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1、计算机组成原理与汇编语言 (2008级),北航计算机学院 刘旭东 、熊桂喜 Tel ：82316285 Mail： ,课程介绍,课程名称 计算机组成原理与汇编语言 Computer Organization and Assemble Language 学时学分 课堂教学：64学时 总学分：4学分 任课教师 刘旭东、熊桂喜、张亮 配套实验 计算机组成原理实验（单独开课） 汇编语言上机实验,课程介绍教学内容,第一部分：概述 计算机组织与结构简介 计算机中数的表示 计算机的基本工作过程 第二部分：存储系统 主存储器的组成与工作原理 高速缓冲存储器的结构与工作原理 辅助存储器的结构与工作原理 虚拟存储
2、系统等,课程介绍教学内容,第三部分：运算单元与运算方法 加减法运算及其实现 乘除法运算及其实现 浮点数运算 算术逻辑运算单元 第四部分：指令系统与IBM汇编语言 指令系统基本要素 指令格式与指令系统 指令系统设计与分析 IBM PC汇编语言程序设计一（汇编语言程序结构与基本技巧）,课程介绍教学内容,第五部分：CPU与控制单元设计 数据通路设计分析 指令执行过程分析 硬接线控制单元的设计 微程序控制器 第六部分：总线与 I/O系统 总线与I/O接口 基本I/O方式 第七部分：汇编语言程序设计 BIOS/DOS调用 中断、DMA及其汇编程序设计 串行通信及汇编程序设计 显示、打印汇编程序设计 文件
3、操作汇编编程,课程介绍,目的 掌握计算机基本组成、内部结构和工作原理 培养学生分析和设计计算机或计算机部件的能力 掌握汇编语言编程技巧 重点与难点 主存储器与高速缓冲存储器 CPU的内部结构与工作原理 输入输出汇编语言程序设计 与其他课程的关系 先导课程：计算机导论、数字逻辑 后续课程：接口与通信、计算机系统结构、操作系统,课程介绍,上课时间及地点 116周： 星期一 1/2 节，星期四 1/2节，（一）215 教材及参考书 计算机组成原理（第2版），高教出版社，唐朔飞著 IBM PC汇编语言程序设计，清华出版社，沈美明著 Computer Organization & DesignThe H
4、ardware / Software Interface，（计算机组织与设计 硬件/软件接口，机械工业出版社影印版） 考试办法 课程考试：期终考试（A、B卷，闭卷） 成 绩：考试成绩 85 平时成绩 15,1.1 计算机系统,硬件（Hardware） 计算机的物理部分，可以实现计算机最基本的操作行为。 软件（Software） 使计算机实现各种功能的程序集合。包括系统软件、应用软件两大类。,1.2 计算机系统层次结构,计算机的层次结构的演变,实际机器M1 （机器语言程序）,机器语言,将高级语言程序先翻译成汇编语言程序或机器语言程序，再在M1或M2上运行,将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，然后
5、在M1上运行,1.2 计算机系统层次结构,三级层次结构的计算机系统,实际机器M1 （机器语言程序）,虚拟机器M3 （高级语言程序）,虚拟机器M2 （汇编语言程序）,第一级,第二级,第三级,机器语言程序直接在M1上运行,1.2 计算机系统层次结构,四级层次结构的计算机系统,实际机器M1 （机器语言程序）,虚拟机器M3 （高级语言程序）,虚拟机器M2 （汇编语言程序）,第一级,第二级,第三级,机器语言程序直接在M1上运行,将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，然后在M1上运行,将高级语言程序先翻译成汇编语言程序或机器语言程序，再在M1或M2上运行,用微程序解释机器指令，由硬件系统直接执行微程序,1.
