组成1计算机系统概论

1、计算机组成原理计算机组成原理Fundamentals of Computer Organization邵邵 时时20161本课程学习目标本课程学习目标 掌握计算机各部件基本组成及整机的结构原理；掌握计算机各部件基本组成及整机的结构原理； 掌握计算机系统软硬件工作原理；掌握计算机系统软硬件工作原理； 学会分析的方法，能对计算机工作原理进行分学会分析的方法，能对计算机工作原理进行分 析，并得出结论；析，并得出结论； 掌握设计的基本方法，能根据要求进行一般设掌握设计的基本方法，能根据要求进行一般设 计；计； 研究提高计算机性能的方法。研究提高计算机性能的方法。20162参考书目参考书目辅助教材：辅助

2、教材： 唐朔飞唐朔飞：计算机组成原理（第计算机组成原理（第2 2版）版），高等教育出版社，高等教育出版社，1999.101999.10 参考教材：参考教材： 白中英白中英：计算机组成原理计算机组成原理科学出版科学出版社，社，2008.12008.120163课程考核和成绩评定课程考核和成绩评定2016 4 课程成绩评定方法：课程成绩评定方法：阶段测试一阶段测试一 ：20% 20% （1 14 4章章）阶段测试二阶段测试二 ：40% 40% （5 57 7章章） 实验（实验（3 3个）：个）：30% 30% 作业作业 ：10%10% 第第1 1章章 计算机系统概论计算机系统概论20165第第1

3、1章章 计算机系统概论计算机系统概论201661.1 1.1 计算机硬件的主要组成计算机硬件的主要组成1.2 1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构第第1 1章章 计算机系统概论201671.1 1.1 计算机硬件的主要组成计算机硬件的主要组成201681.1 1.1 计算机硬件的主要组成计算机硬件的主要组成 一、概述一、概述世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 埃尼阿克（埃尼阿克（ENIACENIAC） 19461946年，美国物理学家莫奇利年，美国物理学家莫奇利( (John Mauchly)John Mauchly)博士博士 埃克特博士埃克特博士( (J.Presper

4、 Eckert)J.Presper Eckert)等人等人在宾夕法尼亚大学设计制造在宾夕法尼亚大学设计制造为计算机和信息产业的发展奠定了基础，它在美国为计算机和信息产业的发展奠定了基础，它在美国陆军弹道研究所运行了约十年。陆军弹道研究所运行了约十年。工程师埃克特在当时年仅工程师埃克特在当时年仅2424岁岁 第1章 计算机系统概论20169一、概述201610一、概述世界上第一台具有存储程序功能的计算机世界上第一台具有存储程序功能的计算机 埃德瓦克（埃德瓦克（EDVACEDVAC）由曾担任由曾担任ENIACENIAC小组顾问的美籍匈牙利数学家小组顾问的美籍匈牙利数学家冯冯诺依曼诺依曼( (Von

5、Neumann)VonNeumann)博士领导设计。博士领导设计。冯冯诺依曼提出：诺依曼提出：存储程序存储程序和和程序控制程序控制的理论的理论确立确立计算机硬件计算机硬件由由输入部件输入部件、输出部件输出部件、运算器运算器、存储器存储器、 控制器控制器五个基本部件组成的基本结构和组成的思想五个基本部件组成的基本结构和组成的思想奠定了现代计算机的理论基础。奠定了现代计算机的理论基础。201611一、概述冯冯诺依曼诺依曼( (VonNeumann)VonNeumann)博士博士计算机发展至今，整个计算机发展至今，整个四 代 计 算 机 统 称 为四 代 计 算 机 统 称 为冯冯诺依曼结构计算机，

6、诺依曼结构计算机，世人也称冯世人也称冯诺依曼为诺依曼为“计算机鼻祖计算机鼻祖”。 201612一、概述冯冯. .诺依曼计算机结构特点：诺依曼计算机结构特点：基本设计思想是基本设计思想是存储程序存储程序和和程序控制程序控制存储程序存储程序 事先将程序(包含指令和数据)以二进制形式存入存储器中，计算机在运行程序时自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行。 程序控制程序控制 采用控制流(指令流)驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令，然后根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。因此在执行程序的过程中，始终以控制信息流为驱动工作的因素，而数据信息流则是被动地被调用处理。 201613一、概述

