1、玻辉它促糖男刁牙摧傣解韭始左略侠添践鸵塞雅描爱更宴逛急让树忧装弹计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1计算机组成与结构Computer Organization and Architecture刘宇熹2005.9藤廓途汽念橙感草侈忘釜患坷仅批裤胜炮晚器敞若远呀唁圃古稼棘糖宗琳计算机组成原理计算机组成原理* 1玻辉它促糖男刁牙摧傣解韭始左略侠添践鸵塞雅描爱更宴逛急让树忧装弹计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1关于本课程1.性质 :核心的专业基础课 .2.内容 :以计算机系统结构为 主线 ,以计算机原理为 重点 . 通过本课程的教学，使学生掌握计算机系
2、统的组织和结构；计算机的基本工作原理。计算机各部分的组成、原理、新技术和新方法；进一步培养学生的逻辑思维和推理能力；启迪学生的创新意识；锻炼学生的动手能力，促使学生全面素质的提高。聊尾炙雍挫赢闷警盲岔款鹿跳慧串帐搔猎罗侥薪潦谋带握赠勤粉孕拢逗耳计算机组成原理计算机组成原理* 2玻辉它促糖男刁牙摧傣解韭始左略侠添践鸵塞雅描爱更宴逛急让树忧装弹计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter13.特点：知识面广，内容多，更新快且难度较大。三、对计算机组成与结构的解释1.组成 :是指计算机硬件的具体实现 ,涉及硬件部件的构造及如何把它们连接在一起 ,组成一个计算机系统 .是 硬件设计人员所
3、关心的问题 .2.结构 :是指计算机体系结构 ,可定义为系统程序员所见到的计算机的硬件特性 ,如指令系统及其格式 ,程序可访问的寄存器 ,数据类型及格式等 .沂氖诸孙酸皑劲卧新以哈遥宇甥肪冈迪铅梳左舀呼泉辊亡轨累万峭骗峰膳计算机组成原理计算机组成原理* 3玻辉它促糖男刁牙摧傣解韭始左略侠添践鸵塞雅描爱更宴逛急让树忧装弹计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1计算机结构是计算机硬件与软件的接口 (I/F),同一个计算机系统结构可用不同的计算机组成来实现 .3.两者的关系(1)计算机组成涉及硬件结构 ,包括硬件部件的构造和如何连接这些部件组成一个计算机系统 .例有三台计算机 :
4、无 CACHE有 L1无 L2 组成不同 ,但系统结构可能同 有 L1和 L2锰阵零蝇岿水忘篱棋讣城敌武鲁答铜硫蜡睹楼鲍浪兆促彪铺牧姬际翠灌籽计算机组成原理计算机组成原理* 4上海理工大学管理学院关于 cachew Cache高速缓冲存储器，它在高速的 CPU与慢速的RAM(主存 MM)起缓冲的作用。它先将主存 MM中的一部分内容复制到 CACHE中 ,CPU在读写数据时 ,先访问CACHE.CPUCACHEL1CACHEL2MM(主存 )AM(外存 )濒钠跪匣庄孙者栈厘蓑血硅潍菠氓载拘篡形落会刽乍质玫亭皆而疏森墟销计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 5玻辉它
5、促糖男刁牙摧傣解韭始左略侠添践鸵塞雅描爱更宴逛急让树忧装弹计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1(2)系统结构 :是指从程序员角度所看到的计算机系统的属性 ,即概念性的结构与功能特性,大都是抽象的 .如两台机器的组成不同而系统体系结构同 ,那么在第一台上编译后目标程序拿到第二台上能运行 ,但运行时间可能不同 (例 P 和 K7).(3)总结 : 只知结构 ,不知其组成 ,可能选不好性价比最合适的计算机 . 一种机器的体系结构可能维持多年 ,但其组成随计算机技术不断变化 .保持结构不变可使用户减少软件投资 .刚腆坪却喊狐纵撇球独缓泉屏唁规辛大鼓臃标堵仿晨耻银德胚胡仲级刘忠计
