计算机组成原理(5)
计算机组成原理教案(第五章)
(1) I1: ADD R1，R2，R3 ； I2: SUB R4，R1，R5 ；
3.联合控制方式
此为同步控制和异步控制相结合的方式。 情况（1） 大部分操作序列安排在固定的机器周 期中，对某些 时间难以确定的操作则以执行部件的“回答”信号作为本次操 作的结束； 情况（2） 机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的 机器周期数不固定。
5.4 微程序控制器
5.4.1 微命令和微操作
控 制 字 段 判别测试字段
下地址字段
按照控制字段的编码方法不同，水平型微指令又分为三种：
I. 全水平型(不译法)微指令 II. 字段译码法水平型微指令 III. 直接和译码相混合的水平型微指令。
2.垂直型微指令
微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由 微操作码规定微指令的功能 ，称为垂直型微指令。
下面举4条垂直型微指令的微指令格式加以说明。设微指 令字长为16位，微操作码3位。
(1)寄存器-寄存器传送型微指令 (2)运算控制型微指令
(3)访问主存微指令 (4)
3.水平型微指令与垂直型微指令的比较
(1)水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微 指令则较差。
(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间 长。
5.8.3 流水线中的主要问题
流水过程中通常会出现以下三种相关冲突，使流水线断流。
1. 资源相关
资源相关是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周 期内争用同一个功能部件所发生的冲突。
2. 数据相关
在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能 执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。
5.8 流水CPU
5.8.1 并行处理技术
计算机组成原理-第五章测试
标记题目信息文本一、选择题题目1正确获得20.00分中的20.00分标记题目题干控制器的功能是（）选择一项：a. 执行语言翻译b. 向计算机各部件提供控制信号恭喜您回答正确！c. 支持汇编程序d. 完成数据运算反馈Your answer is correct.正确答案是：向计算机各部件提供控制信号题目2正确获得20.00分中的20.00分标记题目题干硬连线控制器是由以下部件组成（）选择一项：a. 程计数器PC、指令寄存器IR、控制信号产生部件，步骤标记b. 程序计数器PC、指令寄存器IR、控制信号产生部件，节拍发生器恭喜您回答正确！c. 指令寄存器IR、控制信号产生部件，节拍发生器d. 程序计数器PC、指令寄存器IR、控制信号产生部件反馈Your answer is correct.正确答案是：程序计数器PC、指令寄存器IR、控制信号产生部件，节拍发生器题目3正确获得20.00分中的20.00分标记题目题干微程序控制器中，机器指令与微指令的关系是（）选择一项：a. 每一条机器指令由一条微指令来执行b. 一段机器指令组成的程序可由一条微指令来执行c. 一条微指令由若干条机器指令组成d. 每一条机器指令由一段用微指令编成的微程序来解释执行恭喜您回答正确！反馈Your answer is correct.正确答案是：每一条机器指令由一段用微指令编成的微程序来解释执行题目4正确获得20.00分中的20.00分标记题目题干微指令执行的顺序控制问题，实际上是如何确定下一条微指令的地址问题。
通常采用的一种方法是断定方式，其基本思想是（）。
选择一项：a. 用程序计数器PC来产生后继微指令地址b. 用微程序计数器uPC来产生后继微指令地址c. 通过微指令顺序控制字段由设计者指定或者由设计者指定的判别字段控制产生后继微指令地址恭喜您回答正确！d. 通过指令中指定一个专门字段来控制产生后继微指令地址反馈Your answer is correct.正确答案是：通过微指令顺序控制字段由设计者指定或者由设计者指定的判别字段控制产生后继微指令地址题目5正确获得20.00分中的20.00分标记题目题干利用时间重叠途径实现并行处理的是（）选择一项：a. 并行处理机b. 流水线处理机恭喜您回答正确！c. 相联处理机d. 多处理机反馈Your answer is correct.正确答案是：流水线处理机。
计算机组成原理 (5)
