計算機組成原理第1章

1、計算機組成原理任課教師：石磊鄭州大學信息工程學院計算機系Email: Tel:教材n石磊，計算機組成原理石磊，計算機組成原理第第2 2版版, , 清華大學出版清華大學出版社，社，20062006n參考書n白中英，計算機組成原理白中英，計算機組成原理網絡版，科學出版網絡版，科學出版社，社，20022002n王愛英王愛英, ,計算機組成與結構計算機組成與結構第第3 3版版, ,清華大學出清華大學出版社，版社，20012001n錢曉捷，微型計算機原理及應用錢曉捷，微型計算機原理及應用, , 清華大學出清華大學出版社，版社，20062006第一章第一章 概述概述第二章第二章

2、計算機中的數據表示計算機中的數據表示第三章第三章 運算方法和運算器運算方法和運算器第四章第四章 存儲器及存儲系統(tǒng)存儲器及存儲系統(tǒng)第五章第五章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 第六章第六章 中央處理器中央處理器 第七章第七章 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線第八章第八章 輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)第九章第九章 計算機外部設備計算機外部設備 第十章第十章 計算機系統(tǒng)結構計算機系統(tǒng)結構目錄 一、課程性質與任務（課程在專業(yè)教學計劃中的地位與課程教學目標）一、課程性質與任務（課程在專業(yè)教學計劃中的地位與課程教學目標） “計算機組成原理”屬于專業(yè)基礎課，必修課。面向應用、突出實踐、偏向硬件和理論。 計算機組成原理是計算機教學中的一門核心

3、課程，是學習計算機課程所要必修的主干課。通過教學，使學生對計算機的各主要部分（運算期、控制器、存儲器、輸入輸出設備）的構成及工作原理有一個深刻的、系統(tǒng)的認識和理解，同時對計算機的發(fā)展趨勢也有一個較為深入的了解。 主要講解簡單、單臺計算機的完整組成原理和內部運行機制，包括運算器部件、控制器部件、存儲器子系統(tǒng)、輸入/輸出子系統(tǒng)與輸入/輸出系統(tǒng)設備，圍繞各自的功能、組成、設計、實現、使用等知識進行介紹；此外，該課程的工程性、實踐性、技術性比較強，還強調培養(yǎng)學生的動手動腦能力、開創(chuàng)與創(chuàng)新意識、實驗技能，這些要求更多的是通過作業(yè)、教學實驗等環(huán)節(jié)完成，要求學生有意識地主動加強這些方面的練習與鍛煉。 二、課

4、程的基本要求（課程教學應使學生達到的基本要求）二、課程的基本要求（課程教學應使學生達到的基本要求） 計算機系統(tǒng)概述、計算機中的數據表示、運算方法和運算器、指令系統(tǒng)、隨機邏輯和微程序控制原理、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、計算機外設簡介，要求學生掌握計算機的組成和工作原理。 通過學習，使學生了解計算機的組成原理及工作原理，以建立整機概念。本課程設有實驗，以加深對課程內容的理解，培養(yǎng)學生的動手能力。 三、課程與其他課程的聯系與分工三、課程與其他課程的聯系與分工 先修課：數字電路、模擬電路、匯編語言程序設計 后續(xù)課：計算機系統(tǒng)結構、微型計算機系統(tǒng)與設計，關系密切的還有操作系統(tǒng)等課程。 四、課程總學時中各環(huán)

5、節(jié)的學時分配（講授、實驗、上機、實踐等）四、課程總學時中各環(huán)節(jié)的學時分配（講授、實驗、上機、實踐等） 授課學時：72，實驗學時：18教學大綱第一章第一章 概述概述第二章第二章 計算機中的數據表示計算機中的數據表示第三章第三章 運算方法和運算器運算方法和運算器第四章第四章 存儲器及存儲系統(tǒng)存儲器及存儲系統(tǒng)第五章第五章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 第六章第六章 中央處理器中央處理器 第七章第七章 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線第八章第八章 輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)第九章第九章 計算機外部設備計算機外部設備 第十章第十章 計算機系統(tǒng)結構計算機系統(tǒng)結構目錄系統(tǒng)結構基本概念第一章第一章 概述概述v計算機（Computer）是一

6、種以電子器件為基礎的，不需人的直接干預，能夠對各種數字化信息，進行算術和邏輯運算的快速工具。 系統(tǒng)結構基本概念1.1 計算機的發(fā)展與應用計算機的發(fā)展與應用 計算機從總體上來說分為兩大類: 模擬計算機和數字計算機。各自主要特點各自主要特點：模擬計算機由模擬運算器件構成，其變量由連續(xù)量模擬計算機由模擬運算器件構成，其變量由連續(xù)量（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續(xù)的（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續(xù)的數字計算機則是由邏輯電子器件構成，其變量為開數字計算機則是由邏輯電子器件構成，其變量為開關量（離散的數字量），采用數字式按位運算，運算關量（離散的數字量），采用數字式按位運算，運算模

7、式是離散式的模式是離散式的系統(tǒng)結構基本概念數字計算機與模擬計算計的主要區(qū)別比較內容數字計算機模擬計算機數據表示方式數字0和1電壓、電流等計算方式數字計算電量組合和測量值控制方式程序控制模擬信號組合控制精度、抗干擾性高、好低、差數據存儲量大小、幾乎無邏輯判斷能力強無系統(tǒng)結構基本概念1.1.1 計算機的發(fā)展簡史 （1/5）1、第一代計算機、第一代計算機 （1）1946年第一臺計算機年第一臺計算機ENIAC50年代末年代末 （2）主要特征：電子管作為電子器件）主要特征：電子管作為電子器件 （3）軟件處于初始階段，使用機器語言與符號語言）軟件處于初始階段，使用機器語言與符號語言編制程序編制程序 （4）

