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《计算机组成原理》讲稿贾茂盈计算机学院计算机技术系第一章计算机系统概论1．1计算机的分类和应用1．1．1计算机的分类计算机分类：模拟：处理在时间和数值上连续的量数字：处理离散的量数字计算机分类：专用计算机：如工控机、DSP、IOP等通用计算机：GPP通用机分类：巨型机（Super-Computer）、大型机（Mainframe）、中型机（Medium-sizeComputer）、小型机（minicomputer）、微型机（microcomputer）、单片机（Single-ChipComputer）1．1．2计算机的应用科学计算传统方式：工作量大、人工处理慢自动控制：数控机床、流水线控制测量和测试：提高精度、在恶劣条件下的测量信息处理：教育、卫生：计算机辅助教学（CAI）、多媒体教室、CT（Computerizedtomography）家电人工智能1．2计算机的硬件1．2．1数字计算机的硬件组成五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入／输出设备。概念：存储单元、地址、存储容量、外存储器、内存储器、指令、程序、指令的组成、存储程序、程序控制、指令系统、指令周期、执行周期、CPU、主机、数据字、指令字、数据流、指令流、适配器。冯·诺依曼体系结构：(1)采用二进制形式表示数据和指令数据和指令在代码的外形上并无区别．都是由0和1组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。采用二进制、使信息数字化容易实现，可以用二值逻辑工具进行处理。程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。(2)采用存储程序方式这是诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。诺依曼机的这种工作方式，可称为控制流(指令流)驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令；根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。因此在执行程序的过程中，始终以控制信息流为驱动工作的因素，而数据信息流则是被动地被调用处理。为了控制指令序列的执行顺序，我们设置一个程序(指令)计数器PC(ProgramCounter)，让它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序现在是顺序执行的，每取出一条指令后PC内容加l，指示下一条指令该从何处取得。如果程序将转移到某处，就将转移后的地址送入PC，以便按新地址读取后继指令。所以，PC就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，也就是指示控制流的形成。虽然程序与数据都采用二进制代码，仍可按照PC的内容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情况下程序是顺序执行的，所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除了个别即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区户的不同区域。(3)由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置等五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，并开创了程序设计的新时代。到目前为止，绝大多数计算机仍沿用这一体制，称为诺依曼机体制。学习计算机工作原理也就从诺依曼概念入门。传统的诺依曼机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列；而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理：因此，近年来人们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。对所谓非诺依曼化的探讨仍在争议中，一般认为它表现在以下三个方面的努力。在诺依曼体制范畴内，对传统诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。这些方向已比较成熟，成为标准结构。用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。这方面的研究目前比较活跃。从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行池执行。这是真正非诺依曼化的计算机，它为并行处理开辟了新的前景，但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中。1．2．2计算机系统结构的过去和未来发展：电子管→晶体管→集成电路→大规模、超大规模集成电路趋势：由于计算机网络和分布式计算机系统能为信息处理提供廉价的服务，因此计算机系统的进一步发展，“三网合一”，将进入以通信为中心的体系结构。计算机智能化将进一步发展，各种知识库及人工智能技术将进一步普及，人们将用自然语言和机器对话。计算机从数值计算为主过渡到知识推理为主，从而使计算机进入知识处理阶段。随着大规模集成电路的发展，不仅用多处理机技术来实现大型机系统功能，而且会出现计算机的动态结构，即所谓模块化计算机系统结构。多媒体技术将有重大突破和发展，并在微处理机、计算机网络与通信等方面引起一次巨大变革。1．3计算机的软件计算机硬件是载体，软件是灵魂。1．3．1软件的组成与分类分类：系统程序、应用程序1．3．2软件的发展演变手编程序（目的程序）→汇编程序→算法语言（高级语言）高级语言与机器语言的转换：编译系统、解释系统操作系统、数据库1．4计算机系统的层次结构1．4．1多级组成的计算机系统图1.6五个级别：第一级微程序设计级、第二级是一般机器级、第三级是操作系统级、第四级是汇编语言级、第五级是高级语言级。1．4．2软件与硬件的逻辑等价性补充：计算机的性能指标基本字长基本字长是指参与运算的数的基本位数，它标志着计算精度。