计算机组成原理课件

计算机组成原理课件第1页，共24页，2023年，2月20日，星期四1.本课程的作用

《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业的一门核心专业基础课程。从课程地位来说，它在先导课(汇编语言程序设计、数字逻辑、数据结构)和后续课(操作系统、编译方法、接口技术等)之间起着承上启下的作用。2.本课程的目的与任务

从传授基础知识和培养能力的目标出发，使学生掌握宽厚的硬件基础知识，理论联系实际，注重智力开发和能力培养，锻炼学生的硬件分析、设计和调试能力。从而适应在各类计算机上从事开发和应用的需要。前言第2页，共24页，2023年，2月20日，星期四第一章计算机系统概论本章内容1.1计算机分类和应用1.2计算机的硬件1.3计算机的软件1.4计算机系统的层次结构第3页，共24页，2023年，2月20日，星期四1.1计算机的分类与应用1.1.1计算机的分类1.如何分类？分类的依据及结果按信号量分模拟机数字机，按用途分专用通用，按规模分巨型机大型机中型机小型机微型机单片机2.数字机与模拟机的主要区别模拟机：用连续量表示数据，如计算尺的长度、电表的角度。计算过程也是连续的。数字机：用离散的数字量表示数据，如二进制代码，按位不连续地跳动计算。第4页，共24页，2023年，2月20日，星期四1.1.2计算机的应用1.科学计算—用于科学研究和工程设计

计算机在科学计算和工程设计中的应用,不仅减轻了大量繁琐的计算工作量,更重要的是,一些以往无法解决、无法及时解决或无法精确解决的问题得到了圆满的解决。2.自动控制—涉及面极广,应用于多个行业，如工业中的数控机床

不仅提高了产品质量和生产效力，而且大大地降低了劳动强度。提高检测精度适应检测环境智能化检测控制检测设备处理检测数据4.信息处理--用于商务处理和管理应用，如OA、MIS

虽然计算机研制的初衷是为了科学计算，但现在已广泛应用于非数值计算领域，可用来处理文字、表格、图象、声音等各类问题。3.测量与测试—用于第5页，共24页，2023年，2月20日，星期四5.计算机辅助技术—

包括

CAD–ComputerAidedDesignCAM–ComputerAidedManufacturingCAT–ComputerAidedTestCAI–ComputerAidedInstruction

…… 6.家用电器

个人计算机已成为一种时尚的家用电器,

单片机广泛应用于微波炉、洗衣机、电子玩具、游戏机等。7.人工智能--

诸如计算机学习、计算机证明、景物分析、模拟人的思维过程、机器人等等。智能机器人,它会自己识别控制对象和工作环境,作出判断和决策,直接领会人的口令和意图,能避开障碍物,适应环境条件的变化,灵活机动地完成控制任务与信息处理任务。第6页，共24页，2023年，2月20日，星期四1.2计算机的硬件1.2.1数字计算机的硬件组成--用算盘计算y=ax+b-c步骤如下。行数解题步骤和数据说明1取数(9)→算盘(9)表示第9行的数a,下同2乘法(12)→算盘完成a*x,结果在算盘上3加法(10)→算盘完成ax+b,结果在算盘上4减法(11)→算盘完成ax+b-c,结果在算盘上5存数y→13算盘上的y值记到第13行6输出把算盘上的y值写出给人看7停止运算完毕,暂停89a数据10b数据11c数据12x数据13y数据第7页，共24页，2023年，2月20日，星期四算盘计算中用到了：1)算盘:用于对数据进行加、减、乘、除等算术运算;2)纸:用于存储解题的原始信息，包括解题步骤和原始数据;3)笔:用于把原始数据和解题步骤记录到纸上,及把运算结果写出;4)我们人本身(主要是脑和手):用于控制解题过程。计算机与算盘类似相应部件如:

1)运算器:在计算机中相当于算盘功能的部件；2)存储器:在计算机中相当于纸那样具有“记忆”功能的部件;3)输入设备输出设备:相当于笔,把原始解题信息送到计算机或把运算结果显示出来的设备;4)控制器:相当于我们的大脑,能够自动控制整个计算过程。第8页，共24页，2023年，2月20日，星期四1.运算器–

功能：进行算术、逻辑运算，好比一个由电子线路构成的算盘。

数制：二进制：采用二进制的原因有三点:字长(即位数):通常有8、16、32、64位。运算规律简单;

