计算机组成原理_与_汇编语言

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1、第一章 绪 论 一 教学内容 n计算机的基本概念 n计算机系统的组成原理与层次结构 n计算机系统的工作过程 n信息的数字化表示 n数字计算机的特点与主要性能指标 n计算机 的发展与应用 二 考核内容和要求 n掌握 存储程序工作方式 信息的数 字化表示 n理解 计算机的特点 主要性能指标 的含义 硬件系统的典型 结构 软件系统的主要内容 n了解 硬软组成的层次结构关系 1 1 基本概念 n从计算机的结构原理来看 目前的 绝大部分计算机是建立在 存储程序 控制 原理概念基础上的 即所谓的 冯 诺依曼 型计算机 n冯 诺依曼 型计算机的逻辑结构 的三层含义 n计算机应包含运算器 控制器 存储器 输入

2、设备和输出设备五 大基本部件 n计算机内部采用二进制形式表示指令 和数据 n事先将编好的程序和始数据放入存储 器中 计算机工作的时候能够自动高 速地从存储器中提取指令并执行 冯冯 诺依曼原理诺依曼原理 19461946年年 n存储程序原理 在计算机开始工作前要 把预先编好的程序和数据通过一定的方 式送到有记忆功能的 部件 存储器中 保存 然后 计算机才由控制器依据存 储的程序来实现控制 n运算器 执行部件 是进行信息加工 进行算术运算和逻辑 运算的场所 核心是算术逻单元 ALU Arithmetic Logical Unit n控制器 是计算机的指挥控制中心 控制与协调 整机各个部件有条不紊的

3、自动工作 三种实现方法 组合逻辑方法 可编 程逻辑阵列方法和微程序控制方法 n存储器 是冯 诺依曼原理的 核心 用于存放 程序和数据的部件 内存储器 主存 小 快 外存储器 辅存 大 慢 中央处理器 高速缓冲存储器 主存储器外存储器 存储系统结构 nCache 高速缓冲存储器 n用于解决CPU与内存之间的速度不匹配 有Cache后 相当于给CPU配备了相当 于内存容量 具有Cache 速度的内存 n主存由若干个存储单元组成 每个单元 可存放若干个二进制位信息 一般是字 节的偶数倍 全部存储单元统一编号 称为地址 n地址与存储单元一一对应 CPU按单元 地址来访问每一个单元 n指令数码化以后 就

4、可以和数据 一样放 入存储器 存储器的任何位置既可以放 数据也可以放指令 不过一般将指令和 数据分开存放 n将指令序列存放在存储器中称为存储程 序 而把控制器依据存储的程序来控制 整机协调地完成计算任务叫做程序控制 n输入设备 n将人熟悉的信息变换成机器内部能够 识别的二进制信息 n输出设备 n把计算机处理信息的结果变换成人或 其他机器能够识别的信息形式 输入设备 存储器 输出设备 运算器 控制器 计算机的基本组成结构 冯 诺依曼体系 n为何计算机中采用二进制 n二进制的0和1两个数码 在电子电路中很 容易用电压的高低和脉冲的有无来表示和 实现 n二进制数的运算规律简单 易于电路实现 n逻辑判

5、断方便 0和1正好与逻辑 真 假 对应 为计算机实现逻辑运算和 程序中 逻辑判断提供了便利条件 指令和数据都放在内存中 如何区分 n一般来讲 取指周期中从内存中读出 的信息流是指令流 它流向控制器 而执行周期中从内存读出的或送入内 存的信息流是数据流 它由内存流向 运算器或者由运算器流向内存 1 2 层次结构 n一个完整的计算机系统包含硬件和软件两 大部分 n硬件通常指设备实体 上一节所述 n软件通常泛指程序和文件 n系统软件 n应用软件 n计算机软件系统的三个层次 n操作系统层 n操作系统 如DOS WINDOWS UNIX LINUX n实用工具层 n语言处理程序 如VB VC MASM

