計(jì)算機(jī)組成原理課件第一章參考書籍：1)計(jì)算機(jī)組成原理白中英主編科學(xué)出版社2）計(jì)算機(jī)組成原理解題指南白中英主編科學(xué)出版社3)計(jì)算機(jī)組成原理-學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答唐朔飛主編，高等教育出版社學(xué)習(xí)網(wǎng)站：02/eol/jpk/course/welcome.jsp?courseId=147602/eol/homepage/common/index.jsp

計(jì)算機(jī)組成原理第2頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第一篇概論本書結(jié)構(gòu)內(nèi)部互連ALUCU寄存器中央處理單元寄存器解碼器控制單元排隊(duì)邏輯控制存儲(chǔ)器第二篇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)第三篇CPU第四篇CU計(jì)算機(jī)I/O系統(tǒng)總線存儲(chǔ)器CPU第3頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.3計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.2計(jì)算機(jī)的基本組成第4頁,共46頁，2024年2月25日，星期天本節(jié)重點(diǎn)：1、計(jì)算機(jī)軟硬件的組成2、計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)3、馮諾依曼計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)4、計(jì)算機(jī)參數(shù)的基本指標(biāo)主頻、時(shí)鐘周期、CPI、MIPS。第5頁,共46頁，2024年2月25日，星期天解剖一臺(tái)計(jì)算機(jī)

個(gè)人計(jì)算機(jī)由主機(jī)和外設(shè)組成主機(jī)中包含多個(gè)電路板每個(gè)電路板中有十幾個(gè)集成電路每個(gè)集成電路中有十幾個(gè)模塊每個(gè)模塊中有上千萬個(gè)單元每個(gè)單元中有十幾個(gè)門電路每個(gè)門電路實(shí)現(xiàn)基本的邏輯運(yùn)算

所有信息都用二進(jìn)制編碼表示第6頁,共46頁，2024年2月25日，星期天1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介由具有各類特殊功能的信息（程序）組成1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的實(shí)體如主機(jī)、外設(shè)等一、計(jì)算機(jī)軟、硬件的概念硬件軟件第7頁,共46頁，2024年2月25日，星期天按任務(wù)需要編制成的各種程序

科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理

過程控制、事務(wù)管理用來管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件標(biāo)準(zhǔn)程序庫、語言處理程序操作系統(tǒng)服務(wù)性程序（磁盤碎片管理、備份程序）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件軟件購(gòu)買計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)自帶的軟件第8頁,共46頁，2024年2月25日，星期天計(jì)算機(jī)高級(jí)語言程序目標(biāo)程序結(jié)果翻譯運(yùn)行1.12.計(jì)算機(jī)的解題過程第9頁,共46頁，2024年2月25日，星期天實(shí)際機(jī)器M1（機(jī)器語言程序）機(jī)器語言程序直接在M1上執(zhí)行。二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第10頁,共46頁，2024年2月25日，星期天虛擬機(jī)器M2（匯編語言機(jī)器）實(shí)際機(jī)器M1（機(jī)器語言機(jī)器）第二級(jí)第一級(jí)第11頁,共46頁，2024年2月25日，星期天虛擬機(jī)器M2（匯編語言機(jī)器）實(shí)際機(jī)器M1（機(jī)器語言機(jī)器）第二級(jí)第一級(jí)虛擬機(jī)器M3（高級(jí)語言機(jī)器）第三級(jí)第12頁,共46頁，2024年2月25日，星期天虛擬機(jī)器M2（匯編語言機(jī)器）傳統(tǒng)機(jī)器M1（機(jī)器語言機(jī)器）第二級(jí)第一級(jí)虛擬機(jī)器M3（高級(jí)語言機(jī)器）第三級(jí)微程序機(jī)器M0（微指令系統(tǒng)）第零級(jí)第13頁,共46頁，2024年2月25日，星期天高級(jí)語言虛擬機(jī)器M4匯編語言虛擬機(jī)器M3操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器M2機(jī)器語言傳統(tǒng)機(jī)器M1微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器M0第14頁,共46頁，2024年2月25日，星期天用編譯程序翻譯成匯編語言程序用匯編程序翻譯成機(jī)器語言程序用機(jī)器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件虛擬機(jī)器M4虛擬機(jī)器M3虛擬機(jī)器M2傳統(tǒng)機(jī)器M1微程序機(jī)器M0第15頁,共46頁，2024年2月25日，星期天1.2計(jì)算機(jī)的基本組成1.計(jì)算機(jī)由五大部件組成3.指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示4.指令由操作碼和地址碼組成6.以運(yùn)算器為中心2.指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器

