计算机组成原理PPTWord下载.docx

1、 计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理唐朔飞唐朔飞第版第版高等教育出版社高等教育出版社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 配合由高等育出版社出版的面向为教21世程材算机成原纪课教计组理和自的需要，出版了教学学随书算机成原理计组配套件。#了配合课为材的第版，本件在保留原件特色的基上，做了相的充和修改该教课课础应补。#件该课与算机成原理计组第版材在体系上完全一致，教它以堂依托，助者思考，通点鼠课教学为帮读边阅读边过击，逐行示精的文标显练字和明的表，可文稿中材的重点和点加深理解，又可中简图既从对教难从视图看到演示效果，形象地理解各路的工作原理和思路。#动画种电设计 新版

2、件课提供了章目和目。#操作上除了序播放外，可任一录节录顺还选章、任一播放，可任意一幻灯片返回到上一目。#具体功能如下选节并从页级录。#1.入章目后，可点任一章播放。#进录击 2.入目后，可点任一播放。#进节录击节 3.每一播放束，可播放，也可点本最后一幻灯片右下节结时继续击节页角的按，回到上一目，再点目幻灯片右下角的按，即可回到钮级录击节录钮章目。#录 4.点任一幻灯片右下角的按，均可回到上一目。#击页钮级录 在修改件程中，哈尔工大算机科技院杰、课过滨业学计学与术学张丽罗丹彦件的入、排版、演示做了大量工作，在此表示衷心感为课录绘图动画。#谢 由于促，免有不妥之，敬者和家批指正。#时间仓难处请读

3、专评 唐朔飞 2007 年 12 月 第第第第章 计算机系统概论章 计算机系统概论章 计算机系统概论章 计算机系统概论第第第第章 系统总线章 系统总线章 系统总线章 系统总线第第第第章 存储器章 存储器章 存储器章 存储器第第第第章 输入输出系统章 输入输出系统章 输入输出系统章 输入输出系统第第第第章 计算机的运算方法章 计算机的运算方法章 计算机的运算方法章 计算机的运算方法第第第第章 指令系统章 指令系统章 指令系统章 指令系统第第第第章 章 章 章 CPU CPU 的结构和功能的结构和功能的结构和功能的结构和功能第第第第章 控制单元的功能章 控制单元的功能章 控制单元的功能章 控制单元

4、的功能第第第第1010章 控制单元的设计章 控制单元的设计章 控制单元的设计章 控制单元的设计第第第第章 计算机的发展及应用章 计算机的发展及应用章 计算机的发展及应用章 计算机的发展及应用 第第第第章 计算机系统概论章 计算机系统概论章 计算机系统概论章 计算机系统概论1.1 计算机系统简介1.1 计算机系统简介1.4 本书结构1.4 本书结构1.3 计算机硬件的主要技术指标1.3 计算机硬件的主要技术指标1.2 计算机的基本组成1.2 计算机的基本组成 1.1 1.1 计算机系统简介计算机系统简介计算机系统简介计算机系统简介由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序

5、）组成1.计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统计算机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等一、计算机的软硬件概念一、计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件 按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统 用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件软软件件1.11.1 计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标程序程序结果结果翻译翻译运行运行1.11.12.计算机的解题过程计算机的解题过程 二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构

6、高级语言高级语言虚拟机器 虚拟机器 M3汇编语言汇编语言虚拟机器 虚拟机器 M2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器 实际机器 M1微指令系统微指令系统微程序机器 微程序机器 M01.11.1 用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令软软件件硬硬件件1.11.1虚拟机器 虚拟机器 M4虚拟机器 虚拟机器 M3虚拟机器 虚拟机器 M2实际机器 实际机器 M1微程序机器 微程序机器 M

7、0 程序员所见到的计算机系统的属性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概念性的结构与功能特性计算机计算机体系结构体系结构计算机计算机组成组成实现计算机体系结构所体现的属性实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令有无乘法指令如何实现乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、（指令系统、数据类型、寻址技术、I/OI/O 机理）机理）（具体指令的实现）（具体指令的实现）1.11.1三、三、计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成 1.2 1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成计算机的基本组成计算机的基本组成1.计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成3.

