计算机组成原理与汇编语言（组成原理部分） 2000 级

计算机组成原理与汇编语言（组成原理部分）2000级计算机组成原理与汇编语言（组成原理部分）2000级北航计算机学院刘旭东 Tel ：82316285，82317634 Mail：liuxd@buaa.edu.cn

课程介绍（1） • 教学内容：计算机单机系统的组成及其工作原理 • 存储系统的组成与基本工作原理 • 内部存储器的组成与工作原理 • 高速缓冲存储器的结构与工作原理 • 辅助存储器的结构与工作原理 • 虚拟存储系统等 • 指令系统的分析与设计 • 指令系统基本要素 • 指令系统的设计 • 典型指令系统分析 • CPU的内部结构与工作原理 • 运算器结构 • 基本运算方法 • 控制单元的结构 • 指令执行过程分析 • 控制单元的设计（硬连线设计） • 微程序控制器 • 系统总线及输入输出系统

课程介绍（2） • 目的 • 掌握计算机的基本组成、内部结构和工作原理。 • 培养学生分析和设计计算机的能力。 • 重点与难点 • 主存储器与高速缓冲存储器 • 指令系统的设计 • CPU的内部结构与工作原理 • 与其他课程的关系 • 课程定位：计算机专业基础课程、重点必修课程（7学分）； • 先导课程：计算机导论、数字逻辑； • 后续课程：计算机接口与通信、计算机系统结构； • 课程安排 • 课堂教学：共72学时（含汇编语言部分） • 同步实验：计算机教学实验中心单独开设，但成绩计入本课程。 • 课程考试：期终考试（含汇编语言，A、B卷，闭卷） • 成绩：考试成绩 × 85％＋实验成绩 × 15％

课程介绍（3） • 上课时间及地点 • 第一周：星期二1/2节（主M301） • 2~17周: 星期三3/4节，星期六1/2节（一号楼323） • 教材及参考书 • 教材：《计算机组成原理》，高等教育出版社，唐朔飞编著《IBM PC汇编语言程序设计》，清华大学出版社，沈美明编著 • 教材到学校教材发行库购买。 • 参考书：《计算机组织与结构（性能设计）》第五版，电子工业出版社《计算机组成原理教程》，科学出版社，白仲英编著 • 授课教师 • 组成原理部分：刘旭东 • 汇编语言部分：熊桂喜 • 实验部分：李宪永

透视计算机：计算机组成与结构总结 • 计算机系统的层次结构 • 计算机的组成部件简介 • 计算机的内部连接 • 理解计算机：计算机的基本工作过程 • 指令的含义 • 程序的执行 • 计算机最基本的操作与控制：微操作第一部分：概述

1.1 计算机系统 • 硬件（Hardware） • 计算机的实体部分，可以实现计算机最基本的操作行为。 • 软件（Software） • 使计算机实现各种功能的程序集合。包括系统软件、应用软件两大类。

高级语言 虚拟机器M3 （高级语言程序）虚拟机器M2 （汇编语言程序）汇编语言机器语言 1.2 计算机系统层次结构 • 计算机的层次结构的演变实际机器M1 （机器语言程序）

1.2 计算机系统层次结构 • 三级层次结构的计算机系统虚拟机器M3 （高级语言程序）将高级语言程序先翻译成汇编语言程序或机器语言程序，再在M1或M2上运行第三级虚拟机器M2 （汇编语言程序）第二级将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，然后在M1上运行实际机器M1 （机器语言程序）第一级机器语言程序直接在M1上运行

微程序机器M0 （微指令系统）第零级 1.2 计算机系统层次结构 • 四级层次结构的计算机系统虚拟机器M3 （高级语言程序）将高级语言程序先翻译成汇编语言程序或机器语言程序，再在M1或M2上运行第三级虚拟机器M2 （汇编语言程序）将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，然后在M1上运行第二级实际机器M1 （机器语言程序）第一级机器语言程序直接在M1上运行用微程序解释机器指令，由硬件系统直接执行微程序

1.3 计算机的基本组成 • 计算机的功能 •  Data Processing (数据处理) •  Data Storage （数据存储） •  Data Movement （数据移动，交换） •  Control （控制） • 计算机的功能结构

1.3 计算机的基本组成 • 运算器：实现数据处理的部件 • 完成最基本的算术逻辑运算 • ALU (Arithmetic and Logic Unit）＋ Registers＋ DataPath • 运算器与机器字长（字的概念）的关系 • 运算器与机器性能指标： • MIPS：Millions of Instructuions Per Second • SPEC：System Performance Evaluation Cooperative （SPECint’2000，SPECfp’2000） • 简单运算器结构图

1.3 计算机的基本组成 • 存储器：实现数据存储的部件 • 保存程序和数据（二进制信息） • 存储单元：bit, Byte, Word • 地址的概念：每一个字节单元拥有一个唯一的地址（索引） • 存储器的工作方式：读、写 • 存储器结构简图

