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文檔簡介
計算機(jī)組成原理第一章教學(xué)內(nèi)容第1章計算機(jī)系統(tǒng)概論第2章計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用第3章系統(tǒng)總線第4章存儲器第5章輸入輸出系統(tǒng)第6章計算機(jī)的運(yùn)算方法第7章指令系統(tǒng)第8章CPU的結(jié)構(gòu)和功能第9章控制單元的功能第10章控制單元的設(shè)計第1篇概論第2篇計算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)第3篇中央處理器第4篇控制單元第2頁,共33頁,2024年2月25日,星期天第一篇概論第一章計算機(jī)系統(tǒng)概論
1.1計算機(jī)系統(tǒng)簡介
1.2計算機(jī)的基本組成
1.3計算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)
第3頁,共33頁,2024年2月25日,星期天本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)突出計算機(jī)組成的概貌和框架,如下圖所示。第4頁,共33頁,2024年2月25日,星期天第一章計算機(jī)系統(tǒng)概論
1.1計算機(jī)系統(tǒng)簡介一、計算機(jī)的軟硬件概念
硬件——組成計算機(jī)的各種實(shí)際裝置的總稱。特點(diǎn):看得見摸得著。
軟件——計算機(jī)運(yùn)行所需的各種程序及相關(guān)資料。分類是?特點(diǎn):看不見摸不著。
兩者的關(guān)系:相輔相成,缺一不可。(硬件是基礎(chǔ),軟件是靈魂)第5頁,共33頁,2024年2月25日,星期天二、計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機(jī)系統(tǒng)——由硬件和軟件兩大部分組成。組織方法:分層——層次結(jié)構(gòu)。分層方法:從硬件開始,按與其結(jié)合的緊密程度,一層一層向外分層。層次圖如下:第6頁,共33頁,2024年2月25日,星期天高級語言機(jī)器(軟、虛)匯編語言機(jī)器(軟、虛)操作系統(tǒng)機(jī)器(軟、虛)傳統(tǒng)機(jī)器(硬、實(shí))微程序機(jī)器(硬、實(shí))計算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu):M4(翻譯成匯編語言)M3(翻譯成機(jī)器語言)M2(機(jī)器語言解釋os)M1(用微程序解釋機(jī)器指令)M0(硬件執(zhí)行微指令)第7頁,共33頁,2024年2月25日,星期天
虛擬機(jī)——計算機(jī)系統(tǒng)對于不同層次上的使用者來說,可看成是一臺具有這一層次功能的計算機(jī),而不考慮實(shí)際機(jī)器(硬件)的功能。為與實(shí)機(jī)相區(qū)別,稱“虛擬機(jī)”。第8頁,共33頁,2024年2月25日,星期天三、區(qū)別“結(jié)構(gòu)”、“組成”
計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Computer
Architecture)
——指那些能被程序員(匯編、機(jī)器語言編程)所見到的計算機(jī)系統(tǒng)的屬性(指令集、數(shù)據(jù)類型等)。
計算機(jī)組成(Computer
Organization)
——指計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所給屬性的邏輯實(shí)現(xiàn)(指令的實(shí)現(xiàn)、如何傳送指令、運(yùn)算等)。
注意區(qū)別兩個概念!第9頁,共33頁,2024年2月25日,星期天四、系列機(jī)的概念
系列機(jī)——同一廠家生產(chǎn)、具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),但有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的機(jī)器。
特點(diǎn):軟件具有向上兼容,向后兼容性。第10頁,共33頁,2024年2月25日,星期天一、計算機(jī)的特點(diǎn)(優(yōu)點(diǎn)):a、記憶能力強(qiáng)計算機(jī)可以長久的存儲大量的文字、圖形、聲音等信息資料。b、快速處理能力數(shù)據(jù)處理是人類社會的重要活動,很多場合處理速度起著決定作用。1.2計算機(jī)的基本組成第11頁,共33頁,2024年2月25日,星期天c、足夠高的計算精度通常情況下,數(shù)值精度預(yù)置為15位有效數(shù)字。d、自動完成各種操作計算機(jī)能自動執(zhí)行存放在內(nèi)存中的程序。e、復(fù)雜的邏輯判斷能力計算機(jī)的智能特點(diǎn)主要表現(xiàn)在它的邏輯判斷能力上。
第12頁,共33頁,2024年2月25日,星期天二、馮·諾依曼計算機(jī)的特點(diǎn):1、由五大部件組成;2、指令和數(shù)據(jù)以二進(jìn)制存放,可按地址尋訪;3、指令由操作碼和地址碼組成;4、指令在存儲器內(nèi)一般按順序存放;5、機(jī)器以運(yùn)算器為中心,各設(shè)備間數(shù)據(jù)傳送均經(jīng)過運(yùn)算器。第13頁,共33頁,2024年2月25日,星期天三、計算機(jī)的硬件組成:典型的馮·諾依曼機(jī)組成框圖:(各硬件作用?缺點(diǎn)?)存儲器輸入設(shè)備運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器結(jié)果數(shù)據(jù)指令以運(yùn)算器為中心計算步驟和開始數(shù)據(jù)計算結(jié)果第14頁,共33頁,2024年2月25日,星期天現(xiàn)代計算機(jī)(對馮諾依曼機(jī)進(jìn)行了許多改進(jìn)):以存儲器為中心的計算機(jī)組成框圖(存儲器要改進(jìn)什么?):計算步驟和開始數(shù)據(jù)計算結(jié)果控制器輸入設(shè)備存儲器輸出設(shè)備運(yùn)算器以存儲器為中心數(shù)據(jù)結(jié)果地址指令第15頁,共33頁,2024年2月25日,星期天幾個概念:
CPU、I/O設(shè)備、ALU、CU、MM、主機(jī)。
計算機(jī)也可看成由主機(jī)和I/O設(shè)備兩大部分組成。用這種觀點(diǎn)描述的計算機(jī)組成框圖如下:第16頁,共33頁,2024年2月25日,星期天現(xiàn)代計算機(jī)硬件組成層次示意圖:I/O設(shè)備MM主機(jī)CPU控制器運(yùn)算器ALUCU第17頁,共33頁,2024年2月25日,星期天四、計算機(jī)的工作過程:
兩大步驟:準(zhǔn)備,上機(jī)
1.上機(jī)前的準(zhǔn)備工作:三步①建立數(shù)學(xué)模型;②確定計算方法;③編程。
第18頁,共33頁,2024年2月25日,星期天實(shí)例例:計算ax2+bx+c的機(jī)器語言程序清單如下圖所示:第19頁,共33頁,2024年2月25日,星期天2.計算機(jī)的工作過程:細(xì)化的計算機(jī)組成框圖(整體):圖中示出了一臺計算機(jī)寄存器級的最簡結(jié)構(gòu)(連接省去)。ACCMQALUXIRPCMDRMARCPUI/O控制單元CU存儲體M運(yùn)算器控制器主存儲器……接口I/o設(shè)備第20頁,共33頁,2024年2月25日,星期天細(xì)化的計算機(jī)組成框圖(運(yùn)算器):ACCMQALUX運(yùn)算器①.
