计算机组成原理--计算机系统概述 ppt课件
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图1-4 D触发器：(a)无清0输入端 (b)有清0输入端
用RTL代码描述此触发器的一种尝试为：
LD： Q←D
CLR： Q←0
然而当D、LD和CLR都等于1时，系统会失败。 解决的方法是改变条件使得两者互斥。下述两 种方法均有效，前者让CLR输入端优先，而后 者让LD优先。
CLR’LD：Q←D
LD：Q←D
000→001→010→011→100→101→000→…(0→1→2→3→4→5→0…)
其输入端U控制计数。当U＝1时，计数器在时钟的上 升沿增加它的值。当U＝0时，不管时钟的值如何，它 都保持当前值不变。
计数器的值用3位输出V2V1V0表示。当值从5变到0时， 进位输出C的值为1，否则为0。在该例子中，C值保持 1不变，直到计数器从0变到1为止。
• 汇编语言比机器语言易于读写、调试和修改， 同时具有机器语言的全部优点，即目标代码简 短，占用内存少，执行速度快，能有效地访问 和控制计算机的各种硬件设备。但在编写复杂 程序时，相对高级语言来说代码量较大，开发 效率较低。
1.2寄存器传输语言
1.2.1微操作和寄存器传输语言
• 寄存器传送语言RTL（Register Transfer Language）是初级硬件描述语言，适用于描述 寄存器级的硬件组成，能精确而简练地描述计 算机的各种基本操作。
• 寄存器Y可同时被多个寄存器读取，两个微操 作可同时执行。一种实现方法如图1-3所示。
图1-3 实现数据传送α：X←Y，Z←Y
• 另一方面，数字系统不能同时往同一寄存器中 写入两个不同的值。例如，α：X←Y，X←Z是 无效的。
• 有时需要访问一个寄存器的单一位或位组。单 一位可以用带有下标的字母表示，如X3 或Y2 。 位组在RTL中可以用一个域表示；它们包含在 圆括号中。如X3、X2和X1可以写成X(3-1)或 X(3:1)。下述表示是有效的。
CLR：Q←0
LD’CLR：Q←0
• 第二个例子，考虑一个没有CLR输入端的JK触 发器。它的行为可用RTL描述如下：
J’K：Q←0
JK’：Q←1
JK ：Q←Q’
当J＝K＝0时，不满足条件，触发器保持它原 有的值，此时不需要RTL语句，因为没有传送。
2. 数字系统表示
下面将使用RTL来设计一个模6计数器。首先，用RTL表 示计数器的功能，之后用数字逻辑实现RTL的代码。模 6计数器是一个3位的计数器，它按序计数：
计算机组成原理
学时：80学时
第1章 计算机系统概述
• 计算机是一种能自动、快速、准确地实现信息存储、 数值计算、数据处理和过程控制等多种功能的电子机 器，是一个复杂的系统。
• 本书采用自顶向下、由表及里的方法来描述计算机系 统。从系统的主要部件开始，描述它的结构和功能， 然后逐级深入推进到层次结构的底层。
• 本章首先简单介绍程序员与计算机的接口界面：计算 机的语言；然后介绍如何使用RTL语言来描述数字系统； 接着介绍计算机的发展演变和性能指标；最后重点讨 论计算机的基本组成和工作原理，以期提供一个计算 机系统的整个概貌。
1.1计算机的语言
计算机程序设计语言分为三类： 高级语言、汇编语言和机器语言。
• 微操作（micro-operation）是计算机中最基本 的操作，这些操作可以简单到从一个寄存器拷 贝数据到另一个寄存器中，或者更复杂，例如， 把两个寄存器中的数据相加存储到第三个寄存 器中。
• 用RTL描述微操作有三种语句形式：
条件：微操作
条件：IF（另一个控制条件）THEN（微操作） IF（整个控制条件）THEN（微操作）
• 例如，有两个1位寄存器X和Y的一个数字系统， 在输入控制α为高时，拷贝寄存器Y的内容到寄 存器X中的微操作可以表示为： α：X←Y
• 此微操作可经由直接连接实现，如图1-1（a）所 示；或通过总线连接实现，如图1-1(b)所示。
图1-1 具有控制信号的数据传送α：X←Y的实现: (a)用直接通路 (b)用总线
α ：X(3-1)←Y(2-0)
