計算機組成原理計算機科學與技術系硬件教研室趙志瑛

138345026162015.3碩士研究生計算機專業基礎綜合考試：

數據結構45分計算機組成原理45分操作系統35分計算機網絡25分

=150分課程介紹

一、課程性質

計算機科學與技術專業本科教學中與硬件相關的一門重要技術基礎課。前繼：數字邏輯電路設計

二、課程任務

建立計算機系統的整體概念，理解計算機硬件各子系統的組成原理、基本部件的構造和組織方式、基本運算的操作原理、部件和單元的設計思想及實現技術等。

三、研究方法

不結合具體機型，圍繞單CPU硬件系統，從整體框架入手，自頂向下，層層細化。

1、注重一般性原理的理解，了解問題解決方法的沿革。即：典型機型歷史硬件設計原理

最新發展追蹤（主動查閱資料盡可能了解本專業前沿知識）

2、理論→→→初步實踐

四、學時安排

理論：62學時實驗：10學時

五、參考教材

計算機組成原理唐朔飛高等教育出版社計算機組成與結構王愛英清華大學出版社計算機組織與體系結構白中英清華大學出版社

六、授課內容第１章計算機系統概論1.1計算機系統簡介1.4本書結構1.3計算機硬件的主要技術指標1.2計算機的基本組成計算機組成概貌計算機工作原理重點:1、計算機發展盡管千變萬化，但其最根本的組成原理還是基于馮?諾依曼的結構。2、簡明了解計算機內部的工作過程：指令流和數據流在機器內由（I/O→）存儲器→CPU→存儲器（→I/O）的過程，是通過逐條取指令、分析指令和執行指令來運行程序的。

難點：1、本章概念、名詞較多，這些只是為進一步深化學習打下基礎，因此嚴格講本章沒什么難點，只要建立計算機組成的框架即可。

2、指令和數據都以0或1代碼存放于存儲器，計算機如何區分，應注意理解。1.1計算機系統簡介由具有各類特殊功能的信息（程序）組成1.計算機系統計算機系統計算機的實體，如主機、外設等一、計算機的軟件與硬件硬件軟件2.計算機硬件與軟件可實現邏輯功能的等效

性能、價格、實現的難易程度不同軟、硬件界面模糊軟、硬件功能分配比例考慮應用、效率、價格、資源狀況的綜合平衡（性價比），可在很寬范圍內變化。3.計算機軟硬件的發展

硬件：摩爾定律作用未來受限

軟件：日益復雜……不同角度、不同研究領域對層次結構劃分不同。使用語言功能二、計算機系統的層次結構高級語言虛擬機器M4匯編語言虛擬機器M3操作系統虛擬機器M2機器語言實際機器M1微指令系統微程序機器M0用編譯程序翻譯成匯編語言程序用匯編程序翻譯成機器語言程序用機器語言解釋操作系統用微指令解釋機器指令由硬件直接執行微指令軟件硬件虛擬機器M4虛擬機器M3虛擬機器M2實際機器M1微程序機器M0數字邏輯層模型機分析與設計結果匯編編譯或解釋2.計算機的解題過程1.軟硬件界面向“上”延伸高級語言程序匯編語言程序可執行程序（目標程序）言程序機器語鏈接運行程序員所見到的計算機系統的屬性概念性的結構與功能特性計算機體系結構計算機組成計算機體系結構所體現的屬性實現有無乘法指令如何實現乘法指令（指令系統、數據類型、尋址技術、I/O）（具體指令的實現）3.計算機體系結構和計算機組成4.常用術語

透明：客觀存在的事物或屬性，從某個角度看（感覺）不到；

系列機：具有相同體系結構、使用相同基本指令系統的多個不同型號的計算機組成的產品系列；軟件可移植性：使用在某個系列機中的軟件直接或很少修改即可運行在其它系列機的可能性；兼容：指計算機軟件硬件的通用性；

固件：寫有特定程序的可編程器件。1.2計算機的基本組成1.由五大部件組成；2.

指令和數據用二進制代碼表示；4.指令由操作碼和地址碼組成；5.

以運算器為中心（早期）。3.