7、 非诺依曼化非诺依曼化 到目前为止，绝大多数计算机仍沿用冯诺依曼型计算机结构 传统的冯诺依曼型计算机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使相应数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列。 而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理。 因此，近年来人们谋求突破传统冯诺依曼体 制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。201614一、概述对所谓非诺依曼化的探讨仍在争议中，一般认为它对所谓非诺依曼化的探讨仍在争议中，一般认为它表现在以下三个方面的努力：表现在以下三个方面的努力： 在冯诺依曼体制范畴内，对传统冯诺依曼 机进行改造，如： 采用多个处理部件形成流水处理，依靠时 间上的重叠提高处理效率； 组成阵列

8、机结构，形成单指令流多数据流， 提高处理速度。 这些方向已比较成熟，成为标准结构。201615一、概述 用多个冯诺依曼机组成多机系统，支持并行算 法结构。这方面的研究一直比较活跃； 从根本上改变冯诺依曼机的控制流驱动方式。 例如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算 机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并 行地执行。这是真正非诺依曼化的计算机，它 为并行处理开辟了新的前景，但由于控制的复 杂性，仍处于实验探索之中。201616二、计算机基本功能二、计算机基本功能 数据传送数据传送 数据存储数据存储 数据处理数据处理 控制控制1.1 计算机硬件的主要组成201617二、计算机基本功能 数据传送装

9、置数据传送装置 数据存储装置数据存储装置 数据处理装置数据处理装置 控制机构控制机构 数据来源数据来源 数据来源：数据来源： 数据来自直接与计算机连接的设备 输入/输出 数据来自远方设备 数据通信 控制器根据指令管理计算机的资源，并协调各功能部件的操作控制器根据指令管理计算机的资源，并协调各功能部件的操作201618二、计算机基本功能 数据传送装置数据传送装置 数据存储装置数据存储装置 数据处理装置数据处理装置 控制机构控制机构 数据来源数据来源 2016191.1 计算机硬件的主要组成三、计算机的硬件结构三、计算机的硬件结构计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和计算机硬件由控制器、运

10、算器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成输出设备五部分组成201620三、计算机的硬件结构计算机基本部件互联框图计算机基本部件互联框图 P9图1-2 运算器和控制器合称中央处理器 （Central Processing Unit，CPU） CPU与存储器(内存储器)合称为主机 输入设备和输出设备合称为外部设备201621三、计算机的硬件结构总线连接方式总线连接方式201622三、计算机的硬件结构运算器运算器 功能：功能： 数据加工部件，完成二进制算术运算及逻辑运算数据加工部件，完成二进制算术运算及逻辑运算 运算器的组成部件：运算器的组成部件： ALU算术逻辑运算单元（运算器的核心部件） 通用

11、寄存器暂存数据 专用寄存器： 程序计数器（PC） 状态条件寄存器（PSW）等多个，统一多个，统一 编址编址运算器的位数越多，计算的精度就越高，但是所费的运算器的位数越多，计算的精度就越高，但是所费的电子器件也越多，成本相应就高，目前计算机的运算电子器件也越多，成本相应就高，目前计算机的运算长度一般为长度一般为8 8位、位、1616位、位、3232位或位或6464位。位。201623三、计算机的硬件结构2. 2. 控制器控制器 功能：功能： 是整个计算机的指挥系统，通过指令译码产生各操作控 制信号，控制和协调各部件有条不紊地工作。指令控制指令控制按序执行指令；操作控制操作控制根据指令译码产生各操

12、作控制信 号，控制各部件工作；时间控制时间控制对各类操作实施时间上的约束， 使各部件有序工作； 中断处理和异常处理。中断处理和异常处理。 在控制器的控制下，将程序和原始数据送入内存；在控制器的控制下，将程序和原始数据送入内存；控制运算器、存储器等部件实现自动计算和处理，并将结果控制运算器、存储器等部件实现自动计算和处理，并将结果 送到输出设备；送到输出设备； 控制内存与外存之间的信息交换；控制内存与外存之间的信息交换； 控制随机事件的处理。控制随机事件的处理。201624三、计算机的硬件结构3. 3. 存储器存储器 功能：功能： 存储以二进制形式表示的数据和指令存储以二进制形式表示的数据和指令