计算机组成原理姓名：［填空题］*1.指令系统中采用不同寻址方式的目的主要是（）。
［单选题］A.实现存储程序和程序控制B.缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性（正确答案）C.可以直接访问外存D.提供扩展操作码的可能并降低指令译码难度2、立即寻址是指（）o ［单选题I*A.指令中直接给出操作数地址B.指令中直接给出操作数（正确答案）C.指令中间接给出操作数D.指令中间接给出操作数地址3、直接寻址是指（）o ［单选题］*A.指令中直接给出操作数地址（正确答案）B.指令中直接给出操作数C.指令中间接给出操作数D.指令中间接给出操作数地址4、间接寻址是指（）o ［单选题］*A.指令中直接给出操作数地址B.指令中直接给出操作数C.指令中间接给出操作数D.指令中间接给出操作数地址 15、变址寻址方式中，操作数的有效地址等于（）o ［单选题］*A.基址寄存器内容加上形式地址（位移量）B.堆栈指示器内容加上形式地址C.变址寄存器内容加上形式地址（正确答案）D.程序计数器内容加上形式地址6、基址寻址方式中，操作数的有效地址等于（）o ［单选题］*A.基址寄存器内容加上形式地址（偏移量）（正确答案）B.堆栈指示器内容加上形式地址C.变址寄存器内容加上形式地址D.程序计数器内容加上形式地址7、定点数补码加法具有两个特点：一是符号位（）；二是相加后最高位上的进位要舍去。
［单选题］*A.与数值位分别进行运算B.与数值位一起参与运算1正确答案）C.要舍去D.表示溢出8、长度相同但格式不同的2种浮点数，假设前者阶码长、尾数短，后者阶码短、尾数长，其他规定均相同，则它们可表示的数的范围和精度为（）o ［单选题］*A.两者可表示的数的范围和精度相同B.前者可表示的数的范围大但精度低（正确答案）C.后者可表示的数的范围大且精度高D.前者可表示的数的范围大且精度高9、在定点二进制运算器中，减法运算一般通过（）来实现。
［单选题］*A.原码运算的二进制减法器B.补码运算的二进制减法器C.补码运算的十进制加法器D.补码运算的二进制加法器（正确答案）10、在机器数（）中，零的表示形式是唯一的。
《计算机组成原理》5-指令系统
◆ CPU中设置程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计 数。PC开始时存 放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加”1”，指出下条指令的地址， 直到程序结束。
跳跃寻址 Leabharlann 转移指令指出AA22AA33
…
…
…
…
1111 1110 A2 A3
12 位操作码
1111 1111 0000 1111 1111 0001
AA33
…
…
…
…
1111 1111 1110 A3
16 位操作码
…
…
1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001 1111 1111 1111 1111
24
双字
28
双字（地址32）▲
32
双字
36
边界未对准
地址（十进制）
字( 地址2)
半字( 地址0)
0
字节( 地址7) 字节( 地址6)
字( 地址4)
4
半字( 地址10)
半字( 地址8)
8
5.2.2 数据类型
2、数据在计算机中存放方式
存储字长内部字节的次序
例： 12345678H如何存储？ 12 34 56 78H
5.3.1指令寻址
指令寻址----计算指令有效地址的方法
指令地址
指令
指令地址寻址方式
PC +1
0 LDA
11 ADD 22 DEC 33 JMP
4 LDA
5 SUB 6 INC
77 STA 88 LDA
计算机组成原理第5章 中央处理器
19
第二节 一、指令执行分析 任何一条指令的执行都要经过读取指令、分析 指令和执行指令三个阶段。指令执行过程一般可分 为：1）取指令 2 3 4 5
20
图5.5
流水处理
21
二、 计算机的功能是执行程序。执行程序时，计算 机操作由一系列指令周期组成，每个周期执行一条 机器指令，而每个指令周期又由若干个机器周期组 成，一种通常的办法是分解成取指、取操作数、执 行和中断，只有取指和执行周期总是必有的。 1 2 图
10
二、时序控制方式 计算机的基本任务是执行指令。执行一条指令 的过程是分为若干步来实现的，每一步对应某些微 操作。由于不同指令所对应的微操作及繁简程度大 不相同，因而每条指令和每个微操作所需的执行时 间也不相同，这就需要引入时序信号来对这些微操 作进行定时控制。时序控制方式，就是指微操作与 时序信号之间采取何种关系。按照同步或非同步的 关系，可将时序控制方式分为同步控制和异步控制
