第十三章 计算机组成原理1.ppt

计算机组成原理第一章 概论 李曦 llxx@ 本课程的作用 数据结构 算法设计 组成原理 操作系统 编译原理 体系结构 。。。。。。 “计算机系统”涉及的问题 教学目的 硬件系列课程之一 计算机组成原理 对计算机系统的基本组成结构和工作机制有比较透彻的理解 微型计算机原理 突出应用，详细讲述微处理器芯片、主板、接口技术和应用编程方法 计算机体系结构 重点论述计算机系统的各种基本结构、设计优化技术和性能定量分析方法 本课程的目标 深入理解计算机系统的硬件组成和工作原理 系统构成、总线、存储器、I/O系统等 深入理解处理器的内部结构和工作原理 对计算机系统当前的发展动向和水平有明确的概念 课程内容 外围部件结构 系统总线（总线性能、总线结构、总线控制） 存储器（主存储器、高速缓存、辅助存储器） 输入输出系统（外设、I/O接口、I/O控制方式） 中央处理器（CPU） 计算机的运算方法 指令系统 CPU的结构 控制单元设计 教材 Textbook： 唐朔飞，《计算机组成原理》 高等教育出版社，2000 Reference: Patterson and Hennessy, “Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface”, 2nd Edition, 1998 王爱英，《计算机组成与结构》，清华大学出版社, 1995 /~cs152 /ee182 成绩考核 期末考试：55％（闭卷） 作业：30％，不能抄袭 不能补交！ 课堂练习：5％ 课外实践：10％ 编程实践：仿真 调查报告：（2～3篇） 理解与综合能力，不能抄袭，要有参考文献 资料来源：教材、参考书、Internet 教师 主讲：李曦（llxx@） 助教：赵振刚 （gavin@） 本章教学内容 计算机系统概述 计算机软硬件 计算机系统的层次结构 计算机组成 VS. 计算机体系结构 计算机的基本组成 Von Neumann机的特征 计算机的硬件构成 计算机的工作过程 计算机硬件的性能指标 能行计算理论 可计算性：判断一类数学问题是否机械可解 问题的可计算性 计算：是一种过程 算法：对计算过程的步骤或状态的一种刻画，是计算方法的一种实现方式。 计算模型：刻画“计算”这一概念的抽象的形式化系统或数学系统。 指具有状态转换特征，能够对所处理的对象的数据或信息进行表示、加工、变换、输出的数学机器。 递归函数、λ演算、图灵机等 关于计算模型的两个重要原理 相似性原理 计算复杂性是否与计算模型有关？ 不同计算模型解决同一类问题所需资源是否相同? 所有计算模型的计算能力等同 所有合理的、功能足够强大的计算模型可以相互模拟计算，且使用的本质相同的并行计算时间、串行计算时间和空间 丘奇－图灵论题：可计算性等价于图灵机可计算性 对偶性原理 在并行计算模型上，计算的时间与空间可以互换 图灵机模型 为存储程序式电子计算机提供了重要的设计思想 结构 一条两端可以无限延伸的纸带（其上有无穷多可擦写的小格）； 一个读写头（符号包括0、1、b）； 一个控制器（执行控制读写头工作的命令） 五元组：（状态、符号）→（写符号、移动、状态） 状态集：含一个开始状态，一个结束状态 Von Neumann机的特征 计算机构成 由五个部分构成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 指令和数据存储方式 “以同等地位”存放于存储器内，分别按地址访问 指令和数据表示形式 均用二进制码表示 指令构成 由操作码和地址码构成 指令执行 按顺序存放，顺序执行 数据传输 机器以运算器为中心 Von Neumann机的组织结构 现代计算机的组织结构 Harvard architecture 细化的计算机系统组织 CPU功能 算术逻辑运算 指令译码、执行 数据暂存 与MEM、I/O交换数据 提供整个系统所需的定时和控制 响应中断请求 示例——指令 指令格式 指令字长16位：操作码6位，地址码10位 例：000001 0000001000 指令操作码 load（000001）：[M]-ACC store（000010）：ACC-M add（000011）：ACC+[M]-ACC mul（000100）：ACC*[M]-ACC print（000101）：打印[M] hlt（000110）：停机 指令的执行过程 取指 根据PC访存读取当前要执行的指令 PC＋1 译码 识别指令字中的操作类型，产生相应的控制信号 取操作数 根据指令字的地址域访存 执行 写回 计算机的工作过程 执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所以，计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令。 存储器的组织 存储单元按字节或字寻址 程序和数据顺序