13、 指令指令计算机操作的依据计算机操作的依据 数据数据操作的对象操作的对象选择合适的记忆介质选择合适的记忆介质 具有两个稳定的状态具有两个稳定的状态 两个状态可快速转换两个状态可快速转换 存储介质：存储介质： 半导体器件半导体器件 磁性记录介质磁性记录介质 光存储介质光存储介质2016253. 存储器 存储器设计目标：存储器设计目标： 速度快、容量大、成本低速度快、容量大、成本低 为解决容量与成本的矛盾为解决容量与成本的矛盾 将存储器分为内存和外存储器将存储器分为内存和外存储器内存储器内存储器：由半导体存储器构成由半导体存储器构成 特点：速度快、但成本高特点：速度快、但成本高 存放正在运行和处理

14、的程序和数据存放正在运行和处理的程序和数据外存储器外存储器：由磁盘、磁带、光盘、由磁盘、磁带、光盘、U U盘（基于盘（基于flashflash的的 可移动存储卡）等构成可移动存储卡）等构成 特点：容量大、成本低、可脱特点：容量大、成本低、可脱 机保存信息机保存信息 存放暂时不用的程序和数据存放暂时不用的程序和数据 外存通过接口、总线连接内存外存通过接口、总线连接内存2016263. 存储器 存储器设计目标：存储器设计目标： 速度快、容量大、成本低速度快、容量大、成本低 为解决速度与成本的矛盾为解决速度与成本的矛盾 将内存储器分为主存和将内存储器分为主存和CacheCache CacheCach

15、e：即高速缓冲存储器，由速度更快的半导体存储芯：即高速缓冲存储器，由速度更快的半导体存储芯 片构成，以便与片构成，以便与CPUCPU速度匹配；速度匹配； 因为价格较高，所以容量较小；因为价格较高，所以容量较小； 作为主存的一个副本存放作为主存的一个副本存放CPUCPU最近经常访问的一最近经常访问的一 些信息。些信息。 将存储器根据容量、速度、成本要求分为若干将存储器根据容量、速度、成本要求分为若干 层次，构成存储器系统。层次，构成存储器系统。 层次化结构层次化结构： CacheCache、主存、外存、主存、外存2016273. 存储器 CPU 寄存器寄存器 Cache Cache 主 存 外

16、存 存储器层次化结构：存储器层次化结构： 主存储器结构主存储器结构主存储器一般由半导体器件构成主存储器一般由半导体器件构成存储元存储元：存储信息最基本的单元，记忆一位二进制数码（存储信息最基本的单元，记忆一位二进制数码（0 0或或1 1）（）（bitbit）存储单元存储单元：存取信息最基本的单元，由若干存储元组成，一个存储单元可存：存取信息最基本的单元，由若干存储元组成，一个存储单元可存 储一个字储一个字(Word)(Word)或一个字节或一个字节(Byte,(Byte,简称简称B)B)。 微机中一个存储单元通常存放一个字节的二进制信息微机中一个存储单元通常存放一个字节的二进制信息 一个存储单

17、元也可以是一个存储单元也可以是1616位、位、3232位、位、6464位等位等 存储器编址：存储器编址： 存储器中每个存储单元都有一个编号，称为存储器中每个存储单元都有一个编号，称为地址地址。 向存储器中写数或者从存储器中读数，都是按给定的地址来寻向存储器中写数或者从存储器中读数，都是按给定的地址来寻 找所选的存储单元。找所选的存储单元。 微机一般以字节编址微机一般以字节编址 201628三、计算机的硬件结构三、计算机的硬件结构 4.4.输入输出设备输入输出设备 功能：功能： 输入设备输入设备把人们熟悉的某种形式变换为机把人们熟悉的某种形式变换为机 器内部所能接收和识别的二进制器内部所能接收和

