计算机组成原理讲义.docx

计算机组成原理讲义.docx

《计算机组成原理讲义.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理讲义.docx（136页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

计算机组成原理讲义

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：

模拟：

处理在时间和数值上连续的量

数字：

处理离散的量

数字计算机分类：

专用计算机：

如工控机、DSP、IOP等

通用计算机：

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。

　　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000

操作码操作数

1．2．2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。

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）

x=0.00...0

x=1.00...0

x=0

正0和负0都是0

X=0.11...1

x=1－2－n  

最大

X=0.00...01

x=2－n 

最接近0的正数

X=1.00...01

 x=－2－n

最接近0的负数

X=1.11...1

 x=－（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。

）：

　　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＝1.010010011×24　　　　　e＝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，计算机把该浮点数看成零值，称为机器零。

3）十进制数串的表示方法

•字符串形式：

一个字节存放一个十进制的数位或符号位

•BCD（压缩）：

一个字节存放两个十进制的数位

•编码方式

–有权码：

（8421码、2421码、5211码）

–无权码：

（余三码、格雷码）

•自定义数据表示

4） 自定义数据表示

标志符数据表示、描述符数据表示

区别：

    标志符与每个数据相连，二者合起来存放在一个存储单元，而描述符要和数据分开存放；

   描述符表示中，先访问描述符，后访问数据，至少增加一次访存；

   描述符是程序的一部分，而不是数据的一部分。

2．1．2数的机器码表示

•数的机器码表示

–真值和机器码：

真值（书写用）、机器码（机器内部使用）的概念

–原码：

优点：

简单易懂。

缺点：

加减法运算复杂。

–补码:

加减法运算方便，减法可以转换为加法．

为了区别一般书写表示的数和机器中这些编码表示的数，通常将前者称为真值，后者称为机器数或机器码。

1、原码表示法

•定点小数x0.x1x2…xn

x1>x≥0　　　0，正数

[x]原=符号

1-x=1+|x|0≥x>-1　　　1，负数

注：

有正0和负0之分

范围2-n-1~1-2-n

例：

x=+0.11001110

[x]原=0.11001110[-x]原=1.11001110

•定点整数x0x1x2…xn

x2n>x≥0　　　0，正数

[x]原=符号

2n–x=2n+|x|　0≥x>-2n　　　1，负数

注：

有正0和负0之分

范围1-2n～2n-1

例：

x=+11001110

[x]原=011001110[-x]原=111001110

２、补码：

我们先以钟表对时为例说明补码的概念。

假设现在的标准时间为4点正；而有一只表已经7点了，为了校准时间，可以采用两种方法：

一是将时针退7-4=3格；一是将时针向前拨12-3=9格。

这两种方法都能对准到4点，由此可以看出，减3和加9是等价的，就是说9是（-3）对12的补码，可以用数学公式表示

　　　　　　　　　　　　　　　　　-3＝+9（mod12）

　　mod12的意思就是12模数，这个“模”表示被丢掉的数值。

上式在数学上称为同余式。

　　上例中其所以7-3和7+9（mod12）等价，原因就是表指针超过12时，将12自动丢掉，最后得到16-12=4。

从这里可以得到一个启示，就是负数用补码表示时，可以把减法转化为加法。

这样，在计算机中实现起来就比较方便。

•定点小数x0.x1x2…xn

x1>x≥0　　　0，正数

[x]补=符号

２＋x=2-|x|0≥x>-1　　1，负数

注：

0的补码只有一种形式

范围2-n-1~1-2-n

例:

