计算机组成原理概述(Part1)

1、计算机组成原理与汇编语言(2006级),北航计算机学院 刘旭东 Tel ：82316285 Mail： ,课程介绍,课程名称 计算机组成原理与汇编语言 Computer Organization and Assemble Language 学时学分 课堂教学：68学时 总学分：4学分 任课教师 刘旭东、熊桂喜 配套实验 计算机组成原理实验（单独开课） 汇编语言上机实验（自己掌握）,课程介绍教学内容,概述 存储系统的组成与基本工作原理 内部存储器的组成与工作原理 高速缓冲存储器的结构与工作原理 辅助存储器的结构与工作原理 虚拟存储系统等 指令系统与IBM汇编语言 指令系统基本要素 80X86 机

2、器结构 80X86指令系统 IBM PC汇编语言程序设计一（汇编语言程序结构与基本技巧） 指令系统的设计与分析,课程介绍教学内容,CPU的内部结构与工作原理 ALU与基本运算方法 控制单元的结构 数据通路与控制信号 指令执行过程分析 控制单元的设计 微程序控制器原理 总线、 I/O系统与I/O汇编程序设计 总线与I/O接口、基本I/O方式 BIOS/DOS调用 中断、DMA及其汇编程序设计 串行通信及汇编程序设计 显示、打印汇编程序设计 文件操作汇编编程,课程介绍,目的 掌握计算机的基本组成、内部结构和工作原理，培养学生分析和设计计算机或计算机部件的能力。 掌握汇编语言编程 ，从汇编指令级理解

3、和操纵计算机的基本部件。 重点与难点 主存储器与高速缓冲存储器 输入输出汇编语言程序设计 CPU的内部结构与工作原理 与其他课程的关系 先导课程：计算机导论、数字电路与数字逻辑 ； 后续课程：计算机接口与通信、计算机系统结构；,课程介绍,上课时间及地点 118周： 星期一 7/8 节，星期四 7/8节（一）316 教材及参考书 教材：计算机组成原理（第2版），高等教育出版社，唐朔飞编著 IBM PC汇编语言程序设计，清华大学出版社，沈美明编著 计算机组成原理实验说明书（学院教学实验中心编） 参考书：计算机组织与结构（性能设计）第五版，电子工业出版社 Computer Organization

4、& DesignThe Hardware / Software Interface （计算机组织与设计 硬件/软件接口，机械工业出版社影印版） 考试办法 课程考试：期终考试（A、B卷，闭卷） 成 绩：考试成绩 85 平时成绩 15,第一部分：概述,透视计算机：计算机组成与结构总结 计算机系统的层次结构 计算机的组成部件简介 计算机的内部连接 理解计算机：计算机的基本工作过程 指令的含义 程序的执行 计算机最基本的操作与控制：微操作,1.1 计算机系统,硬件（Hardware） 计算机的实体部分，可以实现计算机最基本的操作行为。 软件（Software） 使计算机实现各种功能的程序集合。包括系统

5、软件、应用软件两大类。,1.2 计算机系统层次结构,计算机的层次结构的演变,实际机器M1 （机器语言程序）,机器语言,将高级语言程序先翻译成汇编语言程序或机器语言程序，再在M1或M2上运行,将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，然后在M1上运行,1.2 计算机系统层次结构,三级层次结构的计算机系统,实际机器M1 （机器语言程序）,虚拟机器M3 （高级语言程序）,虚拟机器M2 （汇编语言程序）,第一级,第二级,第三级,机器语言程序直接在M1上运行,1.2 计算机系统层次结构,四级层次结构的计算机系统,实际机器M1 （机器语言程序）,虚拟机器M3 （高级语言程序）,虚拟机器M2 （汇编语言程序）,第

6、一级,第二级,第三级,机器语言程序直接在M1上运行,将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，然后在M1上运行,将高级语言程序先翻译成汇编语言程序或机器语言程序，再在M1或M2上运行,用微程序解释机器指令，由硬件系统直接执行微程序,1.3 计算机的基本组成,计算机的功能 Data Processing (数据处理) Data Storage （数据存储） Data Movement （数据移动，交换） Control （控制） 计算机的功能结构,1.3 计算机的基本组成,运算器：实现数据处理的部件 完成最基本的算术逻辑运算 ALU (Arithmetic and Logic Unit） Regist

7、ers 运算器与机器字长（字的概念）的关系 运算器与机器性能指标： MIPS：Millions of Instructuions Per Second 目前更通用的叫法：Datapath 简单运算器结构图,1.3 计算机的基本组成,存储器：实现数据存储的部件 保存程序和数据（二进制信息） 存储单元：bit, Byte, Word 地址的概念：每一个字节单元拥有一个唯一的地址（索引） 存储器的工作方式：读、写 存储器结构简图,1.3 计算机的基本组成,控制器：实现控制功能的部件 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（Instruction Register ，Ins

8、truction Decoder） 指令顺序控制（Program Counter） 时序逻辑部件（Clock，Timer ，Sequencing Logic） 控制信号生成部件（Control Signal Generator or Control Memory） Datapath Control CPU（Central Process Unit）or Processor 控制器结构简图,1.3 计算机的基本组成,输入输出：实现数据交换的部件 实现计算机内部与外界（其他系统或人类）的信息交换 实现数据交换的设备：输入设备、输出设备 接口标准与接口部件 计算机整体结构简图,1.4 计算机总线结构

9、,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-Industry Standard Architecture（工业标准结构） EISA-Extended ISA（扩展工业标准结构） PCI-Peripheral Connection Interface (周边元件扩充接口) SCSI-Small Computer System Interface(小型计算机系统接口) ,1.4 计算机总线结构,单总线结构,1.4 计算机总线结构,1946年，冯诺依曼与同事开始研制 IAS。该机结构被公认为随后发展起来的通用计算机

10、的原型。,1.4 计算机总线结构,普通PC（PC/XT）的内部结构,1.4 计算机总线结构,普通PC（Pentium）的内部结构（多总线结构）,1.4 计算机总线结构,Sun SPARCstation20（RISC）多总线结构,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）,2.1 计算机的工作过程,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

11、目的。 计算机采用程序计算器（Program Counter）来决定指令执行的顺序。,2.2 指令的执行过程,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 + B AC,2.2 指令的执行过程,机器结构简化图,2.2 指令的执行过程,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,根据PC内容从存储器取指令送IR； 指令译码器译码（解释指

12、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； 运算器运行； 保存结果； 形成下一条指令地址送PC。,Example,Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。,Example,Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。,Example,?,AC,a,ax,ax+b,ax2+bx,ax2+bx-c,计算机系统的层次,Applications,OS,Compiler,Instruction Set Architecture （ISA）,Instruction Processing,Input/ Output,Har

13、dware layers for design abstraction,Datapath & Control,Digital Design,Circuit Design,Software layers of abstraction,计算机系统的层次,Applications,OS,Compiler,Instruction Set Architecture （ISA）,Instruction Processing,Input/ Output,Hardware layers for design abstraction,Datapath & Control,Digital Design,Circuit Design,Software layers of abstraction,指令系统：体系结构 对指令系统的实现：组成 软件系统：基于体系结构，一个软件可以在同一体系结构不同型号的机器上运行； 硬件系统：对体系结构的具体实现，同一体系结构具有多种实现方式。 X86 是一种Architecture； Pentium IV是architecture的一种实现实例。,ENIAC（1946）