8、特點：體積大，運算速度低，存儲容量小，）特點：體積大，運算速度低，存儲容量小， 主要用于科學計算。主要用于科學計算。系統(tǒng)結構基本概念1.1.1 計算機的發(fā)展簡史 （2/5）2、第二代計算機、第二代計算機 （1）50年代末年代末60年代初年代初 （2）主要特征：晶體管作為電子器件）主要特征：晶體管作為電子器件 （3）軟件開始使用計算機高級語言）軟件開始使用計算機高級語言 （4）特點：體積減小，重量輕、壽命長、耗電少）特點：體積減小，重量輕、壽命長、耗電少、 運算速度快、存儲容量比較大等優(yōu)點。不僅運算速度快、存儲容量比較大等優(yōu)點。不僅 用于科學計算，還用于數據處理和事務處理，用于科學計算，還用于數

9、據處理和事務處理， 并逐漸用于工業(yè)控制并逐漸用于工業(yè)控制。 系統(tǒng)結構基本概念1.1.1 計算機的發(fā)展簡史 （3/5）3、第三代計算機、第三代計算機 （1）60年代中期年代中期70年代初期年代初期 （2）主要特征：中、小規(guī)模集成電路作為電子器）主要特征：中、小規(guī)模集成電路作為電子器件件 （3）操作系統(tǒng)出現）操作系統(tǒng)出現 （4）特點：體積與功耗都得到進一步減小，可靠）特點：體積與功耗都得到進一步減小，可靠性和運算速度進一步提高。不僅用于科學計性和運算速度進一步提高。不僅用于科學計算，還用于文字處理、企業(yè)管理、自動控制算，還用于文字處理、企業(yè)管理、自動控制等領域等領域， 出現了管理信息系統(tǒng)，可用于生

10、產出現了管理信息系統(tǒng)，可用于生產管理、交通管理、情報檢索等領域管理、交通管理、情報檢索等領域。系統(tǒng)結構基本概念1.1.1 計算機的發(fā)展簡史 （4/5）4、第四代計算機、第四代計算機 （1）1971年到年到1990年。年。 （2）主要特征：用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路）主要特征：用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路（LSI，VLSI）作為電子器件）作為電子器件 （3）特點：軟件越來越豐富，并且功能強大）特點：軟件越來越豐富，并且功能強大 （4）代表產品：）代表產品：IBM PC8088802868038680486Pentium系統(tǒng)結構基本概念1.1.1 計算機的發(fā)展簡史 （5/5）5、第五代計算機、第五代

11、計算機 （1）1990至今至今 （2）主要特征：用甚大規(guī)模集成電路（）主要特征：用甚大規(guī)模集成電路（ULSI）作）作為電子器件為電子器件 （3）主要標志：一個是單片集成電路規(guī)模達）主要標志：一個是單片集成電路規(guī)模達100萬晶體管以上；另一個是超標量技術的成熟和廣萬晶體管以上；另一個是超標量技術的成熟和廣泛應用。泛應用。 v未來的計算機未來的計算機以超大規(guī)模集成電路為基礎，未來的計算機將以超大規(guī)模集成電路為基礎，未來的計算機將向巨型化、微型化、網絡化與智能化的方向發(fā)展。向巨型化、微型化、網絡化與智能化的方向發(fā)展。系統(tǒng)結構基本概念1.1.2 計算機的特點v計算機是由硬件和軟件組成的復雜設備計算機是

12、由硬件和軟件組成的復雜設備v計算機以電子器件為物質基礎計算機以電子器件為物質基礎v計算機由程序控制其操作過程計算機由程序控制其操作過程v計算機以離散的數字量形式進行工作計算機以離散的數字量形式進行工作v計算機的基本運算操作是算術和邏輯運算，運算計算機的基本運算操作是算術和邏輯運算，運算速度和計算精度極高速度和計算精度極高系統(tǒng)結構基本概念1.1.3 計算機的應用領域1、科學計算科學計算2、過程檢測與控制、過程檢測與控制 計算機檢測系統(tǒng)：利用計算機對工業(yè)生產過程中的某些信計算機檢測系統(tǒng)：利用計算機對工業(yè)生產過程中的某些信號自動進行檢測，把檢測到的數據存入計算機，再根據需號自動進行檢測，把檢測到的數

13、據存入計算機，再根據需要對這些數據進行處理。要對這些數據進行處理。3、信息管理、信息管理是指利用計算機來加工、管理與操作任何形式的數據資料，是指利用計算機來加工、管理與操作任何形式的數據資料，如企業(yè)管理、物資管理、報表統(tǒng)計、信息情報檢索等如企業(yè)管理、物資管理、報表統(tǒng)計、信息情報檢索等4、計算機輔助系統(tǒng)、計算機輔助系統(tǒng) 計算機用于輔助設計、輔助制造、輔助教學等方面，統(tǒng)計算機用于輔助設計、輔助制造、輔助教學等方面，統(tǒng)稱為計算機輔助系統(tǒng)。稱為計算機輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)結構基本概念1.2 計算機系統(tǒng)的組成v計算機系統(tǒng)由計算機硬件和計算機軟件組成。計算機系統(tǒng)由計算機硬件和計算機軟件組成。計算機硬件（計算機硬件

14、（Hardware）是指構成計算機的所有實）是指構成計算機的所有實體部件的集合，通常這些部件由電路（電子元件）、體部件的集合，通常這些部件由電路（電子元件）、機械等物理部件組成。機械等物理部件組成。計算機軟件（計算機軟件（Software）主要是一系列按照特定順序）主要是一系列按照特定順序組織的計算機數據和指令的集合。組織的計算機數據和指令的集合。1983年，年，IEEE對對軟件給出了一個較為全面的定義：軟件是計算機程序、軟件給出了一個較為全面的定義：軟件是計算機程序、方法、規(guī)范及其相應的文檔以及在計算機上運行是所方法、規(guī)范及其相應的文檔以及在計算機上運行是所必須的數據。軟件是相對于機器硬件而