（１）　x=-0.1011　　　　　（２）y=-0.01111

[x]补=10+x=10.0000-0.1011=1.0101

[y]补=10+y=10.00000-0.01111=1,10001

•定点整数x0x1x2…xn

x2n>x≥0　　　0，正数

[x]补=符号

2n＋１＋x=2n+1-|x|　0≥x>-2n　1，负数

注：

0的补码只有一种形式

范围-2n～2n-1

3、反码：

为计算补码方便而引入

计算公式：

小数公式2.11（P25），整数公式2.12（P25）

由反码求补码：

符号位置1，各位取反，末位加1。

4、移码：

用于阶码的表示，两个移码容易比较大小，便于对阶。

定义：

公式2.14。

即将数值向X轴正方向平移2n

–例-1011111原码为11011111

–补码为10100001反码为10100000

–移码为00100001

–特点：

移码和补码尾数相同，符号位相反

–例3和例4

小结：

上面的数据四种机器表示法中，移码表示法主要用于表示浮点数的阶码。

由于补码表示对加减法运算十分方便，因此目前机器中广泛采用补码表示法。

在这类机器中，数用补码表示，补码存储，补码运算。

也有些机器，数用原码进行存储和传送，运算时改用补码。

还有些机器在做加减法时用补码运算，在做乘除法时用原码运算。

2．1．3字符与字符串的表示方式

ASCII码

2．1．4汉字的表示方式

1） 输入码：

用于汉字输入

2） 内码：

用于汉字的存储

3） 字模码：

用于汉字的显示

2．1．5校验码

奇、偶校验码

　　最简单且应用广泛的检错码是采用一位校验位的奇校验或偶校验。

设ｘ＝（ｘ0ｘ1…ｘn－1）是一个n位字,则奇校验位

定义为

＝ｘ0⊕ｘ1⊕…⊕ｘn－1

（2.15）

式中⊕代表按位加,表明只有当ｘ中包含有奇数个1时,才使

＝1,即

＝0。

　同理,偶校验位Ｃ定义为

C＝ｘ0⊕ｘ1⊕…⊕ｘn－1

（2.16）

即ｘ中包含偶数个1时,才使C＝0。

　　[例7]已知下表中左面一栏有5个字节的数据。

请分别用奇校验和偶校验进行编码,填在中间一栏和右面一栏。

见P30

补充内容

一、常用逻辑门

二、全加器

三、编码器和译码器

四、触发器

五、寄存器

2．2定点加法、减法运算

一、补码加法

加法公式：

[x+y]补=[x]补+[y]补（mod2）（2.17）

证明：

（P31）假定X、Y均为定点小数，且|x|<1,|y|<1,|x+y|<1

（1）若x>0,y>0则x+y>0

[x]补+[y]补=x+y=[x+y]补（正数的原、反、补码是相同的）

（2）x>0,y<0

[x]补=x[y]补=2+y

[x]补+[y]补=x+2+y=2+（x+y）

①当x+y>0

2+（x+y）会产生进位，进位位丢掉

2+（x+y）=x+y=[x+y]补

②当x+y<0

2+（x+y）=[x+y]补

故[x]补+[y]补=[x+y]补

（3）x<0,y>0

（略）同

（2）

（4）x<0,y<0

[x]补=2+x[y]补=2+y

[x]补+[y]补=2+x+2+y=2+（2+x+y）

∵-1

则-1+2<2+x+y<0+2

1<2+x+y<2

∴2+（2+x+y）产生进位、丢掉，2+（2+x+y）=（2+x+y）

又∵x+y<0

∴（2+x+y）=2+（x+y）=[x+y]补

注：

补码加法的特点：

（1）符号位要作为数的一部分参与运算

（2）要在模2的意义下相加，即超过2的进位要丢掉。

例1:

x=-0.1011,y=0.0111

[x]补=1.0101[y]补=0.0111

[x+y]补=[x]补+[y]补=1.0101+0.0111=1.1100

x+y=-0.0100

例2:

x=+0.11011,y=-0.11111

[x]补=0.11011[y]补=1.00001[-y]补=0.11111

[x-y]补=[x]补+[-y]补=1.11010

二、补码减法

加法公式：

[x-y]补=[x]补-[y]补=[x]补+[-y]补（mod2）（2.18）

证明：

P32（略）只要证明[y]补+[-y]补=0

从[y]补求[-y]补，表达式为：

[-y]补=乛[y]补+2-n

其中乛表示对[y]补作包括符号位在内的求反操作

例10（略）P33

例11（略）P33

三、溢出概念与检测方法

1.溢出概念：

溢出：

在定点小数机器中，数的表示范围为|x|<1。

在运算过程中如果出现大于1的情况，称为溢出。

上溢：

两个正数相加，结果大于机器所能表示的最大正数

下溢：

两个负数相加，结果小于机器所能表示的最小负数

2．溢出的检测方法：

（1）双符号位（变形补码或模4补码）：

变形补码定义：

x

X=

4+x0>x>-2

采用变形补码后：

当1>x≥0两个符号位都是0。

如00.1010

当0>x>-1两个符号位都是1。

如11.1010

对变形补码其特点：

①符号位参与运算

②在模4下相加运算，进位4丢掉

结论：

①运算结果的两符号位相异时，表示溢出。

②不论溢出与否，最高符号位始终指示正确的符号。

例10（略）P34

例11（略）P34

（2）单符号位：

（1）当最高有效位产生进位而符号位无进位时，产生上溢出。

（2）当最高有效位无进位而符号位产生进位时，产生下溢出。

溢出表达式为：

V=Cf⊕C0Cf---符号位产生的进位，

C0----最高有效位产生的进位）

•CfC0

•00正确（正数）

•01上溢

•10下溢

•11正确（负数）

四、基本的二进制加法／减法器

输入

输出

AiBi

SiCi

00

00

01

10

10

10

11

01

•基本的加法和减法器一位半加器真值表

–半加器（不考虑进位）

–Hi＝Ai⊕Bi

电路图略

–全加器（考虑低位进位Ci-1和向高位的进位Ci）

真值表见P35表2.2

进位处理方式：

串行进位（行波进位）、并行进位

二进制加法／减法器图2.2（P31）

五、十进制加法器

十进制加法／减法器图2.3（P36）

•校正方法

–当Xi+Yi+Ci<10时，Si=S

–当Xi+Yi+Ci>=10时，Si=S+6

–校正因子生成方法

例如：

       A=0101    B=0111

       A+B=0101+0111=1100（结果不是BCD码）

       1100＋0110＝10010（1为进位，构成12的BCD码，所以正确）

2．3定点乘法运算

一、原码并行乘法

1．定点原码乘法原理

一、