研究生課程計(jì)算機(jī)組成原理

1、李光順李光順 主講主講由具有各類特殊功能由具有各類特殊功能的信息（程序）組成的信息（程序）組成1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的實(shí)體，由各計(jì)算機(jī)的實(shí)體，由各種電子元器件組成，種電子元器件組成，如主機(jī)、外設(shè)等如主機(jī)、外設(shè)等硬件硬件軟件軟件按任務(wù)需要編制成的各種程序按任務(wù)需要編制成的各種程序用來管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用來管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語言處理程序語言處理程序標(biāo)準(zhǔn)庫程序標(biāo)準(zhǔn)庫程序服務(wù)性程序服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)軟件軟軟件件信息管理軟件信息管理軟件輔助設(shè)計(jì)軟件輔助設(shè)計(jì)軟件文字處理軟件文字處理軟件各種程序包

2、各種程序包 馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備2. 2. 計(jì)算機(jī)硬件框圖計(jì)算機(jī)硬件框圖以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖程序程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果計(jì)算計(jì)算alu主存主存輔存輔存cpu主機(jī)主機(jī)i/o設(shè)備設(shè)備硬件硬件cu計(jì)算機(jī)的主要硬件計(jì)算機(jī)的主要硬件存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器輸出設(shè)備輸出設(shè)備控制器控制器存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體大樓大樓存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存放一串二進(jìn)制代碼存放一串二進(jìn)制代碼 存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存儲(chǔ)元件存儲(chǔ)元件（0

3、/1） 房間房間 床位床位（無人（無人/ / 有人）有人）( (1) )主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器mdr主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體mar3. .計(jì)算機(jī)的各主要組成計(jì)算機(jī)的各主要組成(2) 運(yùn)算器運(yùn)算器運(yùn)算器運(yùn)算器mqaccalux取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令pcircupcircu取指取指執(zhí)行執(zhí)行pc 存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址， 具有計(jì)數(shù)功能（具有計(jì)數(shù)功能（pc）+ + 1 1 pcir 存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存訪存訪存完成完成一條一條指令指令( (3) ) 控制器控制器i/oi/o設(shè)備設(shè)備相應(yīng)接口相應(yīng)接口(4) i/o系統(tǒng)系統(tǒng)1. .

4、機(jī)器字長機(jī)器字長 cpu 一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。221 b = = 256 kb213 b = = 1 kb如如2. .存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量主存容量主存容量輔存容量輔存容量存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù) 存儲(chǔ)字長存儲(chǔ)字長字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 80 gb如如 mar mdr 容量容量 10 8 16 32存放二進(jìn)制信息的總位數(shù)存放二進(jìn)制信息的總位數(shù)1k = 210 1b = 23b1gb = 230b1 k 8位位64 k 32位位3. .運(yùn)算速度運(yùn)算速度 mips (million instruction per second)百萬指令百萬指令每秒每秒 執(zhí)行一條指令所需要的平均

5、時(shí)鐘周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需要的平均時(shí)鐘周期數(shù) cpi (cycle per instruction) cpi (cycle per instruction) 每秒執(zhí)行的浮點(diǎn)操作數(shù)目每秒執(zhí)行的浮點(diǎn)操作數(shù)目 flops flops（floating point operation per floating point operation per secondsecond）或或 mflops (million flops)mflops (million flops)百萬浮點(diǎn)操作每秒百萬浮點(diǎn)操作每秒1946年年 美國美國 eniac1955年退役年退役十進(jìn)制運(yùn)算十進(jìn)制運(yùn)算18 0001 5001503

6、01 500多個(gè)電子管多個(gè)電子管多個(gè)繼電器多個(gè)繼電器千瓦千瓦噸噸平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬動(dòng)開關(guān)和拔插電纜來編程用手工搬動(dòng)開關(guān)和拔插電纜來編程世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī) eniac(1946)第一臺(tái)第一臺(tái)von neumann 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)ibm system360 1.ibm: bluegene/l - eserver blue gene solution212 992 個(gè)個(gè) cpu 最大平均速度最大平均速度 478 200 gflops最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2007.11）2. .ibm: j

7、ugene - blue gene/p solution 65 536個(gè)個(gè) cpu 最大平均速度最大平均速度 167 300 gflops 最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2007.11）3. .sgi: sgi altix ice 820014 336個(gè)個(gè) cpu 最大平均速度最大平均速度 126 900 gflops 最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2007.11）4. hp : eka - cluster platform 3000 bl460c14 240個(gè)個(gè) cpu 最大平均速度最大平均速度 117 900 gflops最快的五臺(tái)超

