组成原理一章

1计算机组成原理主讲教师：胡迪青、肖亮e_mail:QQ:121374333

QQ:4029009132计算机专业的核心专业基础硬件类课程，介绍计算机各主要组成部件(运算器、控制器、存储器、总线)的结构、工作原理、设计方法以及组成整机的有关技术。课程简介构建软/硬件协同的系统观!为什么学习计算机组成原理？培养懂硬件的软件工程师或懂软件的硬件工程师！3

计算机组成原理数字逻辑电路

汇编语言

计算机系统结构

微机接口技术操作系统应用其它基础课

基础课

专业基础课

专业课编译系统课程地位4第一章计算机系统概述3学时第二章数据信息的表示5学时（习题课与测试）第三章运算方法与运算器8学时（习题课与测试）第四章存储系统12学时（习题课与测试）第五章指令系统4学时第六章中央处理器10学时第八章系统总线4学时第九章输入/输出系统

6学时（最后一次课总复习与测试）

教学安排5

作业与考勤:10%

三次测试的平均成绩:10%

课程实验:20%

要求按照实验报告要求书写

课外实验/报告:10%要求按照实验报告要求书写

期末考试:50%

无故缺课1/3(14节)或无故不交作业达到1/3(2次),不能参加课程的期末考试;

发现抄袭作业者,作业平时成绩按0分记;发现实验报告抄袭者,实验成绩按0分记。课程成绩与组成6

系统观+构造观的学习视角和学习方法

勤动手：查阅相关资料并动手实验(做中学)

XilinxISE（IntegratedSoftwareEnvironment）硬

多阅读：阅读学科前沿资料、阅读经典著作(研究性学习)本课程的学习过程中应注意的问题方法7参考书:[1](美)RANDALE.BRYANT；DAVIDO‘HALLARON.深入理解计算机系统(修订版).(08年度畅销榜TOP50).中国电力出版社.[2](荷)ANDREWS.TANENBAUM.计算机组成结构化方法(英文影印版)(第5版).人民邮电出版社.[3](美)DAVIDA.PATTERSON；JOHNL.HENNESSY.计算机组成与设计硬件/软件接口(原书第3版).机械工业出版社.[4]CarlHamacherZvonkoVranesicSafwatZaky著.计算机组成.机械工业出版社.[5]唐朔飞.计算机组成原理(第2版).高等教育出版社.[6]白中英、戴志涛、周锲等.计算机组成原理.科学出版社.秦磊华吴非莫正坤.计算机组成原理.清华大学出版社,2012教材及参考书高建生莫正坤谭志虎.计算机组成原理.华科大出版社,2012TextBookPage

8ReferencePage

9ReferencePage

1011

(UCBerkeleyMachineStructure)

(UCBerkeleyComponentsandDesignTechniquesforDigitalSystem)

(美国UCBerkeleyComputerArchitectureandEngineering)

(美国StanfordDigitalSystemII)

(CarnegieMellonIntroductiontoComputerArchitecture)Mit计算机科学与工程系计算机系列课程网站

(国家精品资源共享课网站)学习资源参考12只有亲自实践，才能领略本课程的真谛！13一、计算机系统概述（知识点）1.计算机系统的组成及各部分的功能

冯诺依曼计算机的思想

五大组成部分及其功能2.计算机系统的层次结构

分层结构及分层的优点

每层的作用和特点

硬件与软件的关系3.计算机的性能指标和性能评价非时间指标:字长、主存容量

时间相关的性能指标：主频、CPU执行时间、CPI、MIPS、MFLOPS14

基本思想：存储程序和程序控制关注:原理与结构之间的对应关系1.计算机系统的工作原理及各部分功能1)工作原理151.计算机系统的工作原理及各部分功能162)运算器

算术/逻辑运算、比较、转移和测试等功能

根据运算的结果设置条件状态寄存器条件状态寄存器1.计算机系统的工作原理及各部分功能（溢出、结果为零、结果为负、结果为正数等）17

指挥协调计算机其他部件进行工作的重要部件。控制器根据不同的指令，产生指令执行过程中所需要的控制信号。3)控制器1.计算机系统的工作原理及各部分功能18(1)保存程序、数据和中间结果的场所(2)基于地址访问(3)常用的单位和之间的换算关系•位—bit•字节--Byte

