1第一章计算机系统概论

1、 计算机组成原理 南京审计学院信息科学学院 王学荣 wxr207318 1506509939计算机组成原理是计算机专业的核心专业基础课，主要介绍计算机各大组成部件的结构、工作原理、设计方法以及组成整机的有关技术。B： 本课程的主要内容计算机系统概论数据信息的表示方法信息的存储指令系统的分析与设计控制器的原理和设计系统总线 输入输出A ：课程介绍为什么要学习计算机组成原理这门课程 计算机组成原理是计算机专业本科生的一门统设必修的专业基础课程。在我们系强调培养计算机应用型人才，是把这门课程作为计算机系统平台的内容之一来安排的。 不是只有设计计算机硬件系统的人才要学这门课,计算机专业的人员都应该对其

2、有所了解。选择了计算机专业，终生要与计算机系统打交道、要使用好计算机就应该学习这门课，否则就算不上一名合格的计算机专业人员。总不该把计算机硬件系统看作为电视机一样的产品，开一下电源选选台能看节目了就行了。 计算机中有许多知识是到处都会用到的，是学习后续多门课程 (系统结构， 操作系统，编译原理，高级语言程序设计, 计算机网络，数据库) 的基础，将来工作中如何想清楚、如何解决遇到的许多问题都会涉及到计算机的硬件问题。1课程有多难，能不能学好 说计算机组成原理课程不是太难学是不能令人信服的，说根本无法学好也缺乏足够的理由和证据。 从计算机组成原理的内容来讲，实在没有太多难懂的原理，与生活中遇到的许

3、多很平常的现象大有同工异曲之处，它不像数学，没有多少理论推导，也没有物理学中的高深理论，不用冥思苦想，接受它的规定和实现方案即可。如果说难，难就难在计算机中的问题是我们平时从未接触到、更没亲眼看见过事物，尚未碰到先怕三分，把本来简单的问题折腾复杂了；教师缺乏计算机系统设计的工程背景进一步加剧了这个矛盾。 学生应该根据自己的实际水平和将来的工作要求，恰当地确定对自己学习这门课程的要求。2课程教学定位和教学要求 计算机组成原理课程教学应该建立在硬、软件组成大体完整的系统平台之上，无疑这是一门硬件内容为主的课程，但需要兼顾一点基础软件的课程，认为课程内容只限于纯硬件(裸机)是很过时的认识，至少需要了

4、解汇编语言以及计算机系统操作使用方面的基础知识，把学习和使用硬件结合起来。 教学过程中，要把学习原理知识和应用原理解决实际问题结合起来，避免泛泛地讲解书本内容，解决问题可以首先从看别人怎么用已知原理设计实现实用系统，再考虑自己能做些什么实际工作才会使学习更有趣味，更有用。 学生可以对自己提出主要学懂基本原理并能通过考试为底线要求，和还有一定应用能力的正常要求。3单片机原理及应用数字逻辑电路计算机基础C/C+语言程序设计数据结构数据库原理及应用软件工程编译原理计算机组成原理计算机体系结构操作系统计算机网络微机原理微机接口技术计算机系统结构图0-1 计算机专业基本课程体系简图计算机组成原理在计算机

5、系列课程中的地位和作用 计算机组成原理数字逻辑电路 汇编语言 计算机系统结构计算机接口技术 计算机网络 操作系统应用其它基础课 基础课 专业基础课 专业课、本课程各章教学内容简介第、章第、章第章9第章第、章第章输入设备输出设备总线和入出接口虚拟存储器外存设备主存储器高速缓存控 制 器运 算 器第章第、章第、章第章第2、3章 主要教学内容 第2章 讲解数据表示和运算方法，这是设计实现计算机运算器部件的理论基础。 计算机中都使用二进制的信息编码。二进制编码和码制转换是数据运算的数学基础。 整数的原码、补码表示是为了简化数据运算的方案，可以简化用到的硬件线路，提高运算速度。 数据的检错纠错编码技术是

6、提高硬件可靠性的有效措施。 第3章 讲解计算机的运算器部件，有定点运算器和浮点运算器种类型，是实现数据运算的执行部件。 重点学习定点运算器，由完成算数与逻辑运算的电路 ALU 和暂存运算数据和中间结果的寄存器组 REGs 、保存结果特征状态的Flag 寄存器这个主要部分组成。一般了解浮点运算器的组成和浮点数的运算方法即可。10第4章 主要教学内容 第4章 讲解计算机的存储器系统。 当前计算机的存储器系统由高速缓存、主存和虚存这样级结构的、统一管理调度的系统组成，追求的目标是尽可能快的读写速度(满足CPU的运行需要)，尽可能大的存储空间（放得下最大的程序和数据），尽可能低的硬件成本(计算机厂家和