比较容易实现;元件状态数最省第9页，共24页，2023年，2月20日，星期四2.存储器–有内存(半导体存储器)与外存(磁盘、光盘等)之分

功能：保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤。

存储介质：半导体存储器，由触发器构成，一个触发器存放1bit。

存储单元:保存一个数的多个触发器,称为一个存储单元。

8个bit构成一个字节(Byte)(1~n)个字节构成一个字(Word)

存储单元的标识：单元地址，每个存储单元的编号。

存储容量:存储器所有存储单元的总数。常用单位“KB、MB”表示,如64KB,128MB。存储容量越大,则计算机可记忆储存的信息越多。

存储内容：无论是程序还是数据，均用二进制代码表示。第10页，共24页，2023年，2月20日，星期四3.控制器--是计算机中发号施令的部件,它控制计算机的个部件有条不紊地进行工作。具体的讲,控制器的任务是从内存中取出解题步骤加以分析,然后执行某种操作:(1)计算程序–为解决某一实际问题而设计的指令序列。运算器只能完成加、减、乘、除四则运算及其他一些辅助操作。对于比较复杂的算题,计算机在运算前必须化成一步一步简单的加、减、乘、除等基本操作来做。每一个基本操作就叫做一条指令,而解算某一问题的一串指令序列,叫做该问题的计算程序,简称为程序。操作码地址码每条指令应当明确告诉控制器,从存储器的那个单元取数,并进行何种操作,操作的结果又存放到哪里。指令的内容由两部分组成,即操作的性质和操作的地址。前者称为操作码,后者称为地址码。操作码:指出指令所进行的操作,如加、减、乘、除、取数、存数等地址码:表示运算数据来源于哪个单元,运算结果应存入哪个单元。(2)指令的形式第11页，共24页，2023年，2月20日，星期四(3).

控制器的基本任务逐条从内存中取出指令—取指周期然后执行指令—执行周期

控制器+运算器=中央处理器(即CPU)(4).

指令流和数据流

1个字节=8bit1个字=(1~n)个字节，字长用bit数表示数据字：代表要处理的一个数据，指令字：代表要执行的一条指令。指令流与数据流的区分与流向：一般来讲，在取指周期中从内存读出的信息是指令流,它流向控制器；而执行周期中从内存读出(或向内存写入)的信息流是数据流,它由内存流向运算器或(从运算器流入内存)。第12页，共24页，2023年，2月20日，星期四4.适配器与输入输出设备输入设备的作用：是把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。常用的输入设备有：键盘、鼠标器、数字扫描仪等。

理想的输入设备应有“视”、“听”功能输出设备的作用：是把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式。常见的输出设备有：CRT显示器、打印机、绘图仪等。理想的输出设备应有“写”、“讲”功能

计算机的输入/输出设备通常称为外围设备。(3)适配器的作用由于输入输出设备种类繁多且速度各异,因而它们不是直接地同高速工作的主机相连接,而是通过适配器部件与主机相连接。适配器的作用相当与一个转换器,它可以保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息。第13页，共24页，2023年，2月20日，星期四计算机系统中还必须有总线。系统总线是构成计算机系统的骨架,是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。借助系统总线,计算机在各系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。第14页，共24页，2023年，2月20日，星期四

自1946年在美国宾夕法尼亚大学制成的世界上第一台电子数字计算机以来,计算机的发展大致经历了五代的变化：1.1946年开始的第一代电子管计算机:计算机运算速度一般为每秒几千次至几万次,体积庞大,成本很高,可靠性较底,在此期间,形成了计算机的基本体系,确定了程序设计的基本方法,数据处理机开始得到应用。2.1958年开始的第二代晶体管计算机:运算速度提高到几万次至几十万次,可靠性提高,体积缩小,成本降低，工业控制机开始得到应用。3.1965年开始的第三代中小规模集成电路计算机:可靠性进一步提高,体积进一步缩小,成本进一步下降,运算速度提高到几十万次至几百万次。在此期间,形成机种多样化,生产系列化,使用系统化,小型计算机开始出现。2.2.2计算机系统结构的过去和未来第15页，共24页，2023年，2月20日，星期四4.1971年开始的第四代大规模集成电路计算机:可靠性更进一步提高,体积更进一步缩小,成本更进一步降低,速度提高到每秒几百万次至几千万次。有机片大规模集成电路组成的微型机开始出现。5.1986年开始的第五代巨大规模集成电路计算机:运算速度提高到每妙几亿次至上百亿次。由一片巨大规模集成电路实现的单片机开始出现。总之,从1946年计算机诞生以来,大约每隔五年运算速度提高10倍,可靠性提高10倍,成本降低10倍,体积缩小10倍。而70年代以来,计算机的生产数量每年以25%的速度递增。随着社会需求和微电子技术的不断发展,计算机的系统结构仍在继续发展,其发展趋势是：