15、言的。必須的數據。軟件是相對于機器硬件而言的。系統(tǒng)結構基本概念1.2.1 計算機的硬件系統(tǒng)1、存儲器：存儲器是用來存放數據和程序的部件。存儲器：存儲器是用來存放數據和程序的部件。2、運算器：對信息進行運算處理的部件。主要功能是對二進、運算器：對信息進行運算處理的部件。主要功能是對二進制數碼進行算術（加減乘除）和邏輯（與或非）運算。制數碼進行算術（加減乘除）和邏輯（與或非）運算。3、控制器：整個計算機的控制核心。主要功能是讀取指令、控制器：整個計算機的控制核心。主要功能是讀取指令、翻譯指令、并向計算機各部分發(fā)出控制信號，以便執(zhí)行指令。翻譯指令、并向計算機各部分發(fā)出控制信號，以便執(zhí)行指令。4、輸入

16、設備：將數據和程序轉換成計算機能夠識別和接受的、輸入設備：將數據和程序轉換成計算機能夠識別和接受的信息，并順序地把它們送入存儲器中。輸入設備有許多種，信息，并順序地把它們送入存儲器中。輸入設備有許多種，例如鍵盤、鼠標、掃描儀、光電輸入機等。例如鍵盤、鼠標、掃描儀、光電輸入機等。5、輸出設備、輸出設備輸出設備將計算機處理的結果以人們能接受的或其它機器輸出設備將計算機處理的結果以人們能接受的或其它機器能接受的形式送出。輸出設備有許多種類，例如顯示器、打能接受的形式送出。輸出設備有許多種類，例如顯示器、打印機、繪圖儀等。印機、繪圖儀等。系統(tǒng)結構基本概念1.2.1 計算機的硬件系統(tǒng)存儲器存儲器數據流數

17、據流控制流控制流運算器運算器外存儲器外存儲器輸輸出出設設備備內存儲器內存儲器輸輸入入設設備備控制器控制器系統(tǒng)結構基本概念1. 運算器v算術運算v邏輯運算v采用二進制數（容易實現）v位數越多，計算精度越高v計算機的運算器長度：8位、16位、32位或64位系統(tǒng)結構基本概念2. 存儲器v功能：保存或“記憶”數據和運算過程v存儲的是0或1表示的二進制代碼v主存采用半導體器件來作為存儲器v一個半導體觸發(fā)器記憶一個二進制位v存儲單元： 在存儲器中保存一個n位二進制數的n個觸發(fā)器，組成一個存儲單元v存儲器地址：存儲器是由許多存儲單元組成，每個存儲單元的編號，稱為地址v存儲容量：存儲器所有存儲單元的總數。通常

18、用單位“KB、MB、GB”等表示v內存儲器（主存）和外存儲器(輔存）系統(tǒng)結構基本概念表示參加運算的數據表示參加運算的數據從存儲器的哪個單元取從存儲器的哪個單元取運算的結果應存到哪個單元運算的結果應存到哪個單元3. 控制器v控制計算機的各個部件有條不紊地進行工作v指令有兩部分：操作的性質和操作的地址操作碼地址碼指出指令所進行的操作指出指令所進行的操作加、減、乘、除、取數、存數等加、減、乘、除、取數、存數等 指令操作碼加法減法乘法除法取數存數打印停機001010011100101110111000系統(tǒng)結構基本概念電子計算機的設計思想電子計算機的設計思想v存儲程序，程序控制存儲程序，程序控制v“存儲

19、程序存儲程序”，是把，是把指令指令以代碼的形式事先以代碼的形式事先輸入到計算機的主存儲器中，即用記憶數據輸入到計算機的主存儲器中，即用記憶數據的同的同 一裝置存儲執(zhí)行運算的命令，這些指令一裝置存儲執(zhí)行運算的命令，這些指令按一定的規(guī)則組成按一定的規(guī)則組成程序程序v“程序控制程序控制”，是當計算機啟動后，程序就，是當計算機啟動后，程序就會控制計算機按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，會控制計算機按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動完成預定的信息處理任務自動完成預定的信息處理任務v馮馮諾依曼型計算機的設計思想諾依曼型計算機的設計思想存儲程序并按地址順序執(zhí)行存儲程序并按地址順序執(zhí)行系統(tǒng)結構基本概念v馮馮諾依曼計算機的

20、基本思想諾依曼計算機的基本思想v采用二進制形式表示數據和指令。指令由操作碼采用二進制形式表示數據和指令。指令由操作碼和地址碼組成；和地址碼組成；v將程序和數據存放在存儲器中，使計算機在工作將程序和數據存放在存儲器中，使計算機在工作時從存儲器取出指令加以執(zhí)行，自動完成計算任時從存儲器取出指令加以執(zhí)行，自動完成計算任務。這就是務。這就是“存儲程序存儲程序”和和“程序控制程序控制”（簡稱（簡稱存儲程序控制）的概念；存儲程序控制）的概念；v指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉移指令實現。中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉移指令實

21、現。v計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入和輸出計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入和輸出設備五大基本部件組成，規(guī)定了設備五大基本部件組成，規(guī)定了5 5部分的基本功能部分的基本功能系統(tǒng)結構基本概念控制器的基本任務v 按照計算程序所排的指令序列，先從存儲器取出一條指令放到控制器中，對該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別，然后根據指令性質，執(zhí)行這條指令，進行相應的操作。接著從存儲器取出第二條指令，再執(zhí)行第二條指令，依次類推v取指令的一段時間叫做取指周期v執(zhí)行指令的一段時間叫做執(zhí)行周期v執(zhí)行完成指令的時間，稱為指令周期系統(tǒng)結構基本概念指令字和數據字，指令流和數據流 v某字為一條指令，則稱為指令字v某字