7、用户都能接受)。 学习存储器分类和可用器件的存储原理、读写过程的基本知识；了解存储器的性能指标； 学习主存的构建技术，与CPU的连接方式和读写时序关系；学习高速缓存的构建技术，运行原理；一般了解虚拟存储器的实现方案和基本术语。 对磁盘、光盘的原理性组成和运行原理有基本了解，理解磁盘阵列技术的特点和对系统性能的影响。12第、章 主要教学内容 第章 讲解指令系统和汇编语言程序设计。指令是计算机最小的功能单位，是计算机硬、软件联系的纽带，很重要。 了解影响指令字长的有关因素。指令格式设计、寻址方式选用是核心内容。 浏览典型指令系统的概貌是必要的，需要比较具体地了解 TEC-2008计算机的指令系统，

8、这是完成简单的汇编语言程序设计的必要条件。 第6章 讲解计算机的控制器部件。 控制器的功能是指挥控制计算机硬件系统执行程序，它要依据指令内容、指令的执行步骤向每一个部件提供它们运行需要的控制信号。计算机设计者的任务是把每条指令的功能细分为几项操作,并将其划分到几个步骤、分配给相应部件去完成。 控制器分为组合逻辑（更易学易懂）和微程序两种类型。11第章 主要教学内容 第章 讲解计算机的总线系统。 总线是影响计算机系统性能的一个重要元素，涉及到的概念较多，有不同的总线标准，又与应用联系密切，多关注一些是必要的。13第9章 讲解计算机的输入输出设备与系统。 输入输出设备合称外围设备，通过接口电路连接

9、到总线上，进而与主机的 CPU、存储器实现连接，在通信协议的控制下，与主机系统实现信息输入输出。 一般了解常用输入输出设备的工作原理即可。理解程序查询、程序中断和直接存储器访问 3种基本输入输出方式各自的特点、实现思路、需要的硬件支持; 各种不同类型的接口的功能、组成有很大差异，要了解它们组成中的共性功能和共性组成，通过浏览一些具体的接口实例建立正确概念，了解使用方法。第9章 主要教学内容参考书目：1.(美)RANDAL E.BRYANT；DAVID OHALLARON. 深入理解计算机系统（修订版）.(08年度畅销榜TOP50) .中国电力出版社. 2. (荷)ANDREW S.TANENB

10、AUM.计算机组成结构化方法（英文影印版）（第5版）.人民邮电出版社. 3.(美)DAVID A.PATTERSON；JOHN L.HENNESSY.计算机组成与设计硬件/软件接口(原书第3版).机械工业出版社. 4.Carl Hamacher Zvonko Vranesic Safwat Zaky著.计算机组成. 机械工业出版社. 5. 唐朔飞. 计算机组成原理(第2版).高等教育出版社 6.白中英；戴志涛；周锲；杨旭东；张杰.计算机组成原理.科学出版社. 全书教学学时安排第一章 计算机系统概述 4学时第二章 数据信息的表示 6学时补充：基本数字逻辑部件及逻辑代数 4学时第三章 运算方法与运

11、算器 6学时第四章 存储系统 7学时第五章 指令系统 6学时第六章 中央处理器 8学时第七章 流水线 （系统结构中学习）第八章 系统总线 5学时第九章 输入/输出系统 8学时 共计 54学时 本章主要知识点：计算机硬件系统由哪几部分构成、各有何作用？冯诺依曼计算机的工作原理计算机系统的层次结构透明性概念固件计算机系统的性能评价第一章 计算机系统概论一、计算机系统的概念1、计算机系统的构成：硬件+软件构成的复杂的自动化设备，由多层次结构构成。硬件：由有形的电子器件构成,如运算器、控制器、存储器等软件：为了方便用户使用计算机而编制的各种程序。2、计算机的分类(可从不同的角度进行)模拟计算机(ana

12、logue computer): 数据的表示和处理以模拟信号进行。数字计算机(digital computer)： 数据的表示和处理以数字信号 进行。3、数字计算机的分类 专用机：为某些特定的应用需求而设计的计算机 通用机：巨、大、中、小、微、单片4、计算机的应用 科学计算 自动控制 测量和测试 信息处理 教育、卫生 家用电器 人工智能二、计算机硬件二、计算机硬件1)运算器：完成算术运算、逻辑运算、比较、转移和测试等功能的部件。另外还具有传输数据的功能。条件状态寄存器 指挥协调计算机其他部件进行工作的重要部件。控制器根据不同的指令，产生指令执行过程中所需要的控制信号。运算器+控制器件=？2)控

13、制器CPU保存程序、数据和中间结果的场所; 常用的单位和之间的换算关系 位bit字节-Byte 1Byte=8bit KB IKB=1024B (需要10位表示) MB 1MB=1024KB（需要20位表示） GB 1GB=1024MB（需要30位表示） TB 1TB=1024GB （需要40位表示） PB 1PB=1024TB (需要50位表示)3)内存储器(Memory)存储器的结构及访问机制示意图存储器 = ？主机4)输入和输出设备常用的 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、磁盘机、磁带机等常用的输出设备： 显示器、打印机、绘图仪、磁盘机、磁带机等提供人-机接口topolgy5)系统总线计算机