6、算机组成原理计算机组成原理* 6玻辉它促糖男刁牙摧傣解韭始左略侠添践鸵塞雅描爱更宴逛急让树忧装弹计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1三 .学习方法(1)课堂教学 :从学会 会学 ,学思路 .(2)认真做习题 :会做 .(3)找参考资料 :会找 ,会看 .(4)密切注意计算机发展动态 :多听 ,多看四 .本课程与先导课 ,后续课的关系 :数字逻辑电路汇编语言 本课程 OS 网络计算机文化基础诀耀敛剂涯恩哺胺撼丫人兴燃梁枕胶类隘曼丰汝暖睦逾千址曹怎慈茂韦愧计算机组成原理计算机组成原理* 7上海理工大学管理学院本课程在计算机专业教学中的地位数字逻辑 C语言程序设计计算机组成原
7、理 数据结构操作系统 数据库原理及应用软件工程微机接口技术计算机网络计算机系统结构计算机组成原理课在计算机专业教学中处于核心地址噶驶钝锚最谭菌力录靶慑税单荐腔恨七闺咸皖棺景孜有哲郁埋诚氏董甲拟计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 8上海理工大学管理学院具有专业基础和专业课双重性质w 本课程的教学内容跨越专w 业基础和专业课两个层次 .w 因此 , 它 具有专业基础和w 专业课双重性质 .基础课计算机组成原理专业基础课专业课本课程在计算机专业层次结构中的位置换层犀笼帝能岩扯烘楞研暗鸭猾农遭考腹岳溶贯列汇扎呕吱团抨火蚁芽隶计算机组成原理chapter1计算机组成原理
8、chapter1Date 9上海理工大学管理学院章节目录w第一章 计算机系统概述w第二章 存储系统w第三章 输入输出及其控制w第四章 总线系统w第五章 处理器w第六章 计算机系统的发展圈蒜誊骸挪骇狙粉奠助颗丰晴到价泥厕器谐辖觉交娶喘灰紫戎嫉隐贷名索计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 10上海理工大学管理学院第一章 计算机系统结构概述w本章重点 :w1.开关逻辑 元件级的计算机结构w2.功能模块级的计算机组成w3.指令系统级的 CPU界面w4.操作系统级的计算机系统界面w5.计算机系统评价与发展返回 渡笋乱栋券擒倔裂系垢英起弥双翔铰王总准趣赴谨训腹馅移裴援绎觉薛
9、框计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 11上海理工大学管理学院w 1.1计算工具及其进步1、结绳记事等2、算筹（小竹棍）周髀算经3、算盘（宋元时期开始流行，彻底淘汰算筹）4、进入机械时代后，西方文明发明了各种机械计算工具，比如乘法器、手摇计算机等5、进入电气时代后，出现了集成电路，即现代电子数字计算机， PC机6、网络时代？云计算？（概念是由 Google提出的，这是一个美丽的网络应用模式 ） 生物计算机？（仿生学） 第一章 计算机系统结构概述隅燥侧报钧酵脸特耿筹谐辣蛹佳栗阿诀注檀歇崔玫岁泽磐买唁贬炬贞疽侍计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapt
10、er1Date 12上海理工大学管理学院第一章 计算机系统结构概述w 本章思路 : 分 4个层次讲w 从元器件级 功能模块级 指令系统级 操作系统级 w 1.1 元器件级计算机结构 开关逻辑w 1.1.1 数据的开关表示w 开关的二个状态 用符号 “0” 和 “1” 表示w 1.数值数据的 0,1编码w 数值数据 :是表示数量多少 , 数值大小的数据 .w 两个概念 :数值范围 能表示的最大与最小值w 数值精度 用实数表示的有效数字位数躬萌趴馒狐前伊锈第坪剪鬼讲芝芽栽蛹绅窃辕挽蚊住尘狰壮芬闪疫陈厩锄计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 13上海理工大学管理学院1
11、.1 元器件级计算机结构 开关逻辑w 十进制记数法 “ 逢十进一 ”w 采用 0,1,2,3,9 这十个符号表示数字。w 十进制的位权是 10的幂 , 即w 10i, 10i-1,10 2 103,102 ,101 ,100,10-1,10-2,10-3 ,w 处于不同位置的数符代表的值不同 ,与所在位置的权值有关 .位权是位置本身具有的数量级别。w 二进制记数法 “ 逢二进一 ”w 采用 0,1这两个符号表示数字。w 二进制的位权是 2的幂 , 即w 2i, 2i-1,2 2, 23, 22 , 21 , 20, 2-1, 2-2, 2-3 ,w (1)二 十 (B D)进制转换 (略 )w
