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计算机组成原理,第1章 计算机系统概论,本课程的作用,是计算机科学技术专业骨干课是计算机硬件理论基础先行课：汇编语言、数字电子、高级语言后续课：单片机、接口技术、操作系统等教材：白中英，计算机组成原理（第四版.立体化教材）,科学出版社参考书：俸远帧 闫慧娟，计算机组成原理，电子工业出版社,与我的联系方式,电子邮件：LL信息发布网盘http:/认证口令：jsj,1.1 计算机的分类和应用,1.1.1 计算机的分类按照信号处理方式分类模拟计算机、数字计算机按照使用形式分类专用计算机、通用计算机按照规模分类巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机,1.1 计算机的分类和应用,1.1 计算机的分类和应用,1.1.2 计算机的应用1科学计算2自动控制3测量和测试4信息处理5教育和卫生6家用电器7人工智能,1.2计算机的硬件,1.2.1冯诺依曼体系1基本思想(存储程序的概念)为了告诉计算机做什么事，按什么步骤做，就需要编制程序，使计算机在程序的控制下能连续自动的工作。2要点(1)采用二进制形式表示数据和指令；(2)将程序(包括数据和指令)事先装入主存储器，使计算机能高速的从存储器中取指令加以执行；(3)计算机有五大功能部件组成，并规定了五大部件的基本功能。,1.2计算机的硬件,1.2.2计算机五大部件及基本功能,1.2计算机的硬件,1.2.2计算机五大部件及基本功能1运算器用于进行算术和逻辑运算，是计算机的计算部件2存储器存储器的功能是保存或记忆”解题的原始数据和解题步骤，为此，在运算前需要把参加运算的数据和解题步骤通过输入设备送到存储器中保存起来。存储单元：在存储器中保存一个数的若干个触发器。地址：存储器是由许多存储单元组成的每个存储单元都有编号，称为地址。存储容量：存储器所有存储单元的总数。内存储器：半导体存储器。外存储器：存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器。,1.2计算机的硬件,1.2.2计算机五大部件及基本功能3控制器控制器是计算机中发号施令的部件，它控制计算机的各部件有条不紊地进行工作。更具体地讲、控制器的任务是从内存中取出解题步骤加以分析然后执行某种操作指令：计算机的每一个基本操作。由操作码和地址码组成。计算程序：解决某个问题的指令序列。程序控制：控制器按照程序对整机协调和控制完成计算任务指令系统：计算机指令的集合。取指周期：将指令从存储器取出送至控制器的时间。执行周期：指令执行的时间。,1.2计算机的硬件,1.2.2计算机五大部件及基本功能3控制器数据字：存储器中一个字代表要处理的数据。指令字：存储器中一个字代表要执行的指令。数据流：执行周期从存储器取出的信息流。指令流：取指周期从存储器取出的信息流。4 输入设备将计算机无法识别的数据转换成计算机可以识别的形式输入。5 输出设备将计算机的处理结果以人可以识别的形式或其它设备可以识别的形式输出。,1.2计算机的硬件,1.2.3计算机系统结构的发展史 第一代：1946,电子管，几千至几万，数据处理开始；第二代：1958,晶体管，几万至几十万，工业控制开始；第三代：1965,中小规模集成电路，几十万至几百万，小型机出现；第四代：1971,大规模集成电路，几百万至几千万，微型机出现；第五代：1986,巨大规模集成电路，几亿至几百亿，单片机出现。发展趋势：(l)由于计算机网络和分布式计算机系统能为信息处理提供廉价的服务，因此计算机系统的进一步发展“三网合一，将进入以通信为中心的体系结构。(2)计算机智能化将进一步发展，各种知识库及人工智能技术将进一步普及人们将用自然语言和机器对话、计算机从数值计算为主过波到知识推理为主从而使计算机进人知识处理阶段。(3)随着大规模集成电路的发展，不仅用多处理机技术来实现并行计算机的功能，而巨会出现计算机的动态结构，即所谓模块化计算机系统结构。(4)多媒体技术将有重大突破和发展，并促使微处理器发生一次重大变革。,1.3计算机的软件,1.3.1系统软件各种服务性程序：如诊断程序、排错程序、练习程序等；语言处理程序：如汇编程序、编译程序、解释程序等；操作系统数据库管理系统。1.3.2应用软件用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。加工程设计程序、数据处理程序自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序,1.4计算机系统的层次结构,1微程序设计级这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。2一般机器级也称为机器语言级，它由微程序解释机器指令系统这一级也是硬件级3操作系统级它由操作系统程序实现这些操作系统由机器指令和广义指令组成4汇编语言级它给程序人员提供一种符号形式语言5高级语言级它是面向用户的，由各种高级语言编译程序支持和执行。,1.4计算机系统的层次结构,虚拟机与透明性的概念对于用户而言，面对的计算机是针对某个级别、可以执行特定动作的计算机，而不一定是硬件逻辑的计算机硬件与软件的逻辑等价性随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统的软硬件界限已经变得模糊了、因为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成、对于某一机器功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。