计算机组成原理概述(Part1)

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：[phone]Mail：[e-mail]@act.buaa.edu.cn课程介绍课程名称计算机组成原理与汇编语言ComputerOrganizationandAssembleLanguage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机器结构80X86指令系统IBMPC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1~18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《IBMPC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《ComputerOrganization&Design－TheHardware/SoftwareInterface》（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：概述一．透视计算机：计算机组成与结构总结1.计算机系统的层次结构2.计算机的组成部件简介3.计算机的内部连接二．理解计算机：计算机的基本工作过程1.指令的含义2.程序的执行3.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）机器语言汇编语言高级语言虚拟机器M3（高级语言程序）虚拟机器M2（汇编语言程序）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）第一级第二级第三级微程序机器M0（微指令系统）第零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DataProcessing(数据处理)DataStorage（数据存储）DataMovement（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(ArithmeticandLogicUnit）＋Registers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：MillionsofInstructuionsPerSecond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（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）Datapath＋Control＝CPU（CentralProcessUnit）orProcessor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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)………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）MainmemoryLANIDESCSIPentiumCPU32/64CPULocalBusLocalBustoPCIBusbridgePCIBusAdapterPCItoISAbridgePCISlotsISABusISASlotsISAadapterCache1.4计算机总线结构SunSPARCstation20（RISC）多总线结构Floating-pointUnitIntegerUnitInstCacheRefMMUDataCacheStoreBufferBusInterfaceSuperSPARCL2CacheMBusModuleMBusL64852MBuscontrolM-SAdapterSBusDRAMControllerSBusDMASCSIEthernetSTDIOserialkbdmouseaudioRTCFloppySBusCards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110101011000010001010001101000002.2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BAANDQQDDQQAB微操作：ABALUANDBQDQACQDQAC+BACADDCtrl微操作：AC+BAC2.2指令的执行过程ALUABGRAC微操作信号发生器IDIRPCMBR存储器MAR微操作控制信号总线AC：累加器ALU：算术逻辑运算单元A,B：缓冲器GR：通用寄存器IR：指令寄存器ID：指令译码器PC：程序计数器MAR：地址寄存器MBR：数据寄存器机器结构简化图2.2指令的执行过程ALUABGRAC微操作信号发生器IDIRPCMBR存储器MAR微操作控制信号总线AC：累加器ALU：算术逻辑运算单元A,B：缓冲器GR：通用寄存器IR：指令寄存器ID：指令译码器PC：程序计数器MAR：地址寄存器MBR：数据寄存器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PC1.根据PC内容从存储器取指令送IR；2.指令译码器译码（解释指令），形成微操作控制信号；3.在控制信号的作用下取操作数送运算器；4.运算器运行；5.保存结果；6.形成下一条指令地址送PC。ExampleY=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)01HACMem(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)01HACMem(Add)02HAC(AC)—Mem(Add)指令ADDLDSUB03HAC(AC)×Mem(Add)MUL04HMem(Add)(AC)ST程序如下代码0112HACa0318HACax0014HACax+b指令LDaMULxADDb0318HACax2+bxMULx0216HACax2+bx-cSUBc0410HMem(AC)STyExample地址0112H0318H0014H0318H0216H0410H结果y值a值b值c值x内存00H02H04H06H08H0AH0CH0EH10H12H14H16H18H程序如下代码0112HACa0318HACax0014HACax+b指令LDaMULxADDb0318HACax2+bxMULx0216HACax2+bx-cSUBc0410HMem(AC)STy00H开始PC02HPC04HPC06HPC08HPC0AHPC???ACaaxax+bax2+bxax2+bx-c0CHPCax2+bx-c计算机系统的层次ApplicationsOSCompilerInstructionSetArchitecture（ISA）InstructionProcessingInput/OutputHardwarelayer