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

第一部分：概述

一．透视计算机：计算机组成与结构总结1. 计算机系统的层次结构2. 计算机的组成部件简介3. 计算机的内部连接

二．理解计算机：计算机的基本工作过程1. 指令的含义2. 程序的执行3. 计算机最基本的操作与控制：微操作

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。

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）机器语言

汇编语言

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）

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

将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，然后在 M1 上运行

1.2 计算机系统层次结构 三级层次结构的计算机系统

实际机器 M1

（机器语言程序）

虚拟机器 M3

（高级语言程序）

虚拟机器 M2

（汇编语言程序）

第一级

第二级

第三级

机器语言程序直接在 M1 上运行

1.2 计算机系统层次结构 四级层次结构的计算机系统

实际机器 M1

（机器语言程序）

虚拟机器 M3

（高级语言程序）

虚拟机器 M2

（汇编语言程序）

第一级

第二级

第三级

微程序机器 M0

（微指令系统）第零级

机器语言程序直接在 M1 上运行

将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，然后在 M1 上运行

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

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）

Mainmemory

LAN IDESCSI

Pentium CPU

32/64 CPULocal Bus

Local B

us to

PC

I Bus b

ridg

e

PCI Bus

Adapter

PC

I to IS

A

brid

ge

PC

I Slo

ts

ISA Bus ISA

Slo

ts

ISAadapter

Cache

1.4 计算机结构

Sun SPARCstation20（ RISC ）多总线结构

Floating-point Unit

Integer Unit

InstCache

RefMMU

DataCache

StoreBuffer

Bus Interface

SuperSPARC

L2 Cache

MBus Module

MBus

L64852 MBus controlM-S Adapter

SBus

DRAM Controller

SBusDMA

SCSIEthernet

STDIO

serialkbdmouseaudioRTC

FloppySBusCards

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）

2.1 计算机的工作过程

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。

操作码 操作数地址

11010101 10000100 01010001 10100000

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。

地址

结果 y 将存放在此值 a

值 b

值 c

值 x

内存00H

02H

04H

06H

08H

0AH

0CH

0EH

10H

12H

14H

16H

18H

假定指令系统： 16 位指令系统

Opcode Address8 8

操作码 说明00H AC (AC)＋Mem(Add)

01H AC Mem(Add)

02H AC (AC) — Mem(Add)

指令ADD

LD

SUB

03H AC (AC)×Mem(Add)MUL

04H Mem(Add) (AC)ST

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。

地址

结果 y 将存放在此值 a

值 b

值 c

值 x

内存00H

02H

04H

06H

08H

0AH

0CH

0EH

10H

12H

14H

16H

18H

操作码 说明00H AC (AC)＋Mem(Add)

01H AC Mem(Add)

02H AC (AC) — Mem(Add)

指令ADD

LD

SUB

03H AC (AC)×Mem(Add)MUL

04H Mem(Add) (AC)ST

程序如下代码

0112H AC a

0318H AC ax

0014H AC ax + b

指令LD a

MUL x

ADD b

0318H AC ax2+bxMUL x

0216H AC ax2 + bx - cSUB c

0410H Mem (AC)ST y

Example

地址

0112H

0318H

0014H

0318H

0216H

0410H

结果 y

值 a

值 b

值 c

值 x

内存

00H

02H

04H

06H

08H

0AH

0CH

0EH

10H

12H

14H

16H

18H

程序如下代码

0112H AC a

0318H AC ax

0014H AC ax + b

指令LD a

MUL x

ADD b

0318H AC ax2+bxMUL x

0216H AC ax2 + bx - cSUB c

0410H Mem (AC)ST y

00H开始 PC02HPC04HPC06HPC08HPC0AHPC

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

B

A

AND

Q

Q

D

D

Q

Q

A B

微操作 AB

ALU

AND

BQD

Q

ACQD

Q

AC + B AC

ADD Ctrl

微操作 AC + B AC

补 2 ：机器结构简化图

ALU

A B

GR

AC

微操作信号发生器

I D

I R

PC MBR

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I R ： 指令寄存器I D ： 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

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。