計算機組成原理第1章計算機系統(tǒng)概述201的知識

微機原理及應(yīng)用主講人

計算機組成原理主講:許峰前言（一）

主要內(nèi)容：重點講解簡單、完整、單臺計算機的基本組成原理和內(nèi)部運行機制，包括各大部件的工作原理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計方法及各部件互連構(gòu)成整機的技術(shù)。

課程性質(zhì)：專業(yè)必修課，核心課，是前續(xù)數(shù)電等基礎(chǔ)課和后續(xù)操作系統(tǒng)等專業(yè)課的橋梁，起著承上啟下的作用。2前言（二）特點：本課程教學(xué)過程中，強調(diào)學(xué)習(xí)理論知識和增長科研與開創(chuàng)性工作的能力；強調(diào)理解硬件與軟件的協(xié)調(diào)與實現(xiàn)的思路。目標(biāo)：掌握計算機的硬件系統(tǒng)的基本組成原理和簡單的設(shè)計技術(shù)。3內(nèi)容安排（總體）主要內(nèi)容：

1）數(shù)據(jù)運算與運算器部件2）指令系統(tǒng)與控制器部件

3）層次結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)4）輸入、輸出系統(tǒng)與設(shè)備4內(nèi)容安排（第一章）計算機系統(tǒng)概論從計算機的發(fā)展過程中介紹計算機的分類及應(yīng)用；通過一個程序的設(shè)計、運行介紹計算機系統(tǒng)的組成：軟件和硬件組成，詳細(xì)介紹軟件的各種分類和硬件組成的各部分的功能及一些基本概念；計算機系統(tǒng)的功能和層次結(jié)構(gòu)。目的：對計算機系統(tǒng)建立一個整體的、粗略的概念5內(nèi)容安排（第二章）運算方法和運算器計算機中數(shù)據(jù)和文字的表示方法：定點、浮點數(shù)，碼制，字符和字符串，漢字的表示，校驗碼定點加法、減法運算及其實現(xiàn)定點乘法、除法運算及其實現(xiàn)定點運算器的組成浮點運算方法和浮點運算器重點：運算中的數(shù)據(jù)表示及各種運算方法及其實現(xiàn)思想6內(nèi)容安排（第三章）存儲系統(tǒng)介紹存儲器的分類、存儲系統(tǒng)的分級結(jié)構(gòu)、主存的性能指標(biāo)；簡單介紹半導(dǎo)體存儲器芯片的構(gòu)成、工作原理及外部特性，重點介紹存儲器擴展技術(shù)；簡單介紹提高存儲速度的幾種技術(shù)，重點介紹高速緩存（cache）、虛擬存儲的工作原理和實現(xiàn)技術(shù)。

7內(nèi)容安排（第四章）指令系統(tǒng)簡單介紹指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求；介紹指令的一般格式：操作碼、操作數(shù)及指令長度；重點介紹指令和數(shù)據(jù)的尋址方式；簡單介紹常用兩種堆棧結(jié)構(gòu)：串聯(lián)堆棧和存儲器堆棧及其操作；簡單介紹典型指令系統(tǒng)中指令的分類及常用指令。

8內(nèi)容安排（第五章）中央處理器介紹CPU的功能和組成；通過具體例子介紹指令周期的概念，深入了解指令的執(zhí)行過程；簡單介紹時序產(chǎn)生器和控制方式；重點介紹微程序控制器的原理和設(shè)計技術(shù)簡單介紹幾種CPU實現(xiàn)技術(shù)：流水CPU、RISCCPU、多媒體CPU

9內(nèi)容安排（第六章）總線系統(tǒng)介紹總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài)及其對系統(tǒng)性能的影響；簡單介紹接口的基本概念重點介紹總線的仲裁、定時和數(shù)據(jù)傳送模式簡單介紹幾種典型總線

10內(nèi)容安排（第七章）外圍設(shè)備簡單介紹外圍設(shè)備的一般功能和分類；重點介紹CRT顯示器、打印設(shè)備、硬盤等外圍設(shè)備的一般原理。

11內(nèi)容安排（第八章）輸入輸出系統(tǒng)介紹輸入輸出的一般概念；介紹幾種信息交換的方式：程序中斷方式DMA方式12如何學(xué)好這門課給同學(xué)們提幾點建議:課程特點：