22、代表要處理的數據，稱為數據字v在取指周期中從內存讀出的信息是指令流，它流向控制器v而執(zhí)行周期中從內存讀出的信息流是數據流，它由內存流向運算器v時間上：在取指周期中，CPU從內存讀出的信息一定是指令；而執(zhí)行周期中從內存讀出或寫入的信息一定是數據。v空間上：指令一定流向控制器；而數據則是在內存（或寄存器）與運算器之間流動系統(tǒng)結構基本概念1.2.1 計算機的硬件系統(tǒng)總線（Bus）：是計算機中用于傳送信息的公用通道，是為多個部件服務的一組信息傳送連接線。總線的分類： （1）按傳送信息的屬性分： 數據總線（DB）在各部件之間傳送數據信息 地址總線（AB）傳送各部件相互訪問的地址信息 控制總線（CB）傳送

23、控制各部件操作的控制信息（2）按信息傳送的方向分： 單向總線雙向總線（3）按連接對象和完成的功能分： I/O BUS 用于外設與主機的信息交換。MEMORY BUS用于CPU與主存儲器的信息交換系統(tǒng)結構基本概念1.2.1 計算機的硬件系統(tǒng)按總線連接方式，計算機組成結構分為三類1、單總線結構 ：把各功能部件連接在單總線上，所有部件間的信息交換都經由單總線進行。 （1）Unified-Bus：一元化總線：PDP-11 （2）Single-Bus：單總線：IBM-PC2、雙總線結構（1）兩種總線：存儲總線和I/O總線（2）三種形式： （A）以CPU為中心的雙總線結構 （B）以存儲器為中心的雙總線結構

24、 （C）采用通道或輸入輸出處理機處理輸入輸出3、多總線結構： 在高速外設與主存儲器之間可以增設直接存儲器訪問方式的高速I/O總線（DMA總線）。系統(tǒng)結構基本概念 第一臺電子計算機（第一臺電子計算機（ENIACENIAC）5000次加法次加法/秒秒體重體重28噸噸占地占地170M218,800只電子管只電子管1500個繼電器個繼電器耗電耗電150KW計算機發(fā)展史計算機發(fā)展史系統(tǒng)結構基本概念Top500 (2006)Top500 (2006)IBM Blue GenIBM Blue Gene e計算機發(fā)展史計算機發(fā)展史系統(tǒng)結構基本概念Top500 (2006.0Top500 (2006.06 6)

25、 )計算機發(fā)展史計算機發(fā)展史系統(tǒng)結構基本概念摩爾定律v早在早在19641964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登. .摩爾摩爾（Gordon MooreGordon Moore）在一篇很短的論文里斷言：）在一篇很短的論文里斷言：每每1818個月，集成電路的性能將提高一倍，而個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。這就是著名的其價格將降低一半。這就是著名的摩爾定律摩爾定律。作為迄今為止半導體發(fā)展史上意義最深遠的作為迄今為止半導體發(fā)展史上意義最深遠的定律，摩爾定律被集成電路近定律，摩爾定律被集成電路近4040年的發(fā)展歷年的發(fā)展歷史準確無誤地驗證著史準確無誤地驗證著計算機組

26、成原理計算機組成原理32什么是微型計算機l微型計算機（微型計算機（MicrocomputerMicrocomputer）采用微處理器為核心構造的計算機采用微處理器為核心構造的計算機l微處理器（微處理器（MicroprocessorMicroprocessor）一塊大規(guī)模集成電路芯片一塊大規(guī)模集成電路芯片微型機的運算和控制核心微型機的運算和控制核心中央處理單元（中央處理單元（CPUCPU：Central Processing UnitCentral Processing Unit）l相對來說，微機性能、價格、體積較小相對來說，微機性能、價格、體積較小工作學習中使用的個人微機工作學習中使用的個人微

27、機生產生活中運用的各種智能化電子設備生產生活中運用的各種智能化電子設備計算機組成原理計算機組成原理33微處理器的基本性能指標l字長字長微處理器每個時間單位處理的二進制數據位數微處理器每個時間單位處理的二進制數據位數例如一次進行運算、傳輸的位數例如一次進行運算、傳輸的位數l時鐘頻率時鐘頻率微處理器的處理速度微處理器的處理速度反映微處理器的基本時間單位反映微處理器的基本時間單位l集成度集成度表明微處理器的生產工藝水平表明微處理器的生產工藝水平常用芯片上集成的晶體管數量來表達常用芯片上集成的晶體管數量來表達計算機組成原理計算機組成原理34通用微處理器l4 4位微處理器位微處理器19711971年，年

28、，Intel 4004Intel 4004，第一個微處理器，第一個微處理器l8 8位微處理器位微處理器M6800M6800、Z80Z80和和Intel 8080/8085Intel 8080/8085AppleApple公司蘋果機公司蘋果機l1616位微處理器位微處理器Intel 8086/8088 Intel 8086/8088 1616位個人計算機（位個人計算機（PCPC：Personal ComputerPersonal Computer）l3232位微處理器位微處理器8038680386，8048680486，PentiumPentiumPentium 4Pentium 43232位位

29、PCPC機，機，APPLEAPPLE公司的公司的MacintoshMacintosh機機l6464位微處理器位微處理器計算機組成原理計算機組成原理35專用微處理器 l單片機（微控制器，嵌入式控制器，單片機（微控制器，嵌入式控制器，MCUMCU）IntelIntel的的MCS-48MCS-48，MCS-51MCS-51，MCS-96/98MCS-96/98系列系列愛特梅爾（愛特梅爾（AtmlAtml）公司的）公司的AT89AT89系列（與系列（與MCS-51MCS-51兼兼容），容），AT91AT91系列（基于系列（基于ARMARM內核）內核）Microchip TechnologyMicroc

