计算机组成原理合肥工业大学 郭骏参考教材Computer Organization and Designhardware and software interface, Patterson and Hennessy,3nd Edition, Morgan Kaufmann Pub. 英文版：机械工业出版社影印 中文版：机械工业出版社 郑纬民 等 翻译计算机组成与系统结构 袁春风清华大学出版社教材后面给出了参考文献，特别建议看国外网站公共邮箱：hgdjsj2009163.com密码：hgdjsj-2009第一章 计算机系统概论1.1 计算机系统简介1.2 计算机的基本组成1.3 计算机硬件的主要技术指标1.4 本书结构1.1 计算机系统简介1. 计算机系统计算机系统一、 计算机软、硬件的概念 计算机硬件：CPU + MM + I/O 计算机软件：系统软件+应用软件 计算机硬件PC主板CPU插座内存条PCI总线插槽解剖一台计算机 个人计算机由主 机和外设组成主机中包含 多个电路板每个电路板中有 十几个集成电路每个集成电路中 有十几个模块每个模块中有 上千万个单元每个单元中有 十几个门电路每个门电路实现基 本的逻辑运算所有信息都用二 进制编码表示 计算机软件 各种语言机器语言 面向机器汇编语言 面向机器高级语言 面向问题FORTRAN 科学计算和工程计算PASCAL 结构化程序设计C 面向对象Java 适应网络环境 系统软件语言处理程序 汇编程序 编译程序 解释程序操作系统 DOS UNIX Windows 服务性程序 装配 调试 诊断 排错数据库管理系统 数据库和数据库管理软件网络软件计算机高级语 言程序目标程序结果翻译运行2. 计算机的解题过程二、计算机系统的层次结构高级语言虚拟机器 M3汇编语言虚拟机器 M2操作系统虚拟机器M2机器语言实际机器 M1M3M4软 件硬 件接口 ：指 令 系统 , EXTop=1,ALUSelA=1,ALUSelB=11,ALUop=add, IorD=1,Read,MemtoReg=1,RegWr=1,temp = vk;vk = vk+1;vk+1 = temp;1000 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0000 1000 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0100 1010 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0000 1010 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0100软 件硬 件DATAS SEGMENT STRING DB 13,10,* HELLO WORLD! *,13,10,$DATAS ENDSCODES SEGMENTASSUME CS:CODES,DS:DATASSTART:MOV AX,DATASMOV DS,AXLEA DX,STRINGMOV AH,9 INT 21HMOV AH,4CH INT 21HCODES ENDS END START Computer Hierarchy（计算机系统层次）I/OCPUCompilerOperating SystemApplicationDigital DesignCircuit Design 指令系统（即ISA）是软/硬件的交界面Instruction SetArchitecture 不同用户工作在不同层次，所看到的计算机不一样最终终用户户 End User应应用程序员员 Application Programmer 系统统管理员员System Administrator系统统程序员员 System ProgrammerMMAssembler 中间阴影部分就是本课程主要内容，处于最核心的部分！三、计算机组成和计算机体系结构体系结构 系统程序员所见到的计算机系统的属性， 即概念性的结构与功能特性，包括指令集 、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等 。一种机器的体系结构可以多年不变。 组成原理 计算机系统属性的具体逻辑实现，包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。同 一种体系结构可以有不同的实现方法。三、计算机组成和计算机体系结构体系结构 机器是否有乘法指令是体系结构考虑的 问题组成原理 乘法指令的实现方式则是组成原理要考 虑的问题例如，乘法指令1.2 计算机的基本组成一、 冯诺依曼计算机的特点1.计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备等五大部件组成。 2.指令和数据以同等地位存放于存储器中，并可按地址寻访。 3.指令和数据均用二进制代码表示。 一、 冯诺依曼计算机的特点4.指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。 5.指令在存储器中按顺序存放。一般情况下，指令按顺序执行；特定条件下，可根据运算结果或设定的条件改变指令的执行顺序。 6.机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器。 二、 计算机各功能部件的基本功能 运算器 主要包括算术逻辑运算单元（ALU）和寄存器。 寄存器 由触发器构成，用于存储一些最频繁使用的数据 。 存储器 存储程序和数据。 