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1计算机组成原理东南大学计算机学院任国林Email:renguolin@seu.edu.cn2第1章计算机系统概论3§1.1计算机系统简介一、计算机系统的软硬件*电子计算机：数据存储、数据传送、数据处理，过程控制*计算机系统的组成：具有特定功能的信息(程序)。如系统程序、应用程序计算机系统表示应用需求是采用按位及跳动式计算、能够根据逻辑判断结果控制计算过程的电子式机器*计算机的功能：计算机的物理实体；如主机、外设等计算机硬件—计算机软件—4功能的实现方式—*计算机系统功能的实现方式：解题过程—解题结果③③运行*计算机系统组成的特性：软件功能靠硬件实现，硬件性能靠软件反映①硬件具备数据的存储、传送及处理和过程控制功能②软件表示应用的数据处理及过程控制需求└→程序(指令序列，硬件用不同指令表示不同功能)③执行软件实现应用的数据处理及过程控制功能用户输入设备输出设备处理设备存储设备目标程序(机器语言)源程序(高级语言)①②①编辑②编译5二、计算机系统的层次结构直接执行机器指令机器语言级机器M1用机器语言编程汇编语言级机器M3用汇编语言编程用汇编程序翻译成机器语言程序高级语言级机器M4用高级语言编程用编译程序翻译成汇编语言程序或机器语言程序操作系统级机器M2使用操作系统命令用机器语言解释操作系统命令微程序级机器M0使用微指令系统用微程序解释机器指令直接执行微指令虚拟机器实际机器6三、计算机结构与组成*计算机系统结构：机器语言程序员所看到的计算机属性概念性结构和功能特性←┘数字电路级机器指令系统、数据表示、寻址方式,存储系统，I/O系统、信息保护等机器语言级机器M1微程序级机器M0硬件软件汇编语言级机器M3高级语言级机器M4操作系统级机器M2软硬件交界面*计算机组成：实现计算机系统结构时所体现的计算机属性指令功能逻辑实现、部件组成、控制机构、排队及缓冲技术等器件技术、组装技术等*计算机实现：实现计算机组成时所体现的计算机属性7*相互关系：计算机系统结构—确定软硬件功能分配及其界面特性；计算机组成—逻辑实现系统结构的内容；计算机实现—物理实现计算机组成的内容举例系统结构计算机组成计算机实现乘法功能是否有乘法指令乘法器还是加法+移位器件、电路主存系统最大容量、编址方式速度保证、单体/多体MEM总线带宽信号线数、时钟、传输方式8§1.2计算机系统基本组成一、冯·诺依曼模型计算机*结构与组成：由运算器、存储器、控制器、输入及输出设备组成，以运算器为中心；输入设备存储器运算器控制器输出设备注：数据信息指令信息控制信息状态信息*数据表示与运算：指令及数据均用二进制方式表示，运算亦采用二进制方式9*指令组成：由操作码及地址码组成；0100100010000例：若加法运算的操作码用010表示，第01000号与第10000号两个存储单元内容相加的操作可表示为：表示操作的性质表示操作数在存储器中的位置*存储程序原理—程序存储方式：指令及数据预先存放(以等同地位)在存储器中；*存储器结构：由定长单元构成的一维空间，存储器按地址访问；操作码地址码1地址码210*存储程序原理—程序控制机制：按程序逻辑顺序、自动地、逐条地取出指令并执行。循环的指令执行过程物理顺序(指令地址)指令内容程序逻辑顺序A+0intnCount=0；⑴A+1intnSum=0；⑵A+2LP:nSum+=nCount；⑶⑹⑼A+3nCount++；⑷⑺⑽A+4if(nCount4)gotoLP；⑸⑻⑾A+5COUTnSum；⑿取指令过程执行指令过程指令地址+“1”指令发生转移时下条指令地址由当前指令产生11二、计算机硬件的基本组成1、计算机硬件的结构现代计算机均在冯·诺依曼模型基础上进行改进*采用以存储器为中心的结构：使数据传送与数据处理并行，有利于提高系统性能存储器输出设备输入设备结果程序数据控制器运算器直接存储器访问(DMA)技术缓冲器缓冲器缓冲技术812*由多种存储器构成存储系统：解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能/价格主存(内存)辅存(外存)计算机硬件运算器控制器存储器