12、 (2)整数十 -二进制转换 (略 ) w (3)小数十 -二进制转换 (略 )守般趾喧斑俏滨持伞瓣绳参搅鳖筹星溉娶叭罚蹋涅纂饵栽较嘱秽难沮过冶计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 14上海理工大学管理学院2.二进制运算法则w (1)加法法则 :“ 逢二进一 ”.w (2)减法法则 :“ 借 1当 2”, 即从高位借 1,当 2用 .w (3)乘法法则 :移位 (左 )+加法w 特点是乘数的每位只有二种可能 :0和 1.w 当乘数位 =1,被乘数本身w 当乘数位 =0, 为 0w 当乘数位 =1, 加被乘数w 当乘数位 =0, 加 0w (4)除法法则 :移位
13、(右 )+减法w 结论 :完成四则运算 ,只需具有 双向移位功能的加法器 .寻卉花拼旋糙矛眯阀杂目录跌梦弊湘读愁庞祟赚庶亦放榜涟擦室烃寐千斗计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 15上海理工大学管理学院3.八进制、十六进制和二 -十进制w (1)八进制 (octal)和十六进制 (hexadecimal)w 八进制 :0,1,2,3,4,5,6,7 逢八进一w 十六进制 :0,1,.,9,A,B,C,D,E,F 逢十六进一w 四种数制的对照表w 十进制 二进制 八进制 十六进制 十进制 二进制 八进制 十六进制w （ D） (B) (Q) (H) (D) (B)
14、 (Q) (H)w 0 0 0 0 8 1000 10 8w 1 1 1 1 9 1001 11 9w 2 10 2 2 10 1010 12 Aw 3 11 3 3 11 1011 13 Bw 4 100 4 4 12 1100 14 Cw 5 101 5 5 13 1101 15 Dw 6 110 6 6 14 1110 16 Ew 7 111 7 7 15 1111 17 F房庐边周咯拍晌了酮虏弟薯收凑笨滚稚弦甫韭噪淆霞佣皮晌赛吃瘦峦破铅计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1上海理工大学管理学院3.八进制 、 十六进制和二 -十进制w 分组及转换方法 :从小数点起
15、, 将二进制数向二侧分别以每 3位一组 (最高或最低位不足 3位 ,以 0补足 )或 4位一组 (最高或最低位不足 4位 ,以 0补足 ),每一组就是一个八进制或十六进制数 .w 例 :10110 1110.1111B=? Hw 00010110 1110.1111Bw (2)二 -十进制码 (BCD-Binary Coded Decmal)w 又称二进制编码的十进制 .用于二 -十进制转换 .w 定义 :用 4位二进制码表示一位十进制码 .最简单的是 8-4-2-1码 .也叫压缩 (或组合 )的 BCD码 .1 6 E . F补零衍赖琐惯瞳涣裔澳唆啊绥积礁幼囚行镐弹舆泡宣托绥他醛线镭京饺邮边
16、绸计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 17上海理工大学管理学院BCD码w 8,4,2,1为每位的权 (weight)w 【 例 1.10 】 3579D=?BCD码w 3 5 7 9 0011010101111001BCDw 0011 0101 0111 1001w BCD码的运算规则 :w 8-4-2-1的 BCD码只用 0-15中的前 10种状态 0-9,后 6种是非法码 .所以 ,当和超过 9时 ,要作 +6修正操作 .w 例 :4+9=13 0100 上述的 15和 9,实际是两者之差 6.w +1001w 二进制的 13 1101w +6修正 +01
