计算机组成原理第1章计算机系统概述201的知识

微机原理及应用主讲人

计算机组成原理主讲:许峰前言（一）

主要内容：重点讲解简单、完整、单台计算机的基本组成原理和内部运行机制，包括各大部件的工作原理、逻辑实现、设计方法及各部件互连构成整机的技术。

课程性质：专业必修课，核心课，是前续数电等基础课和后续操作系统等专业课的桥梁，起着承上启下的作用。2前言（二）特点：本课程教学过程中，强调学习理论知识和增长科研与开创性工作的能力；强调理解硬件与软件的协调与实现的思路。目标：掌握计算机的硬件系统的基本组成原理和简单的设计技术。3内容安排（总体）主要内容：

1）数据运算与运算器部件2）指令系统与控制器部件

3）层次结构的存储器系统4）输入、输出系统与设备4内容安排（第一章）计算机系统概论从计算机的发展过程中介绍计算机的分类及应用；通过一个程序的设计、运行介绍计算机系统的组成：软件和硬件组成，详细介绍软件的各种分类和硬件组成的各部分的功能及一些基本概念；计算机系统的功能和层次结构。目的：对计算机系统建立一个整体的、粗略的概念5内容安排（第二章）运算方法和运算器计算机中数据和文字的表示方法：定点、浮点数，码制，字符和字符串，汉字的表示，校验码定点加法、减法运算及其实现定点乘法、除法运算及其实现定点运算器的组成浮点运算方法和浮点运算器重点：运算中的数据表示及各种运算方法及其实现思想6内容安排（第三章）存储系统介绍存储器的分类、存储系统的分级结构、主存的性能指标；简单介绍半导体存储器芯片的构成、工作原理及外部特性，重点介绍存储器扩展技术；简单介绍提高存储速度的几种技术，重点介绍高速缓存（cache）、虚拟存储的工作原理和实现技术。

7内容安排（第四章）指令系统简单介绍指令系统的发展与性能要求；介绍指令的一般格式：操作码、操作数及指令长度；重点介绍指令和数据的寻址方式；简单介绍常用两种堆栈结构：串联堆栈和存储器堆栈及其操作；简单介绍典型指令系统中指令的分类及常用指令。

8内容安排（第五章）中央处理器介绍CPU的功能和组成；通过具体例子介绍指令周期的概念，深入了解指令的执行过程；简单介绍时序产生器和控制方式；重点介绍微程序控制器的原理和设计技术简单介绍几种CPU实现技术：流水CPU、RISCCPU、多媒体CPU

9内容安排（第六章）总线系统介绍总线的概念和结构形态及其对系统性能的影响；简单介绍接口的基本概念重点介绍总线的仲裁、定时和数据传送模式简单介绍几种典型总线

10内容安排（第七章）外围设备简单介绍外围设备的一般功能和分类；重点介绍CRT显示器、打印设备、硬盘等外围设备的一般原理。

11内容安排（第八章）输入输出系统介绍输入输出的一般概念；介绍几种信息交换的方式：程序中断方式DMA方式12如何学好这门课给同学们提几点建议:课程特点：

学习计算机硬件、软件的工作原理与相关知识。课程特点:理论联系实际非常紧密的课程,

课程内容更新极快。观念转变（教师角色、学生地位的转变）:

教师角色的转变：

教师从原来以教师为中心的“讲解者”的角色转化为学生学习的指导者、学生活动的导演者的角色。学生地位的转变:

学生由原来单纯听讲、接受灌输的被动地位转化为：有机的主动参与、发现、探究的主体地位;13媒体作用、教学过程的转变:媒体作用的转变：

教学媒体由教师的讲解工具转化为学生的认知工具;教学过程的转变:教学过程由传统的逻辑分析或逻辑综合,讲解说明式的过程转变为： 以意义建构理论指导下的教学过程, 并通过意义建构形成自己的知识结构， 从而获得知识,掌握知识。14抓住教学过程中的3个环节上课时要主动参与、发现、探究将上课时的多媒体教案从教师手中转化为自己的认知工具，主动参与、发现、探究；课堂上会布置自学内容，通过自学从而培养自学的能力；独立完成作业同学之间相互交流，一起讨论，但一定要独立完成作业；实验课前要预习，写出预习报告，做到心中有数，有的放矢；实验课后，要写实验报告，总结经验和教训，提高自己分析问题和解决问题的能力，培养一种严谨科学作风。15收获与时间成正比

