逻辑运算。运算器及实现)内部存储器(存储器芯片的结构与工作原理，存储器的组织与连接，高速存储器、ＣＡＣＨＥ等)指令系统（指令格式、寻址方式、典型指令）中央处理器（CPU的组成及工作原理，控制器的实现，ＣＰＵ实现技术）总线系统（总线概念、总线技术）外围设备（典型外围设备基本工作原理）输入输出系统（输入输出控制方式）操作系统支持(调度，存储管理，虚拟存储器等)5第一章计算机系统概论第一节计算机分类电子计算机从总体上来说分为两大类:电子模拟计算机和电子数字计算机。•电子模拟计算机的特点是数值由连续量来表示,运算过程也是连续的。•电子数字计算机的主要特点是按位运算,并且不连续地跳动计算。6数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机。专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。•专用机是最有效、最经济和最快速的计算机,它是针对某一任务设计的计算机,但是它的适应性很差。•通用机适应性很大,但是牺牲了效率、速度和经济性。通用计算机又分巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六类。它们的区别在于体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格。7第二节计算机的发展1、计算机五代变化2、半导体存储器芯片的发展3、微处理器的发展4、计算机体系结构的变化计算机体系结构是在冯•诺依曼结构的基础上，围绕提高速度、提高字长、扩大存储容量、降低成本、提高系统可靠性和方便使用等诸方面，通过新器件和新软件提高计算机性能。体系结构上，从指令系统、微程序设计、流水线结构、多级存储器体系结构、输入/输出体系结构、并行体系结构、分布式体系结构等方面的形成和发展。体系结构发展趋势：网络化、智能化、模块化、多媒体应用。8第三节计算机的硬件一、数字计算机硬件的组成硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。计算机硬件由五大部分组成：即运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。•运算器进行数据处理或信息加工（Ｐ８）包括各种算术运算、逻辑运算和判断处理•存储器存放程序和数据（Ｐ９）程序是计算机进行各种操作和控制的依据数据是计算机进行操作的对象计算机中存放的程序和数据都是二进制形式的9•控制器控制计算机各部分自动协调的工作（Ｐ１０）完成的工作是从内存中读取指令，分析和解释指令，然后按指令的要求发出操作命令，控制计算机各部分自动协调的工作。简单程序指令形式控制器的基本任务指令流和数据流冯·诺依曼体系结构计算机的主要特征是：采用存储程序和数据，由指令流来控制计算机的操作。•输入设备输入信息到计算机中的设备•输出设备从计算机中输出信息的设备10第四节计算机软件一、软件的组成与分类计算机中的各种程序、数据和有关文档构成计算机的软件系统。计算机的软件一般分为两大类：•系统软件：便于计算机使用的系统管理程序(包括操作系统、语言处理、数据库管理系统等）•应用软件：针对用户具体实际应用的程序11二、软件的发展•目的程序•汇编程序•源程序•编译程序•操作系统•数据库管理系统12第四节计算机系统的层次结构一、多级组成的计算机系统•微程序设计级•一般机器级•操作系统级•汇编语言级•高级语言级二、软件与硬件的逻辑等价性13第四节计算机系统的层次结构•计算机系统具有层次性，它是由多级层次结构组成的。其层次之间的关系十分紧密，上层是下层功能的扩展，下层是上层的基础；层次的划分不是绝对的，各层之间有时是相互渗透的。14第二章运算方法和运算器第一节数据与文字的表示数据一般分为两大类：数值数据：有确定的值，相互间有大小关系非数值数据：相互间无大小关系，用于表示符号、文字或属性。15一、数制及相互转换1、数制常用数制•十进制（D）：日常使用数制•二进制（B）：数字计算机内部使用数制•十六进制（H）：为使于对二进制的阅读和书写，常采用十六进制（或八进制）表示。16对一任意数S，其r进制数表示为（S）r＝kn×rn-1+kn-1×rn-2+…+ki×ri-1+…+k-m×r-m-1其中０≤ki﹤rr称为进位计数值的基数，ki为第i位数字符，i为位序号,ri为第i位的位权。17(347)8=3×82+4×81+7×80=(103)10(347.5)8=3×82+4×81+7×80+5×8-1=(231.625)10(34E.5)16=3×162+4×161+14×160+5×16-1=(846.3125)10182、不同数制间的转换1＞十进制八，十六进制二进制法则整数部分：除8（16）取余数小数部分：乘8（16）取整重复循环192＞八，十六进制二进制二进制八进制以小数点为界，分别向左和向右每三位分为一组，然后写出各组对应的八进制数。二进制十六进制以小数点为界，分别向左和向右每四位分为一组，然后写出各组对应的十六进制数。203＞八，十六进制十进制直接按照相应进制数的公式，依“按权相加”的方法计算出通式的值。(10110.01)=1×24+0×23+1×22+1×81+1×20+0×2-1+1×2-2=(22.25)10(347.5)8=3×82+4×81+7×80+5×8-1=(231.625)10(34E.5)16=3×162+4×161+14×160+5×16-1=(846.3125)1021二、数据格式在计算机中进行数据表示时需考虑的几个因素：•表示数的类型（小数、整数、实数等）•数值的范围•数值的精度•数据存储及处理的硬件代价22计算机中常用的数据表示格式有两种，一是定点格式，二是浮点格式。