8、級(jí)計(jì)算機(jī)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2007.11）最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2007.11）5. hp : cluster platform 3000 bl460c13 728個(gè)個(gè) cpu 最大平均速度最大平均速度 102 800 gflopsmoore 定律定律intel 公司的締造者之一公司的締造者之一 gordon moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶體管數(shù)目每三年翻兩番晶體管數(shù)目每三年翻兩番1. 什么是總線什么是總線總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，是是 各個(gè)部件共享的傳輸介質(zhì)各個(gè)部件共享的傳輸介

9、質(zhì)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線控制總線控制總線雙向雙向 與機(jī)器字長、存儲(chǔ)字長有關(guān)與機(jī)器字長、存儲(chǔ)字長有關(guān)單向單向 與存儲(chǔ)地址、與存儲(chǔ)地址、 i/o地址有關(guān)地址有關(guān)有出有出 有入有入計(jì)算機(jī)各部件之間計(jì)算機(jī)各部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫總線允許、中斷確認(rèn)總線允許、中斷確認(rèn)中斷請求、總線請求中斷請求、總線請求2. . 總線分類總線分類總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線總線時(shí)鐘總線時(shí)鐘帶寬帶寬isa168 mhz （獨(dú)立）（獨(dú)立）16 mbpseisa328 mhz （獨(dú)立）（獨(dú)立）33 mbpsvesa(vl-bus)326433 mhz （c

10、pu）133 mbpspci326433 mhz（獨(dú)立）（獨(dú)立）66 mhz（獨(dú)立）（獨(dú)立）132 mbps528 mbpsagp3266.7 mhz（獨(dú)立）（獨(dú)立）133 mhz（獨(dú)立）（獨(dú)立）266 mbps533 mbpsrs-232串行通信串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（調(diào)制解調(diào)器）之間的標(biāo)準(zhǔn)接口（調(diào)制解調(diào)器）之間的標(biāo)準(zhǔn)接口usb串行接口串行接口總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)普通無屏蔽雙絞線普通無屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高最高1.5 mbps (usb1.0)12 mbps (usb1.0)480 mbps (usb2.0

11、) 3. 總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)波特率波特率：單位時(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，：單位時(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位用單位用bps表示。表示。比特率比特率：單位時(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制：單位時(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制有效數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)的的位數(shù)，單位用位數(shù)，單位用bps表示。表示。磁盤、磁帶、光盤磁盤、磁帶、光盤 高速緩沖存儲(chǔ)器（高速緩沖存儲(chǔ)器（cache）flash memory存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器mrompromepromeepromramrom靜態(tài)靜態(tài) ram動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài) ram1. 按在計(jì)算機(jī)中的作用分類按在計(jì)算機(jī)中的作用分類緩存緩存cpu主存主存輔存輔存2. 緩存緩存 主存層次和

12、主存主存層次和主存 輔存層次輔存層次緩存緩存主存主存輔存輔存主存主存虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器10 ns20 ns200 nsms虛地址虛地址邏輯地址邏輯地址實(shí)地址實(shí)地址物理地址物理地址主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（速度）（速度）（容量）（容量）程序訪問的局部性原理程序訪問的局部性原理cache cache 的命中率的命中率 cpu cpu 欲訪問的信息在欲訪問的信息在 cache cache 中的中的 比率。比率。 cache 的的 命中率命中率 與與 cache 的的 容量容量 、 塊長、塊長、程序本身和替換策略程序本身和替換策略等有關(guān)。等有關(guān)。磁盤磁盤磁磁盤盤組組主軸主軸磁頭磁頭音圈音圈電機(jī)電機(jī)位置檢測位

13、置檢測定位驅(qū)動(dòng)定位驅(qū)動(dòng)模擬控制模擬控制放放大大閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)由磁盤控制由磁盤控制器送來的目器送來的目標(biāo)磁道信號(hào)標(biāo)磁道信號(hào)測測速速輸輸出出讀寫臂讀寫臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸主軸定位驅(qū)動(dòng)定位驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)控制程序查詢方式程序查詢方式程序中斷方式程序中斷方式dma方式方式i/o通道方式通道方式i/o處理機(jī)方式處理機(jī)方式i/o設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式1. 數(shù)制與進(jìn)位計(jì)數(shù)法數(shù)制與進(jìn)位計(jì)數(shù)法符號(hào)符號(hào):0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,a,b,c,d,e,f:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,a,b,c,d,e,f（1）無符號(hào)數(shù)）無符號(hào)數(shù)用二進(jìn)制

