计算机组成基本原理

计算机组成原理computerorganizationprinciple顾浩赵宝华第1章计算机系统概论本章要点本章主要介绍计算机系统基本部件的功能与结构，同时介绍了计算机的层次结构，通过本章的学习，读者对计算机系统应有一个整体的概念。第1章计算机系统概论1．1计算机系统简介1．2图灵机（了解）1．3计算机的基本组成1．4计算机的主要性能指标小结习题1.1计算机系统简介1.1.1计算机的硬件和软件的概念计算机是由硬件和软件两大部分组成,能按照事先存储的程序,自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的高度自动化的电子设备。硬件（Hardware）是计算机系统中的实体部分，由电子的、磁性的、机械的、光的元器件组成，包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。软件（software）是指在计算机硬件上运行的各种程序和有关文档的总称，含系统软件、应用软件和工具软件三大类。计算机系统硬件软件互补程序文档+系统软件语言处理程序操作系统工具软件应用软件文字处理数据处理计算机辅助软件……计算机系统的软件分类1.1.2计算机系统的层次结构1．虚拟机（VirtualMachine）的概念应用语言虚拟机M5（应用语言）用应用语言编写的应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言高级语言虚拟机M4（高级语言）高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言（或某中间语言程序或机器语言程序）汇编语言虚拟机M3（汇编语言）汇编语言程序经汇编程序翻译成机器语言程序操作系统虚拟机M2(作业控制语言)由机器语言程序解释操作系统命令传统机器M1（机器语言）由微程序解释机器指令微程序机器M0（微指令）由硬件直接执行虚拟机是一个抽象的计算机，它由软件实现，并与实际机器一样，都具有一个指令集并可使用不同的存储区域。如，一台机器上配有C语言和Pascal语言的编译程序，对C语言的用户来讲，这台机器就是以C语言为机器语言的虚拟机，对Pascal语言的用户来讲，这台机器就是以Pascal语言为机器语言的虚拟机。计算机系统的层次结构图本书的讨论范围翻译(应用软件包)翻译(编译程序)翻译(汇编程序)部分解释(操作系统)解释硬件直接执行2.虚拟机的层次结构从语言的角度来划分计算机系统的层次结构，那么虚拟机可分成如图1-2所示的操作系统虚拟机、汇编语言虚拟机、高级语言虚拟机和应用程序虚拟机等层次。虚拟机概念的引入，推动了计算机体系结构的发展。由于从各层次的虚拟机可方便地识别相应层次的计算机语言，从而摆脱了这些语言必须在同一台机器上执行的情况，为日后的多处理机系统、分布式处理系统、计算机网络、并行计算机系统等新颖计算机体系结构的出现夯实了基础。本书讨论的范围仅局限于传统机器M1和微程序机器M0的组成原理和设计思想。广义语言解释器作用对象控制信息状态信息虚拟计算机观察者1.1.3计算机体系结构与计算机组成1.计算机体系结构（ComputerArchitecture）计算机体系结构是程序员看得见的计算机的属性，即概念性的结构与功能特性。通常指用机器语言编程的程序员（也包括汇编语言程序设计者和汇编程序设计者）所看到的传统机器的属性，包括指令系统、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等，大多属于抽象的属性。2.计算机组成（ComputerOrganization）是计算机体系结构的逻辑实现，即指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了对许多程序员来说是透明的（即程序员是不知道的）硬件细节，它包括硬件部件的构造及如何连接这些组件组成一个计算机系统。注:在计算机中,客观存在的事物或属性从某个角度看不到,就叫”透明”。1.1.3计算机体系结构与计算机组成3.