第1章概论(介绍组成原理课程)

E-mail:fengyuchung@163.com计算机组成与架构成都学院冯裕忠

莫指望生活是公平的Don’texpectlifetobefair.

本课堂要求：

1、每次上课点名（实行抽点）；对有碍于课堂教学者，将被请出教室。

2、按系里规定无故缺课三次则取消期末考试资格(而无补考机会)。

3、缺课者必须请假，病假需有医生证明。

4、学生应该主动擦黑板。一、学习目的和任务目的：使同学们能在计算机硬件和软件系统的分析、研究和开发等方面打下坚实的基础。一、学习目的和任务任务：使同学们掌握计算机组成部件的工作原理、逻辑实现、设计方法及将各部件连接成整机的方法，强调建立CPU级和硬件系统级的整机概念，培养学生对计算机硬件系统的分析、开发与设计的能力。

二、课程定位先修课程：信息技术导论、数字逻辑设计后继课程：微机原理与接口单片机应用技术等操作系统汇编(或高级)语言程序设计等硬件系列课程；软件课程。

三、教学特点1、以一模型机为背景讨论基本原理，适当辐射实用机型。2、讨论硬件组成时，在寄存器级进行分析。四、教学安排教学思路：

CPU主机计算机硬件系统课堂教学：56学时(14周)实验：4学时(课内)+16学时(课外)五、课程知识体系，主要内容讲述计算机单机系统的硬件组成。五大功能部件的工作原理、逻辑实现、设计方法及相互连接构成整机的方法。强调两个层次的整机概念：CPU整机概念硬件系统整机概念紧紧抓住各部件之间的信息传送方式和传送途径。CPU中有什么？CPU怎么工作的？还有什么其它硬件系统？这些硬件如何与主机传送数据？六、学习方法抓住重点，解决难点：

CPU部分（通路结构、指令流程）存储器部分（逻辑设计）

I/O系统部分（中断机制及其接口设计）七、考核方式平时作业（主要是考勤和课堂提问）实验成绩期末考试20％20％60％八、教材及参考资料教材：《计算机组成与结构》罗福强、冯裕忠茹鹏编著人民邮电出版社出版

（1）《计算机组成与结构》，王爱英主编，清华大学出版社，1990.10（2）《计算机组成原理》，罗克露等编，电子工业出版社，2006.7（3）《从8086到PentiumⅢ微型计算机及接口技术》，马维华等编，科学出版社，2000.2（4）《ComputerArithmeticPrinciples，ArchitectureAndDesign》KaiHwang参考资料：精品课程网址：从学校精品课程网站进入

计算机硬件的组成及各组成部分的功能计算机软件系统的组成及程序运行过程计算机中信息表示及内存地址等概念难点：重点：计算机系统的组成及工作原理计算机中数据的表示及运算

第1章计算机系统概念

计算机基本情况的简介一、计算机的发展计算机的发展历史粗略地分为三个阶段：近代计算机或称机械式计算机发展阶段。现代大型机或称传统大型主机的发展阶段。微机的发展阶段。屈指记数投石记数结绳记数算盘计算尺…………一、近代计算机（1）1642年法国物理学家帕斯卡发明了机械式加减法器。帕斯卡认为：人的某些思维过程与机械过程没有差别，因此可以设想用机械模拟人的思维过程。计算机的发展史（3）1812年英国数学教授巴贝奇设计出一台名为差分机的机器，并于1822年制成了差分机样机。1834年他构想出了名为分析机的自动运算机器。（2）1673年德国数学家莱布尼兹发明了乘法计算机，他受中国易经八卦的影响最早提出二进制运算法则。莱布尼兹乘法计算机计算机之父——巴贝奇差分机分析机（4）1936年美国数学家霍华德.艾肯提出用机电的方法而不是纯机械的方法来实现分析机的想法。1944年他在IBM公司的资助下，成功研制了MarkI计算机。

