计算机组成原理唐朔飞高分笔记讲述.doc

计算机组成原理 【考查目标】 1. 理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理,组成结构以及相互连接方式,具有完整的计算机系统的整机概念. 2. 理解计算机系统层次化结构概念,熟悉硬件与软件间的界面,掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法 3. 能够运用计算机组成的基本原理和基本方法,对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算,分析,并能对一些基本部件进行简单设计. 一, 计算机系统概述 (一) 计算机发展历程 第一台电子计算机ENIAC诞生于1946年美国宾夕法尼亚大学.ENIAC用了18000电子管,1500继电器,重30吨,占地170m2,耗电140kw,每秒计算5000次加法.冯?诺依曼(VanNeumann)首次提出存储程序概念,将数据和程序一起放在存储器,使编程更加方便.50年来,虽然对冯?诺依曼机进行很多改革,但结构变化不大,仍称冯?诺依曼机. 一般把计算机的发展分为五个阶段: 发展阶段 时间 硬件技术 速度/(次/秒) 第一代 1946-1957 电子管计算机时代 40 000 第二代 1958-1964 晶体管计算机时代 200 000 第三代 1965-1971 中小规模集成电路计算机时代 1 000 000 第四代 1972-1977 大规模集成电路计算机时代 10 000 000 第五代 1978-现在 超大规模集成电路计算机时代 100 000 000 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)电子数字积分机和计算机 EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)电子离散变量计算机 组成原理是讲硬件结构的 系统结构是讲结构设计的 摩尔定律 微芯片上的集成管数目每3年翻两番.处理器的处理速度每18个月增长一倍. 每代芯片的成本大约为前一代芯片成本的两倍 新摩尔定律 全球入网量每6个月翻一番. 数学家冯·诺依曼(von Neumann)在研究EDVAC机时提出了“储存程序”的概念.以此为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机.它有如下特点: ①计算机由运算器,控制器,存储器,输入和输出五部分组成 ②指令和数据以同等的地位存放于存储器内,并可按地址寻访 ③指令和数据均用二进制数表示 ④指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置 ⑤指令在存储器内按顺序存放 ⑥机器以运算器为中心,输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成 图中各部件的功能 ·运算器用来完成算术运算和逻辑运算并将的中间结果暂存在运算器内 ·存储器用来存放数据和程序 ·控制器用来控制,指挥程序和数据的输入,运行以及处理运行结果 ·输入设备用来将人们熟悉的信息转换为机器识别的信息 ·输出设备将机器运算结果转为人熟悉的信息形式 运算器最少包括3个寄存器(现代计算机内部往往设有通用寄存器)和一个算术逻辑单元(ALU Arithmetic Logic Unit).其中ACC(Accumulator)为累加器,MQ(Multiplier-Quotient Register)为乘商寄存器,X为操作数寄存器,这3个寄存器在完成不同运算时,说存放的操作数类别也各不相同. 计算机的主要硬件指标 (4.a) 主机完成一条指令的过程——以取数指令为例 (4.b) 主机完成一条指令的过程——以存数指令为例 (二) 计算机系统层次结构 1. 计算机硬件的基本组成 计算机硬件主要指计算机的实体部分,通常有运算器,控制器,存储器,输入和输出五部分. CPU是指将运算器和控制器集成到一个电路芯片中. 2. 计算机软件的分类 计算机软件按照面向对象的不同可分两类: 系统软件:用于管理整个计算机系统,合理分配系统资源,确保计算机正常高效地运行,这类软件面向系统.(包括:标准程序库,语言处理程序,OS,服务程序,数据库管理系统,网络软件) 应用软件:是面向用户根据用户的特殊要求编制的应用程序,这类软件通常实现用户的某类要求. 3. 计算机的工作过程 (1)计算机的工作过程就是执行指令的过程 指令由操作码和操作数组成: 操作码 地址码 操作码指明本指令完成的操作 地址码指明本指令的操作对象 (2)指令的存储 指令按照存储器的地址顺序连续的存放在存储器中. (3)指令的读取 为了纪录程序的执行过程,需要一个记录读取指令地址的寄存器,称为指令地址寄存器,或者程序计数器.指令的读取就可以根据程序计数器所指出的指令地址来决定读取的指令,由于指令通常按照地址增加的顺序存放,故此,每次读取一条指令之后,