初识计算机组成原理及简介

COMPUTERORGANIZATION计算机组成原理北京科技大学信息学院

胡玥

计算机学院谭乐婷

《万物简史》

比尔.布莱森

“一个星球，一次试验”。对待生命的最好方式，一是珍惜她的美好，二是要为她创造更多的价值。

《计算机组成原理》是计算机类学科本科教学中的一门重要专业基础课。在专业教学计划中占有重要地位和作用。它主要阐述构成一台计算机的基本原理，包括计算机的结构组成、各个功能部件的作用、工作原理及设计方法。学习本课程旨在建立计算机系统的整体概念，对培养设计开发计算机系统的能力有重要作用。

《计算机组成原理》的先修课程为计算机导论、数字电路、汇编语言；后继课程为操作系统、编译原理等系列课程。

我们聊一聊为什么要学习计算机组成原理这门课程?课程有多难，能不能学好课程教学定位和教学要求教学大纲规定：讲解单台计算机的完整硬件系统的基本组成原理与内部运行机制。单台：非多机系统，亦非多处理机系统。完整：计算机整机、全部的功能部件。基本：不一定是最高性能，最合理的组成，而是最基础、最必要的组成部分。概论知识结构计算机计算机系统的硬件结构计算机I/O系统总线存储器运算器控制器知识结构数据运算部件计算机控制部件数据存储部件接口线路数据输入设备接口线路结果输出设备数据总线地址总线控制总线计算机主机计算机外围设备计算机的CPU硬件系统由5个功能部件组成，是课程的核心内容8计算机中的基本硬件系统组成原理的主要内容计算机信息表示（指令、数据）运算器的算法、结构存储器的结构及设计控制器的原理及设计I/O设备原理总线的原理与设计第１章概论1.1计算机的发展历史1.4计算机系统的组织结构1.3计算机的软件系统1.2计算机系统的硬件组成1.5

计算机的特点和性能指标约翰·冯·诺依曼JohnVonNeuman（1903－1957）美藉匈牙利人

开创了现代计算机理论，他的精髓贡献是：2进制思想与程序内存思想。他的主要著作收集在六卷《冯·诺依曼全集》中，1961年出版。

阿兰·麦席森·图灵AlanMathisonTuring（1912.6.23—1954.6.7）英国人“图灵机”与“冯·诺伊曼机”齐名，被永远载入计算机的发展史中。为表彰他的贡献，专门设有一年一度的“图灵奖”，颁发给最优秀的电脑科学家。1.1计算机的发展史一、计算机的产生和发展1946年美国ENIAC1955年退役十进制运算180001500150301500多个电子管多个继电器千瓦吨平方英尺(170平方米)5000次加法／秒（1）没有存储器；（2）它用布线接板进行控制，用手工搬动开关和拔插电缆来编程世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)ElectronicNumericalIntegratorAndComputer100000000

超大规模集成电路1978－现在五10000000

大规模集成电路1972－19771000000

中小规模集成电路1965－1971

200000

晶体管1958－1964

40000

电子管1946－1957

速度

/（次/秒）

硬件技术

时间

代三四二一硬件技术对计算机更新换代的影响

电子管晶体管集成电路

IBM:BlueGene/L-eServerBlueGene

Solution212992个CPU最大平均速度478200GFLOPS超级计算机最权威的超级计算机排名的参考网址

微处理器芯片存储器芯片1971年8位16位32位64位4位（intel4004）1970年256位1K位16K位64K位256K位1M位16M位64M位4K位4M位1.1二、微型计算机的出现和发展Intel公司的缔造者之一GordonMoore提出：微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番。Moore定律80808位1974年808616位1979年2.9万个晶体管8028616位1982年13.4万个晶体管8038632位1985年27.5万个晶体管8048632位1989年120.0万个晶体管Pentium64位（准）1993年310.0万个晶体管PentiumPro64位（准）1995年550.0万个晶体管PentiumⅡ64位（准）1997年750.0万个晶体管PentiumⅢ64位（准）1999年950.0万个晶体管PentiumⅣ64位2000年4200.0万个晶体管Intel公司的典型微处理器产品2007年英特尔采用45nm工艺技术，芯片上可集成23亿个晶体管。你可以在一根人类的头发宽度上摆放2000多个45纳米晶体管。你可以在一个针头上摆放3万多个45纳米晶体管，加起来约合150万纳米。一个小数点(直径约为0.1毫米或10万纳米)可填入2千多个45纳米晶体管。一个45纳米晶体管可在1秒钟内切换约3千亿次。一个45纳米晶体管开关一次所需时间，仅相当于以光速(每秒30万公里)穿行0.1英寸所需的时间。例：已知X=5,Y=3,