二、现代计算机

现代计算机经历了近50年的发展。在奠基方面，最重要的代表人物是英国科学家艾兰.图灵(AlanM.Turing)和美藉匈牙利数学家冯.诺依曼(JohnvonNeumann)。

（2）冯·诺依曼：提出三个基本思想A、计算机从硬件角度分五大部分B、程序和数据在计算机中用二进制数表示C、计算机工作过程中，是由存储程序控制的冯·诺依曼冯·诺依曼和他的同事们研制了世界上第二台电子计算机EDVAC。（1）英国科学家艾兰.图灵。建立了图灵机的理论模型，发展了可计算性理论，提出了定义机器智能的图灵测试。图灵机示意图：

冯.诺依曼确立了现代计算机的基本结构，被称为冯.诺依曼结构。其特点可概括如下：1、使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。2、存储单元是定长的线性组织。3、存储空间的单元是直接寻址的。4、使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。5、计算进行集中的顺序控制。

三、微型计算机的划代

以微型计算机CPU（微处理器）的字长作为划分阶段的依据。IBM-PC开始算起，已经历了5代。（1）IBM-PC/XT(Intel8088)（2）IBM-PC/AT(Intel80286ISA总线)（3）IBM-PC/2-50(Intel80386MCA总线)（4）Intel80486PCI总线（5）IntelPentium计算机时代的开始：以1951年UNIVAC-Ⅰ投入运行为标志，第一台批量生产的商用计算机，从此，计算机走向社会。

四、计算机发展阶段（一）计算机的发展过程根据组成计算机元器件的不同而划分●

计算机发展的六个重要时期

1.电子管计算机

2.晶体管计算机

3.集成电路计算机

4.大规模集成电路计算机

5.智能计算机

6.生物计算机●

世界上第1台计算机电子管●第1代电子管计算机(1946-1956)●名称：ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)●目的：用于第二次世界大战后期的弹道计算●诞生时间：1946年2月15日●诞生地：美国宾夕法尼亚大学ENIAC计算机●使用18000只电子管●1500个继电器●占地面积170m2●重量30吨●耗电量140千瓦●第2代晶体管计算机(1957-1963)●

1947年，美国贝尔电话实验室发明了晶体管，利用半导体锗和硅制作的晶体管开始用于计算机的制造上。●晶体管体积小，反应速度快，使计算机的运算速度和处理能力得到很大提高。●程序设计方面●研制出通用的算法和语言●出现批处理操作系统●主要应用于科学计算、数据处理和实时控制等方面晶体管●第3代集成电路计算机(1964-1971)苹果(Apple)计算机●

1958年，美国德州仪器公司利用照像技术把多个晶体管和电路蚀刻在一块硅片上，这种半导体集合体就是:“集成电路”——IC(IntegratedCircuit)●程序设计方面●提出“多道程序”和“分时系统”概念●出现了系列计算机、远程终端联机系统●应用于系统模拟、系统控制、智能模拟等新的领域●第4代大规模集成电路计算机(1971-)●大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）器件的使用是第四代计算机的主要标志●应用领域：军事预警、尖端科学、航天科学、天气预报等●第5代智能计算机●广泛使用多媒体技术，使人们能够用语音、图像、视频等更为自然的方式与计算机进行信息交互●硬件系统支持高度并行和快速推理，软件系统能够处理知识信息大、超大规模集成电路●第6代生物计算机●利用蛋白质分子制造出基因芯片,研制生物计算机是当今计算机技术的最前沿●阻抗低、能耗少、发热量极小生物芯片功能强大的通用数字电子计算机

3.大中型计算机

2.小型计算机功能较强,可以同时执行多个任务

1.微型计算机

功能多样的个人电子计算机

4.超级计算机运算速度最快、存储容量最大、功能最完善笔记本电脑●（二）体积大小、处理能力强弱标准划分

掌上电脑1、微型化

体积更小，重量更轻，价格更便宜，且功能更强。

●（三）现代计算机的发展趋势2、巨型化

目前世界上还有很多领域，如国防、百年天气预测和地震分析等，都需要功能更为强大的计算机。

为中国x银行的大型计算机数据处理系统

为国家气象中心的中期气象预报数据分析系统3、网络化（云计算）

将计算机连成网络，可实现计算机的相互通信和资源共享。计算机网络化的出现，掀起了电子计算机发展史上的第三次浪潮!