指令（程序）和數據以同等地位順序存儲于存儲器，可按地址尋訪；一、馮·諾依曼計算機的特點指令：機器完成某種操作的命令。指令系統：機器可執行全部指令集合。程序：為解決某特定問題而設計的有序指令集合。

算術運算邏輯運算存放數據和程序將信息轉換成機器能識別的形式將結果轉換成人們熟悉的形式指揮程序運行馮·諾依曼計算機硬件框圖存儲器輸入設備運算器控制器輸出設備不同角度，不同發展時期，硬件框圖描述不同。

1、早期，以運算器為中心。二、計算機硬件框圖（馮·諾依曼計算機硬件框圖）存儲器輸入設備運算器控制器輸出設備2.以存儲器為中心的計算機硬件框圖程序存儲器輸出設備輸入設備運算器控制器數據結果計算ALU主存輔存CPU主機I/O設備硬件CU3.現代計算機硬件邏輯框圖存儲器輸入設備運算器輸出設備控制器ALUCPU主機I/O設備CU主存接口1.上機前的準備分析問題，建立數學模型；-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序。確定計算方法；程序——運算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——每一個步驟三、計算機的工作步驟2.計算機工作過程（以機器語言級程序為例）程序及數據存入主存（順序存放）；調試程序；輸出運算結果。從程序的起始地址開始運行程序；取指令指令分析（譯碼）指令執行區別指令和數據的依據：指令周期的不同階段指令周期算法設計

(ax

+

b)x

+

c

取x

至運算器中乘以a

在運算器中加b

在運算器中乘以x

在運算器中加c

在運算器中1、數學模型ax2+bx+c四、模型機工作過程舉例2、模型機（16位）？寄存器位數運算器MQACCALUXPCIRCUMDR主存儲器存儲體MARCPU總線ACCMQX(1)運算器的基本組成運算器MQACCALUX商被除數乘數被乘數除數被減數被加數加數減數加法減法乘法除法和差余數乘積高位乘積低位ALU取指令分析指令執行指令CUPCIRCU取指執行PC

存放當前欲執行指令的地址，

具有計數功能（PC）+

1PCIR

存放當前執行的指令訪存訪存(2)控制器的基本組成CU存儲體大樓存儲單元存放一串二進制代碼存儲字存儲單元中二進制代碼的組合存儲字長存儲單元中二進制代碼的位數–存儲單元–存儲元件（0/1）–

房間–

床位（無人/

有人）(3)存儲器的基本組成MDR主存儲器存儲體MAR存儲器容量

字數*字長(位)K、M、G、T存儲體MDR主存儲器存儲體MAR存儲單元訪問方式：按地址訪問每個存儲單元賦予一個地址號存儲單元訪問類型：*存儲單元地址與內容存（寫）/取（讀）MARMDR存儲單元個數：

16存儲字長：

8

設MAR

=

4

位

MDR

=

8

位存儲器地址寄存器（當前訪問M單元地址）（反映存儲單元的個數）存儲器數據寄存器（當前訪問M單元數據）

(反映存儲字長)MDR主存儲器存儲體MAR2、模型機（16位）？寄存器位數運算器MQACCALUXPCIRCUMDR主存儲器存儲體MARCPU總線3、模型機指令系統操作碼地址碼指令格式：OP(6b)Ad(10b)可操作類型(指令個數)26可訪問存儲空間210(000H----3FFH)指令操作功能指令操作數地址功能指令助記符操作碼地址碼

ACC←

[M]000001…………LDAM

[M]←ACC000010…………STAMACC←ACC+

[M]000011…………ADDM

ACC←

ACC

*[M]000100…………MULM打印←

[M]000101…………PRTM停機000110HALT指令系統：(ax

+

b)x

+

c

MULMa4、計算ax2+bx+c

程序清單及存儲器結構

算法設計：

(ax

+

b)x

+

c

LDAMxADDMbMULMxADDMcSTAMyPRTMyHALT指令和數據存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000000000000010000001000取數x至ACC

00000000010001000000001001乘a得ax,存于ACC中

00100000110000001010加b得ax+b,存于ACC中

00110001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中

01000000110000001011加c得ax2+bx+c,存于ACC

01010000100000001100將ax2+bx+c,存于主存單元

01100001010000001100打印

0111000110停機

1000

x原始數據x

1001

a原始數據a

1010

b原始數據b

1011

c原始數據c1100y存放結果程序區數據區MULMa

算法設計：

(ax

+

b)x

+

c

LDAMxADDMbMULMxADDMcSTAMyPRTMyHALTADD00BHMUL009HLDA008HADD00AHMUL008HSTA00CHPRT00CHHALTORG000H程序及數據存入主存（順序存放）設PC初值（程序首地址）（PC=0）啟動程序運行：（LDAMx）5、模型機工作過程分析指令取指令執行指令

MARMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMDRACC[MAR]MDRPC(PC

)+

1[MAR]MDRLDAMx…………訪問程序區訪問數據區指令周期高級語言虛擬機器M3匯編語言虛擬機器M2操作系統虛擬機器機器語言實際機器M1微指令系統微程序機器M0分析指令取指令執行指令

MARMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMDRACC[MAR]MDRPC(PC

)+

1[MAR]MDRLDAMx…………機器語言機器微程序機器微指令微操作分析指令取指令執行指令

MARMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMDRACC[MAR]MDRPC(PC

)+

1[MAR]MDRLDAMx…………數據流、控制流（信息流）123678910以取數指令（LDAMx）為例4完成一條指令信息流程CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器