30、hip Technology公司的公司的PICPIC系列系列l(wèi)數字信號處理器（數字信號處理器（DSPDSP）專注于數字信號的高速處理專注于數字信號的高速處理美國德州儀器美國德州儀器TITI公司公司TMS320TMS320各代產品各代產品主要應用于通信、消費類電子產品和計算機主要應用于通信、消費類電子產品和計算機l主要應用形式：嵌入式系統(tǒng)主要應用形式：嵌入式系統(tǒng)IPIP級結構，芯片級結構，模塊級結構級結構，芯片級結構，模塊級結構計算機組成原理計算機組成原理368086l1616位結構的微處理器：數據總線為位結構的微處理器：數據總線為1616位位l主存容量主存容量1MB1MB：地址總線為：地址總線

31、為2020位位l時鐘頻率時鐘頻率5MHz5MHz（IBM PCIBM PC使用使用4.77MHz4.77MHz）l準準1616位微處理器位微處理器80888088：外部數據總線為：外部數據總線為8 8位位lIBM PCIBM PC和和PC/XTPC/XT機使用機使用Intel 8088 CPUIntel 8088 CPUl處理器總線（處理器總線（BusBus）微處理器的對外引腳（微處理器的對外引腳（PinPin）數據、地址和控制三組信號數據、地址和控制三組信號電源和地線電源和地線計算機組成原理計算機組成原理37處理器總線l數據總線（數據總線（DBDB：Data BusData Bus）處理器與

32、存儲器或外設交換信息的通道處理器與存儲器或外設交換信息的通道個數（條數）是一次能夠傳送數據的二進制位數個數（條數）是一次能夠傳送數據的二進制位數 l地址總線（地址總線（ABAB：Address BusAddress Bus）指定存儲器或外設的具體單元指定存儲器或外設的具體單元個數反映訪問的主存儲器容量或外設范圍個數反映訪問的主存儲器容量或外設范圍l控制總線（控制總線（CBCB：Control BusControl Bus）控制處理器數據傳送等操作控制處理器數據傳送等操作一個信號兩種狀態(tài)（高或低）兩種編碼（一個信號兩種狀態(tài)（高或低）兩種編碼（1或或0）N：2N計算機組成原理計算機組成原理3880

33、286l1616位數據總線，位數據總線，2424位地址總線（位地址總線（16MB16MB主存）主存）l實方式（實方式（Real ModeReal Mode）與與80868086工作方式一樣工作方式一樣l保護方式（保護方式（Protected ModeProtected Mode）提供存儲管理、保護機制和多任務管理的硬件支提供存儲管理、保護機制和多任務管理的硬件支持持lIBM PC/ATIBM PC/AT機使用機使用Intel 80286 CPUIntel 80286 CPU1KB210 B1024 B1MB220 B1024 KB1GB230 B1024 MB20：22024：22432：23

34、2計算機組成原理計算機組成原理3980386l3232位結構位結構數據總線數據總線3232位，地址總線位，地址總線3232位，可尋址位，可尋址4GB4GB主存主存l虛擬虛擬80868086方式方式（Virtual 8086 ModeVirtual 8086 Mode）保護方式下的保護方式下的80868086工作方式工作方式l系統(tǒng)管理方式（系統(tǒng)管理方式（System Management ModeSystem Management Mode）低功耗節(jié)能狀態(tài)低功耗節(jié)能狀態(tài)英特爾英特爾32位結構：位結構：IA-32（Intel Architecture-32）IA-32微處理器：微處理器：80386

35、，80486，Pentium系列系列計算機組成原理計算機組成原理4080486l8048680486803868038680387803878KB Cache8KB Cachel浮點處理單元浮點處理單元FPUFPU8086/80888086/8088：80878087，8028680286：8028780287，8038680386：8038780387l高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器CacheCache微處理器與主存之間速度很快但容量較小的存儲微處理器與主存之間速度很快但容量較小的存儲器器用于提高整個存儲器系統(tǒng)的存取速度用于提高整個存儲器系統(tǒng)的存取速度l復雜指令集計算機復雜指令集計算機CISC

36、CISC融合融合精簡指令集計算機精簡指令集計算機RISCRISC的技術特點，例如：指令流水線的技術特點，例如：指令流水線指令執(zhí)行劃分成多個步驟在多個部件中獨立地進指令執(zhí)行劃分成多個步驟在多個部件中獨立地進行行多條指令可以在不同的執(zhí)行階段同時進行多條指令可以在不同的執(zhí)行階段同時進行計算機組成原理計算機組成原理41Pentiuml俗稱的俗稱的8058680586微處理器，奔騰微處理器微處理器，奔騰微處理器l3232位結構，連接主存的外部數據總線卻是位結構，連接主存的外部數據總線卻是6464位位l超標量（超標量（SuperscalarSuperscalar）技術）技術具有可以并行工作的具有可以并行工

37、作的2 2條整數處理流水線，可以達條整數處理流水線，可以達到每個時鐘周期執(zhí)行到每個時鐘周期執(zhí)行2 2條指令條指令l雙路高速緩沖結構雙路高速緩沖結構8KB8KB代碼高速緩沖存儲器代碼高速緩沖存儲器8KB8KB數據高速緩沖存儲器數據高速緩沖存儲器計算機組成原理計算機組成原理42Pentium Prol原稱原稱P6P6，中文名稱為，中文名稱為“高能奔騰高能奔騰”l兩個芯片組成兩個芯片組成CPUCPU一級（一級（L1L1）CacheCache（8KB8KB代碼和代碼和8KB8KB數據）數據）二級（二級（L2L2）CacheCache（256KB256KB或或512KB512KB）l擴展的超標量技術擴展

38、的超標量技術1212級指令流水線級指令流水線能同時執(zhí)行能同時執(zhí)行3 3條指令條指令l動態(tài)執(zhí)行技術動態(tài)執(zhí)行技術分支預測、數據流分析和推測執(zhí)行分支預測、數據流分析和推測執(zhí)行計算機組成原理計算機組成原理43Pentium IIl多媒體擴展指令（多媒體擴展指令（MMXMMX指令）指令）MMXMMX（MutliMedia eXtensionMutliMedia eXtension）整數運算多媒體指令整數運算多媒體指令對圖像、音頻、視頻和通信方面的程序進行優(yōu)化對圖像、音頻、視頻和通信方面的程序進行優(yōu)化提升微機對多媒體的處理能力提升微機對多媒體的處理能力lPentium MMXPentium MMX（多能奔