本课程理论联系实际非常紧密，内容更新极快。只能采用解剖麻雀方法，教师在这里只起到抛砖引玉的作用。

因此同学们学习过程中，要花时间去学习、思索、实践，有机地将本专业的知识结合起来，构成一个实际系统，解决实际问题。

收获与时间成正比,花时间越多，收获将越大。16学习方法很重要复习并掌握先修课的有关内容课堂：听讲与理解、适当笔记课后：认真读书、完成作业实验：充分准备、勇于实践总成绩＝考试成绩＋实验成绩＋平时成绩学习

要求17考核形式平时成绩（作业＋实验＋考勤）：30％期终考试：70％18知识就是力量。电子计算机是这种力量的放大器。而把人类知识予以扩大的机器也会把一切方面的力量予以扩大。

－－费根鲍姆（美）19愿同学们通过本课程学习在分析问题、解决问题的能力上有所提高！20Chapter1计算机系统的概论从计算机的发展过程中介绍计算机的分类及应用；通过一个程序的设计、运行介绍计算机系统的组成：软件和硬件组成，详细介绍软件的各种分类和硬件组成的各部分的功能及一些基本概念。（本章重点）计算机系统的功能和层次结构。目的：对计算机系统建立一个整体的、粗略的概念211.1计算机的发展和应用电子计算机是一种不需要人工干预，能够自动、高速、准确地对各种信息进行处理和存储的电子设备。一、发展二、应用一、发展与分类按信息的表示形式和处理方式分两大类：模拟计算机和数字计算机，二者区别：比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0或1电压计算方式数字计数电压组合和测量值控制方式程序控制盘上连线精度高低数据存储量大小逻辑判断力强无23数字计算机分类按照适应性分通用机和专用机：通用机适应性强，但牺牲效率、速度和经济性；

专用机效率、经济、快速，但适应性差。通用机又可根据其体积、功耗、存储容量、指令系统、价格等性能分为：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机。巨型机体积大、功耗大、性能指标高、存储容量大、指令系统复杂，价格也贵；单片机体积小，结构简单，性能指标低，价格便宜。大型机、中型机、小型机、微型机的结构、规模介于巨型机和单片机之间并依次递减。2425世界上第一台电子数字计算机1946.2.15ENIACElectronicNumericalIntegratorAndCalculator

ENIAC的设计开始于1943年,一直使用到1955年。计算机的产生和发展26ENIAC的特点：采用十进制20个10位的累加器用开关手动编程18,000个电子管重30吨占地170平方米耗电140KW5,000次/秒加法运算用手工搬动开关和拔插电缆来编程27世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)2840年代的编程方法293031硬件技术对计算机更新换代的影响

100000000

超大规模集成电路

1978~现在

10000000

大规模集成电路

72~1977

1000000

中小规模集成电路65~1971

200000

晶体管58~1964

40000

电子管

46~1957

速度（次/秒）

硬件技术

时间代三四二一32第一台vonNeumann系统结构的计算机33IBMSystem／360

34最快的五台超级计算机（截止到2003.06）1.IBM:Seaborg

6080个CPU最大平均速度7.304TF(1012)352.IBM:ASCIWhite8192个CPU最大平均速度7.304TF(1012)最快的五台超级计算机（截止到2003.06）363.LinuxNetworX:MCRLinuxCluster最快的五台超级计算机（截止到2003.06）2304个CPU最大平均速度7.634TF(1012)37最快的五台超级计算机（截止到2003.06）4.HP:ASCI

