《组成原理》1-3章

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1、教师：崔伟峰电话：13903706001QQ: 57591030E-mail：课程地位 计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门核心的专业基础课，在先导课和后续课之间起着承上启下的作用。课程内容 单处理机系统的组成和工作原理最经济、最有效、最快速但适应性差适应性最好牺牲了经济性、效率、速度数值由连续的量来表示运算过程也是连续的按位运算不连续地跳动计算1.2.1 计算机的五代变化时间时间主要器件主要器件第一代19461957电子管第二代19581964晶体管第三代19651971中小集成电路第四代19721990大规模及超大规模集成电路第五代1991至今巨大规模集成电路1.2.1 计算机的五代

2、变化摩尔定律 由英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍1.2.1 计算机的五代变化1.2.2 半导体存储器的发展1.2.3 微处理器的发展行数行数解题步骤和数据解题步骤和数据123456789a10b11c12x13y1.3.1 硬件组成要素纸：算盘：笔：人：存储器运算器输入输出设备控制器例：计算y=ax+b-c取数 （9 ） 算盘乘法 （12） 算盘加法 （10） 算盘减法 （11） 算盘存数 y 13 输出停止主机外围设备CPU1.3.1 硬件组成要素存储器运算器控制器

3、系统总线适配器输入设备输出设备1.3.2 运算器 主要功能：进行算术运算和逻辑运算 主要器件：ALU、寄存器ALU电路寄存器B累加器A计算机采用二进制的原因 物理器件易实现 运算规则简单1. 易于进行逻辑运算1.3.3 存储器 主要功能：存储计算机运行所需的程序与数据 主要器件：半导体存储器存储单元：保存一个机器字所用 半导体触发器的集合地址：存储单元的唯一编号存储容量：所有存储单元的总数存储单元0123456m1.3.4 控制器 主要功能：协调和指挥整个计算机系统的操作 主要器件：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等 相关概念： 1. 指令：解题时的基本操作 2. 程

4、序：解题时的指令序列指令的格式操作码操作码地址码地址码指令指令操作码操作码加法001减法010乘法011除法100取数101存数110打印111停机00012345678910111312abxyc000 xxxx111 xxxx110 1101010 1011001 1010011 1100101 1001冯诺依曼型计算机的设计思想 存储程序并按地址顺序执行控制器功能示意 取指周期 执行周期机器字长计算机一次运算所能处理的最大二进制位数 指令流取指周期 内存 控制器数据流执行周期 内存 运算器1.3.5 适配器与输入输出设备1. 输入输出设备人类熟悉的信息形式计算机内部的二进制信息形式2.

5、适配器将各种类型不同速度的输入输出设备与主机连接主机外围设备CPU1.3.1 硬件组成要素存储器运算器控制器系统总线适配器输入设备输出设备用户利用计算机来解决某些问题而专门编制的程序简化程序设计和使用方法提高计算机的使用效率发挥和扩大计算机的功能和用途1.4.1 软件的组成与分类1.4.2 软件的发展演变1.5.1 多级组成的计算机系统 采用多级组成计算机的技术，对了解计算机如何组成提供了一种好的结构和体制，而且用分级的观点来设计计算机，对保证产生一个良好的系统结构也是有帮助的。154321.5.2 软件与硬件的逻辑等价性 1. 任何操作可由软件实现，也可由硬件实现；任何指令的执行可由硬件完成

6、，也可由软件完成。 2. 软硬件转化的媒介是：固件处理机字长 运算器中一次能够完成二进制数运算的最大位数总线带宽 运算器与存储器之间互连的总线二进制位数存储器带宽 单位时间内从存储器读出的二进制数信息量主频 CPU内核工作的时钟频率，即CPU内部每秒钟发出的脉冲信号的次数时钟周期：主频的倒数CPU执行时间：CPU执行一般程序所占用的CPU时间CPI（Clock Per Instruction）MIPS ( Million Instructions Per Second)MFLOPS ( Million Floating-point Operations Per Second) 计算机的分类计算

7、机的组成冯诺依曼型计算机的设计思想计算机系统的分级结构4. 冯诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些主要组成部分？答：主要设计思想是：存储程序并按地址顺序执行； 主要组成部分有：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备数制转换2.1.1 数值数据的格式 1. 定点表示法 定点：数据中小数点的位置固定符号位数值位纯小数：小数点固定在符号位和数值位之间纯整数：小数点固定在数值位最右边数值数值nx0121xxxxnn000000000101000010011111011111纯整数的表示范围120nx纯小数的表示范围nx210) 12(n) 12(n1100)21 (n)21 (nn2n

8、2002. 浮点表示方法 1) 浮点：小数点位置随比例因子的不同可以自由浮动MRNe指数基数尾数2) 浮点数的三要素3) 早期机器浮点数的格式4) IEEE754标准的浮点数格式 阶符阶码数符尾数SEM11823115232位浮点数64位浮点数32位浮点数 E=e+127 (01111111)64位浮点数 E=e+1023 (0111111111)sE011EEEnsM011MMMn5) 浮点数的规格化表示 当尾数的值不为0时，尾数域的最高有效位为1 32位浮点数x对应的数值为 64位浮点数x对应的数值为1272). 1 () 1(EsMx10232). 1 () 1(EsMx3. 十进制数的

9、表示方法 1) BCD编码（Binary Coded Decimal） 2) 十进制数串的表示与存储字符串形式压缩的十进制数串机器码数值数据的机内编码真值机器码所代表的实际数值原码表示法1) 定义 符号位：正数为0，负数为1 数值位：该数的绝对值真值真值二进制真值二进制真值8 8位原码位原码0127111270111111100000001000000001000000010000001111111110111111100000010000000000000000000011111111原码表示法1) 定义 符号位：正数为0，负数为1 数值位：该数的绝对值 2) 特点 零的表示不唯一； 真值与

10、机器码易转换； 加减法运算复杂。2. 反码表示法1) 定义 正数时与原码相同； 负数时仅将原码的数值位按位取反真值真值8 8位原码位原码8 8位反码位反码01271112701111111000000010000000010000000100000011111111100111111100000001000000001111111111111110100000002. 反码表示法1) 定义 正数时与原码相同； 负数时仅将原码的数值位按位取反 2) 特点 零的表示不唯一； 加减法运算稍复杂。3. 补码表示法1) 定义 正数时与原码相同； 负数时将反码末位加1真值真值8 8位原码位原码8 8位反码

11、位反码8 8位补码位补码01271112701111111000000010000000010000000100000011111111100111111100000001000000001111111111111110100000000111111100000001000000000000000011111111100000013. 补码表示法1) 定义 正数时与原码相同； 负数时将反码末位加1 2) 特点 零的表示唯一； 加减法运算简单。 3) 补码与真值的转换公式1022niiinnxxx4. 移码表示法1) 定义 对于n+1位机器码，移码为 真值真值 二进制真值二进制真值偏移量偏移量8