組成原理第一講入門

第一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三同學們好！2第二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三課程的目的與任務本課程是計算機科學與技術專業(yè)的一門主要的技術基礎課。通過本課程的學習，使學生掌握單臺計算機硬件系統(tǒng)的組成、各主要部件的結構和工作原理，了解計算機運算器、控制器、主存儲器和輸入輸出系統(tǒng)的基本設計方法，為學習后繼課程準備必要的硬件知識。先修課：數(shù)字邏輯，匯編語言，計算機導論后繼課：操作系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)結構，微計算機技術，接口技術，3第三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三參考書徐愛萍.計算機組成原理—習題與解析.清華大學出版社WilliamStallings.ComputerOrganizationandArchitecture:DesigningforPerformance，5thedition.Prentice-Hall,Inc.2000電子工業(yè)出版社/COA/COA7e.html相關網(wǎng)站，看看吧，也許有收獲……/en-us/http://www.tomshardware.co.uk//CIC/http://www.microprocessor.sscc.ru//wiki/Multi-core_(computing)王愛英.計算機組成與結構.清華大學出版社4第四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三課程的基本要求1．了解計算機硬件系統(tǒng)的基本組成。2．掌握數(shù)據(jù)在計算機中的表示方法。3．掌握定點補碼加減法運算、浮點加減法運算的原理。4．了解定點乘除法運算和浮點乘除法運算的原理。5．掌握運算器的工作原理。6．掌握主存儲器的結構、工作原理和設計方法。7．掌握指令格式、尋址方式和指令系統(tǒng)的設計方法。8．掌握CPU的組成、工作原理和微程序控制器的設計方法。9．熟悉輔助存儲器的工作原理和結構。10．掌握輸入輸出系統(tǒng)的工作原理、中斷和DMA傳送的概念。11．了解數(shù)據(jù)校驗碼的原理12．了解主要輸入/輸出設備的工作原理和結構。13．熟悉總線的概念和總線結構。14．掌握存儲系統(tǒng)的層次結構和Cache的概念。5第五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三“計算機組成原理”是計算機專業(yè)的最重要的專業(yè)基礎課之一。具有難度大、知識點多的特點。在本門課程的教學中：教學內(nèi)容的順序可能與教材不同適當補充一些教材中沒有的新內(nèi)容部分內(nèi)容不在課堂上講述，請同學們自學為了學好本門課程，要求：1．上課認真聽講，記筆記，不說話。2．課后抓緊時間閱讀教材的有關內(nèi)容，認真做作業(yè)。3．每章講完后及時歸納要點，抓住“三基”。（基本概念，基本原理，基本方法）4．在學習中有問題，抓住課間時間問老師。同學之間互相交流。注意：各章內(nèi)容相對獨立，把問題留到后面將積累地越來越多。5．注意積累英文的專業(yè)術語，提高專業(yè)英語閱讀能力。6．認真做實驗，必須預習實驗。7．“數(shù)字邏輯”的知識對本課程很重要，應抓緊復習。第六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三第一章計算機系統(tǒng)概論Computerdesignisconcernedwiththehardwaredesignofthecomputer.Oncethecomputerspecificationsareformulated,itisthetaskofthedesignertodevelophardwareforthesystem.Computerdesignisconcernedwiththedeterminationofwhathardwareshouldbeusedandhowthepartsshouldbeconnected.Chapter1Introduction7第七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三Thebasicfunctionsthatacomputercanperformare:Dataprocessing,Datastorage,Datamovement,ControlWhatisaComputer?電子數(shù)字計算機ElectronicDigitalComputer機電計算機電子模擬計算機機械計算機Computers:Havelimitedcapabilities.Canonlydobasicmathematicsandlogicalcomparisons.Mustbeinstructedwithprogramswhattodo.Acomputerisanelectronicmachinethatacceptsdata(input),manipulatesthedataaccordingtosomerules(process),produceresults(output)andstorestheresultsforfutureuse(storage).8第八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三Computer計算機硬件系統(tǒng)的基本組成主機主存儲器運算器控制器輸入設備輸出設備控制命令數(shù)據(jù)指令結果數(shù)據(jù)程序地址輸入設備和輸出設備統(tǒng)稱為外部設備（Peripheral）或外圍設備在計算機的工作過程中，有多種信息在流動：數(shù)據(jù)流，指令流，地址流，控制流。存儲器處于機器的中心9第九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三馮·諾伊曼計算機馮·諾伊曼（VonNeumann）馮·諾伊曼計算機的主要特點：1.計算機硬件系統(tǒng)由運算器、控制器、主存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。2.程序存儲。3.采用二進制運算。4.一維線性結構的存儲器組織。5.串行計算。存儲程序計算機TheVonNeumannarchitectureisadesignmodelforastored-programdigitalcomputerthatusesaprocessingunitandasingleseparatestoragestructuretoholdbothinstructionsanddata.Astored-programdigitalcomputerisonethatkeepsitsprogrammedinstructions,aswellasitsdata,inread-write,random-accessmemory.