输入设备输出设备CPU主机I/O设备(外设)I/O设备主存储器MM控制单元CUCPU算术逻辑单元ALU主机包含辅存(如DISK等)13*采用总线互连形式：实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性CPU主存I/O接口1…MEM总线I/O设备1I/O接口nI/O设备n总线桥I/O接口I/O设备…I/O接口I/O设备I/O总线非标准格式标准格式按地址访问min{所连I/O设备速度}142、计算机部件的基本组成(1)存储器*功能：存储程序和数据、通过读/写操作接收/提供信息地址……存储阵列I/O电路地址译码器……数据命令*术语：存储元件(存储元)—可存储一个二进制位的元件；存储单元—可同时存储一串二进制位的元件；存储字—存储单元内存储的二进制编码；存储阵列—所有存储单元的集合存储单元地址—每个存储单元被赋予的惟一编号存储容量—存储阵列可存储的二进制位数………………01n-101…w-1…01…n-1……存储字长W存储字*组成：15*完成操作的过程：读操作—①接收地址及命令，内部操作；②输出数据…I/O电路地址译码器…………①0…01①Read地址译码器I/O电路②1#的存储字写操作—①接收地址及命令；②接收数据，内部操作16(2)运算器*功能：实现算术运算及逻辑运算，并暂存运算结果*组成：寄存器组(堆)Func存储器ALU寄存器型运算器ACFunc存储器ALU累加器型运算器TEMP*(AC)+[Y]→AC的运算过程：(0)(AC)为被加数AC存储器ALUTEMPACFuncTEMP(1)加数[Y]→TEMP(2)(AC)＋(TEMP)(3)ALU结果→AC△约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y中内容17(3)控制器*功能：指挥及控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程*程序执行过程：①循环的指令执行过程(取指令及执行指令)；②下条指令地址由当前指令产生(按程序逻辑顺序)指令地址寄存器PC存储器指令内容寄存器IR指令译码器ID功能部件+“1”地址形成部件取指令取指阶段分析指令执行指令执行阶段指令产生转移时1018*控制器功能的实现方法：①循环产生指令执行过程不同时段的时标信号；②在不同时段产生当前指令执行所需的部件控制信号*组成：指令寄存器IR…程序计数器PC指令译码器ID控制信号形成部件时序部件控制器…①②②19(4)输入/输出设备*功能：实现外部-内部信息的输入/输出及格式转换；*种类：键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等；*连接：通过I/O接口(又称适配器或控制器)与总线连接，I/O接口实现信息传送时的缓冲、中转等功能主存…系统总线主存控制器CPU用户交互接口键盘、鼠标等磁盘适配器磁盘通信接口串口等总线接口BIU20三、计算机软件的基本组成1、计算机软件分类软件分为系统软件及应用软件两大类。语言处理程序数据库管理系统服务性程序网络管理程序操作系统科学计算信息管理自动控制人工智能虚拟现实实际机器软硬件交界面系统软件应用软件虚拟机器应用语言环境高级语言环境汇编语言环境操作系统环境应用语言程序高级语言程序汇编语言程序操作系统命令串212、操作系统(OperatingSystem,OS)OS是管理所有的硬件资源及软件环境的软件。*主要功能：文件管理、作业管理、进程管理、存储管理、设备管理程序辅存进程调度与控制程序执行请求进程面向软件的硬件管理*进程的调度与控制：调度—在适当时候、按照一定算法确定即将运行的进程；│└→如优先级、轮转、先来先服务└→如时间片已满、有I/O请求、进程结束控制—调度完成时，控制上行/下行进程的环境切换CPU时间OS进程进程1进程2进程322四、计算机系统的工作过程指令类型指令格式操作码OP地址码ADDR取数001*****存数010*****加法011*****停机100无效1、机器语言程序的形成*假设的计算机指令系统：*y=x+b的机器语言程序：有编程和编译两个步骤，指令与数据等同存储在MM中地址程序中指令注释OPADDR000100100AC←[x]101100101AC←(AC)＋[b]201000110[y]←(AC)3101*****停机4x原始数据x5b原始数据b6y结果数据y指令类型指令(操作)功能取数AC←[ADDR]存数ADDR←(AC)加法AC←(AC)＋[ADDR]停机程序执行结束232、计算机硬件的工作过程思考：MAR/MDR对写MEM操作的影响？