β ：X3←X2 γ ：X(3-0)←X(2-0),X3
1.2.2 用RTL表示数字系统
1. 数字元件表示 • 第一个例子，考虑如图1-4（a）所示的D触发器。其功
能可用RTL语句表示为： LD：Q←D
当LD的输入为高时，便装载D输入端的值，并且输出端 Q可得到此值。 图1-4（b）表示的D触发器有一同步清0输入端。当CLR ＝1时，触发器应被置为0。
• 机器语言是微处理器能直接识别并执行的唯一 一种语言，其表现形式是二进制编码。
• 机器语言是最低级的程序设计语言，具有平台 特定性，每一种微处理器都有自己的机器语言。
• 用机器语言编写的程序不易阅读、出错率高、 难以维护，也不能直观地反映使用计算机解决 问题的基本思路，因此现在几乎不被程序员采 用。然而，由高级语言和汇编语言编写的程序 可以转换成机器语言，然后再由微处理器执行。
1.1.3 汇编语言
• 汇编语言是面向机器的程序设计语言，与平台 相关，它能利用计算机所有硬件特性并能直接 控制硬件。它实际上是机器语言的符号化，亦 称为符号语言。
• 计算机不能直接识别使用汇编语言编写的程序， 需要将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译 作用的程序叫汇编程序，它比高级语言的编译 器要简单很多。
1源自文库1.1 高级语言
• 高级语言是一种近似自然语言并能被计算机接 受的语言，指那些具有最高级抽象的语言。这 些语言隐藏了计算机和操作系统的细节，被称 之为平台无关。C++、Java和Fortran等都是高 级语言。
• 使用高级语言描述任务最简单、直观、高效且 容易理解，但需要有编译器的支持。
1.1.2 机器语言
• 提高系统性能的一种方法是同时执行两个或多 个微操作。例如，如果某系统在α=1时执行 X←Y和Y←Z的传送，则这种情况可以表示成：
α：X←Y，Y←Z 或者 α：Y←Z，X←Y
• 图1-2给出了实现上述微操作的硬件，注意这 里不能使用单一的总线来实现。
图1-2 数据传送α：X←Y,Y←Z的实现
• 数字系统中有可能需同时拷贝相同的数据到多 个目的地。例如，α＝1时发生下述情况： α： X←Y，Z←Y
用RTL代码描述此触发器的一种尝试为：
LD： Q←D
CLR： Q←0
然而当D、LD和CLR都等于1时，系统会失败。 解决的方法是改变条件使得两者互斥。下述两 种方法均有效，前者让CLR输入端优先，而后 者让LD优先。
CLR’LD：Q←D
LD：Q←D
000→001→010→011→100→101→000→…(0→1→2→3→4→5→0…)
其输入端U控制计数。当U＝1时，计数器在时钟的上 升沿增加它的值。当U＝0时，不管时钟的值如何，它 都保持当前值不变。
计数器的值用3位输出V2V1V0表示。当值从5变到0时， 进位输出C的值为1，否则为0。在该例子中，C值保持 1不变，直到计数器从0变到1为止。
• 汇编语言比机器语言易于读写、调试和修改， 同时具有机器语言的全部优点，即目标代码简 短，占用内存少，执行速度快，能有效地访问 和控制计算机的各种硬件设备。但在编写复杂 程序时，相对高级语言来说代码量较大，开发 效率较低。
1.2寄存器传输语言
1.2.1微操作和寄存器传输语言
• 寄存器传送语言RTL（Register Transfer Language）是初级硬件描述语言，适用于描述 寄存器级的硬件组成，能精确而简练地描述计 算机的各种基本操作。
• 寄存器Y可同时被多个寄存器读取，两个微操 作可同时执行。一种实现方法如图1-3所示。
图1-3 实现数据传送α：X←Y，Z←Y
• 另一方面，数字系统不能同时往同一寄存器中 写入两个不同的值。例如，α：X←Y，X←Z是 无效的。
• 有时需要访问一个寄存器的单一位或位组。单 一位可以用带有下标的字母表示，如X3 或Y2 。 位组在RTL中可以用一个域表示；它们包含在 圆括号中。如X3、X2和X1可以写成X(3-1)或 X(3:1)。下述表示是有效的。
CLR：Q←0
LD’CLR：Q←0
• 第二个例子，考虑一个没有CLR输入端的JK触 发器。它的行为可用RTL描述如下：
