研究生课程计算机组成原理

1、李光顺李光顺 主讲主讲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算机系统计算机系统计算机的实体，由各计算机的实体，由各种电子元器件组成，种电子元器件组成，如主机、外设等如主机、外设等硬件硬件软件软件按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统语言处理程序语言处理程序标准库程序标准库程序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信息管理软件信息管理软件辅助设计软件辅助设计软件文字处理软件文字处理软件各种程序包

2、各种程序包 冯冯诺依曼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2. 2. 计算机硬件框图计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器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cu计算机的主要硬件计算机的主要硬件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 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0

3、/1） 房间房间 床位床位（无人（无人/ / 有人）有人）( (1) )主存储器主存储器mdr主存储器主存储器存储体存储体mar3. .计算机的各主要组成计算机的各主要组成(2) 运算器运算器运算器运算器mqaccalux取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令pcircupcircu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( (3) ) 控制器控制器i/oi/o设备设备相应接口相应接口(4) i/o系统系统1. .

4、机器字长机器字长 cpu 一次能处理数据的位数。一次能处理数据的位数。221 b = = 256 kb213 b = = 1 kb如如2. .存储容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1k = 210 1b = 23b1gb = 230b1 k 8位位64 k 32位位3. .运算速度运算速度 mips (million instruction per second)百万指令百万指令每秒每秒 执行一条指令所需要的平均

5、时钟周期数执行一条指令所需要的平均时钟周期数 cpi (cycle per instruction) cpi (cycle per instruction) 每秒执行的浮点操作数目每秒执行的浮点操作数目 flops flops（floating point operation per floating point operation per secondsecond）或或 mflops (million flops)mflops (million flops)百万浮点操作每秒百万浮点操作每秒1946年年 美国美国 eniac1955年退役年退役十进制运算十进制运算18 0001 5001503

6、01 500多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 eniac(1946)第一台第一台von neumann 系统结构的计算机系统结构的计算机ibm system360 1.ibm: bluegene/l - eserver blue gene solution212 992 个个 cpu 最大平均速度最大平均速度 478 200 gflops最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）2. .ibm: j

7、ugene - blue gene/p solution 65 536个个 cpu 最大平均速度最大平均速度 167 300 gflops 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）3. .sgi: sgi altix ice 820014 336个个 cpu 最大平均速度最大平均速度 126 900 gflops 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）4. hp : eka - cluster platform 3000 bl460c14 240个个 cpu 最大平均速度最大平均速度 117 900 gflops最快的五台超

8、级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）5. hp : cluster platform 3000 bl460c13 728个个 cpu 最大平均速度最大平均速度 102 800 gflopsmoore 定律定律intel 公司的缔造者之一公司的缔造者之一 gordon moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番晶体管数目每三年翻两番1. 什么是总线什么是总线总线是连接各个部件的信息传输线，总线是连接各个部件的信息传输线，是是 各个部件共享的传输介质各个部件共享的传输介

9、质系统总线系统总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线双向双向 与机器字长、存储字长有关与机器字长、存储字长有关单向单向 与存储地址、与存储地址、 i/o地址有关地址有关有出有出 有入有入计算机各部件之间计算机各部件之间 的信息传输线的信息传输线存储器读、存储器写存储器读、存储器写总线允许、中断确认总线允许、中断确认中断请求、总线请求中断请求、总线请求2. . 总线分类总线分类总线标准总线标准数据线数据线总线时钟总线时钟带宽带宽isa168 mhz （独立）（独立）16 mbpseisa328 mhz （独立）（独立）33 mbpsvesa(vl-bus)326433 mhz （c

10、pu）133 mbpspci326433 mhz（独立）（独立）66 mhz（独立）（独立）132 mbps528 mbpsagp3266.7 mhz（独立）（独立）133 mhz（独立）（独立）266 mbps533 mbpsrs-232串行通信串行通信总线标准总线标准数据终端设备（计算机）和数据通信设备数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口（调制解调器）之间的标准接口usb串行接口串行接口总线标准总线标准普通无屏蔽双绞线普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高最高1.5 mbps (usb1.0)12 mbps (usb1.0)480 mbps (usb2.0

11、) 3. 总线标准总线标准波特率波特率：单位时间内传送的二进制数据的位数，：单位时间内传送的二进制数据的位数，单位用单位用bps表示。表示。比特率比特率：单位时间内传送的二进制：单位时间内传送的二进制有效数据有效数据的的位数，单位用位数，单位用bps表示。表示。磁盘、磁带、光盘磁盘、磁带、光盘 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（cache）flash memory存存储储器器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器mrompromepromeepromramrom静态静态 ram动态动态 ram1. 按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类缓存缓存cpu主存主存辅存辅存2. 缓存缓存 主存层次和