Q

4096个CPU最大平均速度13.88TF(1012)38最快的五台超级计算机（截止到2003.06）5.NEC:EarthSimulator

5120个CPU最大平均速度35.86TF(1012)39计算机的发展（2008年6月）今天公布了第31次全球超级计算机统计报告，正式宣告该产业从TFlops时代跨入PFlops每秒千万亿次运算。

在最新排行榜上高居第一的就是本月初刚刚完工的IBMRoadrunner，安放在美国能源部LosAlamos国家实验室，由IBMPowerXCell3.2GHz和AMDOpteronDC1.8GHz两种处理器组成，拥有122400个计算核心，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”系统峰值运算速度达到每秒230万亿次浮点运算。跻身于世界超级计算机第十、亚洲第一的行列。40二、应用科学计算：各种工程计算、天气预报。自动控制：各行业生产过程的自动控制。信息处理：银行系统，广泛采用金融终端；物资管理、财务管理等。CAD/CAM：教育和卫生：CAI、远程教育；各种治疗仪，如心脑电图分析仪等。家用电器：微波炉、全自动洗衣机、电子玩具等。人工智能：机器人、专家系统等.41计算机的发展趋势计算机的发展趋势向着两极分化：

微型计算机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展；巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展。42计算机发展的理论基础和规律1、逻辑代数2、图灵机：英国数学家图灵证明理想的通用数字计算机是可以制造出来的。现代通用数字计算机的数学模型3、冯.诺依曼计算机原理：二进制存储程序并按地址顺序执行(程序控制）4、Moore定律：微处理器内晶体管数每18个月翻一番5、Bell定律：如果保持计算能力不变，微处理器的价格每18个月减少一半6、Gilder定律：

未来25年（1996年预言）里，主干网的带宽将每6个月增加一倍7、Metcalfe定律：

网络价值同网络用户数的平方成正比8、半导体存储器发展规律：DRAM密度每年增加60%，每三年翻四倍9、硬盘存储技术发展规律：

硬盘的密度每年增加约一倍43我国计算机技术的发展1953年开始研究，1958年研究出第一台计算机，103型通用计算机50年来相继研究出了第二代，第三代计算机。80年代研究出了每秒１亿次的巨型机，银河I,II,其他如曙光天演(清华BBS,学校高性能计算中心)。1985年6月，中国第一台自行研制的微机长城0520研制成功，其广告词是：“一台我们自己制造的能够处理中文的电脑”。在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计算机的核心部件CPU技术还远远落后。中科院研究开发的龙芯／GODSON44451.2

计算机系统的组成

一、计算机系统的软件二、计算机系统的硬件回顾一个程序的运行

编写程序——输入程序（存储）——运行

★无论是汇编语言程序还是高级语言程序其运行过程都离不开系统的软件和硬件的支持。47计算机软件——分类概念：凡是用于计算机的各种程序统称为软件。分类：系统程序和应用程序两大类。系统程序：用来简化程序设计，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能和用途。如：操作系统：用来管理计算机硬件、软件资源，自动调度用户的作业程序，使多个用户能有效地共用一套系统。语言程序。如汇编程序、编译程序等。各种服务性程序。如诊断程序、练习程序等。数据库管理系统。应用程序：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。如工程设计程序、自动控制程序、企业管理程序等。48计算机软件——发展以系统程序为例：手工编程——目的程序——无需系统程序汇编语言——汇编源程序——产生汇编程序算法语言——高级语言程序——编译系统操作系统从无到有，到各种操作系统——分批处理操作系统、分时操作系统、网络操作系统、实时操作系统、窗口操作系统等。49冯·诺伊曼结构---存储程序冯·诺伊曼1946年首先提出：（1）计算机硬件有运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。（2）计算机内部采用二进制来表示指令和数据。（3）编好的程序和原始数据实现存入存储器，然后再启动计算机工作。50诺依曼计算机的工作原理可概述为：“存储程序”+“程序控制”要点：1．以二进制表示数据和指令(程序)2.先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行3.由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。冯·诺依曼结构：51输入设备控制器输出设备