在第一次浪潮中，信息处理是关键。第二次浪潮的情景是每张桌子上摆有一台计算机。第三次浪潮是把所有这些计算机都连接在一起。

计算机网络的发展速度异常迅猛，全球网络化时代的到来已经到来!

（4）多媒体化

使人们面对图、文、声并茂的计算机信息。

（5）智能化

让计算机能够模仿人脑的功能，即对信息具有智能处理能力。五、

应用领域科学计算信息管理●信息管理（1）银行账户管理（2）邮局信息管理（3）图书管理…●科学计算（1）天气预报（2）军事用途（3）科学研究…●人工智能●医疗和教育●电子商务智能机器人远程医疗网络购物简单智能模式研究人类智能模式研究Internet国际互联网动作特技●各种视觉效果特技视觉效果特技动画效果扭曲变形效果光线变化效果图像变形效果仿真视觉效果●音响特技音响特技●midi音频●

wav音频●

mp3压缩音频合成电话音钟表声钢琴曲素材合成数字音频（月夜寒风）六、微型计算机系统的硬件组成计算机内部是怎样构成的呢？他怎么如此神奇？计算机系统硬件系统软件系统主机外部设备内存CPU运算器寄存器随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)外存储器输入/输出设备（I/O设备）系统软件(操作系统、语言处理程序等)应用软件(字处理、计算机辅助设计等)控制器存储器

硬件计算机系统由系统和软件系统组成七、输入设备键盘扫描鼠标、手写1运算器/控制器(CPU)2内存储器半导体存储器3外存储器软盘光盘与驱动器硬盘4输出设备音频输出文字打印影像输出5计算机硬件系统

2014年5月：天河二号第3次被评为全球最快的计算机，比位列第二名的美国“泰坦”快了近一倍。其峰值速度和持续速度分别为每秒5.49亿亿次和每秒3.39亿亿次，这意味着，天河二号运算1小时，相当于13亿人同时用计算器计算1000年。

我国的超级计算机“首先从2010年天河一号首次名列国际超级计算机排行榜第一名之后，我们国家正式跨入国际超级计算机研制的领先行业。美国、日本、中国形成交替领先，相互竞争的态势。天河二号能够领先，

据排行榜，此次全球超级计算机五百强名单中的前五位排名没有变化。在数量方面，此次中国大陆进入500强的超级计算机达到76个，较前两次再度增加，总数接近第三名英国、第五名法国和第六名德国之和。

超级计算机通常被用在需要应对大量并行处理任务的项目当中，其中包括基因组测序、天气预报以及石油与天然气勘探。除此之外，随着大数据分析工作在企业环境下的逐步普及，众多用户也开始对超级计算技术产生兴趣。对于天河二号的应用前景，“像商用大飞机的设计、高分辨率对地观测、基因测序、生物医药等等，都获得了很成功的应用。C19大客机高精度的外流场、系统计算，在国际上首次实现了高精度、大规模的数字模拟，为国产大飞机的供给研制提供了关键的数据。中科院的上海药物研究所，利用天河二号做新型的分子化合物的药物设计，完成了600多个各种药物的体内外的活性测试评价。为恶性肿瘤、乙肝、糖尿病等这样常见的重大疾病提供了新型的药物化合物。天河二号更重要的方面，开展了很好的国际合作，比如和德国慕尼黑工业大学等研究团队的合作，对1992年美国加州兰德斯大地震进行了模拟研究。”1.1.1计算机系统的基本组成输入输出设备存储器运算器控制器数据结果取数存数指令存取命令运算命令输入输出命令图1.1计算机系统到硬件组成1.1计算机硬件系统的组成及层次结构

