计算机组成原理概述

计算机组成原理概述第一页，共六十七页，2022年，8月28日教学大纲目的和要求

该课程是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。它的内容主要介绍计算机各个功能部件的组织结构、功能以及它们之间互连组成的计算机系统。使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。教学内容

概论、数据表示、运算方法和运算器、指令系统、控制器、存储系统、输入输出系统、外部设备、计算机系统。第二页，共六十七页，2022年，8月28日第一章概论本章要点：1)

冯·诺伊曼体系的基本特征2)

总线结构的概念及特点3)

计算机系统的层次结构4)

计算机的性能指标教学目的：本章的目的在于帮助读者建立一个关于计算机系统框架的整体概念，并初步了解有关计算机系统的基本常识和基本概念。

第三页，共六十七页，2022年，8月28日什么是电子计算机？计算机是一种能够执行程序，进行复杂计算的工具。数字电子计算机是一种能存储程序并能自动地、高速地对各种数字化信息进行运算处理的电子设备。自动的含义是指程序执行时，不再需要人的干预，程序能连续发出各种命令，控制计算机完成预定的操作任务。第四页，共六十七页，2022年，8月28日

1.1计算机的发展与应用计算工具的发展概况

手工时代机械时代电子时代-500纪元162116411830193619401946195119591964197119791994十算算计帕巴米通阿电ENIACUNIVACIBMIBMINTELIBM新指算斯贝斯用塔子700036040044300一计尺卡奇工计那计代数筹盘计分业算索算计算析机夫机算机机方机案电子管时代晶体管时代集成电路时代大规模集成电路时代第五页，共六十七页，2022年，8月28日1、电子计算机的产生理论基础：1854年，英国科学家GeorgeBoole发表《布尔代数》，把逻辑理论建立在“0”、“1”两种值和“与”、“或”、“非”三种运算上。物质基础：1919年，W.H.Ecclers和F.W.Jordan用两只三极电子管接成了E-J双稳态触发器，提供了用电子元件表示二进制数的物质基础。现实需要：二战因弹道计算需要高速、准确的计算工具。第六页，共六十七页，2022年，8月28日2、第一代计算机电子管时代（46-59）ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandComputer)二战因弹道计算需要高速、准确的计算将电子管和继电器存储器用绝缘导线互连在一起，有单个CPU组成，CPU用程序计数器和累加器完成定点运算，采用机器语言或汇编语言，用CPU程序控制I/O。代表性的有宾夕法尼亚大学莫尔学院1950年的ENIAC、IBM于1953年IBM701计算机。第七页，共六十七页，2022年，8月28日特征：使用电子管为计算机的基本器件体积大、耗电多、速度慢、可靠性低速度为每秒几千到几万次应用与军事和国防贡献：确立了模拟量可变换成数字量进行计算确立了计算机的基本结构确立了程序设计的基本方法使用阴极射线管（CRT）作显示器代表：ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandComputer)

第八页，共六十七页，2022年，8月28日

介绍：重达30吨占地170平方米内装18000个电子管计算速度5000次/秒不足：存储容量小20个字长10位非自动采用线路连接来编程VonNeumann在此基础上提出了现代计算机的模型第一台计算机ENIAC第九页，共六十七页，2022年，8月28日3、第二代计算机晶体管时代（59-64）

BELL实验室的Johnbardeen,WalterBrattain发明晶体管。采用分立式晶体管和铁氧体的磁芯，用印刷电路将它们互连。采用变址寄存器、浮点运算、多路存储器和I/O处理机。采用高级语言、子程序库、批处理监控程序。代表性系统是IBM7030。第十页，共六十七页，2022年，8月28日特征：使用晶体管为计算机的基本器件体积缩小、耗电减少、重量减轻、可靠性提高速度为每秒几万到几十万次开始应用于数据处理贡献：在图形处理领域开始应用鼠标器问世有了操作系统和高级语言出现通用机和专用机代表：CDC66007600IBM7090第十一页，共六十七页，2022年，8月28日4、第三代计算机集成电路时代

1965-1974仙童公司和德州仪器把整个电路做在一片半导体上。采用小规模或中小规模的集成电路和多层印刷电路。微程序控制。采用了流水线、高速缓存和先行处理机。软件采用多道程序设计和分时操作系统。代表性的有IBM/360-370系列、DigitalEquipment公司的PDP-8系列。第十二页，共六十七页，2022年，8月28日

特征：使用中、小规模集成电路为计算机的基本器件体积、功耗显著缩小、可靠性大大提高速度为每秒几百万次贡献：分成巨型机、大型机、中型机、小型机多种完善的操作系统和高级语言出现系列机（解决硬件更新和软件相对稳定的矛盾，大受欢迎）代表：IBM360第十三页，共六十七页，2022年，8月28日5、第四代计算机大规模集成电路时代

