计算机组成原理(本全PPT)白中英.ppt
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1、1,计算机组成原理,白中英,2,概述,计算机组成:主要指计算机硬件的具体实现方式及工作原理从三方面掌握本课程内容硬件结构:从物理上、逻辑上掌握计算机各部件和器件的构成和作用实现方式:硬件联接形式和内部处理方式(如控制器、运算器的实现方式等)工作原理:计算机各部分内部工作过程,3,本课程的重要地位本课程是计算机及相关专业的核心专业基础课,对后续课程(操作系统、接口与通信等)的学习十分重要。考研必考课程。通过课程的学习主要掌握以下内容本课程主要讲授单处理机系统的组成及工作原理。分析和说明计算机由哪些功能部件组成(结构),各功能部件在整机中的作用,以及它们如何完成各自所分配的任务(工作原理)。学习难
2、点内容较多、结构复杂、要有数字逻辑的基础学习思路(方法)分析结构、弄清原理、多做练习,4,主要内容计算机系统概述(计算机基础、基本概念)运算方法和运算器(计算机中数据的表示和编码:包括数值、非数值数据,整数、小数,汉字,校验码等。计算机中运算方法:定点运算、浮点运算、逻辑运算。运算器及实现)内部存储器(存储器芯片的结构与工作原理,存储器的组织与连接,高速存储器、等)指令系统(指令格式、寻址方式、典型指令)中央处理器(CPU的组成及工作原理,控制器的实现,实现技术)总线系统(总线概念、总线技术)外围设备(典型外围设备基本工作原理)输入输出系统(输入输出控制方式)操作系统支持(调度,存储管理,虚拟
3、存储器等),5,第一章 计算机系统概论,第一节计算机分类电子计算机从总体上来说分为两大类:电子模拟计算机和电子数字计算机。电子模拟计算机的特点是数值由连续量来表示,运算过程也是连续的。电子数字计算机的主要特点是按位运算,并且不连续地跳动计算。,6,数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机。专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。专用机是最有效、最经济和最快速的计算机,它是针对某一任务设计的计算机,但是它的适应性很差。通用机适应性很大,但是牺牲了效率、速度和经济性。通用计算机又分巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六类。它们的区别在于体积、简易性、功率损
4、耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格。,7,第二节 计算机的发展1、计算机五代变化2、半导体存储器芯片的发展3、微处理器的发展4、计算机体系结构的变化计算机体系结构是在冯诺依曼结构的基础上,围绕提高速度、提高字长、扩大存储容量、降低成本、提高系统可靠性和方便使用等诸方面,通过新器件和新软件提高计算机性能。体系结构上,从指令系统、微程序设计、流水线结构、多级存储器体系结构、输入/输出体系结构、并行体系结构、分布式体系结构等方面的形成和发展。体系结构发展趋势:网络化、智能化、模块化、多媒体应用。,8,第三节 计算机的硬件,一、数字计算机硬件的组成硬件:指计算机中的电子线路和物理装置。
5、计算机硬件由五大部分组成:即运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。运算器进行数据处理或信息加工()包括各种算术运算、逻辑运算和判断处理存储器存放程序和数据()程序是计算机进行各种操作和控制的依据数据是计算机进行操作的对象计算机中存放的程序和数据都是二进制形式的,9,控制器控制计算机各部分自动协调的工作()完成的工作是从内存中读取指令,分析和解释指令,然后按指令的要求发出操作命令,控制计算机各部分自动协调的工作。简单程序指令形式控制器的基本任务指令流和数据流冯诺依曼体系结构计算机的主要特征是:采用存储程序和数据,由指令流来控制计算机的操作。输入设备输入信息到计算机中的设备输出设备从计算机中
6、输出信息的设备,10,第四节计算机软件一、软件的组成与分类 计算机中的各种程序、数据和有关文档构成计算机的软件系统。计算机的软件一般分为两大类:系统软件:便于计算机使用的系统管理程序(包括操作系统、语言处理、数据库管理系统等)应用软件:针对用户具体实际应用的程序,11,二、软件的发展目的程序汇编程序源程序 编译程序操作系统 数据库管理系统,12,第四节计算机系统的层次结构 一、多级组成的计算机系统微程序设计级 一般机器级 操作系统级 汇编语言级 高级语言级二、软件与硬件的逻辑等价性,13,第四节 计算机系统的层次结构,计算机系统具有层次性,它是由多级层次结构组成的。其层次之间的关系十分紧密,上
