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计算机组成原理讲义1Introduction计算机结构(Architecture)的概念演变WhatisComputerArchitecture?ComputerArchitecture=InstructionSetArchitecture(ISA)+MachineOrganizati

onArchitectureISA:指从编程者角度看到的计算机所具备的概念结构和逻辑功能。区别与计算机的物理实现和物理结构。可编程存储器的结构指令系统，指令格式，寻址方式数据类型，编码Organization：物理实现与物理结构主要功能单元机器性能特征：ALU，Re

gs，Shifter，LogicalUnits部件之间的内部连接信息流（数据流和指令流）及其控制ISA的实现寄存器传输层（RTL）的硬件描述计算机组成（1）从1946年开始，所有的计算机都包含如下几个部分

ControlDatapathUnitsMemoryCPUInputOutput计算机组成（1）运算器完成最基本的算术逻辑运算ALU(ArithmeticandLogicUnit）＋Registers＋DataPath控制器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（InstructionRegister，InstructionDecoder）指令顺序控制（ProgramCounter）时序逻辑部件（Clock，Timer，SequencingLogic）控制信

号生成部件（ControlSignalGeneratororControlMemory）运算器＋控制器＝CPU（CentralProcessUnit）计算机组成（2）存储器保存程序和数据存储单元（bit,Byte,Word)地址的概念（每一个字节单元一个唯一的地址）存储器的工

作方式：读、写组成：存储体＋地址缓冲部件＋数据缓冲部件＋读写控制部件存储器的层次：Cache＋RAM＋Disk＋Tape输入输出实现计算机内部与外界（其他系统或人类）的信息交换接口标准与接口部件外部设备：输入设备、输出设备计算机内部各部件之间的连接

：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---IndustryStandardArchitecture（工业标准结构）EISA----ExtendedISA（扩展工业标准

结构）PCI----PeripheralConnectionInterface(周边元件扩充接口)SCSI----SmallComputerSystemInterface(小型计算机系统接口)单总线结构Examples–IAS（直接连接）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。Examples–PC（单总线结构）普通PC（PC/XT）的内部结构Examples–PC（多总线结构）普通PC（Pentium）的内部结构MainmemoryL

ANIDESCSIPentiumCPU32/64CPULocalBusLocalBustoPCIBusbridgePCIBusAdapterPCItoISAbridgePCISlotsISABusISAS

lotsISAadapterCacheExamples–SPARCstation20（多总线结构）SunSPARCstation20（RISC）Floating-pointUnitIntegerUnitInstCacheRefMMUDataCacheStoreBufferBusI

nterfaceSuperSPARCL2CacheMBusModuleMBusL64852MBuscontrolM-SAdapterSBusDRAMControllerSBusDMASCSIEthernetS

TDIOserialkbdmouseaudioRTCFloppySBusCards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）计算机

的工作原理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（ProgramCounter）来决定指令执行的顺序。操作码操

作数地址11010101100001000101000110100000ExampleY=ax2+bx-c假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。地址结果y将存放在此值a值b值c值x内存00H02H04H06H08H0AH0CH0EH10H12H14H16H18H假定指令系统：

16位指令系统OpcodeAddress88操作码说明00HAC(AC)＋Mem(Add)01HACMem(Add)02HAC(AC)—Mem(Add)指令ADDLDSUB03HAC(AC)×Mem(Add)MUL04HMem(Add)(AC)STExa

mpleY=ax2+bx-c假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。地址结果y将存放在此值a值b值c值x内存00H02H04H06H08H0AH0CH0EH10H12H14H16H18H操作码说明00HAC(AC)＋Mem(Add)01HACMem(A

dd)02HAC(AC)—Mem(Add)指令ADDLDSUB03HAC(AC)×Mem(Add)MUL04HMem(Add)(AC)ST程序如下代码0112HACa0318HACax0014HACax+b指令LDaMULxADDb0318HACax2+bxMULx0216HAC

ax2+bx-cSUBc0410HMem(AC)STyExample地址0112H0318H0014H0318H0216H0410H结果y值a值b值c值x内存00H02H04H06H08H0AH0CH0EH10H12H14H16H18H程序如下代码0112HACa0318HAC

ax0014HACax+b指令LDaMULxADDb0318HACax2+bxMULx0216HACax2+bx-cSUBc0410HMem(AC)STy00H开始PC02HPC04HPC06HPC08HPC0AHPC指令的执行过程：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BAANDQQDDQQAB微操作ABALUANDBQDQACQDQAC+BACADDCtrl微操作AC+BAC指令的执行过程ALUABGR

AC微操作信号发生器IDIRPCMBR存储器MAR微操作控制信号总线AC：累加器ALU：算术逻辑运算单元A,B：缓冲器GR：通用寄存器IR：指令寄存器ID：指令译码器PC：程序计数器MAR：地址寄存器MBR

：数据寄存器机器结构简化图指令的执行过程ALUABGRAC微操作信号发生器IDIRPCMBR存储器MAR微操作控制信号总线AC：累加器ALU：算术逻辑运算单元A,B：缓冲器GR：通用寄存器IR：指令寄存器ID：指令译码器PC：程序计数器MAR：地址寄存器MBR：数据

寄存器InstructionFetchInstructionDecodeOperandFetchExecuteResultStoreNextInstruction根据PC内容从存储器取指令送IR指令译码器译码（解释指令），形成微操作控制信号在控制信号的作用下取操作

数送运算器运算器执行指令功能保存指令结果形成下条指令的地址并送PC计算机的时序控制方式指令＝微操作序列从微操作本身所执行的功能来看，不同的微操作执行时间应该不同。对微操作的定时方式成为不同时序控制方式的主要差别

时序控制方式异步控制方式：不同的微操作具有不同的定时定时精确，性能指标高结构复杂，时间与空间的矛盾同步控制方式：所有的微操作安排同样的执行时间统一定时，结构简单最复杂的微操作成为标准，存在时间浪费的现象，性能受到影响机器主频（主时钟周期）：微

操作周期同步控制方式的时序系统时序概念与时序信号指令周期：指令执行的时间，包括取指令、分析指令、执行指令所需的时间。机器周期：指令周期按功能分成几个不同的阶段，每个阶段所需的时间，称为一个机器周期。比如取指周期，取数周期等。节拍周期：也是时钟周期，微操作执行的时间。时钟脉冲信

号：计算机系统的基本定时信号，是其他时序信号的基准一个指令周期＝N个机器周期一个机器周期＝N个节拍周期主时钟发生器节拍发生器机器周期触发器主振时序部件同步控制方式的时序系统时序关系主时钟节拍T1节拍T2节拍T3节拍T4机器周期M1

机器周期M2机器周期M3指令周期时序电路示例0QDQ0QDQ0QDQ1QDQT3T2T1T0CLK节拍周期发生器：移位器电路初始值为0001每一个CLK脉冲变化一次：00010010010010000001