1974-1991开始生产包含CPU的IC，Intel和Motorola的8080和6800采用大规模和超大规模的集成电路和半导体存储器。出现了共享存储器、分布存储器或或向量硬件选择的不同结构的并行计算机。使用了并行处理的多处理操作系统、专用语言和编译器，产生了用于并行处理和分布处理的软件工具和环境。代表性的有VAX9000、CrayX-MP、IBM/3090VF。第十四页，共六十七页，2022年，8月28日特征：使用大规模集/超大规模成电路（LSI/VLSI）进一步缩小体积和功耗速度为每秒109--1012次贡献：微型计算机出现并行处理、分布式处理计算机网络发展软件工程产生

RISC精简指令技术：简化指令格式和寻址方式,是把大型机的流水线技术应用的单机。代表：INTEL80X86PENTIUM第十五页，共六十七页，2022年，8月28日6、第五代计算机甚大规模集成电路时代1991-200？标志：单片机集成电路100万晶体管以上超标量技术的应用（把大型机的多指令发出和无序执行应用到单机）流水线技术第十六页，共六十七页，2022年，8月28日6、第六代计算机极大规模集成电路时代200？-20？？单片机集成电路超过1亿晶体管以上。单个处理机芯片有图形处理，视频处理，通信部件。IC不再制约系统结构的发展而是相反。是系统结构发展的契机第十七页，共六十七页，2022年，8月28日7、新一代计算机生物计算机（DNA）光学计算机超导计算机纳米计算机量子计算机第十八页，共六十七页，2022年，8月28日计算机的应用1、科学技术方面导弹和卫星发射、天气预报、基因密码研究等2、数据处理方面财会系统、银行管理、情报检索、订票系统3、实时控制过程控制4、计算机辅助设计CAD包括CAD、CAM、CAT、CAI等5、企业管理、信息系统、多媒体、人工智能等其它第十九页，共六十七页，2022年，8月28日1.2计算机的组成--硬件和软件1.2.1计算机硬件的组成，把控制器和运算器合为处理机processor成为趋势。输入设备输出设备存储器控制器运算器程序数据结果地址指令结果数据VonNeumann计算机硬件的组成第二十页，共六十七页，2022年，8月28日冯·诺依曼体系结构VonNeumann

：1)采用二进制形式表示数据和指令数据和指令在代码的外形上并无区别．都是由0和1组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。采用二进制、使信息数字化容易实现，可以用二值逻辑工具进行处理。程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。第二十一页，共六十七页，2022年，8月28日信息的数字化表示1、模拟信号2、数字信号3、数字信号的优点：抗干扰；物理上容易实现，可存储。4、举例第二十二页，共六十七页，2022年，8月28日信息的数字化表示

1.在计算机中用数字代码表示各种信息

二进制代码例1用数字代码表示数据

5

-5

表示为0101

表示为1101

第二十三页，共六十七页，2022年，8月28日例2用数字代码表示字符

A

B

表示为1000001

表示为1000010

例3用数字代码表示命令、状态

启动

停止

正在工作

工作结束

表示为00

表示为01

表示为10

表示为11

第二十四页，共六十七页，2022年，8月28日

2.在物理机制上用数字信号数字型电信号例1用电平信号表示数字代码

高电平

1

低电平

高电平

0

1

例2用脉冲信号表示数字代码

有脉冲无脉冲有脉冲101

表示数字代码实现并行操作实现串行操作第二十五页，共六十七页，2022年，8月28日冯·诺依曼体系结构：(2)采用存储程序方式这是诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。第二十六页，共六十七页，2022年，8月28日诺依曼机的这种工作方式，可称为控制流(指令流)驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令；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。第二十七页，共六十七页，2022年，8月28日为了控制指令序列的执行顺序，我们设置一个程序(指令)计数器PC(ProgramCounter)，让它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序现在是顺序执行的，每取出一条指令后PC内容加l，指示下一条指令该从何处取得。如果程序将转移到某处，就将转移后的地址送入PC，以便按新地址读取后继指令。所以，PC就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，也就是指示控制流的形成。第二十八页，共六十七页，2022年，8月28日虽然程序与数据都采用二进制代码，仍可按照PC的内容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情况下程序是顺序执行的，所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除了个别即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区户的不同区域。第二十九页，共六十七页，2022年，8月28日主存储器CLA

