计算机组成原理讲义教材

计算机组成原理课程简介计算机组成原理是讲述计算机的一般结构、组成、原理的课程，本课程的基础课是数字电路、离散数学等，后继课程有计算机系统结构、微机原理等。选用教材：白中英主编，《计算机组成原理（第三版）》，科学出版社第一章计算机系统概论学习目标·计算机硬件、软件的基本概念·计算机系统的基本组成；·计算机的工作过程；·计算机系统的层次结构。本章需掌握的主要内容：1.计算机的发展、分类、特点与应用；2.计算机硬件和软件的基本概念；3.计算机硬件系统的组织，各部分的功能及其组成框图；4.计算机的工作过程，即执行指令的过程；5.冯.诺依曼型计算机的设计思想；6.计算机系统的层次结构。对计算机有一个总体的概念，以便展开后续各章内容。1．1计算机的分类和应用1．1．1计算机的分类计算机分类：数字计算机分类：DSP、IOP等GPP通用机分类：巨型机（Super-Computer）、大型机（Mainframe）、中型机（Medium-sizeComputer）、小型机（minicomputer）、微型机（microcomputer）、单片机（Single-ChipComputer）1．1．2计算机的应用·科学计算：传统方式：工作量大、人工处理慢·自动控制：数控机床、流水线控制·测量和测试：提高精度、在恶劣条件下的测量·信息处理：·教育和卫生：计算机辅助教学（CAI）、多媒体教室、CT（Computerizedtomography）·家用电器：·人工智能1．2计算机的硬件1．2．1数字计算机的硬件组成概念：存储单元、地址、存储容量、外存储器、内存储器、指令、程序、指令的组成、存储程序、程序控制、指令系统、指令周期、执行周期、CPU、主机、数据字、指令字、数据流、指令流、适配器。冯·诺依曼体系结构：(1)采用二进制形式表示数据和指令数据和指令在代码的外形上并无区别．都是由0和1组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。采用二进制、使信息数字化容易实现，可以用二值逻辑工具进行处理。程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。(2)采用存储程序方式这是诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。(3)由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置等五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，并开创了程序设计的新时代。到目前为止，绝大多数计算机仍沿用这一体制，称为冯·诺依曼机体制。学习计算机工作原理也就从冯·诺依曼概念入门。•一般的计算机结构框图（存储器为中心）五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入／输出设备。1.运算器•算术运算和逻辑运算•在计算机中参与运算的数是二进制的•运算器的长度一般是8、16、32或64位2.存储器•存储器–存储数据和程序–容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）–分类内存（ROM、RAM）、外存–存储器单位：•210byte＝1K•210K＝1M•210M＝1G•210G＝1T存储单元:在存储器中保存一个数的16个触发器,称为一个存储单元。地址:存储器是由许多存储单元组成,每个存储单元的编号,称为地址。存储容量:存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB”表示,如64KB,128MB。存储容量越大,表示计算机记忆储存的信息就越多。运算电路单元寄存器B累加器A存储器输入设备输出设备控制器运算器地址线控制线数据线外存储器:计算机中又配备的存储容量更大的磁盘存储器、光盘存储器等。相对而言,半导体存储器称为内存储器,简称内存。3、控制器•控制器–指令和程序（计算机工作原理）–指令的形式（操作和地址码、存储程序的概念、指令中程序和数据的存放、指令系统）–控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期–指令流和数据流指令：每一个基本操作就叫做一条指令,程序：而解算某一问题的一串指令序列,叫做该问题的计算程序,简称为程序。指令形式：的内容由两部分组成,即操作的性质和操作的地址。前者称为操作码,后者称为地址码。操作码地址码操作码：指出指令所进行的操作,如加、减、乘、除、取数、存数等等;地址码：表示参加运算的数据应从存储器的哪个单元取,运算的结果应存到哪个单元。取指周期：通常把取指令的一段时间叫做取指周期,执行周期：而把执行指令的一段时间叫做执行周期。主机：CPU和存储器的合称4、适配器与I/O设备•计算机的发展（系统结构1.2doc）手工模仿计算机工作（1）手工模仿计算机工作（2）•加法001•减法010•乘法011•除法100•取数101•存数110•打印111•停机0001．2．2计算机系统结构的过去和未来发展：电子管→晶体管→集成电路→大规模、超大规模集成电路趋势：由于计算机网络和分布式计算机系统能为信息处理提供廉价的服务，因此计算机系统的进一步发展，“三网合一”，将进入以通信为中心的体系结构。计算机智能化将进一步发展，各种知识库及人工智能技术将进一步普及，人们将用自然语言和机器对话。计算机从数值计算为主过渡到知识推理为主，从而使计算机进入知识处理阶段。随着大规模集成电路的发展，不仅用多处理机技术来实现大型机系统功能，而且会出现计算机的动态结构，即所谓模块化计算机系统结构。多媒体技术将有重大突破和发展，并在微处理机、计算机网络与通信等方面引起一次巨大变革。1．3计算机的软件计算机硬件是载体，软件是灵魂。1．3．1软件的组成与分类分类：系统程序、应用程序1．3．2软件的发展演变手编程序（目的程序）→汇编程序→算法语言（高级语言）高级语言与机器语言的转换：编译系统、解释系统操作系统、数据库1．