基本存储单元（CELL）字节（1B，1BYTE） 字（1W，1WORD） 字节地址和字地址控制器 控制全机各部件自动、协调的工作，完成程序和数据 的输入、运行以及运算结果的处理。 输入设备 输出设备 将外部信息（人们熟悉的信息形式）以一定的数据 格式（机器能识别的信息形式）送入系统。 将机器的运算结果转换为人们熟悉的信息形式，提 供给外部世界。 每一个基本存储单元（CELL） 存储1位二进制代码信息 将8位二进制代码定义为一 个字节 若干个字节组成一个字。字长是字节的整数倍 （不同的计算机其字长也可以不同，某一具体 计算机其存储字长、指令字长、数据字长也可 以不同） 存储器中的每个字节和字都指定一个编 号（二进制代码） 三、 计算机的硬件框图 运算器存储器控制器输入设备输出设备1.以运算器为中心的 计算机结构框图 2.以存储器为中心的 计算机结构框图 运算器存储器控制器输入设备输出设备ALU主存 辅存CPU 主机I/O计算机硬件系统CU2.现代计算机硬件框图存储器输入设备运算器输出设备控制器ALUCPU主机I/OCU主 存1.上机前的准备 建立数学模型 -+-+-=!x9 !x7 !x5 !x3xx9753sin 编制解题程序 确定计算方法程序 运算的 全部步骤0, 1, 2,)( )(21nynxynx=+=指令 每 一个步骤四、计算机的工作步骤= (ax + b)x + c 计算 ax2 + bx + c编程举例设指令格式为操作码地址码6 10取数指令 0000010000001000助记符 LDA 停机乘 ACC ACC存数 ACC 加 ACC+ ACC打印 打印机000110000010000011000100000101计算 ax2 + bx + c 程序其他指令主存 地址指令 注释释 操作码码 地址码码00000010000001000取数x至ACC10001000000001001乘a得ax存于ACC中20000110000001010加b得ax+b,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2 + bx + c,存于ACC50000100000001100将ax2 + bx + c存于主存单单元60001010000001100打印7000110停机8 x原始数据x9 a原始数据a10 b原始数据b11 c原始数据c12存放结结果ACC MQ X2.计算机的解题过程(1)运算器的基本组成及操作过程运算器MQACCALUX被加数被减数被除数乘数商加数减数被乘数除数加法减法乘法除法和差余数乘积高位乘积低位运算器MQACCALUXACC 被加数ACC初态 加法操作过程ACC+XALUM XXACCACC指令 加M运算器MQACCALUXACC 被减数ACC初态 减法操作过程ACCXALUM XXACCACC指令 减M运算器MQACCALUXMQMMQ指令 乘M 乘法操作过程XACCXACC 被乘数初态 ACC00ACCALUXMQACCMQACCMQ运算器MQACCALUXACC 被除数ACC初态 ACCXALUMQACCMQ余数在ACC中指令 除MM XX 除法操作过程存储体存储单元 存放一串二进制代码存储字 若干个字节组合而成存储字长 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按地址寻访 存储单元 存储位（0/1）(2)存储器的基本组成主存储器存储体MARMDR字节 8位最小可编址单元MARMDR存储单元个数 16存储字长 8设 MAR = 4 位 MDR = 8 位存储器地址寄存器 反映存储单元的个数存储器数据寄存器 反映存储字长(2)存储器的基本组成主存储器存储体MARMDR0000 0001 00101111取指令分析指令执行指令PCIRCUPCIRCU取指执行PC 存放当前欲执行指令的地址具有计数功能（PC）+ 1 PCIR 存放当前欲执行的指令访存访存完成 一条 指令(3)控制器的基本组成12356 789以取数指令为例4(4)主机完成一条指令的过程CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR运算器MQACCALUXI/O12356 798以存数指令为例4CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR运算器MQACCALUXI/O(4)主机完成一条指令的过程(5) ax2 + bx + c 程序的运行过程 将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址 打印结果 分析指令 取指令 停机 启动程序运行,(PC )+ 1 PC 执行指令 MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC1.3 计算机硬件的主要技术指标1.机器字长2.运算速度CPU 一次能处理数据的位数 与 CPU 中的 寄存器位数 有关=ni =1fi tiTM吉普森法主频每秒执行百万条指令MIPS执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒百万次浮点运算数MFLOPS221 = 256KB213 = 1KB如 ：3.存储容量主存容量辅存容量存储单元个数 存储字长字节数字节数 80GB如：MAR MDR 容量 10 8 16 32存放二进制信息的总数量1K = 2101Byte = 231G = 2301K 8位 64K 32位 基本的性能评价标准是：CPU的执行时间“ X is n times faster than Y“ me