39、騰）：（多能奔騰）：MMXMMX指令應用于指令應用于PentiumPentium處理器處理器lPentium IIPentium II：MMXMMX指令應用于指令應用于Pentium ProPentium Pro計算機組成原理計算機組成原理44Pentium IIIl數據流數據流SIMDSIMD擴展指令（擴展指令（SSESSE指令）指令）SSESSE（Streaming SIMD ExtensionsStreaming SIMD Extensions）浮點單精度多媒體運算指令浮點單精度多媒體運算指令提高浮點提高浮點3D3D數據的處理能力。數據的處理能力。SSESSE指令類似于指令類似于AMDA

40、MD公司發(fā)布的公司發(fā)布的3D Now!3D Now!指令指令lPentium IIIPentium III：SSESSE指令應用于指令應用于Pentium II Pentium II l單指令多數據單指令多數據SIMDSIMDSingle Instruction Multiple DataSingle Instruction Multiple Data表示一條指令具有同時處理多組數據的能力表示一條指令具有同時處理多組數據的能力計算機組成原理計算機組成原理45Pentium 4lNetBurstNetBurst的微結構（的微結構（MicroarchitectureMicroarchitectur

41、e） 指令級并行指令級并行ILPILP（Instruction-Level ParallelInstruction-Level Parallel）進一步發(fā)掘指令之間可以同時執(zhí)行的能力進一步發(fā)掘指令之間可以同時執(zhí)行的能力l超線程超線程HTHT（Hyper ThreadingHyper Threading）線程級并行線程級并行TLPTLP（Thread-Level ParallelThread-Level Parallel）發(fā)掘程序中的并行性發(fā)掘程序中的并行性一個物理處理器形成兩個邏輯處理器一個物理處理器形成兩個邏輯處理器lSSE2SSE2指令指令增強浮點雙精度多媒體運算能力增強浮點雙精度多媒體運

42、算能力lSSE3SSE3指令指令增強和完善增強和完善MMXMMX，SSESSE和和SSE2SSE2指令指令計算機組成原理計算機組成原理46Intel 80 x86微處理器lCeleronCeleron（賽揚）微處理器（賽揚）微處理器面向低端（低價位）面向低端（低價位）PCPC機機lXeonXeon（至強）微處理器（至強）微處理器面向高端服務器、工作站面向高端服務器、工作站lAMDAMD微處理器微處理器AMDAMD公司生產的公司生產的IA-32IA-32微處理器兼容芯片微處理器兼容芯片IntelIntel公司最主要的競爭對手公司最主要的競爭對手l雙核微處理器雙核微處理器單芯片多處理器單芯片多處理

43、器SMPSMP技術技術IntelIntel的的Pentium DPentium D：單芯片雙：單芯片雙Pentium 4Pentium 4核心核心l6464位微處理器位微處理器AMDAMD的的K8K8核心：兼容核心：兼容IA-32IA-32的的6464位微處理器位微處理器IntelIntel的的EM64TEM64T（擴展（擴展6464位技術）：位技術）： IA-32IA-32的的6464位擴展位擴展計算機組成原理計算機組成原理47微型計算機結構1. 1. 微處理器微處理器2. 2. 存儲器存儲器3. I/O3. I/O接口和接口和I/OI/O設備設備4. 4. 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線控制總線控制總線

44、CB數據總線數據總線DB地址總線地址總線AB微微處處理理器器I/O設備設備I/O接口接口存儲器存儲器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線BUS計算機組成原理計算機組成原理48微處理器l微機的核心、控制中心，中央處理器微機的核心、控制中心，中央處理器CPUCPUl大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路VLSIVLSI芯片，集成芯片，集成控制器控制器運算器（整數運算器）運算器（整數運算器）寄存器（高速存儲單元）寄存器（高速存儲單元）l高性能微處理器內部還有高性能微處理器內部還有浮點處理單元甚至多媒體數據運算單元浮點處理單元甚至多媒體數據運算單元存儲管理單元、代碼保護機制存儲管理單元、代碼保護機制CacheCache計算機組成原

45、理計算機組成原理49存儲器l存儲器（存儲器（MemoryMemory）是存放程序和數據的部件）是存放程序和數據的部件l高性能微機的存儲系統(tǒng)高性能微機的存儲系統(tǒng)微處理器內部的寄存器（微處理器內部的寄存器（RegisterRegister）高速緩沖存儲器（高速緩沖存儲器（CacheCache）主板上的主存儲器主板上的主存儲器以外設形式出現的輔助存儲器以外設形式出現的輔助存儲器l主存儲器（主存、內存）主存儲器（主存、內存）半導體存儲器芯片組成半導體存儲器芯片組成RAMRAM部分斷電后信息丟失部分斷電后信息丟失相對造價高、速度快、但容量小相對造價高、速度快、但容量小l輔助存儲器（簡稱輔存或外存）輔助存

46、儲器（簡稱輔存或外存）磁盤、光盤存儲器等構成磁盤、光盤存儲器等構成相對造價低、容量大、信息可長期保存，但速度慢相對造價低、容量大、信息可長期保存，但速度慢RAM和和ROM計算機組成原理計算機組成原理50I/O接口和I/O設備lI/OI/O設備（設備（PeripheralPeripheral）：用戶與微機交互）：用戶與微機交互輸入（輸入（InputInput）設備，如標準輸入設備：鍵盤）設備，如標準輸入設備：鍵盤輸出（輸出（OutputOutput）設備，如標準輸出設備：顯示器）設備，如標準輸出設備：顯示器lI/OI/O接口（接口（InterfaceInterface）：外設和主機間的橋梁）：外

