计算机组成原理-与-汇编语言ppt课件

.,第一章绪论,（一）教学内容：计算机的基本概念计算机系统的组成原理与层次结构计算机系统的工作过程信息的数字化表示数字计算机的特点与主要性能指标计算机的发展与应用,.,（二）考核内容和要求掌握：存储程序工作方式，信息的数字化表示；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；了解：硬软组成的层次结构关系。,.,1-1基本概念,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。,.,冯.诺依曼”型计算机的逻辑结构的三层含义：计算机应包含运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件；,.,计算机内部采用二进制形式表示指令和数据；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.诺依曼原理”1946年存储程序原理：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。,.,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)。ArithmeticLogicalUnit,.,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。,.,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,.,Cache(高速缓冲存储器）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。,.,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。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。,.,指令数码化以后。就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。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。,.,输入设备将人熟悉的信息变换成机器内部能够识别的二进制信息；输出设备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）,.,为何计算机中采用二进制？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二进制数的运算规律简单，易于电路实现；逻辑判断方便，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？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,一个完整的计算机系统包含硬件和软件两大部分。硬件通常指设备实体；（上一节所述）软件通常泛指程序和文件；系统软件应用软件,.,计算机软件系统的三个层次：操作系统层操作系统，如DOS，WINDOWS，UNIX，LINUX实用工具层语言处理程序，如VB，VC+，MASM系统服务程序，如装入，连接，转换程序等标准程序库等应用程序层,.,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。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,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？快速性自动连续高速，先进的半导体部件实现高速运算和高速存储；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；逻辑性具有逻辑判断能力组合运算；准确性数字化编码可以保证运算和控制的准确度。,.,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。位(bit)字节(bity)字(word)主存容量主存储器所能够存储的全部信息总量。1K=1024B1M=1024K1G=1024M,.,运算速度通常用以下两种方法衡量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；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。,.,外围设备配置数量以及I/O能力系统软件配置支持丰富的应用寻址能力AB的宽度集成度制造工艺水平,.,计算机的发展与应用第一代电子管第二代晶体管第三代集成电路第四代大规模集成电路第五代超大规模集成电路。,.,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；,.,数制中所使用的数码的个数称为“基数”r某数制的数中每一位所具有的值称为“权”，如第i位的权为ri,.,进位计数制人用符号计数的科学方法二进制八进制十进制十六进制二十进制,.,数制数码进位方法基数二0，1逢2进12八07逢8进18十09逢10进110十六09,逢16进116AF,.,二十进制（BCD码）用4位二进制数表示十进制数中的每1位。