例：MPEG解压缩、算术协处理器,计算机组成原理,第2章 运算方法和运算器,2.1数据与文字的表示方法,2.1.1 数据格式1定点数表示定点小数定点整数,2.1数据与文字的表示方法,2.1.1 数据格式2浮点数一般表示R 基数 e 阶数 m 尾数二进制表示IEEE754表示,2.1数据与文字的表示方法,2.1.1 数据格式浮点数表示实例,2.1数据与文字的表示方法,2.1.1 数据格式为什么IEEE754阶码偏移用127/1023?若偏移用128：特殊阶码 1111 1111+127最大阶码 1111 1110+126若偏移用127特殊阶码 1111 1111+128最大阶码 1111 1111+127如果偏移127，可以表示的数据范围比偏移128可以表示的数据范围大1倍,2.1数据与文字的表示方法,2.1.1 数据格式3 十进制数据的表示BCD码(17)10=(0001 0111)BCD=(0001 0001)2,2.1数据与文字的表示方法,2.1.2数的机器码表示(码制)1.原码将十进制数据直接转换成二进制数，最高位为符号位。定点整数的原码定点小数的原码,2.1数据与文字的表示方法,2.1.2数的机器码表示(码制)1.原码原码表示实例：十进制+10 的原码表示0 000 1010十进制-10 的原码表示1 000 1010十进制 0 的原码表示0 000 00001 000 0000十进制+0.75 的原码表示0.110 0000十进制-0.75 的原码表示1.110 0000,2.1数据与文字的表示方法,2.1.2数的机器码表示(码制)2.补码补码是有模运算模是指计算机能表示的最大定点数定点整数的补码定点小数的补码,2.1数据与文字的表示方法,2.1.2数的机器码表示(码制)2.补码补码表示实例十进制+10 的补码0 000 1010十进制-10 的补码1 111 0110 28-10十进制 0 的补码0 000 0000十进制+0.75 的补码0.110 0000十进制-0.75 的补码1.010 0000教材p24的式2.9和2.10有错误，表示负数时应该小于零。,2.1数据与文字的表示方法,2.1.2数的机器码表示(码制)3.反码就是二进制数的各位数码0变为1，1变为0。定点整数的反码定点小数的反码,2.1数据与文字的表示方法,2.1.2数的机器码表示(码制)2.反码反码表示实例十进制+10 的反码0 000 1010十进制-10 的反码1 111 0101十进制 0 的反码0 000 00001 111 1111十进制+0.75 的反码0.110 0000十进制-0.75 的反码1.001 1111,2.1数据与文字的表示方法,2.1.2数的机器码表示(码制)反码和补码的关系求补方法：变反，末位加1,2.1数据与文字的表示方法,2.1.2数的机器码表示(码制)4.移码只用于定点整数移码表示 移码表示实例十进制+10 的移码1 000 0110十进制-10 的移码0 111 1010,2.1数据与文字的表示方法,2.1.2数的机器码表示(码制)5.各种码制之间的关系,2.1数据与文字的表示方法,2.1.2数的机器码表示(码制)5.各种码制之间的关系,2.1数据与文字的表示方法,2.1.3字符与字符串的表示方法（介绍）ASCII码2.1.4汉字的表示方法（介绍）1输入编码：数字编码、拼音码、字形编码2汉字内码3汉字字模编码,2.2定点加减法运算,2.2.1补码加法 1数学推导要求学生自行学习，不作考试要求。推导过程见p312加法公式,2.2定点加减法运算,2.2.1补码加法,2.2定点加减法运算,2.2.2补码减法减法公式,2.2定点加减法运算,2.2.2补码减法,2.2定点加减法运算,2.2.3溢出检测,2.2定点加减法运算,2.2.3溢出检测结论：(1)符号位参与运算且结果正确。(2)同号相加才可能溢出,异号相加一定不溢出问题：符号位判断溢出的逻辑V=CfC0V 溢出；Cf 符号位进位；C0 最高有效位进位,2.2定点加减法运算,2.2.3溢出检测变形补码形式定义：溢出检测 V=Sf1 Sf2,2.2定点加减法运算,2.2.4基本的二进制加法器1.1位全加器工作特性,2.2定点加减法运算,2.2定点加减法运算,2.2.4基本的二进制加法器2.行波进位加法器,2.2定点加减法运算,2.2.5 十进制加法器1.加6调整,2.2定点加减法运算,2.2.5 十进制加法器2.1位BCD码加法器,2.2定点加减法运算,2.2.5 十进制加法器加6调整的判断逻辑,计算机组成原理,第2章 运算方法和运算器,2.3定点乘法运算,2.3.1原码并行乘法1.人工算法,2.3定点乘法运算,2.3.1原码并行乘法2不带符号的乘法器,2.3定点乘法运算,2.3.1原码并行乘法3带符号的乘法器,2.3定点乘法运算,2.3.1原码并行乘法对2求补电路(教材p40图2.6),2.3定点乘法运算,2.3.2补码并行乘法 1.补码与真值的关系,2.3定点乘法运算,2.3.2补码并行乘法2一般化的全加器与直接补码阵列乘法器 了解，不做要求由于符号位参与运算，所以根据有符号位的四种不同运算情况，定义了四种全加器。图示见p43表2.3和p44图2.8。,2.4定点除法运算,2.4.1原码除法算法原理 1.定义,2.4定点除法运算,2.4.1原码除法算法原理 2.手动算法 x=0.1001,y=0.1011,xy=?,2.4定点除法运算,2.4.1原码除法算法原理3.恢复余数法 计算机在计算前无法判断是否够减，所以只有先减，结果小于0则为不够减，上商0，并恢复余数。4加减交替法(不恢复余数),2.4定点除法运算,2.4.2并行除法器 1.可控加减法(CAS)单元,2.4定点除法运算,2.4.2并行除法器 2.不恢复余数的阵列除法器,2.5定点运算器的组成和结构,2.5.1逻辑运算1逻辑非2逻辑与3逻辑或4逻辑异或,2.5定点运算器的组成和结构,2.5.2多功能算术/逻辑运算单元(ALU)1.工作原理,