47、設和主機間的橋梁完成信號變換、數據緩沖、聯絡控制等工作完成信號變換、數據緩沖、聯絡控制等工作較簡單的較簡單的I/OI/O接口電路與主板一體接口電路與主板一體較復雜的較復雜的I/OI/O接口電路制成獨立的電路板（接口卡接口電路制成獨立的電路板（接口卡CardCard）計算機組成原理計算機組成原理51系統(tǒng)總線l總線（總線（BusBus）：傳遞信息的一組公用導線、信息通道）：傳遞信息的一組公用導線、信息通道l系統(tǒng)總線（系統(tǒng)總線（System BusSystem Bus）：微機系統(tǒng)中信息交換的主）：微機系統(tǒng)中信息交換的主要公共通道要公共通道l地址總線：單向輸出主存單元或地址總線：單向輸出主存單元或I/

48、OI/O端口的地址信息端口的地址信息l數據總線：讀（數據總線：讀（ReadRead）操作數據輸入微處理器；寫）操作數據輸入微處理器；寫（WriteWrite）操作數據輸出到外界（主存或外設）操作數據輸出到外界（主存或外設）l控制總線：有些控制信號或狀態(tài)信號輸出；有些請求控制總線：有些控制信號或狀態(tài)信號輸出；有些請求或聯絡信號輸入或聯絡信號輸入l微機系統(tǒng)采用總線結構，總線連接使得微機組合靈活、微機系統(tǒng)采用總線結構，總線連接使得微機組合靈活、擴展方便擴展方便計算機組成原理計算機組成原理52個人微機l8 8位時代：位時代：Apple-IIApple-II機，中華學習機機，中華學習機l1616位時代：

49、位時代：IBM PCIBM PC系列機系列機19811981年，年，IBM PCIBM PC機：機：Intel 8088Intel 8088，DOSDOS19821982年，年，IBM PC/XTIBM PC/XT（Expanded TechnologyExpanded Technology）19841984年，年，IBM PC/ATIBM PC/AT（Advanced TechnologyAdvanced Technology）IBM PC/XT/ATIBM PC/XT/AT機的兼容微機機的兼容微機l3232位時代：位時代：3232位位PCPC機機IA-32IA-32或其兼容微處理器或其兼容

50、微處理器WindowsWindows或或LinuxLinuxl6464位時代：位時代：系統(tǒng)結構基本概念v計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設備組成的。都是由元件構成的有形物體，因而稱為硬件或硬設備。硬件是計算機系統(tǒng)中實際物理裝置的總稱v計算程序，因為它是無形的東西，稱為軟件或軟設備。軟件是指在硬件上運行的程序和相關的數據及文檔v硬件是軟件的工作基礎，軟件是硬件功能的擴充和完善。兩者相互依存，相互促進。軟件與硬件的結合，構成完整的計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)硬件硬件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件軟件系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)結構基本概念v軟件（軟件（Software）：指能使計算機工作的程序和程序運行

51、時所需要）：指能使計算機工作的程序和程序運行時所需要的數據，以及與這些程序和數據有關的文字說明和圖表資料，其中的數據，以及與這些程序和數據有關的文字說明和圖表資料，其中文字說明和圖表資料又稱為文檔。文字說明和圖表資料又稱為文檔。v軟件的分類：軟件的分類：（1）系統(tǒng)軟件：指管理、監(jiān)控和維護計算機資源的軟件。）系統(tǒng)軟件：指管理、監(jiān)控和維護計算機資源的軟件。 操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)：DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX 語言處理程序：機器語言、匯編語言和高級語言語言處理程序：機器語言、匯編語言和高級語言 數據庫管理系統(tǒng)：數據庫和管理數據庫的軟件數據庫管理系統(tǒng)：數據庫和管理數據庫的軟件 服務程序：

52、例如編輯程序、診斷程序、排錯程序等服務程序：例如編輯程序、診斷程序、排錯程序等 （2）應用軟件：除了系統(tǒng)軟件以外的所有軟件，是用戶利用計算機及）應用軟件：除了系統(tǒng)軟件以外的所有軟件，是用戶利用計算機及其提供的系統(tǒng)軟件為解決各種實際問題而編制的計算機程序。其提供的系統(tǒng)軟件為解決各種實際問題而編制的計算機程序。 1.2.2 計算機的軟件系統(tǒng)軟件程序軟件程序+ +數據數據+ +文檔文檔系統(tǒng)結構基本概念計算機軟件程序數據文檔計算機軟件程序數據文檔軟件分類軟件分類操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 語言處理程序語言處理程序服務性程序服務性程序應用軟件應用軟件辦公軟件包辦公軟件包數據庫管理系統(tǒng)數據庫管理系統(tǒng)瀏覽器瀏覽器實時

53、控制軟件實時控制軟件診斷、排錯程序診斷、排錯程序反病毒程序反病毒程序備份程序備份程序文件壓縮程序文件壓縮程序卸載程序卸載程序圖形圖像處理軟件圖形圖像處理軟件其它應用軟件其它應用軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)結構基本概念目的程序目的程序v早期計算機中，人們直接用機器語言編寫程序，計算機完全可以“識別”并能執(zhí)行，所以又叫做目的程序v用機器語言編寫程序很繁瑣，又耗費大量的人力和時間，容易出錯，出錯后尋找錯誤也相當費事，大大限制了計算機的使用系統(tǒng)結構基本概念匯編程序匯編程序v為了編寫程序方便翻譯和提高機器的使用效率，人們發(fā)明了匯編語言v借助于匯編程序，計算機本身自動地把符號語言表示的程序（稱為匯編源程序）翻