17、10w 二进制的 13 10011w 1 3缄诞膨芒韭告半蛔砌中抄篡茎兴烯犬吁扶仍黎情讥扣秤到荧套伟艘舷堡构计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 18上海理工大学管理学院两种格式的 BCD码w 压缩 (组合 )与非压缩 (非组合 )的 BCD码w 压缩 (组合 )BCD码 :w 用 4位二进制码表示 1位十进制码 .w 例 89D 1000 1001BCD,只占 1个字节 .w 非压缩 (非组合 )BCD码 :w 用 8位二进制码表示 1位十进制码 .高 4位无意义 .w 例 89D 00001000 00001001BCD,占 2个字节 .特别地 : 数字 A
18、SCII码的高 4位是 0011，低 4位正好是一个 BCD码挺耀扰注贸跃薛规只酵感两担龚硒淘钮伎吸真今刃适桔护盆惕倍仍自鄂赫计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 19上海理工大学管理学院4.机器数w (1)机器数及真值 :w 符号数 , 用其最左边一位 MSB(Most Significant Bit)表示数的正负 .w MSB=0,表示正数 ,如 +1011,表示 01011w MSB=1,表示负数 ,如 -1011,表示 11011w 带符号位的数又叫 原码 ,即 :X原 =符号位 +|X|w 机器数 :即数在机器内的表示形式 ,是符号也被数值化的数 .w
19、 例 01011和 11011分别是 +1011和 -1011的机器数 .w 真值 :是数值数据代表的实际值 ,即用 表示符号 ,再加上数的绝对值 .即符号被编码了01011 真值 +101111011 真值 -1011寐祥亡筑截德峪舍速箱历验癌痰懊巧圈敖手优灿垃柔解曰诱从队摹无哥坐计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 20上海理工大学管理学院无符号数与符号数w (2)无符号数 :即没有符号的数 ,同字长的无符号数表示的最大值可比符号数大一倍 .w 无符号数 Nmax=1111=15w 符号数 Nmax =0111=7w (3)用 1位符号位 (0,1)表示正负
20、 ,给运算带来的问题w 正 ,正相加 :符号位 0+0=0,仍为正 ,不影响结果 .w 正 ,负相加 :0+1=1,不一定对 ,要看哪个绝对值大 ,和的符号位由大数定 .w 负 ,负相加 :1+1=10,和的符号与实际值不符 .w (4)结论 :用上述方法表示符号数 ,负数的符号位不能与数值部分一起参加运算 ,为解决机器内负数的符号位参与运算的问题 ,要引入补码与反码 .当字长为 4位时颁惋岳爆膛沈配毒巍间拢绩酝限隙房攀傣招现洪彦蛹办宜映梁狞肋帐琶较计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 21上海理工大学管理学院(1)反码w 反码 :X反 =X原 , X 0w X
21、反 =X符 . Xn Xn-1. X 1 X0 , X 0, X补 =m+x=x (mod m)w 当 X0, X补 =m+x=m-|x| (mod m)w 例 :X1=+110, X2=-110,n=4(含符号位 )w 解 : n=4,m=24=10000w X1补 =m+x=10000+110=0110w X2补 =m+x=10000-110=101062聚羔属昏串剩甚裁遗喳随满漳躯句碗月产扛厄笨圈卓判宣最伯佰陡位季颗计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 24上海理工大学管理学院(2)补码w 纯小数的补码 :w 在计算机中 ,纯小数常用补码表示 .即 :w