便于數(shù)據(jù)的表示，有兩個穩(wěn)定狀態(tài)的器件容易找到運算規(guī)則簡單10第十頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三在馮·諾伊曼計算機上解題，首先要建立數(shù)學模型，提出算法，編制解題程序。預先將程序和數(shù)據(jù)順序保存在存儲器中。計算機自動從存儲器中逐條取出指令執(zhí)行。馮·諾伊曼計算機主機MainMemoryALUControlUnitInputDevicesOutputDevicesControlSignalDataInstructionResultDataProgramAddress11第十一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三VonNeumannMachineInmostmoderncomputers,throughputismuchsmallerthantherateatwhichtheCPUcanwork.ThisseriouslylimitstheeffectiveprocessingspeedwhentheCPUisrequiredtoperformminimalprocessingonlargeamountsofdata.TheseparationbetweentheCPUandmemoryleadstotheVonNeumannbottleneck,thelimitedthroughput(datatransferrate)betweentheCPUandmemorycomparedtotheamountofmemory.Stored-programcomputerswereanadvancementovertheprogram-controlledcomputersofthe1940s,suchastheColossusandtheENIAC,whichwereprogrammedbysettingswitchesandinsertingpatchleadstoroutedataandtocontrolsignalsbetweenvariousfunctionalunits.TheCPUiscontinuouslyforcedtowaitforneededdatatobetransferredtoorfrommemory.12第十二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三控制器+運算器→中央處理器CentralProcessingUnit，簡稱CPUCPUACentralProcessingUnit(CPU),orsometimesjustcalledprocessor,isadescriptionofaclassoflogicmachinesthatcanexecutecomputerprograms.Thetermitselfanditsinitialismhavebeeninuseinthecomputerindustryatleastsincetheearly1960s.Theform,designandimplementationofCPUshavechangeddramaticallysincetheearliestexamples,buttheirfundamentaloperationhasremainedmuchthesame.中央處理器是計算機的核心部件13第十三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三把CPU的大部分邏輯都集成在一個半導體集成電路芯片上，稱為微處理器（Microprocessor，簡稱MPU）MicroprocessorPreviousgenerationsofCPUswereimplementedasdiscretecomponentsandnumeroussmallintegratedcircuits(ICs)ononeormorecircuitboards.Microprocessors,ontheotherhand,areCPUsmanufacturedonaverysmallnumberofICs;usuallyjustone.TheoverallsmallerCPUsizeasaresultofbeingimplementedonasinglediemeansfasterswitchingtimebecauseofphysicalfactorslikedecreasedgateparasiticcapacitance.Thishasallowedsynchronousmicroprocessorstohaveclockratesrangingfromtensofmegahertztoseveralgigahertz.Additionally,astheabilitytoconstructexceedinglysmalltransistorsonanIChasincreased,thecomplexityandnumberoftransistorsinasingleCPUhasincreaseddramatically.14第十四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三DieofanIntel80486DX2microprocessorinitspackaging(actualsize:12×6.75mm)第十五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三單片計算機（SingleChipMicrocomputer，簡稱單片機）是把計算機的主機（除少數(shù)幾個元件外）以及一些輸入輸出接口電路集成在一個半導體集成電路芯片上。單片機主機MainMemoryALUControlUnitInputDevicesOutputDevicesControlSignalDataInstructionResultDataProgramAddress16第十六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三雙核處理器在一個芯片上集成了2個獨立的CPU。Amulti-coreCPU(orchip-levelmultiprocessor,CMP)combinestwoormoreindependentcoresintoasinglepackagecomposedofasingleintegratedcircuit(IC),calledadie,ormorediespackagedtogether.Adual-coreprocessorcontainstwocores,andaquad-coreprocessorcontainsfourcores.Amulti-coremicroprocessorimplementsmultiprocessinginasinglephysicalpackage.Aprocessorwithallcoresonasingledieiscalledamonolithicprocessor.Each"core"independentlyimplementsoptimizationssuchassuperscalarexecution,pipelining,andmultithreading.Asystemwithncoresiseffectivewhenitispresentedwithnormorethreadsconcurrently.DualCoreProcessor17第十七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三計算機的發(fā)展馮·諾伊曼計算機的發(fā)展經(jīng)歷了四個主要階段，稱為Generation劃分“代”的標志是計算機所采用的邏輯元件的進步。