7、层是下层功能的扩展,下层是上层的基础;层次的划分不是绝对的,各层之间有时是相互渗透的。,14,第二章运算方法和运算器,第一节数据与文字的表示数据一般分为两大类:数值数据:有确定的值,相互间有大小关系非数值数据:相互间无大小关系,用于表示符号、文字或属性。,15,一、数制及相互转换1、数制常用数制十进制(D):日常使用数制二进制(B):数字计算机内部使用数制十六进制(H):为使于对二进制的阅读和书写,常采用十六进制(或八进制)表示。,16,对一任意数S,其r进制数表示为(S)rkn r n-1+kn-1 r n-2+ki r i-1+k-m r-m-1其中 kir r称为进位计数值的基数,ki为
8、第i位数字符,i为位序号,r i为第i位的位权。,17,(347)8=382+481+780=(103)10(347.5)8=382+481+780+58-1=(231.625)10(34E.5)16=3162+4161+14160+516-1=(846.3125)10,18,2、不同数制间的转换1十进制八,十六进制二进制法则整数部分:除8(16)取余数小数部分:乘8(16)取整重复循环,19,2八,十六进制二进制二进制八进制以小数点为界,分别向左和向右每三位分为一组,然后写出各组对应的八进制数。二进制十六进制以小数点为界,分别向左和向右每四位分为一组,然后写出各组对应的十六进制数。,20,3
9、八,十六进制十进制直接按照相应进制数的公式,依“按权相加”的方法计算出通式的值。(10110.01)=124+023+122+181+120+02-1+12-2=(22.25)10(347.5)8=382+481+780+58-1=(231.625)10(34E.5)16=3162+4161+14160+516-1=(846.3125)10,21,二、数据格式在计算机中进行数据表示时需考虑的几个因素:表示数的类型(小数、整数、实数等)数值的范围数值的精度数据存储及处理的硬件代价,22,计算机中常用的数据表示格式有两种,一是定点格式,二是浮点格式。一般来说定点格式容许的数值范围有限(通常用于表示
10、整数或纯小数),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(可以表示实数),但要求的处理硬件比较复杂。,23,、定点数的表示定点表示:约定机器中所有数据的小数点位置是固定不变的。由于约定在固定的位置,小数点就不再使用记号“.”来表示。通常将数据表示成纯小数或纯整数。n+1位定点数表示:X0 X1 X2X3 Xi Xn-2 Xn-1Xn 其中X0为符号位,X Xn为数值部分,Xi为或。,24,1定点小数最高位为符号位,小数点位置隐含约定在符号位后,其后为数值部分n+1位定点小数的表示范围是0X12n或:(12n)X12n(16位小数范围:(12)X12),25,2定点整数最高位为符号位
11、,其后为数值部分,小数点位置隐含约定在数值部分的后面。n+1位定点整数的表示范围是0X2n 1或:(2n 1)X2n 1(16位整数范围:(215 1)X(215 1),26,2、浮点表示法1数的浮点表示其范围和精度部分分别用定点数表示123.45=1234.5101=1234510 2=12345010 34796.540.4796541040.00479654 0.4796541020.00479654 0.479654102,27,101.1101=0.101110120011=0.01011101020100101.1101=0.101110120011=0.0101110102010
12、00.0001011101=0.101110120011=0.010111010200100.0001011101=0.101110120011=0.01011101020010,28,任意十进制N,可以化为NM10E其中M为小数,E为整数一个数S的任意进制表示(S)RmRem:尾数,是一个纯小数。e:比例因子的指数,称为浮点的指数,是一个整数。R:比例因子的基数,对于二进计数值的机器是一个常数,一般规定 为2,8或16。,29,浮点表示法:把一个数的有效数字和数的范围在计算机的一个存储单元中分别予以表示,这种把数的范围和精度分别表示的方法,数的小数点位置随比例因子的不同而在一定范围内自由浮动