22、X原 , 0X1w 2+X, -1X0w 例 :X= -0.1000B, 求 X补w 解 : X补 = 2+X=2-0.1000=1.1000Bw 补码的简单求法w 正数 :X补 = X原w 负数 :X补 =XS. Xn-1. Xn-2. . X0+ 0.00.1, 即数值位逐位变反 ,未位加 1.w 性质 : X反 反 = X原 , X补 补 = X原X补 = (mod2)礼垂血鬃功月灯重楔镀宛烷旧檄皿奇盏森够抒琢伞皋描话露洱手蠢云捡德计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 25上海理工大学管理学院原码、补码性质的举例w X X原 X反 X补 X反 反 X补 补
23、+1101 01101 01101 01101 01101 01101-1101 11101 10010 10011 11101 11101w 从上例可见 ,不论对正数还是负数 ,反码和补码有相似性质w X反 反 = X原 w X补 补 = X原w X反 反 w X X原 X反 X补 X补 反 X补 补+1101 01101 01101 01101 01101 01101-1101 11101 10010 10011 11100 11101取反 加 1变反变反 加 1 变反 加 1焰暮赏膳另混壮荧锣等策杰针膏昏吝墙毗砚掐危鄙亲枕慰炽篙颈莉金狐脆计算机组成原理chapter1计算机组成原理cha
24、pter1Date 26上海理工大学管理学院w 补码运算要注意以下 三个问题 :w (1)符号位与数值位一起参加运算 .w (2)如有进位出现 ,舍去不要 .w (3)运算性质 :X补 +Y补 = X+Y补w 【 例 1.1.4 】 已知 X=-0.1101,Y=-0.0001,求 X+Yw 解 : :X补 = 1.0011w + Y补 = 1.1111w X+Y补 =11.0010 X+Y= -0.1110真值w 舍去不要w 结论 :采用反 、 补码可基本解决 负数 在机器内部数值位连 w 同符号位一起参加运算的问题。求补码的规则是符号位数值化数值位逐位变反 ,未位加 1竞铁沟巧愈区庶蹄掉芥
25、赎嗽沏颁亥禁孰疤味琢吝防沿呛雏芹兢街瓢恳蛤娥计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 27上海理工大学管理学院溢出概念和检测方法各种数据编码都有其数据表示范围，如果在运算过程中出现的数据超出这个表示的范围，称为溢出。两个符号位相同的补码相加，如果和的符号位与加数的符号相反，则表明运算结果溢出。两个符号位相反的补码相减，如果差的符号位与被减数的符号位相反，则表明运算结果溢出。的迷粟锋墩薛戏抵饼妙蒋谴通肉并仟瞅该昨乓柞噬敲钻人险颂除虾汹巴谁计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 28上海理工大学管理学院溢出概念和检测方法例 1： x= -0
26、.1101， y= -0.1011 求 x+y补解： x补 =1.0011 y补 =1.0101x+y补 =x补 +y补=1.0011+1.0101=10.1000x+y补 = 0.1000 即两个负数相加，结果是正数，所以溢出宙著拌谦龙涯卯让酬迟工累戏其厨判阂吗捆旭余寸肉棉适牡卡峪嚼店否靶计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 29上海理工大学管理学院(3)移码w 移码 :是在补码的最高位加 1,又叫增码 ,一般用于整数 .w 定义 :在补码最高位加 1, 即 X移 =2n+X, - 2n X 2nw 例 1.1.6 真值 补码 移码w +3 0011 1011w 0 0000 1000 补码与移码的 符号位相反w -3 1101 0101 数值位相同【例 1.1.7 】 几个典型数的原、反、补码的表示 (字长为 8位 )w 结论 :1.原码的表示范围为 +127 -127,补码为 +127 -128,两者差 1. 因负数的补码是在反码上加 1的原因 .w 2.原 , 反码有 +0和 -0之分 ,使用不便 .w 3.只有移码可直接比较大小 .真值大的，其移码也大，反之亦然。哨后止睁育肌嚷厅存山裸芹辽淤淹抵每潭间活斑团屠值氯牢跪亏拜劣苛踩计算机组成原理chapter1计算机组成原理chapter1Date 30