一般来说定点格式容许的数值范围有限(通常用于表示整数或纯小数），但要求的处理硬件比较简单。浮点格式容许的数值范围很大（可以表示实数），但要求的处理硬件比较复杂。23１、定点数的表示定点表示：约定机器中所有数据的小数点位置是固定不变的。由于约定在固定的位置，小数点就不再使用记号“.”来表示。通常将数据表示成纯小数或纯整数。n+1位定点数表示：X0X1X2X3…Xi…Xn-2Xn-1Xn其中X0为符号位，X１…Xn为数值部分,Xi为０或１。241定点小数最高位为符号位，小数点位置隐含约定在符号位后，其后为数值部分n+1位定点小数的表示范围是0≤︱X︱≤1－2－n或：—(1－2－n)≤X≤1－2－n（16位小数范围：—(1－2－１５)≤X≤1－2－１５）252＞定点整数最高位为符号位，其后为数值部分，小数点位置隐含约定在数值部分的后面。n+1位定点整数的表示范围是0≤︱X︱≤2n－1或：—(2n－1)≤X≤2n－1（16位整数范围：—(215－1)≤X≤(215－1)262、浮点表示法1＞数的浮点表示其范围和精度部分分别用定点数表示123.45=1234.5×10－1=12345×10－2=123450×10－34796.54＝0.479654×1040.00479654＝0.479654×10－2－0.00479654＝－0.479654×10－227101.1101=0.1011101×20011=0.010111010×20100－101.1101=－0.1011101×20011=－0.010111010×201000.0001011101=0.1011101×2－0011=0.010111010×2－0010－0.0001011101=－0.1011101×2－0011=－0.010111010×2－001028任意十进制N，可以化为N＝M×10E其中M为小数，E为整数一个数S的任意进制表示（S）R＝m×Rem：尾数，是一个纯小数。e：比例因子的指数，称为浮点的指数，是一个整数。R：比例因子的基数，对于二进计数值的机器是一个常数，一般规定Ｒ为2，8或16。29浮点表示法：把一个数的有效数字和数的范围在计算机的一个存储单元中分别予以表示，这种把数的范围和精度分别表示的方法，数的小数点位置随比例因子的不同而在一定范围内自由浮动。对于：101.1101（=0.1011101×20011）只需存放0.1011101和0011即01011101001130一个机器浮点数由阶码和尾数及其符号位组成（尾数：用定点小数表示，给出有效数字的位数，决定了浮点数的表示精度；阶码：用整数形式表示，指明小数点在数据中的位置，决定了浮点数的表示范围。）具体格式见教材Ｐ1731IEEE标准总位数符号位阶码尾数短实数321823长实数6411152临时实数801156432阶码和尾数各占用的位数确定了浮点数的格式对二进制数而言：1110.011＝0.1110011×21000.001110011＝0.1110011×2－10－0.001110011＝－0.1110011×2－10在将上面的数以浮点数格式存放时，只需将红色部分按照浮点数格式要求的位数，化为相应的补码或移码，按照浮点数格式存放。33为提高数据的表示精度，当尾数的值不为0时，其绝对值应≥0.5，即尾数域的最高有效位应为1,否则以修改阶码同时左右移小数点的办法，使其变成这一表示形式，这称为浮点数的规格化表示。101.1101=0.1011101×20011=0.010111010×20100规格化表示为尾数是0.1011101，阶码是0011而尾数是0.01011101，阶码是0100不是规格化表示。34当浮点数的①尾数为0，不论其阶码为何值，或者②阶码的值遇到比它能表示的最小值还小时，不管其尾数为何值，计算机都把该浮点数看成零值，称为机器零。浮点数转换的实例见Ｐ1835•IEEE754浮点数格式说明一个规格化的32位浮点数ｘ的真值可表示为ｘ＝(－1)s×(1.Ｍ)×2Ｅ－127e＝Ｅ－127其中Ｅ的范围是１～２５４（阶码范围－126～+127），0和255作特殊用途：①浮点数+０,－0：Ｅ＝０，Ｍ＝０时表示x＝(－1)Ｓ×０②＋∞，－∞：Ｅ＝255，M＝0时x＝(－1)Ｓ×∞•IEEE754的32位浮点数表示的除０外的绝对值最小的数：s0000000100000000000000000000000x＝(－１)S×2－126×1.0•IEEE754的32位浮点数表示的除∞外的绝对值最大的数：s1111111011111111111111111111111x＝(－１)S×2127×(2－2－23)363、十进制数串的表示十进制数串在计算机内主要有两种表示形式：1＞字符串形式字符串形式：一个字节存放一个十进制的数位或符号位。为了指明这样一个数，需要给出该数在主存中的起始地址和位数(串的长度)。372.压缩的十进制数串形式压缩的十进制数串形式：一个字节存放两个十进制的数位。它比前一种形式节省存储空间，又便于直接完成十进制数的算术运算，是广泛采用的较为理想的方法。ＢＣＤ码（二－十进制编码）38４、自定义数据表示自定义数据表示则用数据本身来说明数据类型。其表示形式有两种，即标志符数据表示和描述符数据表示。标志符数据表示要求对每一个数据都附加标志符（Ｐ２２），其中标志符指明后面的数据所具有的类型，如整数、浮点数、BCD数、字符串等。39描述符数据表示主要用来描述多维