13
计算机从取指令到执行完指令所需要的时间称 为指令周期。不同的指令，其功能不同，其指令周 期长短也就可以不同。在系统中，通常不为指令周 期设置时间标志信号，因而也不将其作为时序的一 级。时序信号通常划分为三级，即机器周期、节拍
14
图5.2
时序系统结构框图
15
3) 异步控制方式中没有统一的时钟信号，各部件 按自身固有的速度工作，通过应答方式进行联络， 常见的应答信号有准备好（READY）或等待（ WAIT
16
图5.3 多级时序
17
图5.4
异步应答流程
18
在CPU中，控制器的任务是决定在什么时间、 根据什么条件、发什么命令、做什么操作。因此， 产生微命令的基本依据是时间、指令代码、状态、 外部请求等。这些信息或作为逻辑变量，经组合逻 辑电路产生微命令序列；或形成相应的微程序地址， 通过执行微指令直接产生微命令序列。按照微命令 的产生方式，可将控制器分为组合逻辑控制器和微
计算机组成原理第五版课后答案
计算机组成原理第五版课后答案1. 比较数字计算机和模拟计算机的特点。
答: （1）模拟计算机的特点: 数值由连续量来表示, 运算过程也是连续的。
同时用电压表示数据, 采用电压组合和测量值的方式来进行计算, 以及盘上连线的控制方式。
数字计算机的主要特点：按位运算, 并且不连续地跳动计算。
用数字 0 和 1 表示数据, 采用数字计数的计算方式, 程序控制的控制方式。
数字计算机与模拟计算机相比, 精度高, 数据存储量大, 逻辑判断能力强。
2. 数字计算机如何分类？分类的依据是什么？答: 数字计算机可分为专用计算机和通用计算机, 是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。
3. 数字计算机有哪些主要应用？答: 数字计算机的主要应用有: 科学计算、自动控制、测量和测试、信息处理、教育和卫生、家用电器、人工智能。
4. 冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些主要组成部分？答: 冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是: 采用存储程序的方式, 编制好的程序和数据存放在同一存储器中, 计算机可以在无人干预的情况下自动完成逐条取出指令和执行指令的任务；在机器内部, 指令和数据均以二进制码表示,指令在存储器中按执行顺序存放。
主要组成部分有: 运算器、逻辑器、存储器、输入设备和输出设备。
5. 什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据字？什么是指令字？答: （1）存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。
（2）每个存储单元都有编号, 称为单元地址。
（3）如果某字代表要处理的数据, 称为数据字。
（4）如果某字为一条指令, 称为指令字。
6. 什么是指令？什么是程序？答: 计算机硬件可直接执行的每一个基本的算术运算或逻辑运算操作称为一条指令, 而解算某一问题的一串指令序列, 称为程序。
7. 指令和数据均存放在内存中, 计算机如何区分它们是指令还是数据？答：取指周期中从内存读出的信息流是指令流, 它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流, 它流向运算器。
白中英《计算机组成原理》(第5版)笔记和课后习题详解
读书笔记模板
01 思维导图
03 目录分析 05 读书笔记
目录
02 内容摘要 04 作者介绍 06 精彩摘录
思维导图
关键字分析思维导图
原理
课程
第版
笔记
重难点
教学实验
设计
原理
教材
计算机 习题
运算器
笔记
笔记
概论
复习
运算
系统
第章
内容摘要
白中英所著的《计算机组成原理》（第5版，科学出版社）是我国高校采用较多的计算机专业优秀教材，也被 众多高校指定为计算机专业考研参考书目。作为该教材的辅导书，本书具有以下几个方面的特点：1．整理名校笔 记，浓缩内容精华。在参考了国内外名校名师讲授白中英《计算机组成原理》的课堂笔记基础上，本书每章的复 习笔记部分对该章的重难点进行了整理，同时对重要知识点进行点拨，因此，本书的内容几乎浓缩了配套教材的 知识精华。2．解析课后习题，提供详尽答案。本书参考大量计算机组成原理相关资料对该教材的重难点课（章） 后习题进行了详细的分析和解答，并对相关重要知识点进行了延伸和归纳。
9.2课后习题 详解
作者介绍
读书笔记
这是《白中英《计算机组成原理》（第5版）笔记和课后习题详解》的读书笔记模板，可以替换为自己的心得。