1.3 计算机的基本组成 • 控制器：实现控制功能的部件 • 提供各部件工作所需的控制信号，控制计算机其他部件协同工作 • 指令部件（Instruction Register ，Instruction Decoder） • 指令顺序控制（Program Counter） • 时序逻辑部件（Clock，Timer ，Sequencing Logic） • 控制信号生成部件（Control Signal Generator or Control Memory） • 运算器＋控制器＝CPU（Central Process Unit） • 控制器结构简图

1.3 计算机的基本组成 • 输入输出：实现数据交换的部件 • 实现计算机内部与外界（其他系统或人类）的信息交换 • 实现数据交换的设备：输入设备、输出设备 • 接口标准与接口部件 • 计算机整体结构简图

1.4 计算机结构 • 总线结构 • 总线：符合一定的标准的一组公共数据通道 • 构成：地址总线、数据总线、控制总线 • 单总线结构 • 多总线结构 • 标准总线 • ISA---Industry Standard Architecture（工业标准结构） • EISA----Extended ISA（扩展工业标准结构） • PCI----Peripheral Connection Interface (周边元件扩充接口) • SCSI----Small Computer System Interface(小型计算机系统接口)

1.4 计算机结构 • 单总线结构

1.4 计算机结构 • 1946年，冯·诺依曼与同事开始研制 IAS,虽直到1952年仍未完成，但该机结构被公认为随后发展起来的通用计算机的原型。

1.4 计算机结构 • 普通PC（PC/XT）的内部结构

1.4 计算机结构 • 普通PC（Pentium）的内部结构（多总线结构）

1.4 计算机结构 • Sun SPARCstation20（RISC）多总线结构 MBus Module SuperSPARC Floating-point Unit DRAM Controller L2 Cache Integer Unit MBus MBus control M-S Adapter L64852 Inst Cache Ref MMU Data Cache STDIO SBus serial kbd SCSI Store Buffer SBus DMA mouse Ethernet audio RTC Bus Interface SBus Cards Floppy

操作码 操作数地址 11010101 10000100 01010001 10100000 2.1 计算机的工作过程 • 机器指令：计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的二进制代码。 • 指令格式：操作码＋操作数（操作数地址） • 操作码：指明指令的操作性质 • 操作数（地址）：指令操作数的位置（或操作数本身） • 程序：在此特指一段机器指令序列。 • 完成一定的功能，采用某种算法，具备一定的流程； • 计算机按照程序所规定的流程和指令顺序，一条一条地执行指令，达到完成程序所规定的功能的目的。 • 计算机采用程序计算器（Program Counter）来决定指令执行的顺序。

假定指令系统：16位指令系统 内存地址 00H Opcode Address 02H 04H 8 8 06H 指令操作码说明 08H ADD 00H AC  (AC)＋Mem(Add) 0AH LD 01H AC  Mem(Add) 0CH SUB 02H AC  (AC) — Mem(Add) 0EH MUL 03H AC  (AC)×Mem(Add) 结果y将存放在此 10H ST 04H Mem(Add)  (AC) 值a 12H 值b 14H 值c 16H 值x 18H Example Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。

内存地址 00H 指令操作码说明 02H ADD 00H AC  (AC)＋Mem(Add) 04H LD 01H AC  Mem(Add) 06H SUB 02H AC  (AC) — Mem(Add) 08H MUL 03H AC  (AC)×Mem(Add) 0AH 程序如下 ST 04H Mem(Add)  (AC) 0CH 指令代码 0EH LD a 0112H AC  a 结果y将存放在此 10H MUL x 0318H AC  ax 值a 12H ADD b 0014H AC  ax + b 值b 14H MUL x 0318H AC ax2+bx 值c 16H SUB c 0216H AC ax2 + bx - c 值x 18H ST y 0410H Mem  (AC) Example Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。

内存地址 PC PC PC 开始PC PC PC 0AH 02H 04H 08H 06H 00H 0112H 00H 0318H 02H 0014H 04H 0318H 06H 0216H 08H 0410H 0AH 0CH 程序如下 0EH 指令代码结果y 10H LD a 0112H AC  a 值a 12H MUL x 0318H AC  ax 值b 14H ADD b 0014H AC  ax + b 值c 16H MUL x 0318H AC ax2+bx 值x 18H SUB c 0216H AC ax2 + bx - c ST y 0410H Mem  (AC) Example

微操作AB 微操作AC + B AC 补1：微操作 • 微操作：计算机可以完成的最基本的操作，一条机器指令的执行可以解释为一系列的微操作的执行 • 操作性质：对数据进行某种处理 • 操作对象 • 操作的时间与条件

补2 ：机器结构简化图 机器结构简化图

补3：ENIAC（1946） ENIAC：十进制（而非二进制）计算机，用十个真空管（一个ON，其余OFF）表示一位十进制数，算术运算按十进制的方式完成。占地170平方米，重30吨，耗电140千瓦，共用18000个真空管，每秒可进行5000次加减法运算。

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