18、识别的二进制 信息形式，送入计算机；信息形式，送入计算机； 输出设备输出设备把计算机处理的结果变换为人或把计算机处理的结果变换为人或 其它机器设备所能接收和识别的其它机器设备所能接收和识别的 信息形式输出。信息形式输出。 外设种类繁多，性能各一，需通过接口（外设种类繁多，性能各一，需通过接口（适配适配 器）器）与主机相连。与主机相连。 外围设备的基本分类外围设备的基本分类 输入设备输入设备键盘、光笔、鼠标器、语音输入器、扫描仪、触摸键盘、光笔、鼠标器、语音输入器、扫描仪、触摸 屏、图像输入设备等；屏、图像输入设备等； 输出设备输出设备显示设备、打印机、音箱、绘图仪等；显示设备、打印机、音箱、绘

19、图仪等； 外存设备外存设备磁盘、磁带、光盘、优盘等磁盘、磁带、光盘、优盘等 数据通信设备数据通信设备 过程控制设备过程控制设备 201629内存条插槽内存条插槽CPU风扇支架风扇支架PCI扩展槽扩展槽IDE硬盘接口硬盘接口CPU插槽插槽四、计算机系统的主要技术指标四、计算机系统的主要技术指标 1. 1. 字长字长 指CPU中ALU一次能处理的二进制数据的位数； 或者CPU与输入/输出设备、存储器之间一次传送二进制 数据的位数。 通常CPU的数据总线以及运算器的位数同计算机的字长一 致。 计算机的字长同处理能力和计算精度有关。 对于字长短的计算机，为了提高计算精度，可采用多字节的 数据结构，用多

20、个字节表示一个数2016301.1 计算机硬件的主要组成201631四、计算机系统的主要技术指标2. 2. 运算速度运算速度以每秒能执行的指令条数来表示（平均数值），用以以每秒能执行的指令条数来表示（平均数值），用以衡量计算机的性能。衡量计算机的性能。单位单位：MIPS （Million Instruction Per Second，每秒每秒 百万条指令）百万条指令）MFLOPS（Million Floating-point Operations per Second，每秒百万个浮点操作每秒百万个浮点操作) )201632四、计算机系统的主要技术指标3. 3. 存储容量存储容量 微机中，存储器

21、容量常以字节为单位计量微机中，存储器容量常以字节为单位计量 存储器中所有存储单元的总数称为存储器的存储器中所有存储单元的总数称为存储器的存储容量存储容量 常用单位有：常用单位有：KB(Kilo Byte)KB(Kilo Byte) MB(Mega Byte)MB(Mega Byte) GB(Giga Byte)GB(Giga Byte) TB(Tera Byte)TB(Tera Byte)。 主存最大容量由系统地址总线的位数决定主存最大容量由系统地址总线的位数决定201633四、计算机系统的主要技术指标4. 4. 主频主频 指指CPUCPU的时钟频率，单位为的时钟频率，单位为MHzMHz、GH

22、zGHz等等 主频是计算机工作的时间基准，主频的高低在很主频是计算机工作的时间基准，主频的高低在很 大程度上决定了计算机的运算速度（但不是唯一大程度上决定了计算机的运算速度（但不是唯一 因素）因素） 目前高档微机的主频都为目前高档微机的主频都为GHzGHz级级第第1 1章章 计算机系统概论计算机系统概论2016341.1 1.1 计算机硬件的主要组成计算机硬件的主要组成1.2 1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2 1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构从计算机语言角度出发，可以把计算机系统看成为由多级虚拟计从计算机语言角度出发，可以把计算机系统看成为由多级虚拟计算机

23、组成的多层次结构。算机组成的多层次结构。 P17P17图图1-31-3：201635 高级语言级高级语言级 汇编语言级汇编语言级 操作系统级操作系统级 机器机器语言语言级级 微程序级微程序级 L5 L4 L3 L2 L1 编译程序编译程序 汇编程序汇编程序 操作系统操作系统 指令系统指令系统 微程序微程序 L0 逻辑实现逻辑实现 逻辑门实现逻辑门实现 从语言功能层次进行划分，引入虚拟机概念，从语言功能层次进行划分，引入虚拟机概念， 有助于了解计算机和设计计算机。有助于了解计算机和设计计算机。 361.2 计算机系统的层次结构 L0、L1、L2为物理机器级，L4、L5为应用软件，阶 于应用软件和