CPUI/O设备AddrDataCmd…控制信号形成部件时序部件ID+“1”I/O接口ACALUIRPC……存储阵列I/O电路地址译码器…系统总线…MARMDR主存储器与REGa、REGd等无关(0)REGa→MAR(1)MAR→ABus、Read→CBus(2)WaitMFC、结束时DBus→MDR(3)MDR→REGd1618REGa、REGd被占用(总线)*MAR/MDR对访存操作过程的影响：以读MEM为例(1)REGa→ABus、Read→CBus(2)WaitMFC、结束时DBus→REGd24(1)指令执行过程有取指令、分析指令、执行指令3个步骤*取数指令的执行过程：以AC←[X]为例MDR主存储器MARMDR运算器ALUAC…控制信号形成时序部件PCIRID控制器+“1”……MARPC+“1”IRIDPCMARXMDRAC*加法指令的执行过程：以AC←(AC)+[Y]为例主存储器MARMDR运算器ALUAC…控制信号形成时序部件PCIRID控制器+“1”……PCIRIDMARMDRYALUAC1725(2)程序执行过程*程序执行的实现方法：--控制器指挥与控制①取指—(PC)→[MM]→IR，(PC)+“1”→PC；②分析—(IR)→ID→CU；③执行—实现指令约定操作(指令转移时重写PC)；④循环—若无中断执行的要求，转①17例—y=x+b的机器语言程序执行过程:0000000100100AC←[x]0000101100101AC←(AC)+[b]0001001000100[y]←(AC)00011101*****停机*程序执行的初始条件：(a)程序及数据已存放在主存储器MM中；(b)PC内容已经为即将执行的程序首条指令地址2624⑴⑵⑶；MAR＝PC＝00000，取指开始；PC←00001（下条地址）；IR＝00100100，取指完成；CU得知当前为取数指令PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC，(PC)＋1→PCMDR→IRID对OP(IR)译码⑺⑻⑼；MAR＝PC＝00001，取指开始；PC←00010（下条地址）；IR＝01100101，取指完成；CU得知当前为加法指令PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC，(PC)＋1→PCMDR→IRID对OP(IR)译码⑷⑸⑹；MAR＝00100，执行开始；AC＝MDR＝x，执行完成AD(IR)→MAR、MAR→ABus、Read→CbusWaitMFCMDR→AC⑽⑾⑿；MAR＝00101，执行开始；AC＝x＋b，执行完成AD(IR)→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC(MDR)＋(AC)→AC27机器自动停机；执行停机指令完成212517⒀⒁⒂；MAR＝PC＝00010，取指开始；PC←00011（下条地址）；IR＝01000110，取指完成；CU得知当前为存数指令PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC，(PC)＋1→PCMDR→IRID对OP(IR)译码⒅⒆⒇；MAR＝PC＝00011，取指开始；PC←00100（下条地址）；IR＝100*****，取指完成；CU得知当前为停机指令PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC，(PC)＋1→PCMDR→IRID对OP(IR)译码；MAR＝00110，执行开始；MDR＝AC＝x＋b，执行完成AD(IR)→MAR、MAR→ABus、Write→CbusA