精彩摘录
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目录分析
1.1复习笔记
1.2课后习题 详解
2.1复习笔记
2.2课后习题 详解
3.1复习笔记
3.2课后习题 详解
4.1复习笔记
纪禄平 - 计算机组成原理(第5版) - 1.3 概论-计算机系统的组织
硬件——是指构成计算机系统的实体和装
置之类的有形设备，是组成计算机系统的物 质基础。
软件——是指由硬件所表达的各种内在信
息，包括数据与控制程序。因为它们是无形 的东西，所以称为软件或软设备。
1/20
1.3.1 计算机的硬件系统组成
1、硬件系统的基本组成模型
系统总线
CPU
M 接口
能为多个部件分时共享的一组信息传送通路。
根据传送的信息不同，可分三类：
① 传送各种数据信息的数据总线(Data Bus); ② 传送各种地址信息的地址总线(Address Bus); ③ 传送各种控制信号的控制总线(Control Bus);
9/20
5. 接口
外设的种类、数量了变，为了将总线与各类外设 连接，须在两者之间设置一些部件，具有缓冲、 转换、连接等功能，这些部件就是接口。
13机柜 （576路由器）
计算节点
计算节点
计算
计算节点 计算节点
集群
（天河-2号，国防科技大学）
13/20
※天河-2号的计算节点剖析
单块主板2节点：
Phi 31S1P (61核)
GDDR5, 8GB
PCI-E
APU(5协处理器)
DDR3, 32GB DDR3, 32GB
E5-2692 (1E25核-2)692
DDR3 PCI-E
QPI
E5-2620
E5-2620
DDR3 PCI-E
DMI
上行SAS磁盘PCI-E
USB总线 SATA
SM总线 Super I/O
安全控制芯片 …
芯片组 (C600)
WIFI LAN PCI-E 传统音频
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《计算机组成原理》的先修课程为信息论导论、数字 逻辑设计；后继课程为微机系统与接口、单片机应用技术 等系列课程。
谭乐婷
2010年9月
整理课件
2
组成原理的地位和对象
• 1.地位： • 核心课程（与系统结构、操作系统构成3
门专业核心课程） • 2.对象： • 计算机专业（科学与技术、软件工程、
网络工程） • 高年级课程
整理课件
20
二、微型计算机的出现和发展
1.1
微处理器芯片 1971年 存储器芯片
4位（intel4004）
8位 16位 32位 64位
256位 1K位 4K位 16K位 64K位
256K位
1M位 4M位
16M位
整理课件
64M位
1970年
21
Moore 定律
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7
第１章 概论
1.1 计算机的发展历史 1.2 计算机系统的硬件组成
1.3 计算机的软件系统
1.4 计算机系统的组织结构
1.5 计算机的特点和性能指标
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8
约翰·冯·诺依曼
John Von Neuman （1903－1957） 美藉匈牙利人
开创了现代计算机理论，于1945年提出 了“程序内存式”计算机的设计思想。这一 卓越的思想为电子计算机的逻辑结构设计奠 定了基础，已成为计算机设计的基本原则。
16
最快的五台超级计算机（截止到 2007.11） 1.1
3.SGI: SGI Altix ICE 8200
14 336个 CPU 最大平均速度 126 900 GFLOPS
整理课件
17
最快的五台超级计算机（截止到 2007.11） 1.1
4. HP : EKA - Cluster Platform 3000 BL460c
三
1965－1971
中小规模 集成电路
1 000 000
四
1972－1977
大规模 集成电路
10 000 000
五
1978－现在
超大规模 集成电路 100 000 000
整理课件
13
电子管
晶体管
整理课件
集成电路
14
最快的五台超级计算机（截止到 2007.11） 1.1
1. IBM: BlueGene/L - eServer Blue Gene
阿兰·麦席森·图灵
Alan Mathison Turing
（1912.6.23—1954.6.7）
英国数学家、逻辑学家
被视为计算机之父
整理课件
10
1.1 计算机的发展史
Hale Waihona Puke 一、计算机的产生和发展1946年 美国 ENIAC 1955年退役
