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1、计算机组成原理（第计算机组成原理（第2版）版）课程简介课程性质课程性质： 硬件、专业必修课硬件、专业必修课,考研模块课考研模块课课程内容课程内容 计算机由几部分组成、各部分的原理、作用；计算机由几部分组成、各部分的原理、作用； 各部分之间什么关系；整机如何工作。各部分之间什么关系；整机如何工作。课程特点课程特点： 内容多，难度大内容多，难度大，实践性、理论性强。，实践性、理论性强。课程影响课程影响后续：操作系统、微机接口、系统结构、单片后续：操作系统、微机接口、系统结构、单片机原理机原理第第章章 计算机系统概论计算机系统概论第第章章 系统总线系统总线第第章章 存储器存储器第第章章 输入输出系统
2、输入输出系统第第章章 计算机的运算方法计算机的运算方法第第章章 指令系统指令系统第第章章 CPU 的结构和功能的结构和功能第第章章 控制单元的功能控制单元的功能第第10章章 控制单元的设计控制单元的设计第第章章 计算机的发展及应用计算机的发展及应用第第章章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机系统简介计算机系统简介1.4 本书结构本书结构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1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成1.1 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）组成1. 计算机系统计算机系统计计算算机机系系统统计算
3、机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等一、一、 计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件按任务按任务需要需要编制成的各种程序编制成的各种程序用来用来管理管理整个计算机系统整个计算机系统 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1.1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1.12. 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
4、 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 M01.1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概念性的结构与功能特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）（具体具体指令的实现）指令的实现）1.1三、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 计算机的
5、基本组成计算机的基本组成1. 计算机由计算机由五大部件五大部件组成组成3. 指令和数据用指令和数据用二进制二进制表示表示4. 指令由指令由操作码操作码和和地址码地址码组成组成6. 以以运算器运算器为中心为中心2. 指令和数据以指令和数据以同等地位同等地位存于存储器，存于存储器， 可按可按地址地址寻访寻访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1.2冯冯诺依曼
6、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. 现代现代以以存储器存储器为中心的计算机硬件框图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1.2ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存1. .上机前的准备上机前的准备 建立数学模型建立数学模
7、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1.2三、计算机的三、计算机的工作工作步骤步骤取取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 + c
8、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 + c1.2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1.2操作码操作码地址码地址码 打印机打印机指令和数据存于主指令和数据存于主存单元的地址存单元的地址 指令指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 00000010000001000取数取数x至至ACC 10001000000001001乘乘a
9、得得ax ,存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b ,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011加加c得得ax2 + bx + c ,存于存于ACC 50000100000001100将将ax2 + bx +c ,存于主存单元存于主存单元 60001010000001100打印打印 7000110停机停机 8 x原始数据原始数据x 9 a原始数据原始数据a 10 b原始数据原始数据b 11 c原始数据原始数据c 12存放结果存放结果1.2计算计算 ax2 + bx +
10、 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） 房间房间 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1.2MDR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 存储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8
11、设设 MAR = = 4 位位 MDR = = 8 位位1.2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 ACC MQ X(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1.2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器运算器MQACCALUXACC 被加数被加数A
12、CC初态初态 加法操作过程加法操作过程1.2 ACC+X ALU M XXACCACC指令指令 加加M1.2 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 1.2MQ 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 1.2 ACC X ALUMQACCMQ余数在余数在ACC中中指令指令 除除M M XX
13、 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1.2( (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PCIRCU12356789以以取数取数指令为例指令为例4( (4) )主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程1.2CU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MQAC
14、CALUXI/O设设备备12356798以以存数存数指令为例指令为例41.2( (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 )+)+ 1 PC1 PC 执行指令执行指令 1.2MARMARM MMDRMDR
15、IRIRPCPCCUCUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC1.3 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数CPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPS221 = = 256 KB213 = = 1 KB如如3. .存储容
16、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1.31K = 210 1B = 23b1GB = 230b1 K 8位位64 K 32位位第第篇篇 概论概论1.4 本书结构本书结构计算机计算机1.4 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机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU1.4 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CPU1.4 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