可按地址尋訪5.存儲(chǔ)程序一、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)5.存儲(chǔ)程序，順序存放第16頁,共46頁，2024年2月25日，星期天算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運(yùn)行馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備第17頁,共46頁，2024年2月25日，星期天馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備第18頁,共46頁，2024年2月25日，星期天二、計(jì)算機(jī)硬件框圖1.以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖程序存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算第19頁,共46頁，2024年2月25日，星期天ALU主存輔存CPU主機(jī)I/O硬件CU2.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器ALUCPU主機(jī)I/OCU主存第20頁,共46頁，2024年2月25日，星期天1.上機(jī)前的準(zhǔn)備建立數(shù)學(xué)模型編制解題程序確定計(jì)算方法程序—運(yùn)算的全部步驟指令—每一個(gè)步驟三、計(jì)算機(jī)的工作步驟y=ax+b第21頁,共46頁，2024年2月25日，星期天主存單元的地址存儲(chǔ)內(nèi)容

注釋012345678

x原始數(shù)據(jù)x9

a原始數(shù)據(jù)a10

b原始數(shù)據(jù)b11

y存放結(jié)果y第22頁,共46頁，2024年2月25日，星期天[ACC]*[9]

ACC[ACC]+[10]ACC

1.取x

至運(yùn)算器中2.乘以a在運(yùn)算器中3.加b在運(yùn)算器中y=ax+b程序步驟分解[8]ACC4.結(jié)果存在y中

ACCy5.跳轉(zhuǎn)到程序結(jié)束7

7PC第23頁,共46頁，2024年2月25日，星期天指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令/數(shù)據(jù)注釋操作碼地址碼00000010000001000取x至ACC10001000000001001乘a得ax存于ACC中20000110000001010加b得ax+b,存于ACC中30000100000001011將ax+b存于主存單元40001010000000111程序跳轉(zhuǎn)到地址7執(zhí)行567000110停機(jī)8

x原始數(shù)據(jù)x9

a原始數(shù)據(jù)a10

b原始數(shù)據(jù)b11

y存放結(jié)果y12…..y=ax+b程序清單第24頁,共46頁，2024年2月25日，星期天(4)主機(jī)完成一條指令的過程CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O第25頁,共46頁，2024年2月25日，星期天ACCMQX2.計(jì)算機(jī)的解題過程(1)運(yùn)算器的基本組成及操作過程運(yùn)算器MQACCALUX被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位第26頁,共46頁，2024年2月25日，星期天存儲(chǔ)體大樓存儲(chǔ)單元存放一串二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)字存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)按地址尋訪–存儲(chǔ)單元–存儲(chǔ)元件（0/1）–

房間–

床位（無人/

有人）(2)存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARMDR存儲(chǔ)字長(zhǎng)、指令字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)字長(zhǎng)第27頁,共46頁，2024年2月25日，星期天MARMDR存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)

16存儲(chǔ)字長(zhǎng)

8

設(shè)MAR

=

4

位

MDR

=

8

位存儲(chǔ)器地址寄存器反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)(2)存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARMDR第28頁,共46頁，2024年2月25日，星期天取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCUPCIRCU取指執(zhí)行PC存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址具有計(jì)數(shù)功能（PC）+