控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等组成。－从内存中取指令和执行指令。运算器又称算术逻辑单元(ArithmeticLogicUnit，简称ALU)，它由加法器、寄存器、累加器等逻辑电路组成。对数据进行加工处理，算术逻辑运算。（一）

控制器

（二）运算器(ALU)

运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上有十分紧密的联系，特别是大规模集成电路中往往把这两部分做在一块芯片上，因此把它们称为中央处理机（CentralProcessingUnit），简称CPU。存储器是计算机的记忆和存储部件，用来存放信息。存储器性能衡量指标：多功能性：存储设备可以访问多种类型介质上的数据持久性：数据是否容易出现丢失和破坏？容量：该存储设备可以存储的最大数据量访问速度：由访问时间和数据传输速率决定（三）存储器1、主存储器

1.存取数据的速度很快

2.只能临时存放数据，不能长久保存数据●主存储器的特点

内存储器也称主存储器(简称主存)，它直接与CPU相连接，存储容量较小，但速度快，用来存放当前运行程序的指令和数据，并直接与CPU交换信息。

有关内存的几个术语：（1）二进制位(计算机中信息表示的最小单位，用bit：比特表示)。能够代表0和1的一个二进制电路称为二进制位，简称位●内存的存储容量（单位B）内存可以容纳的二进制数据量为内存的存储容量。内存地址的二进制数编码长度将决定内存的存储容量。

（2）字节（Byte：拜特，简称B）——信息表示的基本单位

8位(Bit)=1个字节(Byte)，即：8Bit=1B

（3）信息表示的另外几个常用单位：

千字节（KB或K）、兆字节（MB或M）千兆字节（GB或G）、兆兆字节（TB或T）

1KB=210=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB（4）字长（WORDS）——或称字，单位：位

CPU能够直接处理的二进制的位数。字长越长，指令数目越多，指令系统功能越强大。（5）地址：——存储器单元的编号常常是以字节为编址单位即：每个字节都有地址

例如：地址从0101H—0105H之间的存储空间是：

外存储器又称辅助存储器(简称辅存)常用的外存有磁盘、磁带、光盘等。

输入／输出设备简称I／O(Input/Output)设备。常用的输入设备有：键盘、鼠标器、扫描仪、数字化仪等。常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪等。2、外存储器(简称外存或辅存)

3、输入／输出设备计算机系统的核心,执行处理数据指令的器件。（1）控制器：控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存取指令和执行指令。（2）运算器：其功能是算术运算和逻辑运算。1.中央处理器（CPU）CPU二、微型计算机中的硬件

CPU主流厂商：

Intel、IBM、AMD微机的ROM微机的RAM内存插槽2．主板是安装在微型计算机主机箱中的印刷电路板，这是连接CPU、内存储器、外存储器、各种适配卡、外部设备的中心枢纽。（Mainboard）主板接口PS2键盘、鼠标接口并行接口串行接口四个USB接口RJ45LAN接口3、内存储器：（简称内存或主存）半导体存储器。

RAM（随机存储器）是用户程序和数据使用的存储器，断电后，RAM中的信息随之丢失。

ROM（只读存储器）是用来存放固定不变重复使用的程序和数据（如:BIOS），断电后，ROM中的信息保持不变。

微机内存条RAM4、外存储器（又称辅助存储器）常用的外存储器有：磁盘(软盘、硬盘)、磁带和光盘

（1）硬盘2—5/6

由若干个涂有磁性材料的铝合金圆盘组成。它的特点是把磁头、盘片及执行机构都密封在一个腔体内，与外界环境隔绝。采用这种技术的硬盘称为温彻斯特盘。

硬磁盘的两个主要性能指标：平均寻道时间（ms)和数据传输率(MB/s）指硬盘接到读/写指令后到磁头移到指定的磁道上所需要的平均时间。（2）磁带——顺序存取设备。（3）光盘——是利用光学方式进行读写信息的园盘。常用的光盘存储器可分成以下几种类型

