计算机组成原理第一章

第一章计算机系统概论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、计算机软、硬件的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/OCU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、计算机的工作步骤取x至运算器中乘以x在运算器中乘以a在运算器中存ax2在存储器中取b至运算器中乘以x在运算器中加ax2在运算器中加c在运算器中=(ax+b)x+c取x至运算器中乘以a在运算器中加b在运算器中乘以x在运算器中加c在运算器中计算ax2+bx+c1.2编程举例0000010000001000打印停机取数α[α]ACC存数β[ACC]β加γ[ACC]+[γ]ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式举例1.2操作码地址码[]打印机指令和数据存于主存单元的地址指令注释操作码地址码00000010000001000取数x至ACC10001000000001001乘a得ax存于ACC中20000110000001010加b得ax+b,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c,存于ACC50000100000001100将ax2+bx+c存于主存单元60001010000001100打印7000110停机8x原始数据x9a原始数据a10b原始数据b11c原始数据c12存放结果1.2计算ax2+bx+c程序清单ACCMQX2.计算机的解题过程(1)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运算器MQACCALUXACC被加数ACC初态①加法操作过程1.2[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M1.2②减法操作过程运算器MQACCALUX指令减MACC被减数ACC初态[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC运算器MQACCALUXACCACC被乘数初态1.2ACCMQ[M]MQ指令乘M③乘法操作过程X[ACC]X00ACCALU[X]×[MQ]ACC∥MQACCMQ运算器MQACCALUXACC被除数ACC初态1.2[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余数在ACC中指令除M[M]XX④除法操作过程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）(2)存储器的基本组成1.2主存储器存储体MARMDRMARMDR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(2)存储器的基本组成主存储器存储体MARMDR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/O12356798以存数指令为例41.2CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O(4)主机完成一条指令的过程(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数量1.31K=2101Byte=231G=2301K×8位64K×32位第一篇概论1.4本书结构内部互连ALUCU寄存器中央处理单元寄存器解码器控制单元排队逻辑控制存储器第二篇计算机系统硬件结构第三篇CPU第四篇CU计算机I/O系统总线存储器CPU