計(jì)算機(jī)組成原理課件

計(jì)算機(jī)組成原參《ComputerOrganizationandDesign》hardwareandsoftwareinterfacePattersonandHennessy,3ndEdition,MorganKaufmannPub. 等翻《ComputerSystems：ARandalE.BryantDevidO’Hallaron,Prentice-HallInternationInc.2003中文譯本：《深入理解計(jì)算機(jī)系 公共郵：hgdjsj-第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基本計(jì)算機(jī)硬件的主要本書(shū)結(jié)計(jì)算機(jī)一、計(jì)算機(jī)軟、硬件的計(jì)算機(jī)系 計(jì)算機(jī)硬件：CPU+MM+ 計(jì)算機(jī)軟件：系統(tǒng)軟件+應(yīng)用軟計(jì)算機(jī)PC主PCI總線

CPU內(nèi)存解剖一臺(tái)計(jì)算個(gè)人計(jì)個(gè)人計(jì)機(jī)和外多個(gè)電每個(gè)集成電路有十幾十幾個(gè)十幾個(gè)門電上千萬(wàn)計(jì)算機(jī)機(jī)器語(yǔ)言面向機(jī)器匯編語(yǔ)言面向機(jī)器高級(jí)語(yǔ)言面向問(wèn)

面向?qū)m應(yīng)網(wǎng)絡(luò)②語(yǔ)言處理程 匯編程序編譯程序解釋程 DOSUNIXWindows 裝配調(diào)試診斷排錯(cuò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件計(jì)算機(jī)目程結(jié)翻運(yùn)計(jì)算一個(gè)典型程序的轉(zhuǎn)換處理 <sp 35105110991081171001013260115116100105111 \n \n <sp> \n 1046210101051101163210997105110404110123\ <sp> <sp> <sp> <sp> 10323232321121141051101161024034104101 <sp \ 108111443211911111410810092110344159101#include23int45 o,6

o.c的ASCII文本程序的功能是輸出 二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作匯編操作機(jī)器

虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器虛擬實(shí)際實(shí)際機(jī)器temptemp=v[k]=v[k+1]=軟件10001100010100000000000000001010110001010000000000000000 …, DATASSEGMENTSTRINGDBDATASENDS

13,10,

OWORLD!CODES AAA:MOV ENDS

最終用End系統(tǒng)管SystemInstruction CircuitDigitalCircuit

★指令系統(tǒng)（即ISA）是軟/硬件的★不同用戶工作在不同層次，所看到的計(jì)算機(jī)不 的部分三、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)體系 組成原理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屬性的具體邏輯實(shí)現(xiàn)，包含了三、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)體系體系結(jié)構(gòu)機(jī)器是否有乘法指令是體系結(jié)構(gòu)考慮的組成原乘法指令的實(shí)現(xiàn)方式則是組成原理要考計(jì)算機(jī)的基本一、 計(jì)算機(jī)的特 指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制代碼表示一、 計(jì)算機(jī)的特性質(zhì)，地址碼用來(lái)表示操作數(shù)在器中的位置。指令在器中按順序存放。一般情況下，指令按機(jī)器以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與器的數(shù)據(jù)二、計(jì)算機(jī)各功能部件的基本運(yùn)算器主要包括算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）和寄存寄存器由觸發(fā)器構(gòu)成，用 一些最頻繁使用的數(shù)據(jù) 程序和數(shù)據(jù)基 單元字

控制器控制全機(jī)各部件自動(dòng)、協(xié)調(diào)的工作，完成程序的輸入、運(yùn)行以及運(yùn)算結(jié)果的處輸入設(shè)輸出設(shè)

將外部信息（）將機(jī)器的運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信供給外部世以運(yùn)算器為中心的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框器輸入輸入輸出 運(yùn)算輸入設(shè)輸入設(shè)器輸出設(shè)控控制現(xiàn)代運(yùn)算控制輸出

輔

主

計(jì)算機(jī)主 主四、計(jì)算機(jī)的工作上機(jī)前的建立數(shù)學(xué)確定計(jì)算方sinxx

x3 x5 x7 x9

9!x1(ynx)(n0,1, … 編制解題程序—運(yùn)算的全部步驟指令—每一個(gè)步驟編程舉計(jì)算ax2+bx+ =(ax+b)x+設(shè)指令格