8、指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器，指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访可按地址寻访5.存储程序存储程序一、冯冯 诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点5.存储程序存储程序 算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行1.21.2冯冯 诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控

9、制器控制器输出设备输出设备 1.21.2冯冯 诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备 二、计算机硬件框图二、计算机硬件框图1.21.21.以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算 ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O 设备设备硬件硬件CU2.现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器1.21.2ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存

10、 1.上机前的准备上机前的准备 建立数学模型 建立数学模型 !#x9!#x7!#x5!#x3xx9753sin 编制解题程序编制解题程序 确定计算方法确定计算方法程序 程序 运算的 运算的 全部步骤全部步骤0,1,2,）（）（21nyn xynx 指令 指令 每 每 一个步骤一个步骤1.21.2三、计算机的工作步骤三、计算机的工作步骤 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中存存ax2 在存储器中在存储器中取取b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加ax2 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中=（ax +b）x

11、 +c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中加加b 在运算器中在运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中计算 计算 ax2+bx+c1.21.2编程举例编程举例 000001 0000001000打印 打印 停机停机取数 取数 ACC存数 存数 ACC 加 加 ACC+ACC乘 乘 ACC ACC指令格式举例指令格式举例1.21.2操作码操作码地址码地址码 打印机打印机 0000001100000000110000000010110000001000000000101000000010010000001000 地址码地址码存放结果存放结果 1

12、2原始数据原始数据 c c 11原始数据原始数据 b b 10原始数据原始数据 a a 9原始数据原始数据 x x 8停机停机000110 7打印打印000101 6将将 ax2+bx+c,存于主存单存于主存单元元000010 5加加 c 得得 ax2+bx+c,存于存于ACC000011 4乘乘 x 得（得（ax+b）x,存于存于 ACC中中000100 3加加 b 得得 ax+b ,存于存于 ACC 中中000011 2乘乘 a 得得 ax,存于存于 ACC 中中000100 1取数取数 x 至至 ACC000001 0操作码操作码 注释注释 指指令令指令和数据存于指令和数据存于主存单元的

13、地址主存单元的地址1.21.2计算 计算 ax2+bx+c 程序清单程序清单 存储体存储体大楼大楼存储单元 存储单元 存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字 存储字 存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长 存储字长 存储单元中二进制代码的位数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每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0/1）房房间间 床位床位（无人（无人/有人）有人）（1）存储器的基本组成存储器的基本组成1.21.2MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR2.计算机的解题过程计算机的解题过程 MARMDR 存

14、储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8 设 设 MAR =4 位 位 MDR =8 位位1.21.2存储器地址寄存器存储器地址寄存器反映存储单元的个数反映存储单元的个数存储器数据寄存器存储器数据寄存器反映存储字长反映存储字长（1）存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR X MQ ACC（2）运算器的基本组成及操作过程运算器的基本组成及操作过程1.21.2运算器运算器MQACCALUX被加数被加数被减数被减数被除数被除数乘数乘数商商加数加数减数减数被乘数被乘数除数除数加法加法减法减法乘法乘法除法除法和和差差余数余数乘积高位乘积高位乘积低位乘积低位 运算

15、器运算器MQACCALUXACC 被加数被加数ACC初态 初态 加法操作过程加法操作过程1.21.2 ACC+X ALU M XXACCACC指令 指令 加加M 1.21.2 减法操作过程减法操作过程运算器运算器MQACCALUX指令 指令 减减MACC 被减数被减数ACC初态 初态 M XX ACC-X ALUACCACC 运算器运算器MQACCALUXACCACC 被乘数被乘数初态 初态 1.21.2MQ M MQ指令 指令 乘乘M 乘法操作过程乘法操作过程X ACC XALU X MQ 00ACCACCMQACCMQ 运算器运算器MQACCALUXACC 被除数被除数ACC初态 初态 1

16、.21.2 ACCX ALUMQACCMQ余数在余数在 ACC 中中指令 指令 除除M M XX 除法操作过程除法操作过程 取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCIRCU取指取指执行执行PC 存放当前欲执行指令的地址，存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（具有计数功能（PC）+1 1 PCIR 存放当前欲执行的指令存放当前欲执行的指令访存访存访存访存完成完成一条一条指令指令1.21.2（3）控制器的基本组成控制器的基本组成CU 控制单元控制单元PCIRCU 12356789以取数指令为例以取数指令为例4（4）主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程1.21.2CU控制控制单元单

17、元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备 12356798以存数指令为例以存数指令为例41.21.2（4）主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备 （5）ax2+bx+c 程序的运行程序的运行过程过程 将程序通过输入设备送至计算机将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址程序首地址 打印结果打印结果 分析指令分析指令 取指令取指令 停机 停机 启动程序运行启动程序运行,（PC,（PC ）+）+

18、1 PC1 PC 执行指令 执行指令 1.21.2MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP（IR）OP（IR）Ad（IR）Ad（IR）MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC 1.3 1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.机器字长机器字长2.运算速度运算速度CPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与 CPU 中的中的 寄存器位数寄存器位数 有关有关 ni 1fi tiTM吉普森法吉普森法主频主频每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPS执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期