12、主存主存层次和主存 辅存层次辅存层次缓存缓存主存主存辅存辅存主存主存虚拟存储器虚拟存储器10 ns20 ns200 nsms虚地址虚地址逻辑地址逻辑地址实地址实地址物理地址物理地址主存储器主存储器（速度）（速度）（容量）（容量）程序访问的局部性原理程序访问的局部性原理cache cache 的命中率的命中率 cpu cpu 欲访问的信息在欲访问的信息在 cache cache 中的中的 比率。比率。 cache 的的 命中率命中率 与与 cache 的的 容量容量 、 块长、块长、程序本身和替换策略程序本身和替换策略等有关。等有关。磁盘磁盘磁磁盘盘组组主轴主轴磁头磁头音圈音圈电机电机位置检测位

13、置检测定位驱动定位驱动模拟控制模拟控制放放大大闭环自动控制系统闭环自动控制系统由磁盘控制由磁盘控制器送来的目器送来的目标磁道信号标磁道信号测测速速输输出出读写臂读写臂传动机构传动机构主轴主轴定位驱动定位驱动数据控制数据控制程序查询方式程序查询方式程序中断方式程序中断方式dma方式方式i/o通道方式通道方式i/o处理机方式处理机方式i/o设备与主机信息传送的控制方式设备与主机信息传送的控制方式1. 数制与进位计数法数制与进位计数法符号符号: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）无符号数）无符号数用二进制

14、表示用二进制表示反映无符号数的表示范围反映无符号数的表示范围 8 位位 0 255（2）有符号数）有符号数原码原码反码反码补码补码移码移码n = srj浮点数的一般形式浮点数的一般形式s 尾数尾数j 阶码阶码r 基数（基值）基数（基值）浮点数的表示形式浮点数的表示形式sf 代表浮点数的符号代表浮点数的符号n 其位数反映浮点数的精度其位数反映浮点数的精度m 其位数反映浮点数的表示范围其位数反映浮点数的表示范围jf 和和 m 共同表示小数点的实际位置共同表示小数点的实际位置jf j1 j2 jm sf s1 s2 sn j 阶码阶码s 尾数尾数阶符阶符数符数符阶码的阶码的数值部分数值部分尾数的数值

15、部分尾数的数值部分小数点位置小数点位置ieee 754 标准标准短实数短实数长实数长实数临时实数临时实数符号位符号位 s 阶码阶码 尾数尾数 总位数总位数1 8 23 321 11 52 641 15 64 80s 阶码（含阶符）阶码（含阶符） 尾尾 数数数符数符小数点位置小数点位置尾数为规格化表示尾数为规格化表示非非 “0” 的有效位最高位为的有效位最高位为 “1”（隐含）（隐含）（1） 移位运算移位运算算术移位和逻辑移位算术移位和逻辑移位（2） 补码加减运算补码加减运算溢出判断溢出判断（3）原码和补码的乘法运算）原码和补码的乘法运算（4）原码和补码的除法运算）原码和补码的除法运算浮点加减运

16、算浮点加减运算浮点乘除运算浮点乘除运算1.1. 指令的寻址方式指令的寻址方式2. 2. 指令系统的设计指令系统的设计取指令取指令分析指令分析指令执行指令，发出各种操作命令执行指令，发出各种操作命令控制程序输入及结果的输出控制程序输入及结果的输出总线管理总线管理处理异常情况和特殊请求处理异常情况和特殊请求1. 控制器的功能控制器的功能2. 运算器的功能运算器的功能实现算术运算和逻辑运算实现算术运算和逻辑运算指令控制指令控制操作控制操作控制时间控制时间控制数据加工数据加工处理中断处理中断2. cpu 结构结构pc ir指令控制指令控制操作控制操作控制时间控制时间控制数据加工数据加工处理中断处理中断

17、alu 寄存器寄存器中断系统中断系统cu 时序电路时序电路寄存器寄存器alu 中断中断 系统系统cucpu控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线完成一条指令分完成一条指令分 4 个工作周期个工作周期取指周期取指周期间址周期间址周期执行周期执行周期中断周期中断周期10.1 组合逻辑设计组合逻辑设计10.2 微程序设计微程序设计组合逻辑设计步骤组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表列出操作时间表t2t1t0 fe取指取指 jmpldastaaddcomcla微操作命令信号微操作命令信号状态状态条件条件节拍节拍工作工作周期周期标记标记pc mar1 rm(mar) mdr ( pc ) +1

18、 pcmdr irop( ir ) id1 ind1 exii11111111111111111111111111111111111111111111112. 写出微操作命令的最简表达式写出微操作命令的最简表达式= 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. 画出逻辑图画出逻辑图特点特点 思路清晰，简单明了思路清晰，简单明了 庞杂，调试困难，修改困难庞杂，调试困难，修改困难 速度快速度快&11&1feindexldaaddjmpbanstat1m ( mar) mdr（risc）&