1PCIR存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存完成一條指令(3)控制器的基本組成第29頁,共46頁，2024年2月25日，星期天12356789以取數(shù)指令為例LDAACC,[7]4(4)主機(jī)完成一條指令的過程CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O第30頁,共46頁，2024年2月25日，星期天12356798以存數(shù)指令為例4CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O(4)主機(jī)完成一條指令的過程STA[8],ACC第31頁,共46頁，2024年2月25日，星期天(5)ax+b

程序的運(yùn)行過程將程序通過輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī)程序首地址打印結(jié)果分析指令取指令…停機(jī)啟動(dòng)程序運(yùn)行,(PC

)+

1PC執(zhí)行指令

MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC第32頁,共46頁，2024年2月25日，星期天1.3計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.機(jī)器字長(zhǎng)CPU

一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)與

CPU

中的

寄存器位數(shù)

有關(guān)存儲(chǔ)字長(zhǎng)、指令字長(zhǎng)第33頁,共46頁，2024年2月25日，星期天221

=

256KB213=

1KB如：2.存儲(chǔ)容量主存容量輔存容量存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)

×

存儲(chǔ)字長(zhǎng)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)80GB如：MARMDR容量10

816

32存放二進(jìn)制信息的總數(shù)量1K=2101Byte=231G=2301K

×

8位64K

×

32位第34頁,共46頁，2024年2月25日，星期天3.運(yùn)算速度=ni

=1fi

tiTM∑吉普森法主頻每秒執(zhí)行百萬條指令MIPS執(zhí)行一條指令所需時(shí)鐘周期數(shù)CPI每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)FLOPS第35頁,共46頁，2024年2月25日，星期天1.CPU時(shí)鐘周期、主頻

CPU的工作節(jié)拍受主時(shí)鐘控制，主時(shí)鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘，主時(shí)鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是赫茲（Hz）。主頻的倒數(shù)稱為CPU時(shí)鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是秒（s）。

對(duì)于不同指令，執(zhí)行所需要的時(shí)鐘周期數(shù)不同。

第36頁,共46頁，2024年2月25日，星期天頻率在數(shù)學(xué)表達(dá)式中用“f”表示，其相應(yīng)的單位有：Hz（赫）、kHz（千赫）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）。1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz時(shí)鐘周期單位及相應(yīng)的換算關(guān)系是：s（秒）、ms（毫秒）、μs（微妙）、ns（納秒）。1s=1000ms，1ms=1000μs，1μs=1000ns。第37頁,共46頁，2024年2月25日，星期天知識(shí)擴(kuò)展：（1）睿頻是指當(dāng)啟動(dòng)一個(gè)運(yùn)行程序后，處理器會(huì)自動(dòng)加速到合適的頻率，而原來的運(yùn)行速度會(huì)提升10%~20%，以保證程序流暢運(yùn)行的一種技術(shù)。

（2）倍頻與外頻，外頻是CPU的基準(zhǔn)頻率，單位也是MHz。外頻是CPU與主板之間同步運(yùn)行的速度，也是內(nèi)存與主板之間的同步運(yùn)行的速度。倍頻即主頻與外頻之比的倍數(shù)。

主頻、外頻、倍頻，其關(guān)系式：主頻=外頻×倍頻。第38頁,共46頁，2024年2月25日，星期天（3）超頻

通過人為方式將CPU、顯卡等硬件的工作頻率提高（實(shí)際就是提高電壓），在高于其額定的頻率狀態(tài)下穩(wěn)定工作。以IntelP4C2.4GHz的CPU為例，它的額定工作頻率是2.4GHz，工作頻率提高到2.6GHz。CPU超頻是為了提高CPU的工作頻率，也就是CPU的主頻。CPU的主頻又是外頻和倍頻的乘積。

例：CPU的外頻100MHz,倍頻8.5

主頻=外頻×倍頻=100MHz×8.5=850MHz。第39頁,共46頁，2024年2月25日，星期天2.吉普森法綜合考慮每條指令的執(zhí)行時(shí)間及在全部操作中占的百分比。=ni

=1fi

tiTM∑吉普森法第40頁,共46頁，2024年2月25日，星期天3.MIPS

每秒百萬條指令數(shù)，用下式計(jì)算：第41頁,共46頁，