學(xué)習(xí)計算機硬件、軟件的工作原理與相關(guān)知識。課程特點:理論聯(lián)系實際非常緊密的課程,

課程內(nèi)容更新極快。觀念轉(zhuǎn)變（教師角色、學(xué)生地位的轉(zhuǎn)變）:

教師角色的轉(zhuǎn)變：

教師從原來以教師為中心的“講解者”的角色轉(zhuǎn)化為學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者、學(xué)生活動的導(dǎo)演者的角色。學(xué)生地位的轉(zhuǎn)變:

學(xué)生由原來單純聽講、接受灌輸?shù)谋粍拥匚晦D(zhuǎn)化為：有機的主動參與、發(fā)現(xiàn)、探究的主體地位;13媒體作用、教學(xué)過程的轉(zhuǎn)變:媒體作用的轉(zhuǎn)變：

教學(xué)媒體由教師的講解工具轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)知工具;教學(xué)過程的轉(zhuǎn)變:教學(xué)過程由傳統(tǒng)的邏輯分析或邏輯綜合,講解說明式的過程轉(zhuǎn)變?yōu)椋?以意義建構(gòu)理論指導(dǎo)下的教學(xué)過程, 并通過意義建構(gòu)形成自己的知識結(jié)構(gòu)， 從而獲得知識,掌握知識。14抓住教學(xué)過程中的3個環(huán)節(jié)上課時要主動參與、發(fā)現(xiàn)、探究將上課時的多媒體教案從教師手中轉(zhuǎn)化為自己的認(rèn)知工具，主動參與、發(fā)現(xiàn)、探究；課堂上會布置自學(xué)內(nèi)容，通過自學(xué)從而培養(yǎng)自學(xué)的能力；獨立完成作業(yè)同學(xué)之間相互交流，一起討論，但一定要獨立完成作業(yè)；實驗課前要預(yù)習(xí)，寫出預(yù)習(xí)報告，做到心中有數(shù)，有的放矢；實驗課后，要寫實驗報告，總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，提高自己分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)一種嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)作風(fēng)。15收獲與時間成正比

本課程理論聯(lián)系實際非常緊密，內(nèi)容更新極快。只能采用解剖麻雀方法，教師在這里只起到拋磚引玉的作用。

因此同學(xué)們學(xué)習(xí)過程中，要花時間去學(xué)習(xí)、思索、實踐，有機地將本專業(yè)的知識結(jié)合起來，構(gòu)成一個實際系統(tǒng)，解決實際問題。

收獲與時間成正比,花時間越多，收獲將越大。16學(xué)習(xí)方法很重要復(fù)習(xí)并掌握先修課的有關(guān)內(nèi)容課堂：聽講與理解、適當(dāng)筆記課后：認(rèn)真讀書、完成作業(yè)實驗：充分準(zhǔn)備、勇于實踐總成績＝考試成績＋實驗成績＋平時成績學(xué)習(xí)

要求17考核形式平時成績（作業(yè)＋實驗＋考勤）：30％期終考試：70％18知識就是力量。電子計算機是這種力量的放大器。而把人類知識予以擴大的機器也會把一切方面的力量予以擴大。

－－費根鮑姆（美）19愿同學(xué)們通過本課程學(xué)習(xí)在分析問題、解決問題的能力上有所提高！20Chapter1計算機系統(tǒng)的概論從計算機的發(fā)展過程中介紹計算機的分類及應(yīng)用；通過一個程序的設(shè)計、運行介紹計算機系統(tǒng)的組成：軟件和硬件組成，詳細(xì)介紹軟件的各種分類和硬件組成的各部分的功能及一些基本概念。（本章重點）計算機系統(tǒng)的功能和層次結(jié)構(gòu)。目的：對計算機系統(tǒng)建立一個整體的、粗略的概念211.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用電子計算機是一種不需要人工干預(yù)，能夠自動、高速、準(zhǔn)確地對各種信息進(jìn)行處理和存儲的電子設(shè)備。一、發(fā)展二、應(yīng)用一、發(fā)展與分類按信息的表示形式和處理方式分兩大類：模擬計算機和數(shù)字計算機，二者區(qū)別：比較內(nèi)容數(shù)字計算機模擬計算機數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0或1電壓計算方式數(shù)字計數(shù)電壓組合和測量值控制方式程序控制盤上連線精度高低數(shù)據(jù)存儲量大小邏輯判斷力強無23數(shù)字計算機分類按照適應(yīng)性分通用機和專用機：通用機適應(yīng)性強，但犧牲效率、速度和經(jīng)濟(jì)性；