8421码4位二进制数的权从高到低依次为8，4，2，1（92）10（10010010）BCD2421/5211余3码格雷码,.,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008811992210A3311B4412C5513D6614E7715F,.,二进十进二进十进00000100080001110019001021010100011310111101004110012010151101130110611101401117111115,.,数制间转换原则:整数变整数,小数变小数;十进二进整数部分:除2取余倒排,直到商为0;小数部分:乘2取整,直到小数位为0;例:(13.8125)10,.,(13.8125)10首先，转换整数部分1321326123021101结果：1101,.,然后，转换小数部分0.81250.81252=1.62510.625*2=1.2510.25*2=0.500.5*2=1.01小数结果：0.1101综合结果为(13.8125)10(1101.1101)2,.,二进,八进,十六进十进按N展开式求和例:(11001.101)2(27451.12)8(2AD.1C)16(11001.101)2,.,(27451.12)8(2AD.1C)16,.,二进十六进以小数点为中心分界每4位分为一段,不足补0每一段用相应的十六进制数取代例:(1101110.01011)2注:如果转换为八进制,则每3位分一段即可然后每一段用相应的八进制数取代.,.,(1101110.01011)2(?)16(01101110.01011000)2,=(6E.58)16,.,(1101110.01011)2(?)8(001101110.010110)2=,(156.26)8,.,二进制数的运算算术运算加+减-乘*逻辑运算（对位进行）与AND或OR非NOT异或XOR,.,2-机器码,真值，即一般书写的数。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。,.,下面的介绍使用以下假设：设X为真值；编码结果为N+1位；符号数码化为“1”代表负“0”代表正,.,数据的格式：定点、浮点定点数表示范围有限，硬件要求简单；浮点数表示范围大，硬件要求复杂。,.,定点数表示法约定机器中所有数据的小数点位置固定不变。其中xn为符号位。纯小数，小数点在xn与xn-1之间；纯整数，小数点在x0之后；,.,纯小数表示范围：0=x=1-2-n纯整数表示范围：0=x=2n-1,.,浮点数表示法任意进制数表示为称为尾数，称为阶码，为基数阶符阶码尾符尾数,.,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。尾数左移，阶码减1；尾数右移，阶码加1；尾数通常采用定点小数，阶码通常为定点整数；,.,浮点数规格化尾数1/2=0X原=1-X=1+X0=X-1,.,例:X=+0.1001则X原=0.1001X=-0.1001则X原=1.1001,.,定点整数的原码X2nX=0X原=2n-X=2n+X0=X-2n例：X=1111110X原=01111110X=-1011101X原=11011101,.,反码表示法正数的反码同原码；负数的反码只需将其相应正数的原码按位求反；例：X=-1101001则-X原=01101001X反=10010110,.,补码表示法正整数的补码与原码相同；负数的补码等于其反码末位加1。定点小数的补码X0=X1X补=2+X=2-X-1=X0例：X=-0.1011X补=2-0.1011=1.0101,.,定点整数的补码X0=X2nX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；若余数A0时，商0，下一步左移一位，然后加除数B；除数N位，以上操作做N步；P76图3-12,.,浮点数乘除运算乘法阶码相加，判溢出；尾数相乘；规格化。除法预置：检测除数、被除数是否为0；尾数调整：预防溢出；求阶差；尾数相除。,.,3-3模型机CPU,基本组成：组成内容控制器：指令译码器，时序系统，微操作信号发生器；运算部件：ALU寄存器：R0R3，C，D，Z，IR，PC，PSW，SP，MAR，MDR内部总线、数据通路：ALU总线，系统总线，传输控制门等；结构图如下：,.,M,.,基本工作原理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；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。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。