運(yùn)算器:三個寄存器和ALU
ACC:累加器
MQ:乘商寄存器
X:操作數(shù)寄存器
三個寄存器作用見表1.1
第21頁,共33頁,2024年2月25日,星期天表1.1
各寄存器存放的操作數(shù)含義
運(yùn)算寄存器操作數(shù)加法
減法
乘法
除法
ACC
被加數(shù)和
被減數(shù)差乘積高位
被除數(shù)余數(shù)
MQ
乘數(shù)乘積低位
商
X
加數(shù)
減數(shù)
被乘數(shù)
除數(shù)第22頁,共33頁,2024年2月25日,星期天寄存器操作常用描述方法
——寄存器傳送語言:
X:X寄存器名[X]:X寄存器中的內(nèi)容
M:存儲器某一單元名[M]:存儲器某單元內(nèi)容第23頁,共33頁,2024年2月25日,星期天
加法:[M]X[ACC]+[X]ACC
減法:[M]
X
[ACC]-[X]ACC
乘法:[M]MQ,[ACC]X,0ACC[X]×[MQ]ACC∥MQ
除法:[M]X[ACC]÷[X]MQ,RACC第24頁,共33頁,2024年2月25日,星期天細(xì)化的計算機(jī)組成框圖(控制器):
IRPC控制單元CU控制器……③.控制器的結(jié)構(gòu):
CU:控制單元
IR:指令寄存器
PC:程序計數(shù)器
第25頁,共33頁,2024年2月25日,星期天細(xì)化的計算機(jī)組成框圖(I/O設(shè)備):I/O④.
I/O:
I/O設(shè)備:完成輸入/輸出操作;
I/O接口:完成I/O設(shè)備與主機(jī)之間的連接。
設(shè)備接口第26頁,共33頁,2024年2月25日,星期天細(xì)化的計算機(jī)組成框圖(存儲器):MDRMAR存儲體M主存儲器②.主存:
存儲體:由許多存儲單元組成
存儲單元:由若干存儲元組成
存儲元:存放一位二進(jìn)制代碼的物理元件。
MDR:存儲器數(shù)據(jù)寄存器
MAR:存儲器地址寄存器
第27頁,共33頁,2024年2月25日,星期天1.3計算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)一、機(jī)器字長:
CPU能同時處理的數(shù)據(jù)位數(shù),即數(shù)據(jù)字長。相關(guān)概念:
存儲字長:一個存儲單元可存放的二進(jìn)制位數(shù)。
指令字長:一條指令所具有的二進(jìn)制代碼位數(shù)。
字節(jié)(Byte):計算機(jī)中另一種數(shù)據(jù)的表示單位。一個標(biāo)準(zhǔn)字節(jié)被規(guī)定為8位二進(jìn)制代碼。第28頁,共33頁,2024年2月25日,星期天三種字長的關(guān)系:
早期:三者相同;當(dāng)前:通常規(guī)定:
存儲字長=機(jī)器字長=字節(jié)的2n倍;例:常見字長=8位、16位、32位、64位等,分別稱為8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)、64位機(jī)。
指令字長=字節(jié)的整數(shù)倍;例:單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令、三字節(jié)指令等。第29頁,共33頁,2024年2月25日,星期天二、存儲容量:(僅討論主存)
主存中可存放的二進(jìn)制代碼的總數(shù)。容量的具體表示與主存的編址方式有關(guān)。
主存編址方式:
按字編址:
存儲容量=存儲單元個數(shù)Χ存儲字長
單位:位(b)
按字節(jié)編址:
存儲容量=存儲單元個數(shù)
單位:字節(jié)(B)第30頁,共33頁,2024年2月25日,星期天
例1:64KΧ32位(或216Χ32位)
——表示存儲容量為64K個存儲單元,存儲字長為32位。例2:256KB——表示存儲容量為256K個字節(jié)。此時,256KB相當(dāng)于256KΧ8位。第31頁,共33頁,2024年2月25日,星期天1B=8b
1K=210X8=213b1K=210
=1024B;
1M=220=1024KB
1G=230=1024MB;1T=240
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