專用機效率、經(jīng)濟(jì)、快速，但適應(yīng)性差。通用機又可根據(jù)其體積、功耗、存儲容量、指令系統(tǒng)、價格等性能分為：巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機和單片機。巨型機體積大、功耗大、性能指標(biāo)高、存儲容量大、指令系統(tǒng)復(fù)雜，價格也貴；單片機體積小，結(jié)構(gòu)簡單，性能指標(biāo)低，價格便宜。大型機、中型機、小型機、微型機的結(jié)構(gòu)、規(guī)模介于巨型機和單片機之間并依次遞減。2425世界上第一臺電子數(shù)字計算機1946.2.15ENIACElectronicNumericalIntegratorAndCalculator

ENIAC的設(shè)計開始于1943年,一直使用到1955年。計算機的產(chǎn)生和發(fā)展26ENIAC的特點：采用十進(jìn)制20個10位的累加器用開關(guān)手動編程18,000個電子管重30噸占地170平方米耗電140KW5,000次/秒加法運算用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程27世界上第一臺電子計算機ENIAC(1946)2840年代的編程方法293031硬件技術(shù)對計算機更新?lián)Q代的影響

100000000

超大規(guī)模集成電路

1978~現(xiàn)在

10000000

大規(guī)模集成電路

72~1977

1000000

中小規(guī)模集成電路65~1971

200000

晶體管58~1964

40000

電子管

46~1957

速度（次/秒）

硬件技術(shù)

時間代三四二一32第一臺vonNeumann系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機33IBMSystem／360

34最快的五臺超級計算機（截止到2003.06）1.IBM:Seaborg

6080個CPU最大平均速度7.304TF(1012)352.IBM:ASCIWhite8192個CPU最大平均速度7.304TF(1012)最快的五臺超級計算機（截止到2003.06）363.LinuxNetworX:MCRLinuxCluster最快的五臺超級計算機（截止到2003.06）2304個CPU最大平均速度7.634TF(1012)37最快的五臺超級計算機（截止到2003.06）4.HP:ASCI

Q

4096個CPU最大平均速度13.88TF(1012)38最快的五臺超級計算機（截止到2003.06）5.NEC:EarthSimulator

5120個CPU最大平均速度35.86TF(1012)39計算機的發(fā)展（2008年6月）今天公布了第31次全球超級計算機統(tǒng)計報告，正式宣告該產(chǎn)業(yè)從TFlops時代跨入PFlops每秒千萬億次運算。

在最新排行榜上高居第一的就是本月初剛剛完工的IBMRoadrunner，安放在美國能源部LosAlamos國家實驗室，由IBMPowerXCell3.2GHz和AMDOpteronDC1.8GHz兩種處理器組成，擁有122400個計算核心，最高性能1.026PFlops，峰值性能1.37578PFlops，功耗2345.5千瓦特。

（2008年8月）曙光5000”系統(tǒng)峰值運算速度達(dá)到每秒230萬億次浮點運算。躋身于世界超級計算機第十、亞洲第一的行列。40二、應(yīng)用科學(xué)計算：各種工程計算、天氣預(yù)報。自動控制：各行業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制。信息處理：銀行系統(tǒng)，廣泛采用金融終端；物資管理、財務(wù)管理等。CAD/CAM：教育和衛(wèi)生：CAI、遠(yuǎn)程教育；各種治療儀，如心腦電圖分析儀等。家用電器：微波爐、全自動洗衣機、電子玩具等。人工智能：機器人、專家系統(tǒng)等.41計算機的發(fā)展趨勢計算機的發(fā)展趨勢向著兩極分化：

微型計算機向更微型化、網(wǎng)絡(luò)化、高性能、多用途方向發(fā)展；巨型機向更巨型化、超高速、并行處理、智能化方向發(fā)展。42計算機發(fā)展的理論基礎(chǔ)和規(guī)律1、邏輯代數(shù)2、圖靈機：英國數(shù)學(xué)家圖靈證明理想的通用數(shù)字計算機是可以制造出來的?，F(xiàn)代通用數(shù)字計算機的數(shù)學(xué)模型3、馮.諾依曼計算機原理：二進(jìn)制存儲程序并按地址順序執(zhí)行(程序控制）4、Moore定律：微處理器內(nèi)晶體管數(shù)每18個月翻一番5、Bell定律：如果保持計算能力不變，微處理器的價格每18個月減少一半6、Gilder定律：