6、n系统服务程序 如装入 连接 转换程序等 n标准程序库等 n应用程序层 n现代计算机是一个复杂的硬件 软件结 合的整体 上面讲到的软件的三个层次 面向用户的是应用软件 面向机器 硬 件 的是操作系统 n用户通过使用操作系统来控制调用系统 的硬件和软件 一切程序最终都需要由 硬件来实现 计算机系统的层次 结构示意图 微程序设计级 机器语言设计级 操作系统级 汇编语言程序设计级 高级语言程序设计级 编译程序 汇编程序 操作系统 微程序 硬件支持执行 1 3 性能指标 n冯 诺依曼 机特征是描述计算机内部的工作方 式及组成的特征 而计算机的外部特征如何 n快速性 自动 连续高速 先进的半导体部件实现

7、 高速运算和高速存储 n通用性 任何复杂的任务分解成为大量的基本运算 和逻辑操作 n逻辑性 具有逻辑判断能力组合运算 n准确性 数字化编码可以保证运算和控制的准确度 n基本字长 指参与运算的操作数的基本 位数 决定通用寄存器 加法器和数据 总线等部件的宽度 n位 bit 字节 bity 字 word n主存容量 主存储器所能够存储的全部信 息总量 n1K 1024B 1M 1024K 1G 1024M n运算速度 通常用以下两种方法衡量 n每秒百万次整数运算MIPS和每秒百万次浮 点运算MFLOPS作为运算速度的单位 n对于相同类型的计算机 通常以它们的时 钟频率来比较运算速度 n外围设备配置

8、 数量以及I O能力 n系统软件配置 支持丰富的应用 n寻址能力 AB的宽度 n集成度 制造工艺水平 n计算机的发展与应用 n第一代 电子管 n第二代 晶体管 n第三代 集成电路 n第四代 大规模集成电路 n第五代 超大规模集成电路 n 第二章 计算机中的信息表示 掌握 数制及其转换 码制 及其转换 定 浮点数表示 方法及标准格式 常见寻址 方式I O编址方法 理解 指令的基本格式 地址结构 了解 ASCII码 指令 分类 2 1 数制与转换 数据信息分为 数值数据和 非数值数据 表示数值数据的三要素 小 数点 进位计数制和符号 n数制中所使用的数码的个数称为 基数 r n某数制的数中每一位所

9、具有的值称 为 权 如第i位的权为ri n进位计数制 人用符号计数的科学方法 n二进制 n八进制 n十进制 n十六进制 n二 十进制 数制 数码 进位方法 基数 二 0 1逢2进1 2 八 0 7逢8进1 8 十 0 9逢10进1 10 十六 0 9 逢16进1 16 A F n二 十进制 BCD码 n用4位二进制数表示十进制数中的每1位 n8421码 4位二进制数的权从高到低依次为8 4 2 1 92 10 10010010 BCD n 2421 5211 n余3码 n格雷码 n N展开式 其中 为任意一个数码 为权 i m n 为整数 十进 十六进 十进 十六进 n008 8 n119 9

10、 n2210 A n3311 B n4412 C n5513 D n6614 E n77 15 F n二进 十进 二进 十进 n0000 010008 n0001 110019 n0010 2101010 n0011 3101111 n0100 4110012 n0101 5110113 n0110 6111014 n0111 7111115 n数制间转换 原则 整数变整数 小数变小数 n十进 二进 n整数部分 除2取余倒排 直到商为0 n小数部分 乘2取整 直到小数位为0 n例 13 8125 10 13 8125 10 n首先 转换整数部分13 213 2 61 2 30 2 11 01结

11、果 1101 n然后 转换小数部分 0 8125 0 8125 2 1 625 1 0 625 2 1 251 0 25 2 0 50 0 5 2 1 0 1 小数结果 0 1101 综合结果为 13 8125 10 1101 1101 2 n二进 八进 十六进 十进 n按N展开式求和 n例 11001 101 2 27451 12 8 2AD 1C 16 11001 101 2 27451 12 8 2AD 1C 16 n二进 十六进 n以小数点为中心分界 n每4位分为一段 不足补0 n每一段用相应的十六进制数取代 n例 1101110 01011 2 n注 如果转换为八进制 则每3位分一段