14、内各大部件之间的连接部件。2. 冯诺依曼计算机的体系结构由五大部分组成;基本原理：存储程序和程序控制;计算机的大体工作过程可描述如下： 通过输入设备将解题程序和数据送入主存。(存储程序) 控制器从主存中逐条取出程序的指令，并控制实现指令功能。 在指令功能实现过程中，由运算器完成对数据的运算处理。 将运算结果送主存。 通过输出设备反馈程序运行结果。 称为程序控制 冯诺依曼计算机的基本体系结构和哈佛结构冯诺依曼体系结构计算机:Intel 80X86 ARM7 MIPS等。 哈佛结构计算机：Motorola MC68、 Zilog Z8、 ARM9、ARM10、 ARM11等。 现代计算机多是Cac

15、he采用哈佛结构，主存采用冯诺依曼结构。未来的计算机体系结构(冯诺依曼结构的不足 ： 并行能力不够) 数据流计算机 应用软件：为解决某些具体的问题而编制的各种程序 系统软件：为简化程序设计，方便计算机的使用、提 高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机 的功能及用途而编制的各种程序。 各种服务程序：诊断、排错程序 语言程序 ：汇编、C、编译等 操作系统OS DBMS 三、计算机软件软件的分类： 未来软件的发展趋势：人-机界面不断提升、智能化四、计算机系统的层次结构1、五级结构，不同的级面向不同的用户对象， 采用不同的方法和不同的设计工具进行各级程序设计。2、分级的好处：有利于系统结构的优化，单级的

16、修改只 需要修改相邻级的接口或相邻级，不会影响其它级。 以计算从1到10的累加和为例，看一看3个级别语言的程序例子，并简单介绍该机器语言程序在计算机内部的执行过程。 BASIC程序 汇编语言程序 机器语言程序(16进制)10 sum=0 2000: sub R15, R15 01FF20 for i=1 to 10 sub R1, R1 011130 sum=sum+i mvrd R0, 0A 8800 000A40 next i inc R1 091050 print sum add R15, R1 00F160 end cmp R1, R0 0310 jrnz 2004 47FC cala

17、 0664 CE00 0064 ret 8F00三个级别的程序设计语言语言第1、2级由硬件实现，35级由软件实现，称为虚拟机。第1微程序设计级，用户只能用微指令编写程序，并由计算机硬件直接执行。采用硬布线的计算机没有该级。第2级一般机器级，(称传统机器级)用机器语言 编写程序。该级也是硬件级。第3级操作系统级，由操作系统程序实现。用机器语言或操作系统级指令编程3、各级的说明：4、各级的说明：第4级汇编语言级，用汇编语言编程。高级语言级 ，用高级语言编程，程序设计不需要太多的硬件支持，程序设计简单、程序界面友好、但程序的效率较低。语言与虚拟机之间存在着对应关系：机器定义了语言，语言也定义了机器。

18、各级之间的关系高层是低层功能的扩展和虚拟化，低层是高层的基础。站在不同层次，得到不同的概念，看到不同的计算机属性，使用不同的编程工具。 5、软件和硬件的逻辑等价性从逻辑功能看，任何由软件实现的操作都可以由硬件来完成；反过来，任何由硬件实现的指令都可以由软件来模拟。进行计算机设计时，要进行软/硬件功能界面的划分。即确定计算机的功能，哪些采用硬件实现、哪些采用软件实现。划分的原理就是软件和硬件的逻辑等价性划分的依据是性能/价格。6、固件 软件的固化。从功能上看是软件，从形态上看是硬件。topolgy1)本来存在的事物，从某个角度去看却好象不存在。2)计算机分层结构中的透明性:一般机器级的特性，如通

19、用寄存器的数量对高级语言程序设计者透明微指令的格式对一般机器级程序设计者透明 还存在很多透明性7、透明性7、计算机系统的性能评价1)几个常用指标(1)机器字长 指参与运算的数的基本位数；由加法器、寄存器的位数决定；一般等于内部寄存器的位数；字长越长，表示数据的范围就越大，计算精确度就越高； 目前常见的计算机为32位和64位计算机。(2)数据总线宽度数据总线宽度是指数据总线一次能并行传送的信息位数。一般指CPU内部运算器与存储器之间的数据总线。有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致： 8086、80286、80386内外数据总线等宽； 8088、80386SX 外部总线宽度小于内部总线宽度； Pentium外总线64位，内总线32位（两条32位流水线）(3)主存储器容量和带宽主存容量是指其包含的存储单元总数量。主存可以字 节 编址、也可以字 编址。存储带宽:指单位时间内从存储器中读出的二进制数的信息量，常用单位B/s（字节/秒）表示。(4)CPU执行时间表示执行一段程序所占用的CPU时间(程序的执行时间除CPU时间外还包括I/O、存储访问、各类排队时延等)。CPU时间的