未來25年（1996年預(yù)言）里，主干網(wǎng)的帶寬將每6個月增加一倍7、Metcalfe定律：

網(wǎng)絡(luò)價值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比8、半導(dǎo)體存儲器發(fā)展規(guī)律：DRAM密度每年增加60%，每三年翻四倍9、硬盤存儲技術(shù)發(fā)展規(guī)律：

硬盤的密度每年增加約一倍43我國計算機技術(shù)的發(fā)展1953年開始研究，1958年研究出第一臺計算機，103型通用計算機50年來相繼研究出了第二代，第三代計算機。80年代研究出了每秒１億次的巨型機，銀河I,II,其他如曙光天演(清華BBS,學(xué)校高性能計算中心)。1985年6月，中國第一臺自行研制的微機長城0520研制成功，其廣告詞是：“一臺我們自己制造的能夠處理中文的電腦”。在高性能計算，并行計算上已緊跟國際先進(jìn)水平，但計算機的核心部件CPU技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。中科院研究開發(fā)的龍芯／GODSON44451.2

計算機系統(tǒng)的組成

一、計算機系統(tǒng)的軟件二、計算機系統(tǒng)的硬件回顧一個程序的運行

編寫程序——輸入程序（存儲）——運行

★無論是匯編語言程序還是高級語言程序其運行過程都離不開系統(tǒng)的軟件和硬件的支持。47計算機軟件——分類概念：凡是用于計算機的各種程序統(tǒng)稱為軟件。分類：系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序兩大類。系統(tǒng)程序：用來簡化程序設(shè)計，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能和用途。如：操作系統(tǒng)：用來管理計算機硬件、軟件資源，自動調(diào)度用戶的作業(yè)程序，使多個用戶能有效地共用一套系統(tǒng)。語言程序。如匯編程序、編譯程序等。各種服務(wù)性程序。如診斷程序、練習(xí)程序等。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。應(yīng)用程序：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序。如工程設(shè)計程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序等。48計算機軟件——發(fā)展以系統(tǒng)程序為例：手工編程——目的程序——無需系統(tǒng)程序匯編語言——匯編源程序——產(chǎn)生匯編程序算法語言——高級語言程序——編譯系統(tǒng)操作系統(tǒng)從無到有，到各種操作系統(tǒng)——分批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)、窗口操作系統(tǒng)等。49馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)---存儲程序馮·諾伊曼1946年首先提出：（1）計算機硬件有運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成。（2）計算機內(nèi)部采用二進(jìn)制來表示指令和數(shù)據(jù)。（3）編好的程序和原始數(shù)據(jù)實現(xiàn)存入存儲器，然后再啟動計算機工作。50諾依曼計算機的工作原理可概述為：“存儲程序”+“程序控制”要點：1．以二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令(程序)2.先將程序存入存儲器中，再由控制器自動讀取并執(zhí)行3.由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)：51輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備

CPU

存儲器運算器ALU計算機硬件——系統(tǒng)組成52輸入設(shè)備運算器控制器輸入信息輸出設(shè)備輸出信息讀出讀出外存儲器寫入內(nèi)存儲器寫入取出指令數(shù)據(jù)信息控制信息微型計算機CPU+內(nèi)存+I/O接口外圍設(shè)備中央處理器CPU53計算機硬件——存儲器功能：用來存儲程序或數(shù)據(jù)。幾個基本概念：存儲容量：存儲器所能存放的二進(jìn)制代碼的位數(shù)。通常用字節(jié)數(shù)表示，如40GB、1.4MB等。存儲單元、單元地址、單元內(nèi)容

●存儲一定位數(shù)二進(jìn)制代碼的電路，稱為存儲單元。

●每個存儲單元的編號，稱為單元地址。控制器根據(jù)地址訪問存儲單元。

●構(gòu)成存儲單元電路的各觸發(fā)器的狀態(tài)值，就是單元的內(nèi)容。內(nèi)存、外存注意：單元內(nèi)容和單元地址都是用二進(jìn)制代碼表示54計算機硬件——運算器功能：完成算術(shù)邏輯運算。組成：核心是算術(shù)邏輯運算單元ALU，另外還包含累加器和一些寄存器。典型結(jié)構(gòu)示意圖：其內(nèi)部工作原理和實現(xiàn)方法在第二章詳細(xì)介紹。55計算機硬件——控制器(1)功能：整個計算機的指揮中心。它發(fā)布各種操作命令控制計算機的各部件有條不紊地進(jìn)行工作。涉及的幾個概念：