,.,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）寄存器之间的数据传送操作：RiRj路径：Ri，ALU总线,Rj控制信号序列：Riout，CPRj,.,主存到CPU的数据传送取指令操作：MIR（地址在PC中）路径：PC,ALU总线，MAR，AB，M，DB，MDR，ALU总线，IR控制信号序列：PCout,CPMAR,EMAR,RD,SMAR,MDRout,CPIR,.,取数据操作：MRi（地址在Rj中）路径：Rj,ALU总线，MAR，AB，M，DB，MDR，ALU总线，Ri控制信号序列：Rjout,CPMAR,EMAR,RD,SMAR,MDRout,CPRi,.,CPU到主存的数据传送送数据操作：RiM（地址在Rj中）路径：Rj,ALU总线，MAR，AB，Ri，ALU总线，MDR，DB，M控制信号序列：Rjout,CPMAR,Riout,CPMDR,EMAR,EMDR,WR,.,执行算术或逻辑运算操作：Ri+RjRk路径：Ri，ALU总线，D，Rj,ALU，Z，ALU总线，Rk控制信号序列：Riout,CPD,Rjout,ADD，CPZ,Zout,CPRk,.,3-4时序控制方式,指令的执行过程执行过程分3个阶段取指令：PC提供地址的内存单元到IR；分析指令：由IR中的指令产生微操作命令序列；执行指令取操作数执行操作形成后继地址,.,指令间的衔接方式串行的顺序方式完成一条指令的执行后才开始取下一条指令；控制简单，效率低。并行的重叠方式在分析执行一条指令运算的同时，预读取下一条指令；（前提执行分段）提高了效率和运算速度，流水线支持。,.,时序控制方式每一条机器指令都可以分解为一个控制信号序列，指令的执行过程就是依次执行一个控制信号序列的过程，各步操作是有先后次序的，因此引入时序信号控制。同步控制方式每条指令的执行和指令中各个微操作都由统一的时序信号同步控制；操作时间被分成若干长度相同的时钟周期/节拍，所有微操作被按时间顺序先后分配到各个节拍上完成；,.,多级时序概念（同步控制方式下）：指令周期：从取指到指令执行完成所需的时间，指令不同长度不同。CISC机器周期：一个指令周期通常划分为若干个机器周期/CPU周期；如：取指周期，存储器写周期和存储器读周期等。时钟周期：一个机器周期又含若干个相等的时间段，称时钟周期/节拍，它是处理操作的最小单位；时钟脉冲：时序系统的基本定时信号，时钟周期的宽度与时钟脉冲的周期一致，由时钟脉冲的后沿实现周期切换。,.,多级时序信号关系图例,.,异步控制方式指令的指令周期可以由不等的机器周期数组成，无固定的周期节拍；无统一的时序，各操作之间的衔接通过“结束-起始”联络信号实现；联合控制方式以上两种方式的结合,.,3-5组合逻辑控制器,按产生控制信号的方式不同，控制器可以分为组合逻辑控制器和微程序控制器两种类型。第五节以组合逻辑控制器为例，讨论模型机的指令系统、时序系统和指令执行流程以及微命令的产生等情况。第六节介绍微程序控制器。,.,模型机的指令系统指令格式见P87双操作数指令如：ADD，SUB，MOV等单操作数指令如：INC，DEC等转移指令如：JMP，JSR等,.,寻址方式（源，目的）寄存器寻址0型R寄存器间址1型(R)自减型寄存器间址2型-(R)自增型寄存器间址3型(R)+立即数寻址3型(R)+/PC直接寻址4型DI变址寻址5型X(R),.,操作类型P90传送指令（0000）MOV双操作数算逻指令（00010101）ADD，SUB，AND，OR，EOR单操作数算逻指令（01101011）COM，NEG，INC，DEC，SL，SR控制类指令（11001101）JMP，RST，JSR,.,模型机的时序系统三级时序系统：工作周期、时钟周期和工作脉冲工作周期6种取指周期FT源周期ST目的周期DT执行周期ET中断响应周期ITDMA传送周期DMAT,.,以上6种周期，使用6个状态触发器来表示状态，任何一个时刻只允许其中一个状态为1（处于该种工作状态）。时钟周期（节拍）每个工作周期又划分为若干节拍；同样的时钟周期，不同的指令所需的节拍数各异；节拍发生器由计数器T和节拍译码器组成；T=0开始计数，若工作周期要延长则发T+1命令继续计数，工作周期完成发T=0复位命令。译码产生节拍状态T0，T1，T2，等作为操作的时间标志。,.,指令流程P95图3-20取指流程图（公共）P97图3-21MOV指令流程图P99图3-22双操作数指令流程图P99图3-23单操作数指令流程图P100图3-24转移指令流程图P101图3-25转子指令流程图,.,练习：MOV（R0），X（R1）是一条传送指令，源地址采用变址寻址，目的地址采用寄存器间接寻址方式。请拟出其指令流程。,.,解答：FT0PCMARFT1MMDRIRPC+1PCST0PCMARST1MMDRDPC+1PCST2D+RiZST3ZMARST4MMARCDT0R0MARET0CMDRET1MDRM,.,练习：P112第12题第13题第14题,.,微命令的综合与产生在组合逻辑控制器中，微命令是由组合逻辑电路产生的。由产生微命令的各种条件综合分析出微命令的逻辑表达式，整理和简化；然后用组合逻辑门电路或PLA门阵列实现，即构成微操作信号发生器。小结P102,.,3-6微程序控制器,微程序控制方式的基本思想：将机器中的指令分解为基本的微命令序列，用二进制代码表示这些命令，并编写成微指令，多条微指令再形成微程序。每条机器指令对应一段微程序，并在制造CPU时固化在CPU中的控制存储器（CM）中。执行机器指令的时候，CPU依次从CM中取出相应的微指令，从而产生微命令。一条微指令包含的微命令能控制实现一步（节拍）的操作；若干条微指令组成的一小段微程序解释执