1Byte=8bit•KB1KB=1024B（需要10位地址线）•MB1MB=1024KB（需要20位地址线）•GB1GB=1024MB（需要30位地址线）•TB1TB=1024GB（需要40位地址线）•PB1PB=1024TB（需要50位地址线）•EB1EB=1024PB（需要60位地址线）4)主存储器(Memory)1.计算机系统的工作原理及各部分功能19关于Prefixesforbinarymultiples的两种体系：

InternationalElectrotechnicalCommission(IEC:国际电工委员会)InternationalSystemofUnits(SI:国际单位制符号)详细内容：20(5)输入和输出设备1.计算机系统的工作原理及各部分功能

提供人机接口

常用的输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、磁带机等

常用的输出设备：显示器、打印机、绘图仪、磁带机等21(6)系统互连1.计算机系统的工作原理及各部分功能

基于总线的系统互连

基于专用通道结构的系统互连22

冯诺依曼计算机的基本体系结构和哈佛结构

冯诺依曼体系结构计算机:Intel80X86、ARM7、MIPS等。

哈佛结构计算机：MotorolaMC68、ZilogZ8、ARM9、ARM10、ARM11等。

现代计算机多是Cache采用哈佛结构，主存采用冯诺依曼结构。哈佛结构将程序指令存储和数据存储分开的存储器，是一种并行体系结构，每个存储器独立编址、独立访问。两个存储器对应的4条总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离结构允许在一个机器周期内同时获得指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），提高了执行速度和数据的吞吐率。

未来的计算机体系结构

1.计算机系统的工作原理及各部分功能231.计算机系统的工作原理及各部分功能EndofMoore’slawVLSItechnologypredictednottoscalepass2015Transistorsizewillbemeasuredinatomsandnodechargewillbemeasuredinelectrons!!BTW,thisdoesn’tmeanVLSIisfinished,justnomorescalingmanypreviously-unimportantproblemswillstarttocreepinbetweennowandthen,e.g.,complexity,wiredelay,powerandreliabilityNon-vonNeumannarchitecturesparallelanddistributedprocessingreconfigurablehardwarecomputingNon-silicontechnologiesnanotechnologies:carbonnanotubes,molecularswitchesbiological/cellularcomputers:DNA,proteinsandenzymesquantumcomputers:magneticresonanceandquantumdots.FutureofComputersAlanTuring,“OnComputableNumberswithanApplicationtotheEntscheidungsproblem”

——ProceedingsoftheLondonMathSociety2(42),1936,pp.173-198.AlanMathisonTuring1912.6.23-1954.6.7再回顾图灵…..图灵命题图灵1936年的传世论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》主要是回答德国大数学家希尔伯特在1900年提出的著名的“23个数学难题”之中的第10个，问题涉及逻辑的完备性，即是不是所有的数学问题在逻辑上都是可解的。这篇论文说，有些数学问题是不可解的。自动计算机的理论模型是在该论文中提出的，这种抽象模型可以把推理化作一系列简单的机械动作,被称作为图灵机的模型,有许多等价描述。歪打正着，图灵机模型到上世纪60年代却转变成用来说明可计算能力的模型。为纪念该文发表30周年，1966年设立“图灵奖”,以纪念这位计算机科学理论的奠基人。一条双向可无限延长的、被分成一个个方格的磁带,格里写有符号一个有限状态控制器一个读写磁头邱奇-图灵论题图灵机图灵机的动作由五元组确定： <q,b,a,m,q’>其中，q和q’为控制器的当前状态和下一状态；b和a为方格中的原有符号和修改后的符号，m指示磁头移动方向，或左或右或停。由状态和符号确定的工作过程称图灵机程序。图灵论题：凡是可计算的函数都可以用图灵机计算。邱奇论题：任何计算，如果存在一有效过程，它就能够被图灵机实现。冯·诺伊曼结构的计算机冯·诺依曼（1903-1957）计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备组成。基本原理：存储程序（storedprogram）并按地址顺序执行。控制器按照程序顺序，逐条把指令和数据从存储器中取出并加以执行，自动完成由程序所描述的处理工作。冯•

诺伊曼结构的计算机裸机系统软件中间件应用软件计算机的核心包括运算器和控制器在内的中央处理单元(CPU)。计算机系统是由软硬件组成的多级层次结构，由微程序级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级组成。从此，人们把CPU和操作系统看作计算机的“核”。三种基本的信息操作