19、数CPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPS 221 =256 KB213 =1 KB如如3.存储容量存储容量主存容量主存容量辅存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长字节数字节数字节数 字节数 80 GB如 如 MAR MDR 容量容量 10 8 16 32存放二进制信息的总位数存放二进制信息的总位数1.31.31K=210 1B=23b1GB=230b1 K 8 位位64 K 32 位位 第第篇 概论篇 概论1.4 1.4 本书结构本书结构本书结构本书结构计算机计算机 1.4 1.4 本书结构本书结构本书结构本书结构第篇第篇计算机系统的硬件结构计算机系统的硬件结构计算

20、机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU 1.4 1.4 本书结构本书结构本书结构本书结构 CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器第第篇 篇 CPU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU 1.4 1.4 本书结构本书结构本书结构本书结构 CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器寄存器寄存器和解码器和解码器控制单元控制单元排队排队逻辑逻辑控制控制存储器存储器第篇 第篇 CU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU 第章 计算机的发展及应用第章 计算机的发展及应用第章 计算机的发展及应用第章 计算机的发展及应用2.

21、3 计算机的展望2.3 计算机的展望2.2 计算机的应用2.2 计算机的应用2.1 计算机的发展史2.1 计算机的发展史 2.1 2.1 计算机的发展史计算机的发展史计算机的发展史计算机的发展史一、计算机的产生和发展一、计算机的产生和发展1946 年 美国 年 美国 ENIAC 1955 年退役年退役十进制运算十进制运算18 0001 500150301 500多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程 世界上第一台电子计算机 世界上第一台电子计算机 ENIAC（1946）2.12.

22、1 硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规超大规模模 集成电集成电路路 1978 现在现在五五 10 000 000 大规大规模模 集成电集成电路路 1972 1977 1 000 000 中小规中小规模模 集成电集成电路路 1965 1971 200 000 晶体晶体管管 1958 1964 40 000 电子电子管管 1946 1957 速度速度 /（次（次/秒）秒）硬件技硬件技术术 时间时间 代代三三四四二二一一2.12.1 第一台第一台 von Neumann 系统结构的计算机系统结构的计算机2.12.1 IBM System 36

23、0 2.12.1 2.12.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）1.IBM Roadrunner（走鹊）（走鹊）129 600 个计算核心 最大平均速度 个计算核心 最大平均速度 1 105 000 GFLOPS 2.Cray XT5 Jaguar（美洲虎）（美洲虎）150 152 个计算核心 最大平均速度 个计算核心 最大平均速度 1 059 000 GFLOPS2.12.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）2.12.13.IBM JUGENE-Blue Gene/P 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截

24、止到（截止到 2009.06）294 912 个计算核心个计算核心 最大平均速度 最大平均速度 825 500 GFLOPS 2.12.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）4.SGI Pleiades 系统系统51 200 个计算核心 最大平均速度 个计算核心 最大平均速度 487 005 GFLOPS 2.12.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）5.IBM BlueGene/L 系统系统212 992 个计算核心 最大平均速度 个计算核心 最大平均速度 478 200 GFLOPS 2.12.1最权威的超级计算

25、机排名的参考网址最权威的超级计算机排名的参考网址 http:#/www.top500.org 二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片微处理器芯片存储器芯片存储器芯片1971 年年 8 位位16 位位32 位位64 位位4 位（位（4004）1970 年年256 位位 1K 位位16K 位位64K 位位256K 位位1M 位位16M 位位64M 位位4K 位位4M 位位2.12.1 Moore 定律定律Intel 公司的缔造者之一 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番晶体管数目每三年翻两番2.12.1

26、Intel 公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品8080 8 位 位 1974 年年8086 16 位 位 1979 年 年 2.9 万个晶体管万个晶体管80286 16 位 位 1982 年 年 13.4 万个晶体管万个晶体管80386 32 位 位 1985 年 年 27.5 万个晶体管万个晶体管80486 32 位 位 1989 年 年 120.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64 位（准）位（准）1993 年 年 310.0 万个晶体管万个晶体管Pentium Pro 64 位（准）位（准）1995 年 年 550.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64 位（准）

27、位（准）1997 年 年 750.0 万万个晶体管个晶体管Pentium 64 位（准）位（准）1999 年 年 950.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64 位 位 2000 年 年 4 200.0 万个晶体管万个晶体管2.12.12007 年 芯片上可集成 年 芯片上可集成 3 亿亿 5 千万千万 个个晶体管 晶体管 预计预计2010 年 芯片上可集成 年 芯片上可集成 8 亿亿 个晶体管个晶体管 三、软件技术的兴起和发展三、软件技术的兴起和发展机器语言 面向机器机器语言 面向机器汇编语言 面向机器汇编语言 面向机器高级语言 面向问题高级语言 面向问题FORTRAN 科学计算和工程