54、譯成用機器語言表示的目的程序用約定的文字、符號和數字（用約定的文字、符號和數字（助記符助記符）按規(guī)定按規(guī)定 的格式來表示各種不同的指令的格式來表示各種不同的指令系統(tǒng)結構基本概念高級語言v為了進一步實現程序自動化和便于程序交流，使不熟悉具體計算機的人也能很方便地使用計算機，人們又創(chuàng)造了各種接近于數學語言的算法語言（高級程序設計語言）v算法語言是指按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構成程序的規(guī)則。比較接近數學語言，直觀通用，與具體機器無關，只要稍加學習就能掌握，便于推廣使用計算機系統(tǒng)結構基本概念編譯程序編譯程序v用程序設計語言編寫的程序稱為源程序，這種源程序不能由機器直接識別和執(zhí)行，

55、必須給計算機配備一個即懂算法語言又懂機器語言的“翻譯”，才能把源程序翻譯為機器語言v通常采用下面兩種方法：編譯系統(tǒng)： 用編譯程序將源程序編譯成機器語言形式的目的程序，然后在目標系統(tǒng)運行解釋系統(tǒng) ：逐個解釋并立即執(zhí)行源程序的語句，它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是直接逐一解釋語句并得出計算結果系統(tǒng)結構基本概念軟件與硬件的邏輯等價性v隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)軟、硬件界限已經變得模糊了v任何操作可以由軟件來實現，也可以由硬件來實現；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成v對于某一功能采用硬件方案還是軟件方案，取決于器件價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期等軟

56、件的特點軟件的特點 易于實現各種邏輯和運算功能，但是常易于實現各種邏輯和運算功能，但是常受到速度指標和軟件容量的制約；受到速度指標和軟件容量的制約；硬件的特點硬件的特點 可以高速實現邏輯和運算功能，但是難可以高速實現邏輯和運算功能，但是難以實現復雜功能或計算，受到控制復雜性指標的制約。以實現復雜功能或計算，受到控制復雜性指標的制約。系統(tǒng)結構基本概念1.2.3 計算機系統(tǒng)的層次結構 （1/3）硬件和軟件的邏輯等價硬件和軟件的邏輯等價 1、含義：、含義： （1）任何一個由軟件完成的操作可以由硬件實現）任何一個由軟件完成的操作可以由硬件實現 （2）任何一條由硬件執(zhí)行的指令能用軟件完成）任何一條由硬件

57、執(zhí)行的指令能用軟件完成2、固件（、固件（Firmware）：）：是一種界于傳統(tǒng)的軟件和硬件之間的實體，功能上類是一種界于傳統(tǒng)的軟件和硬件之間的實體，功能上類似軟件，但形態(tài)上又是硬件。似軟件，但形態(tài)上又是硬件。微程序是計算機硬件和軟件相結合的重要形式。微程序是計算機硬件和軟件相結合的重要形式。系統(tǒng)結構基本概念1.2.3 計算機系統(tǒng)的層次結構 （2/3）計算機系統(tǒng)的層次結構第第5層層編譯程序編譯程序高級語言層高級語言層第第4層層匯編程序匯編程序匯編語言層匯編語言層第第3層層操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層第第2層層微程序微程序機器語言層機器語言層第第1層層微指令直接由硬件執(zhí)行微指令直接由硬件執(zhí)

58、行微程序設計層微程序設計層系統(tǒng)結構基本概念系列機和兼容機v系列機描述系列機描述在一個廠家內生產的具有相同的體系結構，具在一個廠家內生產的具有相同的體系結構，具有不同組成和實現的一系列不同型號的機器有不同組成和實現的一系列不同型號的機器IBM PC系列機系列機v兼容機描述兼容機描述不同廠家生產的具有相同體系結構的計算機不同廠家生產的具有相同體系結構的計算機IBM PC/AT兼容機兼容機系統(tǒng)結構基本概念1.2.3 計算機系統(tǒng)的層次結構 （3/3）1、系列機：一組同屬一個系統(tǒng)結構，在性能上由低檔到高檔形成一個系列的計算機，組成一個計算機系列（family）。系列機中的每個機型都具有：相同的基本指令系

59、統(tǒng)，相同的數據結構，相同的基本輸入輸出操作，支持相同的基本系統(tǒng)軟件等。2、兼容性：包括軟件兼容、硬件兼容、系統(tǒng)兼容等。 （1）軟件兼容是指一個軟件不經修改就能在不同機型上正確運行。 （2）軟件兼容存在以下兩種情況： 軟件的向上兼容性指某檔機原開發(fā)的軟件可以不加修改便能在它的高檔機上正確運行使用。 軟件的向下兼容性指某檔機的軟件可以不加修改便能在它的低檔機上正確運行使用。系統(tǒng)結構基本概念軟件兼容v軟件兼容：軟件兼容：同一個軟件可以不加修改地運同一個軟件可以不加修改地運行于體系結構相同的各檔機器，結果一樣，行于體系結構相同的各檔機器，結果一樣，運行時間不同運行時間不同當前機器當前機器時間時間機機器

60、器檔檔次次向上兼容向上兼容向下兼容向下兼容向前兼容向前兼容向后兼容向后兼容系統(tǒng)結構基本概念模擬和仿真v模擬（模擬（simulation）用一臺機器的指令系統(tǒng)，去解釋另一臺系統(tǒng)結用一臺機器的指令系統(tǒng)，去解釋另一臺系統(tǒng)結構不同的機器的指令系統(tǒng)，以實現軟件的移植構不同的機器的指令系統(tǒng)，以實現軟件的移植實現容易、速度較慢實現容易、速度較慢v仿真（仿真（emulation）直接用微程序去解釋另一臺系統(tǒng)結構不同的機直接用微程序去解釋另一臺系統(tǒng)結構不同的機器的指令系統(tǒng)，以實現軟件的移植器的指令系統(tǒng)，以實現軟件的移植微程序編寫困難、實現速度較快微程序編寫困難、實現速度較快模擬與仿真可實現不同系統(tǒng)結構機器之間的