清華計算機組成原理習題課課件提高題1-6章BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA目錄CONTENTS計算機系統(tǒng)概述計算機硬件組成指令系統(tǒng)匯編語言與程序設(shè)計計算機系統(tǒng)性能評測計算機組成原理實驗BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA01計算機系統(tǒng)概述包括中央處理器、存儲器、輸入輸出設(shè)備等，是計算機的物理實體。硬件軟件操作系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應用軟件，是計算機的程序集合。是計算機系統(tǒng)的核心軟件，負責管理計算機的硬件和軟件資源。030201計算機系統(tǒng)的基本組成硬件層是計算機系統(tǒng)的最底層，包括各種物理設(shè)備和電路。操作系統(tǒng)層是計算機系統(tǒng)的核心層，負責管理計算機的硬件和軟件資源。應用層是計算機系統(tǒng)的最高層，包括各種應用程序，如辦公軟件、瀏覽器等。計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)確定計算器程序需要實現(xiàn)的基本功能，如加、減、乘、除等。需求分析根據(jù)需求分析，設(shè)計計算器程序的界面和邏輯結(jié)構(gòu)。設(shè)計使用編程語言實現(xiàn)計算器程序的各個功能模塊。編碼對計算器程序進行測試，確保其功能正常、無錯誤。測試提高題：設(shè)計一個簡單的計算器程序BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA02計算機硬件組成中央處理器（CPU）是計算機的核心部件，負責執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。CPU由運算器、控制器、寄存器等組成，通過總線與內(nèi)存和輸入輸出設(shè)備進行通信。CPU的性能指標包括時鐘頻率、指令集、核心數(shù)等，這些指標直接影響計算機的整體性能。中央處理器123存儲器是計算機中用于存儲數(shù)據(jù)和指令的部件。存儲器分為內(nèi)存儲器和外存儲器兩類，內(nèi)存儲器包括RAM和ROM，外存儲器包括硬盤、U盤、光盤等。存儲器的容量和速度是影響計算機性能的重要因素，隨著技術(shù)的發(fā)展，高速緩存和固態(tài)硬盤等新型存儲器逐漸普及。存儲器實現(xiàn)加、減、乘、除四種基本運算，支持整數(shù)和浮點數(shù)運算，具有輸入輸出接口，能夠與外部設(shè)備進行通信。設(shè)計要求包括但不限于電路設(shè)計、邏輯門選擇、時序控制、數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化等。同時，還需要進行仿真測試和實際硬件調(diào)試，以確保設(shè)計的正確性和可靠性。設(shè)計過程中需要考慮的因素包括提高題BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA03指令系統(tǒng)指令格式是計算機指令系統(tǒng)中重要的一環(huán)，它規(guī)定了指令的長度、操作碼的位置、操作數(shù)的個數(shù)和類型等信息。指令格式是指令系統(tǒng)中用于描述指令結(jié)構(gòu)的一種規(guī)范，它規(guī)定了指令的長度、操作碼的位置、操作數(shù)的個數(shù)和類型等信息。根據(jù)指令格式的不同，計算機指令系統(tǒng)可以分為固定長度的指令格式和可變長度的指令格式。在固定長度的指令格式中，每條指令的長度都是固定的，而在可變長度的指令格式中，每條指令的長度則根據(jù)需要而有所不同。指令格式尋址方式是指計算機指令系統(tǒng)中確定操作數(shù)有效地址的方法。尋址方式是指計算機指令系統(tǒng)中確定操作數(shù)有效地址的方法。在計算機指令系統(tǒng)中，操作數(shù)可以是寄存器、內(nèi)存單元或立即數(shù)等。尋址方式的不同會影響到指令的執(zhí)行效率和代碼的編寫難度。常見的尋址方式包括直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、基址尋址等。不同的尋址方式適用于不同的應用場景，選擇合適的尋址方式可以提高程序的執(zhí)行效率和代碼的可讀性。