13、。对于:101.1101(=0.101110120011)只需存放0.1011101和0011即010111010011,30,一个机器浮点数由阶码和尾数及其符号位组成(尾数:用定点小数表示,给出有效数字的位数,决定了浮点数的表示精度;阶码:用整数形式表示,指明小数点在数据中的位置,决定了浮点数的表示范围。)具体格式见教材17,31,IEEE标准总位数符号位阶码尾数短实数321823长实数64111 52临时实数80115 64,32,阶码和尾数各占用的位数确定了浮点数的格式对二进制数而言:1110.0110.11100112100 0.0011100110.1110011210 0.0011
14、100110.1110011210在将上面的数以浮点数格式存放时,只需将红色部分按照浮点数格式要求的位数,化为相应的补码或移码,按照浮点数格式存放。,33,为提高数据的表示精度,当尾数的值不为 0 时,其绝对值应0.5,即尾数域的最高有效位应为1,否则以修改阶码同时左右移小数点的办法,使其变成这一表示形式,这称为浮点数的规格化表示。101.1101=0.101110120011=0.01011101020100 规格化表示为尾数是0.1011101,阶码是0011而尾数是0.01011101,阶码是0100不是规格化表示。,34,当浮点数的尾数为 0,不论其阶码为何值,或者阶码的值遇到比它能表
15、示的最小值还小时,不管其尾数为何值,计算机都把该浮点数看成零值,称为机器零。浮点数转换的实例见18,35,IEEE754浮点数格式说明一个规格化的32位浮点数的真值可表示为(1)s(1.)2127 e127其中的范围是(阶码范围126+127),0和255作特殊用途:浮点数+,0:,时表示x(1),:255,M0时x(1)IEEE754的32位浮点数表示的除外的绝对值最小的数:s 00000001 0000 0000 0000 0000 0000 000 x()S21261.0IEEE754的32位浮点数表示的除外的绝对值最大的数:s 11111110 1111 1111 1111 1111
16、1111 111x()S2127(22 23),36,3、十进制数串的表示十进制数串在计算机内主要有两种表示形式:1字符串形式字符串形式:一个字节存放一个十进制的数位或符号位。为了指明这样一个数,需要给出该数在主存中的起始地址和位数(串的长度)。,37,2.压缩的十进制数串形式压缩的十进制数串形式:一个字节存放两个十进制的数位。它比前一种形式节省存储空间,又便于直接完成十进制数的算术运算,是广泛采用的较为理想的方法。码(二十进制编码),38,、自定义数据表示自定义数据表示则用数据本身来说明数据类型。其表示形式有两种,即标志符数据表示和描述符数据表示。标志符数据表示要求对每一个数据都附加标志符(
17、),其中标志符指明后面的数据所具有的类型,如整数、浮点数、BCD数、字符串等。,39,描述符数据表示主要用来描述多维结构的数据类型,如向量、矩阵、记录等()。描述符标志位部分指明这是一个数据描述符;特征标记部分指明数据的各种特征;长度部分指明数组中元素个数;起始地址部分指明数据块的首地址。,40,标志符与描述符表示的区别是:(1)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。(2)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。(3)描述符是程序的一部分,而不是数据的一部分。,41,二、数的机器码表示在计算机中对数据进行运算操作时,符号位的表示,符号位
18、是否也同数值位一道参加运算,如何参加运算?为了妥善的处理好这些问题,就需要把符号位和数字位一起编码表示数据,为适应不同的处理要求,产生了多种数据编码方法,如原码、补码、反码、移码等。,42,计算机中对数据的表示都采用二进制编码真值:数值数据的实际值,如257,33,1011B等机器数(机器码):数值数据在计算机内的编码表示,43,在计算机中通常采用原码、补码、反码和移码表示数值数据原码、补码、反码的共性:1)这几种编码表示中,正数的编码值与真值一样,负数具有不同的编码。2)编码的最高位为符号位:0表示正1表示负,44,1、原码表示法符号位:0表示正,1表示负数值部分:与真值的二进制形式一样原码
19、的特征:1)零有两种表示:0和0+0原=0.000.0-0原=1.000.0 2)优点:简单直观,便于乘、除法运算缺点:加减法运算不便(符号不能直接参预运算),45,2、反码表示法符号位:0表示正,1表示负数值部分:正数不变;负数反码是将真值的各位取反得到反码的特征:1)零有两种表示:0和00反0.00.00反1.11.12)通常用于求补码,46,3、补码表示法符号位:0表示正,1表示负数值部分:正数不变;负数通过求补得到计算机中数值数据采用补码形式,其符号部分可以直接参预加、减法运算。补码的特征:1)零的表示唯一2)补码加减法运算中,符号直接参预运算3)定点小数表示中,-1补1.000,47