求X+Y=？用计算机求解，需要解决：如何表示数据如何对数据进行运算处理需设置哪些部件来实现运算冯.诺依曼思想♦计算机由五大部件组成♦指令和数据用二进制形式表示♦采用存储程序方式冯·诺依曼计算机的特点算术运算逻辑运算存放数据和程序将信息转换成机器能识别的形式将结果转换成人们熟悉的形式指挥程序运行存储器输入设备运算器控制器输出设备1.2计算机的硬件组成计算机部件间连接方法

☆在所有需要传送数据的部件之间创建一条直接通路。（专用数据通路）

☆将所有需要传送数据的各部件之间通过公共信息传送线路连接．（总线方式数据通路）计算机各大部件之间连接

计算机的总线结构（小、微型机典型结构）：

目前许多计算机（主要指小、微型计算机）的各大基本部件之间是用总线（Bus）连接起来的。

总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息。

总线特点：共享，分时小型、微型机的设计目标是以较小的硬件代价组成具有较强功能的系统，而总线结构正好能满足这一要求。总线方式

单总线并不是指只有一根信号线。系统总线按传送信息的不同又可以细分为：地址总线、数据总线和控制总线。

地址总线（AddressBus）由单方向的多根信号线组成，用于CPU向主存、外设传输地址信息；

数据总线（DataBus）由双方向的多根信号线组成，CPU可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据；

控制总线（ControlBus）上传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存/外设反馈给CPU的状态信号。总线结构大、中型计算机系统的设计目标更着重于系统功能的扩大与效率的提高。通道是承担I/O操作管理的主要部件，主机可以连接多个通道，每个通道可以接一台或几台设备控制器，每个设备控制器又可接一台或几台外部设备，这样整个系统就可以连接很多的外部设备。大、中型机的典型结构不同对象观察到的计算机硬件系统一般用户观察到的计算机硬件系统WhatisaComputerSystem

专业用户观察到

的计算机硬件系统WhatisaComputerSystem存储器设计思想冯·诺依曼结构的存储器设计哈佛结构的存储器设计由具有各类特殊功能的信息（程序）组成1.计算机系统计算机系统计算机的实体，如主机、外设等一、计算机的软硬件概念硬件软件1.3计算机系统1.4.1计算机的工作过程1.4计算机的工作过程与主要性能指标例如：将编制好的程序放在主存中，由控制器控制逐条取出指令执行，以计算a+b-c=?为例加以说明。设a、b、c为已知的3个数，分别存放在主存的5━7号单元中，结果将存放在主存的8号单元000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存储器数据寄存器数据总线累加器ALU

计算机工作过程a+b-c=?000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存储器数据寄存器数据总线累加器ALULOAD005aaa取数指令

计算机工作过程000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存储器数据寄存器数据总线累加器ALULOAD005ADD006abaa+b加法指令ab

计算机工作过程000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存储器数据寄存器数据总线累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-c减法指令

计算机工作过程000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存储器数据寄存器数据总线累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-cSTORE008a+b-ca+b-ca+b-c存数指令

计算机工作过程000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存储器数据寄存器数据总线累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-cSTORE008a+b-ca+b-ca+b-cHALT停机指令

计算机工作过程a+b-c=?1.4.2计算机的主要性能指标基本字长数据通路宽度主存储器容量运算速度1.机器字长CPU

一次能处理数据的位数与CPU

中的寄存器位数有关。2.数据通路宽度（外部）数据总线一次能并行传送信息的位数221

=

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