CD—ROM（只读光盘，容量可达650M）

MO（磁光盘）——是一种具有磁盘性质的可擦写光盘

CD—R（一次性可写入光盘）

CD—RW——是一种可以随时删除和写入的光盘。

DVD—ROM——通用数字光盘，比CD—ROM采用较短的激光波长，DVD—ROM标准向下兼容，容量比CD—ROM大，单面容量为4.7G。(5)电子存储器（优盘、USB闪存存储器）

USB（UniversalSerialBus—通用串行总线）的组成（微机与单片机原理及应用一书）USB电缆：VBUS(红）D+（绿）D—（白）GND（黑）USB有4根线：其中D+、D-是信号线，Vbus和GND是电源、地。

1.1.3计算机的软件组成

硬件和软件的关系

应用软件用户应用软件其他系统软件操作系统硬件计算机系统层次结构

系统软件应用软件计算机软件系统软件是为了使计算机能够正常高效地工作所配备的各种管理、监控和维护系统的程序及有关的资料。应用软件是为解决各种实际问题而编制的应用程序及有关资料的总称。应用软件可以在市场上购买，也可以自己开发。通常由计算机厂家或专门的软件厂家提供，是计算机正常运行不可缺少的部分。也有一些系统软件是帮助用户进行系统开发的软件。常用的应用软件包括：文字处理软件如Word、PageMaker等；电子表格软件如Excel等；绘图软件如AutoCAD、3DS等。课件制作软件如PowerPoint、Authorware等。还有教育培训软件、娱乐软件、财务管理软件等也都属于应用软件的范畴。

指令（Instruction）就是一组计算机能识别并能执行的各种基本操作命令。指令构成如图示：操作码操作数指令系统（InstructionSystem）是一台计算机的所有指令的集合。指令系统反映了计算机的基本功能，不同的计算机其指令系统不尽相同。程序（Program）是为解决某一问题而选用的一条条有序指令的集合。程序具有目的性、分步性、有序性、分支性等特性。操作码指明该指令要完成的操作，如加、减、乘、除。操作数是指参加运算的数据或者数据所在的地址。

指令、指令系统和程序的概念

CPU发出命令CPu②CPU对该指令进行分析译码内存内存送出所需指令程序存放在内存中系统总线

二、计算机执行指令的过程计算机执行指令的过程演示如下：①将要执行的指令从内存调入CPU③判断该指令所要完成的操作，然后向相应部件发出完成操作的控制信号，从而完成该指令的功能。系统软件操作系统数据库管理系统编译程序解释程序连接程序网络通讯软件系统服务性程序

计算机语言，也称为程序设计语言,是人与计算机交流信息的一种语言。

人与计算机的联系，必须使用计算机语言。使用程序设计语言编写的程序，计算机可以识别并执行相应的操作，帮助人们解决实际问题。程序设计语言通常分为机器语言、汇编语言和高级语言。计算机语言帮我算下这些学生的平均分！？请用程序设计语言告诉我⑴机器语言：

是一种二进制语言，每条语句都是二进制数码表示的指令。优点：计算机能直接识别，运行速度快。缺点：难懂、难写、难记，难以修改和维护，没有通用性（不同计算机指令系统不同）。0011010110100111011101001……程序员⑵汇编语言：是一种和机器语言一一对应的符号化的语言，由机器语言符号化而来，用助记符和符号地址来表示指令。如：ADD表示加法，MOVE表示传送。优点：较直观、易懂、易用、执行速度快，占用内存空间少。缺点：各种机器不通用。⑶高级语言：是一种与硬件结构及指令系统无关，表达方式较接近自然语言的程序设计语言。如FORTRAN、PASCAL、C、BASIC等优点：描述问题能力强，通用性、可读性、可维护性都较好。缺点：执行速度较慢，编制访问硬件资源的系统软件较难。高级语言的发明是计算机发展史上最惊人的成就。高级语言的种类：FORTRAN（FORmulaTRANslator）BASIC（BeginnersAllpurposeSymbolicInstructionCode）PASCALC、C++、C#DELPHI、VC++、VB、VFP、PBJAVAHTML、XMLASP、JSP、PHP3、计算机语言处理程序