■指令、程序

●計算機要完成的每一個基本操作就叫一條指令。

●為解決某一問題按一定順序排列的一串指令序列叫做程序。

■存儲程序：將程序存放到存儲器中。

存儲程序并按地址順序執(zhí)行是馮諾依曼型計算機的主要思想。56計算機硬件——控制器(2)■取指周期、執(zhí)行周期

●控制器從存儲器取指令的一段時間稱為取指周期。

●把執(zhí)行指令的一段時間稱為執(zhí)行周期?？刂破骶褪峭ㄟ^反復(fù)地取指——執(zhí)行指令——取指來實現(xiàn)程序的運行?！鰯?shù)據(jù)流、指令流

●在取指階段，從內(nèi)存讀出的信息為指令流；

●在執(zhí)行指令階段，訪問存儲器流動的信息為數(shù)據(jù)流。57計算機硬件——輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式變換成機器內(nèi)部所能接收和識別的二進(jìn)制信息形式。如：鍵盤、掃描儀等。輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換成為人或其它機器設(shè)備所能接收和識別的信息形式。如顯示器、打印機、繪圖儀等。輸入輸出設(shè)備統(tǒng)稱外設(shè)。58計算機硬件——適配器相當(dāng)于一個轉(zhuǎn)換器，它可以保證外設(shè)用計算機系統(tǒng)所要求的形式發(fā)送或接收信息。不同類型的外設(shè)有不同的適配器，使得被連接的外設(shè)通過總線與主機進(jìn)行聯(lián)系，以便于主機和外設(shè)并行協(xié)調(diào)地工作。如：顯卡、網(wǎng)卡等。59計算機硬件——系統(tǒng)總線連接計算機系統(tǒng)各部件并進(jìn)行相互間數(shù)據(jù)傳送的公共通道。是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架。計算機系統(tǒng)中有很多種總線，總線的接口、控制等內(nèi)容在第六章詳細(xì)介紹。60計算機的硬件和軟件計算機硬件軟件微型計算機外圍設(shè)備----系統(tǒng)軟件程序設(shè)計語言應(yīng)用軟件、軟件包、數(shù)據(jù)庫微處理器內(nèi)存儲器輸入/輸出接口電路系統(tǒng)總線運算器控制器RAMROM數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線鍵盤/顯示器、打印機、磁帶機、磁盤機、D/A、A/D轉(zhuǎn)換器監(jiān)控程序、操作系統(tǒng)匯編程序解釋程序編譯程序機器語言匯編語言高級語言61（1）硬件是基礎(chǔ)，軟件依賴于硬件的存在而發(fā)生作用。（2）軟件是靈魂，是硬件功能的擴充和完善。（3）硬件和軟件相互滲透，相互促進(jìn)，并可以相互轉(zhuǎn)化。軟硬件之間的相互關(guān)系62計算機的工作原理是：“存儲程序”+“程序控制”CPU總線內(nèi)存標(biāo)志寄存器地址總線AB程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址譯碼器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3、、、指令寄存器數(shù)據(jù)暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器IP631.3計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一、多級組成的計算機系統(tǒng)二、軟件與硬件的邏輯等價性一般用戶觀察到的計算機硬件系統(tǒng)65

專業(yè)用戶觀察到的計算機硬件系統(tǒng)66層次結(jié)構(gòu)——引言計算機系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，通過配置軟件擴充功能，形成一個復(fù)雜的有機組合的系統(tǒng)。分層目的：采用一種層次結(jié)構(gòu)的觀點去分析、設(shè)計，即將計算機系統(tǒng)從不同的角度分為若干級或若干層，以便根據(jù)需要，針對相應(yīng)層次去觀察分析計算機的組成、性能和工作機理，或進(jìn)行設(shè)計。按照這種結(jié)構(gòu)化的設(shè)計策略，系統(tǒng)易于構(gòu)造、調(diào)試、維護(hù)和擴充。兩種分法：

從硬、軟件組成角度劃分從語言功能角度劃分67硬、軟件組成層次結(jié)構(gòu)圖自下而上：反映了計算機系統(tǒng)