12、即可然后 每一段用相应的八进制数取代 1101110 01011 2 16 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 2 6 E 5 8 16 1101110 01011 2 8 001101110 010110 2 1 5 6 2 6 8 n二进制数的运算 n算术运算 n加 n减 n乘 n逻辑运算 对位进行 n与AND n或OR n非NOT n异或XOR 2 机器码 n真值 即一般书写的数 n机器数 在计算机中把符号位和数值一 起数码化来表示相应的真值 此编码称 为机器码 有原码 反码 补码等方法 n下面的介绍使用以下假设 n设X为真值 n编码结果为N 1位 n符号数码

13、化为 1 代表负 0 代表正 n数据的格式 定点 浮点 n定点数表示范围有限 硬件要求简单 n浮点数表示范围大 硬件要求复杂 n定点数表示法 n约定机器中所有数据的小数点位置固 定不变 n其中xn为符号位 n纯小数 小数点在xn与xn 1之间 n纯整数 小数点在x0之后 xnxn 1 x0 n纯小数表示范围 n0 x 1 2 n n纯整数表示范围 n0 x 2n 1 xnxn 1 x0 n浮点数表示法 n任意进制数表示为 n n 称为尾数 称为阶码 为基数 阶符 阶码 尾符 尾数 n浮点的含义就是将比例因子以 适当的形式表示在数据中 可 以根据实际需要进行浮动 n尾数左移 阶码减1 n尾数右移

14、 阶码加1 n尾数通常采用定点小数 阶码 通常为定点整数 n浮点数规格化 n尾数1 2 M X 0 X 原 1 X 1 X 0 X 1 n例 X 0 1001 则 X 原 0 1001 X 0 1001 则 X 原 1 1001 n定点整数的原码 X 2n X 0 X 原 2n X 2n X 0 X 2n 例 X 1111110 X 原 01111110 X 1011101 X 原 11011101 n反码表示法 n正数的反码同原码 n负数的反码只需将其相应正数的原码 按位求反 n例 X 1101001 则 X 原 01101001 X 反 10010110 n补码表示法 n正整数的补码与原码

15、相同 n负数的补码等于其反码末位加1 n定点小数的补码 X 0 X 1 X 补 2 X 2 X 1 X 0 n例 X 0 1011 X 补 2 0 1011 1 0101 n定点整数的补码 X 0 X 2n X 补 2n X 2n X 2n X0时 商1 下一步A左移一位 然后减去除数B n若余数A 0时 商0 下一步左移一位 然 后加除数B n除数N位 以上操作做N步 n P76 图3 12 n浮点数乘除运算 n乘法 n阶码相加 判溢出 n尾数相乘 n规格化 n除法 n预置 检测除数 被除数是否为0 n尾数调整 预防溢出 n求阶差 n尾数相除 3 3 模型机CPU n基本组成 n组成内容 n

16、控制器 指令译码器 时序系统 微操作信号发生器 n运算部件 ALU n寄存器 R0 R3 C D Z IR PC PSW SP MAR MDR n内部总线 数据通路 ALU总线 系统总线 传输控 制门等 n结构图 如下 M n 基本工作原理 n控制器是全机的 指挥控制中心 其基本功能是执行指 令 由微操作信号发生器根据指令产生控制信号序列 以命令相应部件分布完成指定的工作 n控制器既可以控制CPU内部的数据传送 使ALU完成 指定功能和其他内部操作 也可以向CPU外部发出控 制信号 控制CPU与存储器或I O设备之间的数据传送 n微操作命令是最基本的控制信号 通常直接作用于部 件或控制门电路的控制信号 简称微命令 有电位型 和脉冲型 n数据传送及运算过程 下面介绍几个实际过程所需的控制信号 微命令 n寄存器之间的数据传送 n 操作 Ri Rj n 路径 Ri ALU总线 Rj n 控制信号序列 Riout CPRj n主存到CPU的数据传送 n取指令 n操作 M IR 地址在PC中 n路径 PC ALU总线 MAR AB M DB MDR ALU总线 IR n控制信号序列 PCout