计算机组成原理讲义1.Introduction课件

本讲内容透视计算机：计算机组成与结构总结组成部件内部连接理解计算机：机器指令的执行过程计算机最基本的操作与控制：微操作指令的执行过程程序的执行计算机的时序控制方式时序系统简介计算机结构(Architecture)的概念演变WhatisComputerArchitecture?ComputerArchitecture=InstructionSetArchitecture(ISA)+MachineOrganizationArchitectureISA:指从编程者角度看到的计算机所具备的概念结构和逻辑功能。区别与计算机的物理实现和物理结构。可编程存储器的结构指令系统，指令格式，寻址方式数据类型，编码Organization：物理实现与物理结构主要功能单元机器性能特征：ALU，Regs，Shifter，LogicalUnits部件之间的内部连接信息流（数据流和指令流）及其控制ISA的实现寄存器传输层（RTL）的硬件描述计算机组成（1）运算器完成最基本的算术逻辑运算ALU(ArithmeticandLogicUnit）＋Registers＋DataPath

控制器提供各部件工作所需的控制信号，控制计算机其他部件协同工作指令部件（InstructionRegister，InstructionDecoder）指令顺序控制（ProgramCounter）时序逻辑部件（Clock，Timer，SequencingLogic）控制信号生成部件（ControlSignalGeneratororControlMemory）运算器＋控制器＝CPU（CentralProcessUnit）计算机组成（2）存储器保存程序和数据存储单元（bit,Byte,Word)地址的概念（每一个字节单元一个唯一的地址）存储器的工作方式：读、写

组成：存储体＋地址缓冲部件＋数据缓冲部件＋读写控制部件存储器的层次：Cache＋RAM＋Disk＋Tape输入输出实现计算机内部与外界（其他系统或人类）的信息交换接口标准与接口部件外部设备：输入设备、输出设备计算机内部各部件之间的连接：计算机结构总线结构总线：符合一定的标准的一组公共数据通道构成：地址总线、数据总线、控制总线单总线结构多总线结构标准总线ISA---IndustryStandardArchitecture（工业标准结构）EISA----ExtendedISA（扩展工业标准结构）PCI----PeripheralConnectionInterface(周边元件扩充接口)

SCSI----SmallComputerSystemInterface(小型计算机系统接口)Examples–IAS（直接连接）1946年，冯·诺依曼与同事开始研制IAS,虽直到1952年仍未完成，但该机结构被公认为随后发展起来的通用计算机的原型。Examples–PC（单总线结构）普通PC（PC/XT）的内部结构Examples–PC（多总线结构）普通PC（Pentium）的内部结构机器指令：计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的二进制代码。指令格式：操作码＋操作数（操作数地址）操作码：指明指令的操作性质操作数（地址）：指令操作数的位置（或操作数本身）计算机的工作原理程序：在此特指一段机器指令序列。完成一定的功能，采用某种算法，具备一定的流程；计算机按照程序所规定的流程和指令顺序，一条一条地执行指令，达到完成程序所规定的功能的目的。计算机采用程序计算器（ProgramCounter）来决定指令执行的顺序。操作码操作数地址110101011000010001010ExampleY=ax2+bx-c假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。地址结果y将存放在此值a值b值c值x内存00H02H04H06H08H0AH0CH0EH10H12H14H16H18H假定指令系统：16位指令系统OpcodeAddress88操作码说明00HAC(AC)＋Mem(Add)01HACMem(Add)02HAC(AC)—Mem(Add)指令ADDLDSUB03HAC(AC)×Mem(Add)MUL04HMem(Add)(AC)STExampleY=ax2+bx-c假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。地址结果y将存放在此值a值b值c值x内存00H02H04H06H08H0AH0CH0EH10H12H14H16H18H操作码说明00HAC(AC)＋Mem(Add)01HACMem(Add)02HAC(AC)—Mem(Add)指令ADDLDSUB03HAC(AC)×Mem(Add)MUL04HMem(Add)(AC)ST程序如下代码0112HACa0318HACax0014HACax+b指令LDaMULxADDb0318HACax2+bxMULx0216HACax2+bx-cSUBc0410HMem(AC)STy指令的执行过程：微操作微操作：计算机可以完成的最基本的操作，一条机器指令的执行可以解释为一系列的微操作的执行操作性质：对数据进行某种处理操作对象操作的时间与条件微操作AB微操作AC+BAC指令的执行过程机器结构简化图指令的执行过程InstructionFetchInstructionDecodeOperandFetchExecuteResultStoreNextInstruction根据PC内容从存储器取指令送IR指令译码器译码（解释指令），形成微操作控制信号在控制信号的作用下取操作数送运算器运算器执行指令功能保存指令结果形成下条指令的地址并送PC同步控制方式的时序系统时序概念与时序信号指令周期：指令执行的时间，包括取指令、分析指令、执行指令所需的时间。机器周期：指令周期按功能分成几个不同的阶段，每个阶段所需的时间，称为一个机器周期。比如取指周期，取数周期等。节拍周期：也是时钟周期，微操作执行的时间。时钟脉冲信号：计算机系统的基