取數(shù)指令助記 LDA其他指

10位二進(jìn)制代碼（地址碼存數(shù) 加 [ACC]+[γ 乘 [ACC]×[δ

打印 [停計(jì)算ax2bxc程主 指地址操作 地址 abc

注取數(shù)x至乘a得ax存于ACC加b得ax+b,存于ACC加c得ax2bxc,存于ACC將ax2bxc存于主存單元停原始數(shù)據(jù)存放計(jì)算運(yùn)算器的基本組成及操作過(guò)XXX加X(jué)加和加減減乘乘乘乘積除余商除法操作X運(yùn)算X運(yùn)算M加初態(tài) 被加

法操作X運(yùn)算X運(yùn)算M減初態(tài) 被減

M乘法操作M乘運(yùn)算運(yùn)算X初 被乘 0

法操作運(yùn)運(yùn)算M除初 被除 余數(shù)在ACC 體體– 單元– 單元存放一串 體最小可編址單字節(jié)8 若干個(gè)字節(jié)組合而

字 單元中二進(jìn)制代碼的位按地址尋

每 單元賦予一個(gè)地址器的基本 體

器地址寄反 單元的個(gè)器數(shù)據(jù)寄反 字00000001

MAR4MDR8單元個(gè)數(shù)完成取指令PC一條分析指令I(lǐng)R指令執(zhí)行指令

取指訪存執(zhí)行訪存PC存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址具有計(jì)數(shù)功能（PC）+1 IR放當(dāng)前欲執(zhí)行的指主機(jī)完成一條指令以取數(shù)指令為體體 控單X

62 4運(yùn)算

控制 9以存數(shù)指令為體體 控單X

62 4

控制 8ax2bxc程序的運(yùn)將程序程序首地 啟動(dòng)程序取指令 分析指令

IR,(PC)+ 執(zhí)行指令 …打印…停計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)機(jī)器

CPU主CPU寄存器位數(shù)主運(yùn)算

TMnn每秒執(zhí)行百萬(wàn)條執(zhí)行一條指令所需時(shí)鐘每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn) 容

存放二進(jìn)制信息的總主存

單元個(gè)數(shù) 字如 容 1K×8 64K32如：213221=

1K=1Byte=輔存

字節(jié)

1G=基本的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是：CPU的執(zhí)行時(shí)"XisntimesfasterthanY"

相對(duì)性能用執(zhí)

=

間的倒數(shù)來(lái)表 CPU執(zhí)行時(shí)間的計(jì)CPU執(zhí)行時(shí)間CPU時(shí)鐘周期數(shù)X時(shí)鐘周=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/時(shí)鐘頻=指令/XCPIX時(shí)鐘周CPU時(shí)鐘周期指令條數(shù)XCPICPI=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/÷指令/程序AspectsofCPUCPU

= =Instructions instr.clockInstr.Set.思考：三個(gè)因素與哪些方面有關(guān)AspectsofCPUCPUCPUtime=SecondsProgram=InstructionsProgramInstructionCycles SecondsCycleinstr.clock√√√Instr.Set√√√√√如何計(jì)算CC假定CPIi和Ci分別為第i類指令的CPI和指令條總時(shí)鐘

nn所以

CPU時(shí)間＝時(shí)鐘周期CPIinn假定Fi是第i條指令在程序中的出現(xiàn)頻率，則程序綜合CPI為CPI

∑i=

x

此

Instruction_已知CPU時(shí)間、時(shí)鐘頻率、總時(shí)鐘數(shù)、指令則程序綜合CPI為CPICPU時(shí)間×?xí)r鐘頻率指令條總時(shí)鐘周指令條問(wèn)題：指令的CPI、機(jī)器的CPI、程序的CPI各能反映哪方面的性能單靠 CPU的性能！為什么？如：?jiǎn)沃芷谔幚砥鰿PI=1，性能差在要設(shè)計(jì)一臺(tái)機(jī)器B，希望該程序在B上運(yùn)行只需6s.PIB上時(shí)鐘周期數(shù)是在機(jī)器上的1.2倍。機(jī)器的時(shí)鐘頻率達(dá)到的多少倍才能使程序P在上執(zhí)行速度是上的10/61.67倍？sweCPU時(shí)間A時(shí)鐘周期數(shù)A時(shí)鐘頻率時(shí)鐘周期數(shù)A10secx400MHz4000M個(gè)時(shí)鐘頻率B=時(shí)鐘周期數(shù)B/CPU時(shí)間B=1.2x4000M/6sec=800機(jī)器B的頻率是A的兩倍，但機(jī)器B的速度并不是A如何給出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果先看一個(gè)例子Program1:1seconmachineA,10seconmachineBProgram2:1000seconA，100seconBWhatareyourAis10timesAis10timesfasterthanBforBis10timesfasterthanAfor的值來(lái)表示Bis1001/110=9.1ti