24、硬件之间的是系统软件，包括操作系 统、编译器。 应用程序功能相当复杂，而计算机硬件只能执行极 其简单的机器指令，所以从一个复杂的应用到简单 的指令，其间需要多层软件，逐级将高层操作汇编、 解释或翻译成底层的计算机指令。 L3、L4及以上为虚拟机（Virtual Machine） ，每增 加一层软件就构成了新的虚拟机。虚拟机是指该级机器只对观察者而存在，其功能体现在广义的计算虚拟机是指该级机器只对观察者而存在，其功能体现在广义的计算机语言上，虚拟机对该语言提供解释手段，然后作用在信息处理机语言上，虚拟机对该语言提供解释手段，然后作用在信息处理（或控制）对象上，并从信息处理（或控制）对象上获得必要

25、的状（或控制）对象上，并从信息处理（或控制）对象上获得必要的状态信号。态信号。对观察者而言，只能通过在某一层次上的计算机语言来了解和使用对观察者而言，只能通过在某一层次上的计算机语言来了解和使用计算机，不必关心内层的工作及功能。计算机，不必关心内层的工作及功能。 P18P18图图1-41-4371.2 计算机系统的层次结构逻辑实现逻辑实现 硬件级硬件级 具体电路实现具体电路实现微程序级微程序级 硬件级硬件级 执行一系列微指令，解释执行机器指令执行一系列微指令，解释执行机器指令机器语言级机器语言级 硬件级硬件级 执行机器指令，完成相应的功能执行机器指令，完成相应的功能操作系统级操作系统级 虚拟机

26、虚拟机 为系统的操作和程序设计提供平台为系统的操作和程序设计提供平台汇编语言级汇编语言级 虚拟机虚拟机 为程序员提供一种符号形式语言为程序员提供一种符号形式语言高级语言级高级语言级 虚拟机虚拟机 提供与计算机结构无关的程序设计语言提供与计算机结构无关的程序设计语言应用语言级应用语言级 虚拟机虚拟机 提供应用语言，面向非计算机专业人员直接使用提供应用语言，面向非计算机专业人员直接使用应用系统级应用系统级 虚拟机虚拟机 系统总体分析级，用以建立数学模型和算法，确定系统系统总体分析级，用以建立数学模型和算法，确定系统 配置配置 每一级上都能进行程序设计，且得到下面各级的支持；每一级上都能进行程序设计

27、，且得到下面各级的支持； 第第1 1级第级第3 3级所用语言基本为二进制语言，机器执行和解释级所用语言基本为二进制语言，机器执行和解释 容易；容易； 第第4 4级、第级、第5 5级采用符号语言，有利于不了解硬件硬件的人使级采用符号语言，有利于不了解硬件硬件的人使 用计算机；用计算机； 级数越低越靠近硬件，级数越高使用计算机越方便；级数越低越靠近硬件，级数越高使用计算机越方便；本章重点本章重点201638 计算机基本组成结构计算机基本组成结构 计算机结构特点计算机结构特点 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构本章讨论题本章讨论题201639 计算机基本组成结构？计算机基本组成结构？ 冯诺依曼计算机的设计思想？冯诺依曼计算机的设计思想？ 在计算机系统的层次结构中，本课在计算机系统的层次结构中，本课 程的重点在第几层。程的重点在第几层。作作 业业201640 P19： 1.2 1.2 补补 充充 题题201641在计算机系统层次结构中，机器级由低到高，相对顺序正在计算机系统层次结构中，机器级由低到高，相对顺序正 确的应当是确的应当是_。 A. A. 传统机器语言传统机器语言-汇编语言汇编语言-操作系统操作系统 B. B. 微程序微程序-传统机器语言传统机器语言-高级语言高级语言 C. C.