4计算机系统的层次结构1．4．1多级组成的计算机系统P16图1.6五个级别：第一级微程序设计级、第二级是一般机器级、第三级是操作系统级、第四级是汇编语言级、第五级是高级语言级。操作码操作数1．4．2软件与硬件的逻辑等价性补充：计算机的性能指标•基本字长基本字长是指参与运算的数的基本位数，它标志着计算精度。位数越多，精度越高，但硬件成本也越高，因为它决定着寄存器、运算部件、数据总线等的位数。•主存容量主存储器是CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就放在主存之中。主存容量大则可以运行比较复杂的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的软件支撑环境。所以，计算机处理能力的大小在很大程度上取决于主存容量的大小。•外存容量外存容量一般是指计算机系统中联机运行的外存储器容量。由于操作系统、编译程序及众多的软件资源往往存放在外存之中，需用时再调入主存运行。在批处理、多道程序方式中，也常将各用户待执行的程序、数据以作业形式先放在外存中，再陆续调入主存运行。所以，联机外存容量也是一项重要指标，一般以字节数表示。•运算速度同一台计算机，执行不同的运算所需时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同方法。常用的有CPU时钟频率、每秒平均执行指令数(ips)、单独注明时间等。•所配置的外围设备及其性能指标外围设备配置也是影响整个系统性能的重要因素，所以在系统技术说明中常给出允许配置情况与实际配置情况。•系统软件配置情况作为一种硬件系统，允许配置的系统软件原则上是可以不断扩充的，但实际购买的某个系统究竟已配置哪些软件，则表明它的当前功能。第二章运算方法和运算器本章摘要·数值数据和非数值数据在计算机中的表示方法；·定点数加、减、乘、除运算方法；·浮点数加、减、乘、除运算方法；·定点、浮点运算器的组成及工作原理。本章需掌握的主要内容：1．掌握定点数和浮点数以及原码、反码、补码的表示方法；2．掌握补码加减运算的方法，溢出的概念与检测方法，基本的二进制加法。3．理解定点乘法运算和除法运算的工作原理；4．理解ALU的功能、设计方法和工作原理；5．掌握基本的浮点运算方法，了解浮点运算器的组成和原理；6．理解内部总线的概念、分类及特点；2．1数据与文字的表示方法2．1．1数据格式在选择计算机的数的表示方式时，应当全面考虑以下几个因素：•要表示的数的类型(小数、整数、实数和复数)：决定表示方式•可能遇到的数值范围：确定存储、处理能力•数值精确度：处理能力相关•数据存储和处理所需要的硬件代价：造价高低两种常用格式：•定点格式：定点格式容许的数值范围有限，但要求的处理硬件比较简单；（1）定点纯小数x0x1x2x3…xn-1xn表示数的范围是0≤|ｘ|≤1－2－n(最小数、最大数、最接近0的正数、最接近0的负数）符号量值小数点固定于符号位之后，不需专门存放位置x=0.00...0x=1.00...0x=0正0和负0都是0X=0.11...1x=1－2－n最大X=0.00...01x=2－n最接近0的正数X=1.00...01x=－2－n最接近0的负数X=1.11...1x=－（1－2－n）最小（2）定点纯整数x0x1x2x3…xn-1xn表示数的范围是0≤|ｘ|≤2n－1？最小数、最大数、最接近0的正数、最接近0的负数呢•浮点格式：容许的数值范围很大，但要求的处理硬件比较复杂。（1）定点数表示法定点指小数点的位置固定，为了处理方便，一般分为定点纯整数和纯小数。（2）浮点数表示法(小数点位置随阶码不同而浮动)格式N=Re.m浮点表示法，即小数点的位置是浮动的。其思想来源于科学计数法。Ｍ：尾数，是一个纯小数。e：比例因子的指数，称为浮点数的指数，是一个整数。R：比例因子的基数，对于二进制数值的机器是一个常数，一般规定Ｒ为2，8或16。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。）：小数点固定于最后一位之后，不需专门存放位置量值符号基数,取固定的值,比如10,2等尾数指数为便于软件移植，按照IEEE754标准，32位浮点数和64位浮点数的标准格式为32位的浮点数中，Ｓ：浮点数的符号位，1位，0表示正数，1表示负数。Ｍ：尾数，23位，用小数表示，小数点放在尾数域的最前面。Ｅ：阶码(8位),阶符采用隐含方式，即采用移码方式来表示正负指数。移码方法对两个指数大小的比较和对阶操作都比较方便，因为阶码域值大者其指数值也大。采用这种方式时，将浮点数的指数真值e变成阶码Ｅ时，应将指数e加上一个固定的偏移值127(01111111)，即Ｅ＝e＋127.例1：若浮点数ｘ的754标准存储格式为(41360000)16，求其浮点数的十进制数值。[解:]将十六进制数展开后，可得二进制数格式为指数e＝阶码－127＝10000010－01111111＝00000011=(3)10包括隐藏位1的尾数1.M＝1.01101100000000000000000＝1.011011于是有ｘ＝(－1)s×1.M×2e＝＋(1.011011)×23＝＋1011.011＝(11.375)10例2：将(20.59375)10转换成754标准的32位浮点数的二进制存储格式。[解:]首先分别将整数和分数部分转换成二进制数：20.59375＝10100.10011然后移动小数点，使其在第1，2位之间10100.10011＝1.010010011×24e＝4于是得到：S＝0，E＝4＋127＝131，M＝010010011最后得到32位浮点数的二进制存储格式为：01000001101001001100000000000000＝(41A4C000)16浮点数的规格化：主要解决同一浮点数表示形式的不唯一性问题。规定，否则尾数要进行左移或右移。机器零的概念：当一个浮点数的尾数为0，不论其阶码为何数，或当阶码值遇到比它能表示的最小值还小时，不论其尾数为何值，计