尋址方式提高題：設(shè)計一個簡單的匯編語言程序通過設(shè)計一個簡單的匯編語言程序，可以加深對指令系統(tǒng)和匯編語言的理解。設(shè)計一個簡單的匯編語言程序需要了解匯編語言的語法和指令系統(tǒng)。以下是一個簡單的匯編語言程序示例，該程序?qū)蓚€數(shù)相加并將結(jié)果存儲在寄存器中```assemblyMOVR2,#20;將20加載到寄存器R2中MOVR1,#10;將10加載到寄存器R1中提高題：設(shè)計一個簡單的匯編語言程序提高題：設(shè)計一個簡單的匯編語言程序ADDR3,R1,R2;將R1和R2中的值相加，并將結(jié)果存儲在寄存器R3中```在這個示例中，使用了MOV和ADD兩條指令，分別用于將立即數(shù)加載到寄存器和將兩個寄存器中的值相加。通過這個簡單的程序，可以加深對指令系統(tǒng)和匯編語言的理解，并提高編程能力。提高題：設(shè)計一個簡單的匯編語言程序BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA04匯編語言與程序設(shè)計指令格式每條匯編指令都有操作碼和操作數(shù)，操作碼指示指令的操作類型，操作數(shù)指定操作數(shù)的內(nèi)容。尋址方式指令中的操作數(shù)可以是立即數(shù)、寄存器、內(nèi)存地址等，尋址方式包括直接尋址、間接尋址、寄存器尋址等。數(shù)據(jù)類型匯編語言中定義了多種數(shù)據(jù)類型，包括字節(jié)、字、雙字等，每種數(shù)據(jù)類型都有對應的指令集。匯編語言的語法規(guī)則程序從入口點開始執(zhí)行，入口點通常是一個特定的標簽或地址。程序入口程序主體包括一系列的指令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)特定的功能。程序主體程序執(zhí)行完畢后，需要有一個出口點來結(jié)束程序。程序出口匯編語言的程序結(jié)構(gòu)提高題編寫一個匯編語言程序，實現(xiàn)斐波那契數(shù)列的計算。程序應從輸入中讀取一個正整數(shù)n，計算并輸出斐波那契數(shù)列的第n項。解題思路可以使用遞歸或迭代的方法實現(xiàn)斐波那契數(shù)列的計算。遞歸方法簡單易懂，但效率較低；迭代方法效率較高，但實現(xiàn)起來稍微復雜一些。代碼實現(xiàn)以下是使用x86匯編語言實現(xiàn)的代碼示例（使用迭代方法）題目要求提高題010203section.datapromptdb'Enterapositiveinteger:',0```assemblyformatdb'Fibonacci(%d)=%d',0提高題提高題section.bss提高題01nresd102fibresd1section.text03提高題global_start010203_startmoveax,4;writesyscallnumber(sys_write)movebx,1;filedescriptor(stdout)提高題提高題leaecx,[prompt];messagetowritemovedx,23;messagelengthint0x80;callkernel提高題030201moveax,3;readsyscallnumber(sys_read)movebx,0;filedescriptor(stdin)leaecx,[n];buffertoreadinto提高題01movedx,4;bufferlength(4bytes)02int0x80;callkernel03moveax,4;writesyscallnumber(sys_write)movebx,1;filedescriptor(stdout)leaecx,[format];messagetowritemovedx,27;messagelength010203提高題提高題int0x80;callkernel02moveax,4;writesyscallnumber(sys_write)03movebx,1;filedescriptor(stdout)01leaecx,[n];buffertowritefrommovedx,4;bufferlength(4bytes)int0x80;callkernel提高題03leaecx,[fib];buffertowritefrom01moveax,4;writesyscallnumber(sys_write)02movebx,1;filedescriptor(stdout)提高題int0x80;callkernel```movedx,4;bufferlength(4bytes)提高題BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA05計算機系統(tǒng)性能評測存儲性能包括內(nèi)存帶寬、容量和讀寫速度等，影響計算機處理速度和數(shù)據(jù)訪問效率。