Firstgeneration，Thevacuumtubeage(真空管計算機)Secondgeneration，Thetransistorage(晶體管計算機)Thirdgeneration，Theintegratedcircuitage(集成電路計算機)小規(guī)模集成電路SSI，中規(guī)模集成電路MSIFourthgeneration，Themicroprocessorage(large-scaleintegratedcircuitage)大規(guī)模集成電路計算機大規(guī)模集成電路LargeScaleIntegratedcircuits/LSI，VLSI，ULSI18第十八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三計算機的發(fā)展馮·諾伊曼計算機的發(fā)展經(jīng)歷了四個主要階段，稱為Generation劃分“代”的標志是計算機所采用的邏輯元件的進步。未來的計算機：光學計算機，超導計算機，DNA計算機，量子計算機，……非馮·諾伊曼計算機Fifthgeneration(1991-)Theageofconnectivity19第十九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三1957年，試制成功第一臺國產(chǎn)電子計算機JS—1機。1965年，自制第一臺晶體管計算機109B。1971年，研制了一批集成電路計算機DJS150。1983年，研制成功“銀河Ⅰ”巨型機。1億次/秒1992年，研制成功“銀河Ⅱ”巨型機。中國——計算機的發(fā)展1995年，研制成功“曙光1000”服務器。25億次/秒2008年，“曙光5000A”高性能計算機。230萬億次/秒2010年，“曙光星云”。千萬億次/秒20第二十頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三計算機的主要應用領域DomainofApplication科學計算ScientificComputing數(shù)據(jù)處理DataProcessing計算機控制ComputerControl計算機輔助設計/制造CAD/CAM人工智能ArtificialIntelligence娛樂Entertainment嵌入式應用EmbeddedApplications21第二十一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三計算機的分（型）類巨型機Supercomputer大型機MainframeComputer小型機Minicomputer微型機Microcomputer臺式機Desktop便攜機NotebookLaptop掌上機HandheldPalmPDA（PersonalDigitalAssistants）PC機PersonalComputer系列機：一個廠家生產(chǎn)的，具有相同的系統(tǒng)結構，但性能、組成和實現(xiàn)不同的一系列型號不同的機器。工作站W(wǎng)orkstation服務器Server中型機？22第二十二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三在表示二進制數(shù)的長度和二進制形式的代碼長度時，經(jīng)常用到的單位是：bit，Byte和Word。bit，Byte和Wordbit指的是二進制數(shù)的位（或譯作“比特”），縮寫是b。

Byte是計算機中表示數(shù)據(jù)長度的一個標準單位：字節(jié)（或譯作“拜特”），縮寫是B。1Byte=8bits。現(xiàn)代計算機的數(shù)據(jù)字的長度都是字節(jié)的整數(shù)倍。在計算學科中，字Word并沒有標準的長度。例如，某16位計算機可以定義一個字的長度為16位，32位的字被稱為雙字。而某32位計算機可以定義一個字的長度為32位，16位的字被稱為半字。23第二十三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三計算機的主要性能指標1.字長（WordLength）計算機的字長又稱為機器字長，指的是運算器能同時計算的二進制數(shù)的位數(shù)。計算機的字長與ALU的位數(shù)相同。CPU內(nèi)的通用寄存器的位數(shù)與計算機的字長相同。字長32位的計算機被稱為32位機。存儲器的字長指的是一個存儲單元可以保存的二進制數(shù)的位數(shù)。存儲器的字長與計算機的字長不一定相同?，F(xiàn)代計算機的存儲器字長都是字節(jié)長度的整數(shù)倍。指令字長指的是用二進制位數(shù)表示的一條指令的長度。計算機的指令可以是固定長度的，也可以是可變長度的。指令字長與機器字長不一定相同?，F(xiàn)代計算機的指令字長多為字節(jié)長度的整數(shù)倍。24第二十四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三2.計算機的運算速度計算機的速度可以有多種不同的表示方法。如，每秒鐘執(zhí)行的指令條數(shù)，每秒鐘可以完成的加法運算的次數(shù)，計算機的主頻等。MIPS是每秒鐘執(zhí)行的百萬條指令數(shù)MillionInstructionsperSecond由于指令系統(tǒng)中的不同類型的指令的執(zhí)行時間可能是不一樣的，不能籠統(tǒng)地說“每秒鐘執(zhí)行多少條指令”。所以，有用“每秒鐘執(zhí)行多少條加法指令”來表示計算機的運算速度的?；蛘吒鶕?jù)不同類型的指令在程序中出現(xiàn)的頻度的加權平均得到“每秒鐘平均執(zhí)行多少條指令”。計算機的主頻一般指CPU的時鐘（frequencyofsystemclock）頻率。由于不同計算機的一個機器周期包含的時鐘脈沖數(shù)往往是不同的，一個指令周期包含的機器周期數(shù)也是不同的，所以，不能簡單地認為主頻高的機器速度就一定快。MFLOPS是每秒鐘執(zhí)行的百萬次浮點運算數(shù)MillionFloating-pointOperationsperSecond25第二十五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期三計算機系統(tǒng)的組成計算機軟件（Software）主要是一系列按照特定順序組織的計算機數(shù)據(jù)和指令的集合。計計算機系統(tǒng)由計算機硬件和計算機軟件組成。計算機硬件（Hardware）是指構成計算機的所有實體