14、表示用二進(jìn)制表示反映無符號(hào)數(shù)的表示范圍反映無符號(hào)數(shù)的表示范圍 8 位位 0 255（2）有符號(hào)數(shù)）有符號(hào)數(shù)原碼原碼反碼反碼補(bǔ)碼補(bǔ)碼移碼移碼n = srj浮點(diǎn)數(shù)的一般形式浮點(diǎn)數(shù)的一般形式s 尾數(shù)尾數(shù)j 階碼階碼r 基數(shù)（基值）基數(shù)（基值）浮點(diǎn)數(shù)的表示形式浮點(diǎn)數(shù)的表示形式sf 代表浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào)代表浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào)n 其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的精度其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的精度m 其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍jf 和和 m 共同表示小數(shù)點(diǎn)的實(shí)際位置共同表示小數(shù)點(diǎn)的實(shí)際位置jf j1 j2 jm sf s1 s2 sn j 階碼階碼s 尾數(shù)尾數(shù)階符階符數(shù)符數(shù)符階碼的階碼的數(shù)值部分?jǐn)?shù)值部分尾數(shù)的數(shù)值

15、部分尾數(shù)的數(shù)值部分小數(shù)點(diǎn)位置小數(shù)點(diǎn)位置ieee 754 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)短實(shí)數(shù)短實(shí)數(shù)長實(shí)數(shù)長實(shí)數(shù)臨時(shí)實(shí)數(shù)臨時(shí)實(shí)數(shù)符號(hào)位符號(hào)位 s 階碼階碼 尾數(shù)尾數(shù) 總位數(shù)總位數(shù)1 8 23 321 11 52 641 15 64 80s 階碼（含階符）階碼（含階符） 尾尾 數(shù)數(shù)數(shù)符數(shù)符小數(shù)點(diǎn)位置小數(shù)點(diǎn)位置尾數(shù)為規(guī)格化表示尾數(shù)為規(guī)格化表示非非 “0” 的有效位最高位為的有效位最高位為 “1”（隱含）（隱含）（1） 移位運(yùn)算移位運(yùn)算算術(shù)移位和邏輯移位算術(shù)移位和邏輯移位（2） 補(bǔ)碼加減運(yùn)算補(bǔ)碼加減運(yùn)算溢出判斷溢出判斷（3）原碼和補(bǔ)碼的乘法運(yùn)算）原碼和補(bǔ)碼的乘法運(yùn)算（4）原碼和補(bǔ)碼的除法運(yùn)算）原碼和補(bǔ)碼的除法運(yùn)算浮點(diǎn)加減運(yùn)

16、算浮點(diǎn)加減運(yùn)算浮點(diǎn)乘除運(yùn)算浮點(diǎn)乘除運(yùn)算1.1. 指令的尋址方式指令的尋址方式2. 2. 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結(jié)果的輸出控制程序輸入及結(jié)果的輸出總線管理總線管理處理異常情況和特殊請求處理異常情況和特殊請求1. 控制器的功能控制器的功能2. 運(yùn)算器的功能運(yùn)算器的功能實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算指令控制指令控制操作控制操作控制時(shí)間控制時(shí)間控制數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工處理中斷處理中斷2. cpu 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)pc ir指令控制指令控制操作控制操作控制時(shí)間控制時(shí)間控制數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工處理中斷處理中斷

17、alu 寄存器寄存器中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)cu 時(shí)序電路時(shí)序電路寄存器寄存器alu 中斷中斷 系統(tǒng)系統(tǒng)cucpu控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線完成一條指令分完成一條指令分 4 個(gè)工作周期個(gè)工作周期取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期10.1 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì)10.2 微程序設(shè)計(jì)微程序設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì)步驟組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1. 列出操作時(shí)間表列出操作時(shí)間表t2t1t0 fe取指取指 jmpldastaaddcomcla微操作命令信號(hào)微操作命令信號(hào)狀態(tài)狀態(tài)條件條件節(jié)拍節(jié)拍工作工作周期周期標(biāo)記標(biāo)記pc mar1 rm(mar) mdr ( pc ) +1

18、 pcmdr irop( ir ) id1 ind1 exii11111111111111111111111111111111111111111111112. 寫出微操作命令的最簡表達(dá)式寫出微操作命令的最簡表達(dá)式= fe t1 + ind t1 ( add + sta + lda + jmp + ban ) + ex t1 ( add +lda )m ( mar ) mdr= t1 fe + ind ( add + sta + lda + jmp + ban ) + ex ( add +lda ) 3. 畫出邏輯圖畫出邏輯圖特點(diǎn)特點(diǎn) 思路清晰，簡單明了思路清晰，簡單明了 龐雜，調(diào)試?yán)щy，修改困難龐雜，調(diào)試?yán)щy，修改困難 速度快速度快&11&1feindexldaaddjmpbanstat1m ( mar) mdr（risc）&