J’K：Q←0
JK’：Q←1
JK ：Q←Q’
当J＝K＝0时，不满足条件，触发器保持它原 有的值，此时不需要RTL语句，因为没有传送。
2. 数字系统表示
下面将使用RTL来设计一个模6计数器。首先，用RTL表 示计数器的功能，之后用数字逻辑实现RTL的代码。模 6计数器是一个3位的计数器，它按序计数：
计算机组成原理
学时：80学时
第1章 计算机系统概述
• 计算机是一种能自动、快速、准确地实现信息存储、 数值计算、数据处理和过程控制等多种功能的电子机 器，是一个复杂的系统。
• 本书采用自顶向下、由表及里的方法来描述计算机系 统。从系统的主要部件开始，描述它的结构和功能， 然后逐级深入推进到层次结构的底层。
• 本章首先简单介绍程序员与计算机的接口界面：计算 机的语言；然后介绍如何使用RTL语言来描述数字系统； 接着介绍计算机的发展演变和性能指标；最后重点讨 论计算机的基本组成和工作原理，以期提供一个计算 机系统的整个概貌。
1.1计算机的语言
计算机程序设计语言分为三类： 高级语言、汇编语言和机器语言。
• 微操作（micro-operation）是计算机中最基本 的操作，这些操作可以简单到从一个寄存器拷 贝数据到另一个寄存器中，或者更复杂，例如， 把两个寄存器中的数据相加存储到第三个寄存 器中。
• 用RTL描述微操作有三种语句形式：
条件：微操作
条件：IF（另一个控制条件）THEN（微操作） IF（整个控制条件）THEN（微操作）
• 例如，有两个1位寄存器X和Y的一个数字系统， 在输入控制α为高时，拷贝寄存器Y的内容到寄 存器X中的微操作可以表示为： α：X←Y
• 此微操作可经由直接连接实现，如图1-1（a）所 示；或通过总线连接实现，如图1-1(b)所示。
图1-1 具有控制信号的数据传送α：X←Y的实现: (a)用直接通路 (b)用总线
α ：X(3-1)←Y(2-0)
β ：X3←X2 γ ：X(3-0)←X(2-0),X3
1.2.2 用RTL表示数字系统
1. 数字元件表示 • 第一个例子，考虑如图1-4（a）所示的D触发器。其功
能可用RTL语句表示为： LD：Q←D
当LD的输入为高时，便装载D输入端的值，并且输出端 Q可得到此值。 图1-4（b）表示的D触发器有一同步清0输入端。当CLR ＝1时，触发器应被置为0。
• 机器语言是微处理器能直接识别并执行的唯一 一种语言，其表现形式是二进制编码。
• 机器语言是最低级的程序设计语言，具有平台 特定性，每一种微处理器都有自己的机器语言。
• 用机器语言编写的程序不易阅读、出错率高、 难以维护，也不能直观地反映使用计算机解决 问题的基本思路，因此现在几乎不被程序员采 用。然而，由高级语言和汇编语言编写的程序 可以转换成机器语言，然后再由微处理器执行。
1.1.3 汇编语言
• 汇编语言是面向机器的程序设计语言，与平台 相关，它能利用计算机所有硬件特性并能直接 控制硬件。它实际上是机器语言的符号化，亦 称为符号语言。
• 计算机不能直接识别使用汇编语言编写的程序， 需要将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译 作用的程序叫汇编程序，它比高级语言的编译 器要简单很多。
1源自文库1.1 高级语言
• 高级语言是一种近似自然语言并能被计算机接 受的语言，指那些具有最高级抽象的语言。这 些语言隐藏了计算机和操作系统的细节，被称 之为平台无关。C++、Java和Fortran等都是高 级语言。
• 使用高级语言描述任务最简单、直观、高效且 容易理解，但需要有编译器的支持。
1.1.2 机器语言
• 提高系统性能的一种方法是同时执行两个或多 个微操作。例如，如果某系统在α=1时执行 X←Y和Y←Z的传送，则这种情况可以表示成：
α：X←Y，Y←Z 或者 α：Y←Z，X←Y
• 图1-2给出了实现上述微操作的硬件，注意这 里不能使用单一的总线来实现。
图1-2 数据传送α：X←Y,Y←Z的实现
• 数字系统中有可能需同时拷贝相同的数据到多 个目的地。例如，α＝1时发生下述情况： α： X←Y，Z←Y