CPU

存储器运算器ALU计算机硬件——系统组成52输入设备运算器控制器输入信息输出设备输出信息读出读出外存储器写入内存储器写入取出指令数据信息控制信息微型计算机CPU+内存+I/O接口外围设备中央处理器CPU53计算机硬件——存储器功能：用来存储程序或数据。几个基本概念：存储容量：存储器所能存放的二进制代码的位数。通常用字节数表示，如40GB、1.4MB等。存储单元、单元地址、单元内容

●存储一定位数二进制代码的电路，称为存储单元。

●每个存储单元的编号，称为单元地址。控制器根据地址访问存储单元。

●构成存储单元电路的各触发器的状态值，就是单元的内容。内存、外存注意：单元内容和单元地址都是用二进制代码表示54计算机硬件——运算器功能：完成算术逻辑运算。组成：核心是算术逻辑运算单元ALU，另外还包含累加器和一些寄存器。典型结构示意图：其内部工作原理和实现方法在第二章详细介绍。55计算机硬件——控制器(1)功能：整个计算机的指挥中心。它发布各种操作命令控制计算机的各部件有条不紊地进行工作。涉及的几个概念：

■指令、程序

●计算机要完成的每一个基本操作就叫一条指令。

●为解决某一问题按一定顺序排列的一串指令序列叫做程序。

■存储程序：将程序存放到存储器中。

存储程序并按地址顺序执行是冯诺依曼型计算机的主要思想。56计算机硬件——控制器(2)■取指周期、执行周期

●控制器从存储器取指令的一段时间称为取指周期。

●把执行指令的一段时间称为执行周期。控制器就是通过反复地取指——执行指令——取指来实现程序的运行。■数据流、指令流

●在取指阶段，从内存读出的信息为指令流；

●在执行指令阶段，访问存储器流动的信息为数据流。57计算机硬件——输入输出设备输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换成机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。如：键盘、扫描仪等。输出设备：把计算机处理的结果变换成为人或其它机器设备所能接收和识别的信息形式。如显示器、打印机、绘图仪等。输入输出设备统称外设。58计算机硬件——适配器相当于一个转换器，它可以保证外设用计算机系统所要求的形式发送或接收信息。不同类型的外设有不同的适配器，使得被连接的外设通过总线与主机进行联系，以便于主机和外设并行协调地工作。如：显卡、网卡等。59计算机硬件——系统总线连接计算机系统各部件并进行相互间数据传送的公共通道。是构成计算机系统的骨架。计算机系统中有很多种总线，总线的接口、控制等内容在第六章详细介绍。60计算机的硬件和软件计算机硬件软件微型计算机外围设备----系统软件程序设计语言应用软件、软件包、数据库微处理器内存储器输入/输出接口电路系统总线运算器控制器RAMROM数据总线地址总线控制总线键盘/显示器、打印机、磁带机、磁盘机、D/A、A/D转换器监控程序、操作系统汇编程序解释程序编译程序机器语言汇编语言高级语言61（1）硬件是基础，软件依赖于硬件的存在而发生作用。（2）软件是灵魂，是硬件功能的扩充和完善。（3）硬件和软件相互渗透，相互促进，并可以相互转化。软硬件之间的相互关系62计算机的工作原理是：“存储程序”+“程序控制”CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP631.3计算机系统的层次结构一、多级组成的计算机系统二、软件与硬件的逻辑等价性一般用户观察到的计算机硬件系统65

专业用户观察到的计算机硬件系统66层次结构——引言计算机系统以硬件为基础，通过配置软件扩充功能，形成一个复杂的有机组合的系统。分层目的：采用一种层次结构的观点去分析、设计，即将计算机系统从不同的角度分为若干级或若干层，以便根据需要，针对相应层次去观察分析计算机的组成、性能和工作机理，或进行设计。按照这种结构化的设计策略，系统易于构造、调试、维护和扩充。两种分法：

从硬、软件组成角度划分从语言功能角度划分67硬、软件组成层次结构图自下而上：反映了计算机系统