位数越多，精度越高，但硬件成本也越高，因为它决定着寄存器、运算部件、数据总线等的位数。主存容量主存储器是CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就放在主存之中。主存容量大则可以运行比较复杂的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的软件支撑环境。所以，计算机处理能力的大小在很大程度上取决于主存容量的大小。外存容量外存容量一般是指计算机系统中联机运行的外存储器容量。由于操作系统、编译程序及众多的软件资源往往存放在外存之中，需用时再调入主存运行。在批处理、多道程序方式中，也常将各用户待执行的程序、数据以作业形式先放在外存中，再陆续调入主存运行。所以，联机外存容量也是一项重要指标，一般以字节数表示。运算速度同一台计算机，执行不同的运算所需时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同方法。常用的有CPU时钟频率、每秒平均执行指令数(ips)、单独注明时间等。所配置的外围设备及其性能指标外围设备配置也是影响整个系统性能的重要因素，所以在系统技术说明中常给出允许配置情况与实际配置情况。系统软件配置情况作为一种硬件系统，允许配置的系统软件原则上是可以不断扩充的，但实际购买的某个系统究竟已配置哪些软件，则表明它的当前功能。第二章运算方法和运算器2．1数据与文字的表示方法2．1．1数据格式在选择计算机的数的表示方式时，应当全面考虑以下几个因素：要表示的数的类型(小数、整数、实数和复数)：决定表示方式可能遇到的数值范围：确定存储、处理能力数值精确度：处理能力相关数据存储和处理所需要的硬件代价：造价高低两种常用格式：定点格式：定点格式容许的数值范围有限，但要求的处理硬件比较简单；浮点格式：容许的数值范围很大，但要求的处理硬件比较复杂。1）定点数表示法定点指小数点的位置固定，为了处理方便，一般分为定点纯整数和纯小数。2）浮点数表示法由于所需表示的数值取值范围相差十分悬殊，给存储和计算带来诸多不便，因此出现了浮点运算法。浮点表示法，即小数点的位置是浮动的。其思想来源于科学计数法。IEEE754的浮点数（比较特殊）浮点数的规格化：主要解决同一浮点数表示形式的不唯一性问题。规定，否则尾数要进行左移或右移。机器零的概念：尾数为0或是阶码值小于所能表示的最小数。3）十进制数串的表示方法由于人们对十进制比较熟悉，因此在计算机中要增加对十进制运算的支持。两种方式：将十进制数变为二进制数运算，输出时再由二进制变为十进制。直接的十进制运算直接运算的表示方法：字符串形式：用于非数值计算领域压缩的十进制数串：分为定长和不定长两种。需要相应的十进制运算器和指令支持。4）自定义数据表示标志符数据表示、描述符数据表示区别：标志符与每个数据相连，二者合起来存放在一个存储单元，而描述符要和数据分开存放；描述符表示中，先访问描述符，后访问数据，至少增加一次访存；描述符是程序的一部分，而不是数据的一部分。2．1．2数的机器码表示真值（书写用）、机器码（机器内部使用）的概念1）原码：比较自然的表示法，最高位表示符号，0为正，1为负。优点：简单易懂。缺点：加减法运算复杂。2）补码：加减法运算方便，减法可以转换为加法。定点小数的补码，公式2.9定点整数的补码，公式2.103）反码：为计算补码方便而引入计算公式，小数公式2.11，整数公式2.12由反码求补码：符号位置1，各位取反，末位加1。4）移码：用于阶码的表示，两个移码容易比较大小，便于对阶。定义：公式2.14。即将数值向X轴正方向平移2n2．1．3字符与字符串的表示方式ASCII码2．1．4汉字的表示方式1）输入码：用于汉字输入2）内码：用于汉字的存储3）字模码：用于汉字的显示2．1．5校验码奇、偶校验码2．2定点加法、减法运算2．2．1补码加法加法公式：公式2.17证明：P312．2．2补码减法加法公式：公式2.18证明：P322．2．3溢出概念与检测方法溢出概念：上溢、下溢检测方法：双符号位、单符号位2．2．4基本的二进制加法／减法器进位处理方式：串行进位（行波进位）、并行进位二进制加法／减法器图2.2，2．2．5十进制加法器十进制加法／减法器图2.32．3定点乘法运算2．3．1原码并行乘法二进制乘法公式：公式2。26人工乘法过程与二进制乘法乘法器分类：串行、并行。由于串行乘法速度太慢，已被淘汰。不带符号的阵列乘法器图2.5不带符号的阵列乘法器执行时间分析带符号的阵列乘法器原理：首先取补→不带符号乘法→结果取补取补器电路图，图2.6。方法：从右向左找到第一个“1”，这个“1”向右，包括本身保持不变，向左都取反。取补器电路执行时间分析2．3．2补码并行乘法补码与真值的转换公式，公式2.29、2.30。推导过程。一般化的加法器：有负权输入的，即可以做减法的。直接补码阵列除法器：节省了取补时间，大大的加快了乘法的速度。结构图见图2.8。2．4定点除法运算2．4．1原码除法算法原理二进制除法公式：P45公式余数处理的两种方法：恢复余数法：运算步骤不确定，控制复杂，不适合计算机运算。加减交替法：不恢复余数，运算步骤确定，适合计算机操作。2．4．2并行除法器CAS的结构，图2.9(a)，并行除法器结构图2.9(b)。并行除法器执行时间分析2．5定点运算器的组成2．5．1逻辑运算逻辑数概念：不带符号的二进制数。四种逻辑运算：逻辑非、逻辑加、逻辑乘、逻辑异2．5．2多功能算术／逻辑运算单元（ALU）行波进位加／减法器存在的两个问题：运算时间长行波进位加／减法器只能完成加法和减法，而不能完成逻辑操作图2.11说明：控制端M用来控制作算术运算还是逻辑运算，两种运算的区别在于是否对进位进行处理。M＝0时，对进位无影响，为算术运算；M＝1时，进位被封锁，为逻辑运算。正逻辑中，“1”用高电平表示，“0”用低电平表示，而负逻辑刚好相反。正逻辑与负逻辑的关系为，正逻辑的“与”到负逻辑中变为“或”，即＋·互换。表2.5的正负逻辑之间的转换可用上述规则实现。先行进位的实现：公式2.382．5．3内部总线总线分类：内部总线、外部总线（系统总线）、通信总线。总线又可分为单向总线和双向总线。带锁存器的总线可实现总线的复用。2．5．4定点运算器的基本结构运算器包括ALU、阵列乘除器件、寄存器、多路开关、三态缓冲器、数据总线等逻辑部件。运算器的设计，主要是围绕着ALU和寄存器同数据总线之间如何传送操作数和运算