20、,、移码表示法移码通常用于表示浮点数的阶码。阶码是个n位的整数。n+1位移码的定义是移2n2n2n符号位:1表示正,0表示负数值部分:与补码数值部分相同移码的特征:1)零的表示唯一:100002)移码只能表示整数(只有整数有移码),用于浮点数阶码表示,48,例:写出下列各数位的原码、反码、补码、移码表示。77103 0.0110123/6477=1001101103=110011123/64=1011126=0.010111,49,例:写出下列机器码的真值。x1原0.110101x2原1000101x3反1.010101 x4反0.000101x5补1.010101 x6补0.000101x7
21、补1.000000 x8补10000000 x3移1.010101 x4移0.000101,50,三、字符与字符串的表示方法、字符的表示采用位ASCII码表示0 9 30H39HA41Ha61H,51,2、字符串的表示字符串是指连续的一串字符,通常方式下,它们占用主存中连续的多个字节,每个字节存一个字符。当主存字由2个或4个字节组成时,在同一个主存字中,既可按从低位字节向高位字节的顺序存放字符串的内容,也可按从高位字节向低位字节的次序顺序存放字符串的内容。,52,四、汉字的表示方法内部编码(内码),输入码,显示(打印)码,53,五、校验码校验码:按照一定的规律和方法,通过给数据增加一位或多位数
22、据而重新编码的方法,使得计算机能够发现或纠正数据在存放或传送过程中出现的错误。这样得到的新的编码称为校验码。其中增加的数据位称为校验位。,54,检错码:具有发现错误能力的校验码称为检错码。纠错码:能够发现并纠正错误的校验码称为纠错码。奇偶校验码:能够发现一位或奇数位数据错误。奇校验码:通过给数据增加一位校验位,使校验码中1的个数为奇数个。偶校验码:通过给数据增加一位校验位,使校验码中1的个数为偶数个。,55,第二节定点加、减法运算一、补码加法1、补码加法负数用补码表示后,可以和正数一样来处理。这样,运算器里只需要一个加法器就可以了,不必为了负数的加法运算,再配一个减法器。补码加法的公式是补补补
23、(mod 2)补码加法的特点:符号位要作为数的一部分一起参加运算,要在模2的意义下相加,即超过2的进位要丢掉。,56,、补码减法负数的减法运算也要设法化为加法来做,其所以使用这种方法而不使用直接减法,是因为它可以和常规的加法运算使用同一加法器电路,从而简化了计算机的设计。数用补码表示时,减法运算的公式为补补补补补在实际计算时,利用补 补补公式将减法运算变为加法进行,57,现在的问题是如何从y补去求y补这一点在硬件上实现也很简单,只需对y补包括符号位“求反且最末位加1”(简称“求反加”),即可得到y补。,58,三、溢出概念与检测方法 在定点小数机器中,数的表示范围为|1.在运算过程中如出现大于1
24、的现象,称为“溢出”。在定点机中,正常情况下溢出是不允许的。上溢:两个正数相加,结果大于机器所能表示的最大正数,称为上溢。下溢:两个负数相加,结果小于机器所能表示的最小负数,称为下溢。,59,为判断运算中是否产生溢出,可采用两种检测的方法。第一种方法是采用双符号位法,第二种方法是采用单符号位法。、双符号位法双符号位法,也称为“变形补码”或“模4补码”变形补码定义为:补 204 02 采用变形补码后,正数的符号位为00,负数的符号位为11,当运算结果符号不为00或11时,说明产生了溢出。,60,采用变形(模)补码运算时有以下规律:当以模4补码运算,运算结果的二符号位相异时,表示溢出;相同时,表示
25、未溢出。故溢出逻辑表达式为 VSf1Sf2,其中Sf1和Sf2分别为最高符号位和第二符号位。此逻辑表达式可用异或门实现。模4补码相加的结果,不论溢出与否,最高符号位始终指示正确的符号。,61,、单符号位法从补码加、减法运算中我们看到:当最高有效位产生进位而符号位无进位时,产生上溢。当最高有效位无进位而符号位有进位时,产生下溢。我们可以借助进位关系给出溢出逻辑表达式:VCfCo其中:Cf为符号位产生的进位Co为最高有效位产生的进位此逻辑表达式也可用异或门实现。,62,四、基本的二进制加/减法器、全加器全加器可以实现两个二进制数字Ai,Bi和一个进位输入Ci相加,产生一个本位和输出Si,以及一个进
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