ADD

r4

r5

r66655ALUACIRMDR20MAR+1PC20212223243031指令的执行过程第三十页，共六十七页，2022年，8月28日冯·诺依曼体系结构：3)由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置等五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。输入设备输出设备存储器控制器运算器程序数据结果地址指令结果数据第三十一页，共六十七页，2022年，8月28日1主要功能部件1.存储器（1）功能:存储信息。（2）组成（主存储器）：第三十二页，共六十七页，2022年，8月28日存储体地址寄存器译码器读/写线路数据寄存器控制线路……………………第三十三页，共六十七页，2022年，8月28日2.运算器（1）功能：加工信息。（2）组成：第三十四页，共六十七页，2022年，8月28日移位器ALU选择器通用寄存器组选择器第三十五页，共六十七页，2022年，8月28日3.输入/输出设备功能：转换信息。主机接口入/出设备输入：原始信息代码，送入主机输出：处理结果人所能接受的形式，输出（代码）第三十六页，共六十七页，2022年，8月28日4.控制器（1）功能：产生控制命令(微命令)，控制全机操作。（2）组成：第三十七页，共六十七页，2022年，8月28日微命令发生器指令信息状态信息时序信号微命令序列逻辑条件时间条件第三十八页，共六十七页，2022年，8月28日微命令产生方式（指令执行控制方式）：组合逻辑控制方式：微程序控制方式：由组合逻辑电路产生微命令由微指令产生微命令第三十九页，共六十七页，2022年，8月28日非诺依曼化传统的诺依曼机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，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，近年来人们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。第四十页，共六十七页，2022年，8月28日在诺依曼体制范畴内，对传统诺依曼机进行改造，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；又如组成阵列机结构，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。用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。这方面的研究目前比较活跃。从根本上改变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.第四十一页，共六十七页，2022年，8月28日1.2.2计算机软件的组成软件组成系统软件应用软件操作系统或管理程序故障诊断或检测程序高级语言的编译语言或解释程序汇编语言系统调试程序数据库管理程序使用者根据需要采用各种语言各种应用程序，包括各类应用软件包计算机软件的组成第四十二页，共六十七页，2022年，8月28日

层次结构模型用户程序O.S、语言处理程序、软件资源机器语言程序、汇编语言程序

CPU、M、I/O、系统结构硬件级机器指令级操作系统级高级语言级第四十三页，共六十七页，2022年，8月28日应用语言机器级汇编语言机器级操作系统机器级传统机器级高级语言机器级微程序机器级3级4级5级1级2级0级虚拟机器级（软件）硬件固件系统分析求解问题第四十四页，共六十七页，2022年，8月28日

虚拟机（通过软件扩充的物理机）目的：摆脱真实机器的束缚。比较：Java虚拟机实际机器（机器语言物理机）专用语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机程序第四十五页，共六十七页，2022年，8月28日硬件系统结构1.以总线为基础的系统结构总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。总线部件部件部件第四十六页，共六十七页，2022年，8月28日总线内总线功能局部总线系统总线外总线地址总线信息数据总线控制总线时序同步总线异步总线并行总线格式串行总线方向单向总线双向总线第四十七页，共六十七页，2022年，8月28日（1）小型机系统结构a）以CPU为中心的双总线结构CPUM接口接口I/OI/OI/O总线M总线外设单独编址第四十八页，共六十七页，2022年，8月28日b）单总线结构CPUM接口接口I/OI/O系统总线寄存器和主存统一编址第四十九页，共六十七页，2022年，8月28日c）以M为中心的双总线结构CPUM接口接口I/OI/O系统总线

M总线第五十页，共六十七页，2022年，8月28日（2）微型机系统结构CPURAMROM公共接口总线控制逻辑M扩展板I/O接口板局部总线系统总线多级总线结构第五十一页，共六十七页，2022年，8月28日(3).采用通道或IOP（IO处理器）的大型系统结构（a）带通道的系统I/O控制器主机I/O通道通道(概念)：专门用来管理I/O操作的控制部件。第五十二页，共六十七页，2022年，8月28日(3).采用通道或IOP（IO处理器）的大型系统结构（b）带IOP的系统CPUM接口I/OIOPLM接口I/O系统总线I/O总线第五十三页，共六十七页，2022年，8月28日一般来说，硬件只完成基本的功能，复杂的功能通过软件来实现(降低成本)。从逻辑上来讲，有许多功能可由硬件直接实现，也可在基本硬件基础上依靠辅助软件来实现，对用户来说，在功能上是等价的，称为硬、软件在功能上的逻辑等价。

1.2.3硬、软件界面及其逻辑上的等价性第五十四页，共六十七页，2022年，8月28日硬、软件之间的界面：指令系统。如何理解：①硬件的基本任务是识别与执行指令代码。因此指令系统所规定的功能可由硬件实现。②人们编制的程序最终转换成机器指令才能由硬件执行。因此指令系统是编制程序的基础。第五十五页，共六十七页，2022年，8月28日硬件软化：硬件技术跟不上，价格昂贵。软件硬化：硬件技术的发展。固件化：软件固化，软件固化到硬件芯片中。第五十六页，共六十七页，2022年，8月28日§1.3计算机的性能指标

1.基本字长(概念）：即参与运算的二进制数的基本位数。(计算机允许双倍字长、多倍字长，以兼顾硬件代价与计算精度)2.主存容量：越大，则可运行比较复杂的程序，使软件支撑环境更完善。

3.外存容量：指计算机系统中联机运行的辅助存储器容量。

主—辅存存储系统构成了虚拟存储器。

第五十七页，共六十七页，2022年，8月28日4.运算速度：

1)以最短指令执行时间为标准。

2)根据不同类型指令使用的频率乘上不同系数，再求平均值，即为平均运算速度。

3)单位时间(每秒)平均执行的指令条数（ips）。主频反映了运算速度的快慢。5.外围设备的配置及其性能。6.系统软件配置情况。核心性能指标：基本字长、主存容量、运算速度第五十八页，共六十七页，2022年，8月28日