十进制运算
18 000
多个电子管
1 500
多个继电器
150
千瓦
30
计算机组成原理
张功萱
主讲：谭乐婷
清华大学出版社
整理课件
1
《计算机组成原理》是计算机类学科本科教学中的一门 重要专业基础课。在专业教学计划中占有重要地位和作用。 它主要阐述构成一台计算机的基本原理，包括计算机的结 构组成、各个功能部件的作用、工作原理及设计方法。学 习本课程旨在建立计算机系统的整体概念，对培养设计开 发计算机系统的能力有重要作用。该课程为今后学习计算 机体系结构、计算机网络、计算机容错技术、计算机并行 处理、计算机分布式处理技术等课程打好基础。
1946年，冯·诺依曼开始研究程序编制 问题，他是现代数值分析——计算数学的缔 造者之一，他首先研究线性代数和算术的数 值计算，
冯·诺依曼逝世后，未完成的手稿于 1958年以《计算机与人脑》为名出版．他的 主要著作收集在六卷《冯·诺依曼全集》中， 1961年出版．
整理课件
9
在他短暂的生涯中，图灵在量子力学、数 理逻辑、生物学、化学方面都有深入的研究， 在晚年还开创了一门新学科—— 非线性力学。
8位 16位 16位 32位 32位 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位
1974年 1979年 1982年 1985年 1989年 1993年 1995年 1997年 1999年 2000年
吨
1 500
平方英尺
5 000
次加法／秒
用手工搬动开关和拔插电缆来编程
整理课件
11
1.1
世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)
整理课件
12
硬件技术对计算机更新换代的影响 1.1
代
时间
硬件技术 速度 /（次/秒）
一 1946－1957 电子管
40 000
二
1958－1964
晶体管
200 000
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3
知识结构
计算机
概论
整理课件
4
知识结构
计算机
存储器 I/O
系统总线
计算机系统的硬件结构
运算器 控制器
整理课件
5
知识结构
计算机
存储器 I/O
系统总线 运算器 控制器
ALU
运算器
内部互连
寄存器
整理课件
CPU
6
组成原理的主要内容
• 1.计算机信息表示（数据、指令） • 2.运算器的算法 • 3.存储器的结构及设计 • 4.控制器的原理及设计 • 5.I/O设备原理 • 6.总线的原理与设计
Solution
212 992 个 CPU 最大平均速度 478 200 GFLOPS
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15
最快的五台超级计算机（截止到 2007.11） 1.1
2.IBM: JUGENE - Blue Gene/P Solution
65 536个 CPU 最大平均速度 167 300 GFLOPS
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24岁提出图灵机理论，31岁参与 COLOSSUS的研制，33岁设想仿真系统，35 岁提出自动程序设计概念，38岁设计“图灵测 验”。这一朵朵灵感浪花无不闪耀着他在计算 机发展史上的预见性。
“图灵机”与“冯·诺伊曼机”齐名，被 永远载入计算机的发展史中。
为表彰他的贡献，专门设有一个一年一度 的“图灵奖”，颁发给最优秀的电脑科学家。
Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出
微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番
1.1
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22
Intel 公司的典型微处理器产品
8080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium Ⅳ
14 240个 CPU 最大平均速度 117 900 GFLOPS
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18
最快的五台超级计算机（截止到 2007.11） 1.1
5. HP : Cluster Platform 3000 BL460c
13 728个 CPU 最大平均速度 102 800 GFLOPS
整理课件
19
1.1
最权威的超级计算机排名的参考网址