能耗效率在保證性能的同時，降低能耗也是重要的性能指標，有助于實現(xiàn)綠色計算。I/O性能涉及到計算機與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度和效率，如磁盤、網(wǎng)絡(luò)等。運算速度衡量計算機處理指令或數(shù)據(jù)的快慢，通常采用執(zhí)行特定算法或任務所需的時間來評估。性能評測指標提高題選擇基準測試軟件選擇業(yè)界認可的基準測試軟件，如SPEC、PCMark、3DMark等，確保評測結(jié)果的準確性和可比性。安裝和配置測試環(huán)境根據(jù)所選基準測試軟件的要求，正確安裝和配置操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和其他相關(guān)軟件，確保測試環(huán)境的一致性和穩(wěn)定性。運行測試按照基準測試軟件的說明和要求，運行各項性能測試，并記錄測試結(jié)果。分析結(jié)果根據(jù)測試結(jié)果，分析計算機在各項性能指標上的表現(xiàn)，并與業(yè)界標準或同類產(chǎn)品進行比較，找出性能瓶頸和優(yōu)化空間。BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA06計算機組成原理實驗實驗一：CPU的設(shè)計與實現(xiàn)總結(jié)詞：理解CPU的基本組成和工作原理，掌握指令執(zhí)行過程，掌握CPU的設(shè)計方法。CPU的基本組成和工作原理：CPU是計算機的核心部件，負責執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。它由運算器、控制器、寄存器等組成，通過指令執(zhí)行過程完成對數(shù)據(jù)的處理和運算。指令執(zhí)行過程：指令執(zhí)行過程包括取指令、解碼、執(zhí)行、訪存和寫回等階段。在取指令階段，CPU從內(nèi)存中取出指令并存入寄存器；在解碼階段，CPU將指令解碼為微操作序列；在執(zhí)行階段，CPU根據(jù)微操作序列執(zhí)行相應的操作；在訪存階段，CPU根據(jù)需要訪問內(nèi)存或輸入輸出設(shè)備；在寫回階段，CPU將運算結(jié)果寫回內(nèi)存或寄存器中。CPU的設(shè)計方法：設(shè)計一個CPU需要選擇合適的指令集、設(shè)計指令編碼方式、設(shè)計解碼器、設(shè)計運算器和控制邏輯等。同時需要考慮功耗、面積和性能等方面的因素。理解存儲器的基本組成和工作原理，掌握存儲器的層次結(jié)構(gòu)，掌握存儲器的設(shè)計方法。總結(jié)詞存儲器是計算機的重要組成部分，用于存儲數(shù)據(jù)和程序。它由多個存儲單元組成，每個存儲單元可以存儲一個二進制數(shù)。存儲器的讀寫操作由地址碼確定，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳輸。存儲器的基本組成和工作原理存儲器分為高速緩存、主存和外存三個層次。高速緩存由高速的SRAM組成，用于存放經(jīng)常訪問的指令和數(shù)據(jù)；主存由DRAM組成，用于存放當前運行的程序和數(shù)據(jù)；外存則包括硬盤、SSD等大容量存儲設(shè)備。存儲器的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計一個存儲器需要考慮容量、速度、功耗和成本等方面的因素。同時需要設(shè)計地址譯碼器、數(shù)據(jù)緩沖器和讀寫控制邏輯等。存儲器的設(shè)計方法實驗二：存儲器的設(shè)計與實現(xiàn)提高題總結(jié)詞：掌握微處理器的基本組成和工作原理，理解簡單控制系統(tǒng)的基本概念和設(shè)計方法，能夠設(shè)計一個基于微處理器的簡單控制系統(tǒng)。微處理器的基本組成和工作原理：微處理器是計算機的核心部件之一，負責控制計算機的各