计算机体系结构与计算机组成的关系许多计算机制造商向你提出一系列体系结构相同的计算机，而它们的组成却有相当大的区别，即使是同一系列不同型号的机器，其价格和性能也是有极大差异的。一种体系结构(例PC系列机)可有多种组成(表1-1).因此，只知其结构，不知其组成，就选不好性能价格比最合适的机器。本书主要介绍计算机的组成及工作原理。1.1.3计算机体系结构与计算机组成表1-1PC系列机特性比较计算机型号PC和XTPCAT80386AT80486ATPentiumATPentiumIIATPentiumIIIATPentiumIVAT处理器型号8088802868038680486PentiumPentiumIIPentiumIIIPentiumIV上市时间19791982198519891993199719992000处理器字宽1616323232323232I/O总线PC总线ISAISA/EISAISA+VLISA+PCIISA+PCI+AGPISA+PCI+AGPISA+AGP+PCI-Express地址线2020/2420/3220/3220/3220/3220/3220/32寻址方式实地址实/虚地址实/虚地址实/虚地址实/虚地址实/虚地址实/虚地址实/虚地址1.2图灵机1.2.1图灵机简介•英国数学家A.M.Turring于1936年从计算一个数的一般过程着手对计算的本质进行研究，提出了一种理想的计算机的数学模型，实现了对计算本质的真正认识。•图灵机（TurringMachine，TM）并不是具体的机器，而是一个通用的计算机模型。目前已成为计算机科学中可计算理论和计算复杂性理论的基础。•所谓计算就是计算者（人或机器）对一条两端可无限延长的磁带上的一串0和1进行操作，一步一步地改变磁带上的0或1，经过有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程。图灵机用形式化方法成功地表述了计算这一过程的本质。•图灵的研究结果是：可计算性＝图灵可计算性。1.2.2图灵机的基本模型DATABD……q1参q2q3q4q5读写头有限状态控制器图1-3图灵机磁带一台标准的确定型单带图灵机由一条双向无限长的磁带（被分割分无穷个小方格）、一个有限状态控制器与一个读写磁头构成。图灵机一步一步地进行工作。工作情况取决于以下三点：1．机器的内部状态。2．读写磁头扫描在磁带哪个方格上。3．读写磁头扫描的方格上有什么信息。1.3计算机的基本组成1.3.1冯.诺依曼计算机的特点1.“存储程序”的概念:•指令和数据均以二进制码表示。•指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器的位置。•指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。冯．诺依曼对计算机界的最大贡献是：首次提出并实现了“存储程序”概念。本书主要介绍冯．诺依曼结构计算机的组成。译码器PC操作码操作数地址程序(指令)区数据区主存区指令寄存器+1读指令读写控制器︾︾存储程序原理示意图冯.诺依曼与ENAICJohnVonNeuman(1903—1957)1944年参加“ENIAC”计算机研究工作。1953年3月，他领导的小组发表了全新的存储程序式通用电子计算机方案—电子离散变量自动计算机EDVAC。1946年与他人合作提出更完善的计算机设计报告，是以仙农提出的二进制，程序内存以及指令和数据统一存储为基础，奠定了现代计算机体系结构的根基。1.3.2计算机的主要部件控制器输入设备存储器输出设备运算器计算步骤和原始数据计算结果图1.5存储器为中心的计算机结构框图传统计算机的五大部件:1.输入设备2.输出设备3.存储器4.运算器:又叫ALU5.控制器MM主存储器ALU算术逻辑部件CU控制单元CPUI/O设备主机图1-6现代计算机的组成框图现代计算机的三大部件:1.CPU(运算器+控制器)2.I/O设备3.主存储器MM1.3.3计算机的总线结构运算器控制器存储器输入设备输出设备外存储器地址总线控制总线数据总线图1-7单总线结构的计算机原理图●数据总线：用于传输数据；●地址总线：用于传输内存存储单元的地址；●控制总线：用于传输控制信号。