6、3 计算机的基本组成,计算机的功能 Data Processing (数据处理) Data Storage （数据存储） Data Movement （数据移动，交换） Control （控制） 计算机的功能结构,1.3 计算机的基本组成,运算器：实现数据处理的部件 完成最基本的算术逻辑运算 ALU (Arithmetic and Logic Unit） Registers 运算器与机器字长（字的概念）的关系 运算器与机器性能指标： MIPS：Millions of Instructuions Per Second 简单运算器结构图,1.3 计算机的基本组成,存储器：实现数据存储的部件 保存程
7、序和数据（二进制信息） 存储单元：bit, Byte, Word 地址的概念：每一个字节单元拥有一个唯一的地址（索引） 存储器的工作方式：读、写 存储器结构简图,1.3 计算机的基本组成,控制器：实现控制功能的部件 提供各部件工作所需的控制信号，控制计算机其他部件协同工作 指令部件（Instruction Register ，Instruction Decoder） 指令顺序控制（Program Counter） 时序逻辑部件（Clock，Timer ，Sequencing Logic） 控制信号生成部件（Control Signal Generator or Control Memory）
8、Datapath Control CPU（Central Process Unit）or Processor 控制器结构简图,1.3 计算机的基本组成,输入输出：实现数据交换的部件 实现计算机内部与外界（其他系统或人类）的信息交换 实现数据交换的设备：输入设备、输出设备 接口标准与接口部件 计算机整体结构简图,1.4 计算机总线结构,总线结构 总线：符合一定的标准的一组公共信息通道 构成：地址总线、数据总线、控制总线 单总线结构 多总线结构 标准总线 ISA-Industry Standard Architecture（工业标准结构） EISA-Extended ISA（扩展工业标准结构） P
9、CI-Peripheral Connection Interface (周边元件扩充接口) SCSI-Small Computer System Interface(小型计算机系统接口) ,1.4 计算机总线结构,单总线结构,1.4 计算机总线结构,1946年，冯诺依曼与同事开始研制 IAS。该机结构被公认为随后发展起来的通用计算机的原型。,1.4 计算机总线结构,普通PC（PC/XT）的内部结构,1.4 计算机总线结构,普通PC（Pentium）的内部结构（多总线结构）,1.4 计算机总线结构,Sun SPARCstation20（RISC）多总线结构,第一部分：概述,计算机中数的表示的基本
10、问题,基本约束：采用二进制，只有1和0； 数的表示要解决的问题 数的符号：正数、负数、零 数的形态：整数、小数、小数点的性质； 数的绝对值,01000001,2.1 无符号数和有符号数,无符号数 数的编码中所有位均为数值位 只能表示 =0 的正整数 16为无符号数的表示范围： 0 65535,2.1 无符号数和有符号数,有符号数 数的实例：+ 0.1010110， - 0.1101001，+ 1001.001， -1101101 机器数表示 数的正负问题：设符号位，“0”表示“正”，“1”表示“负”，固定为编码的最高位 真值0怎么办：正零，负零 小数点怎么办：固定小数点 （即 定点数） 定点小
11、数：绝对值小于1 定点整数：没有小数部分 带有整数和小数部分的数怎么办：浮点数，按2为基的科学表示方法表示,2.2 定点数（定点整数与定点小数）,原码 反码 补码 移码,N 位定点整数的原码、反码、补码和移码,2.3 浮点数表示（IEEE 754）,IEEE 754：符号（Sign）、阶码（Exponent）和尾数（Mantissa）。 IEEE 754标准：单精度浮点数32位，双精度浮点数64位 数符 S： 1位，0表示正数，1表示负数 阶码 E：用移码表示，n 位阶码偏移量为 2n-1-1。如8位阶码偏移量为 7FH（即127），11位阶码偏移量3FFH（即1023） 尾数 M： 尾数必须
12、规格化成小数点左侧一定为1，并且小数点前面这个1作为隐含位被省略。这样单精度浮点数尾数实际上为24位。M=1.m,2.3 浮点数表示（IEEE 754标准）,浮点数精度 单精度浮点数表示公式：(-1)S1.m2(E-127) 双精度浮点数表示公式：(-1)S1.m2(E-1023) IEEE 754关于浮点数表示的约定（单精度为例）,非规范浮点数尾数部分不必规范化成小数点左侧为1，而是0。,2.3 浮点数表示（IEEE 754标准）,单精度浮点数表示范围,2.3 浮点数表示（IEEE 754标准）,单精度浮点数示例:178.125, -0.0449219,第一部分：概述,机器指令：计算机硬件可
13、以执行的表示一种基本操作的二进制代码。 指令格式：操作码 操作数（操作数地址） 操作码：指明指令的操作性质 操作数（地址）：指令操作数的位置（或操作数本身）,3.1 计算机的工作过程,程序：在此特指一段机器指令序列。 完成一定的功能，采用某种算法，具备一定的流程； 计算机按照程序所规定的流程和指令顺序，一条一条地执行指令，达到完成程序所规定的功能的目的。 计算机采用程序计算器（Program Counter）来决定指令执行的顺序。,3.2 指令的执行过程,微操作：计算机可以完成的最基本的操作，一条机器指令的执行可以解释为一系列的微操作的执行 操作性质：对数据进行某种处理 操作对象 操作的时间与
14、条件,微操作：AB,微操作：AC + B AC,3.2 指令的执行过程,机器结构简化图,3.2 指令的执行过程,根据PC内容从存储器取指令送IR,指令译码器译码（解释指令），形成微操作控制信号,在控制信号的作用下取操作数送运算器,运算器执行指令功能,保存指令结果,形成下条指令的地址并送PC,根据PC内容从存储器取指令送IR； 指令译码器译码（解释指令），形成微操作控制信号； 在控制信号的作用下取操作数送运算器； 运算器运行； 保存结果； 形成下一条指令地址送PC。,Example,Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。,Example,Y=ax2+bx-c
15、假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。,Example,?,AC,a,ax,ax+b,ax2+bx,ax2+bx-c,ENIAC（1946）,ENIAC：十进制（而非二进制）计算机，用十个真空管（一个ON，其余OFF）表示一位十进制数，算术运算按十进制的方式完成。 占地170平方米，重30吨，耗电140千瓦，共用18000个真空管，每秒可进行5000次加减法运算。,IBM Circa (1959,第一台流水线计算机),Hardware Engineer working on IBM Stretch,Intel Pentium（1993.3）,Moores Law,Gordon E. Moore,Moores Law,