将进入以通信为中心的体系结构。计算机智能化将进一步发展,进入知识处理阶段。不仅用多处理机技术来实现并行计算机,而且会出现计算机的动态结构。多媒体技术将有重大突破和发展。

第16页，共24页，2023年，2月20日，星期四1.3计算机的软件1.3.1软件的组成和分类

计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。这些部件或设备都是由元件构成的有形物体,因而称为硬件或硬设备。如果只有算盘,没有运算法则和步骤,就不能用算盘来计算。同样,假如计算机只有硬件,它仍是个“死”东西。那么计算机靠什么东西才能变“活”,从而高速自动地完成各种运算呢？这就是我们前面讲过的计算程序。因为它是无形的东西,所以称为软件或软设备。比方说,用算盘进行运算,算盘本身就是硬件,而运算法则和解题步骤等就是软件。事实上,利用电子计算机进行计算、控制或作其他工作时,需要有各种用途的程序。因此,凡是用于一台计算机的各种程序,统称为这台计算机的程序或软件系统。计算机软件一般分为两大类：一类叫系统程序,一类叫应用程序第17页，共24页，2023年，2月20日，星期四

系统程序用来简化程序设计,简化使用方法,提高计算机的使用效率,发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类:各种服务性程序,如诊断程序、排错程序、练习程序等；语言处理程序,如汇编程序、编译程序、解释程序等；操作系统；数据库管理系统

应用程序是用户利用计算机来解决某些问题所编制的程序,如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等等。随着计算机的广泛应用,这类程序的种类越来越多。第18页，共24页，2023年，2月20日，星期四1.目的程序早期计算机中,人们直接用机器语言编写程序,这种编写程序的方式称为手编程序。这种用机器语言书写的程序,计算机完全可以“识别”并能执行,所以又叫做目的程序。但是,用机器语言编写程序很繁琐,又耗费大量的人力和时间,容易出错,出错后寻找错误也相当费事,这就大大限制了计算机的使用。2.汇编程序为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率,人们用一些约定的文字、符号和数字按规定的格式来表示各种不同的指令,然后再用这些特殊符号表示的指令来编写程序,这就是所谓的汇编语言。借助于汇编程序,计算机本身自动地把符号语言表示的程序(称为汇编源程序)翻译成用机器语言表示的目的程序。3.源程序--为了进一步实现程序自动化和便于程序交流,使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机,人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言。1.3.2软件的发展演变第19页，共24页，2023年，2月20日，星期四算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则。比较接近数学语言,直观通用,与具体机器无关,只要稍加学习就能掌握,便于推广使用计算机。用算法语言编写的程序称为源程序，这种源程序是不能由机器直接识别和执行的,必须给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的“翻译”,才能把源程序翻译为机器语言。通常采用下面两种方法：

1.计算机配置一套用机器语言写的编译程序,它把源程序翻译成目的程序,然后机器执行目的程序,得出计算结果。但由于目的程序一般不能独立运行,还需要一种叫做运行系统的辅助软件来帮助。通常,把编译程序和运行系统和称为编译系统。

2.使源程序通过所谓的解释系统进行解释执行,即逐个解释并立即执行源程序的语句,它不是编出目的程序后再执行,而是直接逐一解释语句并得出计算结果。第20页，共24页，2023年，2月20日，星期四4.操作系统为了摆脱用户直接使用机器并独占机器这种情况,依靠计算机来管理自己和管理用户,于是人们又创造出一类程序,叫做操作系统。它是随着硬件和软件不断发展而逐渐形成的一套软件系统,用来管理计算机资源(如处理器、内存、外部设备和各种编译、应用程序)和自动调度用户的作业程序,而使多个用户能有效地共用一套计算机系统。根据不同使用环境要求,操作系统目前大致分为批处理操作系统、分时操作系统、网络操作系统、实时操作系统等多种。5.数据库管理系统随着计算机在信息处理、情报检索及各种管理系统中应用的发展,要求大量处理某些数据,建立和检索大量的表格。这些数据和表格按一定的规律组织起来,使得处理更方便,检索更迅速,用户使用更方便,于是出现了数据库。所谓数据库就是实现有组织地、动态地存储大量相关数据,方便多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统。数据库和数据库管理软件一起,组成了数据库管理系统。第21页，共24页，2023年，2月20日，星期四1.4.1多级组成的计算机系统1.微程序设计级这是一个实在的硬件级，他由机器硬件直接执行微命令。如果某一个应用程序直接用微命令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。2.一般