分时和共享是总线的两大基本特点。注意:数据,地址和控制总线并不是三组总线,它们都是系统总线的一部分。1.3.4计算机的工作过程1.程序:是为求解某个特定问题而设计的指令序列。计算机的工作过程就是执行程序的过程.例:a＋︱b︱＝a＋bb≥0a－bb＜0计算机的解题步骤可作如下安排：步骤1：取a；步骤2：取b；步骤3：判断；·若b≥0，执行步骤4;若b＜0，执行步骤6步骤4：执行a＋b；步骤5：转步骤7；步骤6：执行a－b；步骤7：结束。计算机的工作过程可归结为：取指令→分析指令→执行指令→再取下一条指令，直到程序结束的反复循环过程。1.3.4计算机的工作过程2.指令:程序是由指令组成的。指令是机器所能识别的一组编制成特定格式的代码串，它要求机器在一个规定的时间段(指令周期)内，完成一组特定的操作。指令的基本格式可归结为操作码OP和操作数地址AD两部分。⑴指出计算机应完成的一组操作内容，⑵两个操作数的地址和存放结果的地址及寻址方式。⑶为保证程序执行的连续性，在执行当前指令时，还需指出下一条指令的地址。1.3.4计算机的工作过程3.指令的执行指令规定的内容是通过控制器执行的。⑴控制器的功能①定序功能——保证按程序规定的顺序执行指令。②定时功能——控制器为各部件提供统一节拍，使各条指令及组成每条指令的基本操作（称为微操作）都严格地按规定的时间有条不紊地自动执行。③操作控制功能——控制器应能按照指令规定的内容，在相应的节拍向有关部件发出操作控制信号。1.3.4计算机的工作过程⑵控制器的组成分别由指令部件、时序部件和操作控制部件来完成。操作控制器指令指针IP时序部件指令译码地址计算指令寄存器IR…操作控制信号……指令指令……数据数据……指令地址操作数地址+1地址单元nn+1mm+1······操作数送ALU图1-8控制器工作原理图指令⑶一条指令的执行过程①把指令指针IP中的指令地址送存储器，从该地址取出指令送指令寄存器IR；②地址计算部件，根据IR中的地址码形成操作数地址送存储器，从该地址取出数据，送到运算器中的寄存器；③将IR中的操作码OP送指令译码器进行译码；④在控制器发出的操作信号的控制下，各有关部件执行操作码OP规定的操作；⑤指令指针IP加1。4.计算机的解题过程取数005加法006减法007存数008停机abca+b-c000102030405060708存储数据寄存器ALU累加器数据总线(a)(b)图1-9计算机执行过程举例解题大致要经过程序设计→输入程序→执行程序等步骤。现以计算a＋b－c为例来说明。具体步骤：⑴执行取数指令，从主存5号单元取出数a，送入累加器中。⑵执行加法指令，将累加器中的内容a与从主存6号单元取出的数b一起送到算术逻辑部件ALU中相加，结果a＋b保留在累加器中。⑶执行减法指令，将累加器中的内容a＋b与从主存7号单元取出的数c一起送到ALU中相减，差保留在累加器中。⑷执行存数指令，把累加器中的内容a＋b－c存至主存8号单元。⑸执行停机指令，计算机停止工作。1.4计算机的主要性能指标1．主频•主频即时钟频率，是指计算机的CPU在单位时间内发出的脉冲数目。2．机器字长•机器字长是指CPU一次能处理数据的位数。3．主存容量•主存容量是指一个主存储器所能存储的全部信息量。4．运算速度•运算速度是一项综合性指标，它与许多因素有关。5．兼容性•兼容性（compatibility）是指一台设备、一个程序或一个适配器在功能上能容纳或替代以前版本或型号的能力。这个性能指标往往与系列机联系在一起的。举例指令参数传送加减乘除逻辑其他使用频度(%)执行时间(ns)30200204001025002030020250上表是某计算机的使用统计表,按表计算该机的运算速度为:V=1/(0.3×200+0.2×400+0.1×2500+0.2×300+0.2×250)×10-9=1/(60+80+250+60+50)×10-9=2×106条/S=2MIPS5．兼容性•系列机的软件兼容分为向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。向上（下）兼容是指按某档次机器编制的程序，不加修改地就能运行在比它更高（低