（1）源程序——用高级语言或汇编语言编写的程序。

（2）目标程序——把源程序翻译成的机器语言程序。

（3）汇编

——把汇编语言源程序翻译成机器语言程序的过程。

所使用的翻译程序称为汇编程序。

（4）解释——把高级语言源程序逐句翻译，翻译一句执行一句，

边翻译边执行。解释执行所用的程序称解释程序。

（5）编译——把高级语言源程序的整个程序翻译成等价的独立的目标程序。翻译所用的程序称为编译程序。

（6）连接——把目标程序以及所需的功能库转换成一个可执行的程序。连接所用的程序叫连接程序。源程序可执行程序目标程序编辑程序汇编或编译程序连接程序程序的汇编或编译执行过程三、应用软件

解决具体问题的程序。

1、文字处理软件 Word等。

2、表格处理软件Excel、Lotus1-2-3等。

3、辅助设计软件AutoCAD 4、各种计算机辅助教学软件（CAI）

5、实时控制软件

1.1.5

计算机的特点和性能指标一、

计算机的工作特点

53/4速度快——计算机的运行速度以MIPS衡量

（MIPS每秒可执行的百万条指令）计算精度高——主要取决于计算机的字长记忆能力强——有存储器可靠的逻辑判断能力——能进行逻辑运算有自动控制能力——具有程序控制下的自动执行能力通用性好数字计算、图形图像处理、声音动漫、逻辑推理

二、

计算机主要性能指标1、基本字长基本字长是指CPU一次性能传送或处理的二进制代码的位数。在一次运算中，操作数和运算结果通过数据总线，在寄存器和运算部件之间传送。基本字长反映了寄存器、运算部件和数据总线的位数。基本字长越大，要求寄存器的位数就越大，那么操作数的位数就越多。

基本字长还决定计算机的运算速度。例如，对一个基本字长为8位的计算机来说，原则上操作数只能为8位。如果操作数超过8位，则必须分次计算，因此理论上8位机的运算速度自然没有更高位机（如16位、32位或64位）的运算速度快。

基本字长还决定硬件成本。基本字长越大，相应的部件和总线的位数据也会增多，相应的硬件设计和制造成本就会呈现几何级数量增加。因此，必须较好地协调计算精度与硬件成本的制约关系，针对不同的需求开发不同的计算机。

基本字长甚至决定指令系统的功能。一条机器指令既包含了由硬件必须完成的操作任务，也包含操作数的值或存储位置以及操作结果的存储位置。机器指令需要在各部件间进行传递。因此，基本字长直接决定了硬件能够直接识别的指令的总数，进而决定了指令系统的功能。

2、运算速度

运算速度表示计算机进行数值运算的快慢程度。决定计算机运算速度的主要因素是CPU的主频。主频是CPU内部的石英振荡器输出的脉冲序列的频率。它是计算机中一切操作所依据的时间基准信号。主频脉冲经分频后所形成的时钟脉冲序列的频率称为CPU的时间频率。

两个相邻时钟频率之间的间隔时间为一个时间周期时间。它是CPU完成一步操作所需的时间。因此时钟频率也反映CPU的运算速度，而如何提高时钟频率成为CPU研发时所要解决的主要问题。

例如，Intel8088的时钟频率为4.77MHz，80386的时钟频率提高到33MHz，8