28、计算科学计算和工程计算PASCAL 结构化程序设计结构化程序设计C 面向对象面向对象Java 适应网络环境适应网络环境 1.各种语言各种语言2.12.1 2.系统软件系统软件语言处理程序语言处理程序 汇编程序 编译程序 解释程序汇编程序 编译程序 解释程序操作系统操作系统 DOS UNIX Windows 服务性程序服务性程序 装配 调试 诊断 装配 调试 诊断 排错排错数据库管理系统数据库管理系统 数据库和数据库管理软件数据库和数据库管理软件网络软件网络软件2.12.1 3.软件发展的特点软件发展的特点 开发周期长开发周期长 制作成本昂贵制作成本昂贵 检测软件产品质量的特殊性检测软件产品质量

29、的特殊性软件是程序以及开发、使用和软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档维护程序所需要的所有文档2.12.1 2.2 2.2 计算机的应用计算机的应用计算机的应用计算机的应用一、科学计算和数据处理一、科学计算和数据处理二、工业控制和实时控制二、工业控制和实时控制三、网络技术三、网络技术1.电子商务电子商务2.网络教育网络教育3.敏捷制造敏捷制造 四、虚拟现实四、虚拟现实五、办公自动化和管理信息系统五、办公自动化和管理信息系统六、六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术七、多媒体技术八、人工智能八、人工智能2.22.2 2.3 2.3 计算机的展望计算机的展望计算机的展望计算机的展

30、望一、计算机具有类似人脑的一些超级一、计算机具有类似人脑的一些超级 智能功能智能功能要求计算机的速度达要求计算机的速度达 1015/秒秒二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制 芯片集成度受物理极限的制约芯片集成度受物理极限的制约 按几何级数递增的制作成本按几何级数递增的制作成本 芯片的功耗、散热、线延迟芯片的功耗、散热、线延迟 三、？#替代传统的硅芯片三、？#替代传统的硅芯片1.光计算机光计算机2.DNA 生物计算机生物计算机3.量子计算机量子计算机利用光子取代电子进行运算和存储利用光子取代电子进行运算和存储通过控制通过控制 DNA 分子间的生化反应分子间

31、的生化反应利用原子所具有的量子特性利用原子所具有的量子特性2.2.3 3 第章 系统总线第章 系统总线第章 系统总线第章 系统总线3.1 总线的基本概念3.1 总线的基本概念3.2 总线的分类3.2 总线的分类3.3 总线特性及性能指标3.3 总线特性及性能指标3.4 总线结构3.4 总线结构3.5 总线控制3.5 总线控制 3.1 3.1 总线的基本概念总线的基本概念总线的基本概念总线的基本概念一、为什么要用总线一、为什么要用总线二、什么是总线二、什么是总线三、总线上信息的传送三、总线上信息的传送总线是连接各个部件的信息传输线，总线是连接各个部件的信息传输线，是 是 各个部件共享的传输介质各

32、个部件共享的传输介质串行串行并行并行 四、总线结构的计算机举例四、总线结构的计算机举例1.面向 面向 CPU 的双总线结构框图的双总线结构框图 中央处理器中央处理器 CPUI/O 总线总线M总总线线3.13.1主存 主存 I/O 接口接口 I/O 设备设备 1 I/O 设备设备 2I/O 接口接口I/O 接口接口 I/O 设备设备 n 单总线（系统总线）单总线（系统总线）2.单总线结构框图单总线结构框图 CPU 主存主存 I/O 接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2 I/O 接口接口 I/O 设备设备n I/O 接口接口3.13.1 3.以存储器为中心的双总线结构框图以存储器为中心

33、的双总线结构框图系统总线系统总线 主主存存 CPU I/O 接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备n I/O 接口接口存储总线存储总线3.13.1 3.2 3.2 总线的分类总线的分类总线的分类总线的分类1.片内总线片内总线2.系统总线系统总线芯片内部 芯片内部 的总线的总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线双向双向 与机器字长、存储字长有关 与机器字长、存储字长有关单向单向 与存储地址、与存储地址、I/O 地址有关地址有关有出 有入有出 有入计算机各部件之间 计算机各部件之间 的信息传输线的信息传输线存储器读、存储器写存储器读、存储器写总线允许、中断确认总线允许、中断确认中断请求、总线请求中断请求、总线请求 3.通信总线通信总线串行通信总线串行通信总线并行通信总线并行通信总线传输方式传输方式3.23.2 用于 用于 计算机系统之间计算机系统之间 或 或 计算机系统计算机系统与其他系统与其他系统（如控制仪