处理传输存储

数字舞台三大“男高音”－处理、通讯（传输）、存储30处理：对信息进行变化和加工传输：信息跨越空间的传播存储：信息跨越时间的传播存储是信息技术的三大基石之一（被我国忽略的领域）基本定义31对人类文明的重要性处理：产生知识通讯：传播知识存储：积累知识

32图灵机模型主要是针对计算的，但存储和通讯隐含在其中.这个理论指明了bit的强大功能，也包含了计算机的设计思想.在通讯和存储两个领域工作过的人都会发现，他们涉及的问题竟然如此类似通讯的编码理论完全可以用于存储通讯：信源编码，信道编码存储：纠错编码，调制编码，磁盘阵列的容错原理加密理论、信息的压缩原理对通讯和存储是一样的本质的道理：通讯和存储都是信息的传播，差别在于：一个跨越空间，一个跨越时间原来信息论适用于信息的传播！在空间和时间上，他们遵从一样的原理！第二层的理论：信息论

关于信息时空传播的理论磁盘阵列（多个硬盘）容量、速度、可用性34三位一体的数字信息学理论图灵机主要是针对计算的，但隐含了通讯和存储信息论主要是针对通讯和存储的，但隐含了计算处理、传输、存储在理论上是三位一体的，缺一不可上述理论解决了数字信息学的全部？NO!35硬件发展的6个规律1．

Moore定律：微处理器内晶体管数每十八个月翻一番；2．

Bell定律：如果保持计算能力不变，微处理器的价格每十八个月减少一半；3．

Gilder定律：未来25年（1996年与预言）里，主干网的带宽将每6个月增加一倍；4．

Metcalfe定律：网络价值同网络用户数的平方成正比。

5.半导体存储器发展规律：DRAM的密度每年增加60%，每三年翻四倍。6。硬盘存储技术发展规律：硬盘的密度每年增加约一倍数字域的三种操作处理：CPU,DSP,ASIC,FPGA,Gate传输：总线(CPU内部、系统总线,I/O总线),网络（机器内部网，LAN，WAN，INTERNET,无线网）存储：RAM，ROM，FLASH，硬盘，光盘，存储系统（RAID，NAS，SAN）硬件的核心技术：集成电路技术37IC发展略谈

38BirthofModernElectronics--1947

AT&TBell实验室

PointContactTransistor

1956年诺贝尔物理奖WilliamShockley,WalterBritain,JohnBardeenLarge,expensive,power-hungry,Unreliable39

TexasInstrument

JackKilby

2000年诺贝尔物理奖ThefirstIC(IntegratedCircuit),1Transistorand4otherdeviceononechipBTW:2007GMR法：AlertFert，德：PeterBrunberge2014年：LED高亮度蓝光发光二极管

MicroelectronicRevolution--1958

40TransistorRevolutionandMOSFET

TransistorBardeen(Belllabsin1947)

Bipolar-transistor–shockleyin1949

Firstbipolardigitallargegatein1956FirstmonolithicIC–JackKilbyin1958Firstcommerciallogicalgates–Fairchildin1961TTL-1962into1990’sECL-1974into1980’sMOSFET

Technology:Lilienfeld(Canada)in1925andHeil(Englang)in1935CMOS，NMOS,PMOS……功耗小、集成度高……41IntelProcessRoadmap

42不同的级面向不同的用户，采用不同的程序设计方法和不同的设计工具,得到的目标代码性能也不同。2.计算机系统的层次结构层次视角的计算机431)软件和硬件的逻辑等价性2)透明性:本来存在的事物，从某个角度去看却好象不存在。3)计算机分层结构中的透明性:

一般机器级的特性(如通用寄存器的数量)对高级语言程序设计者透明

微指令的格式对一般机器级程序设计者透明2.计算机系统的层次结构442.计算机系统的层次结构还有哪些其它视角的计算机?

安全视角

节能视角

其它用户视角等…..451)非时间指标(1)机器字长:指参与运算的数据位数；由加法器、寄存器的位数决定；一般等于内部寄存器的位数（字长）；字长越长，表示数据的范围就越大，计算精确度越高；常见的计算机为32位和64位计算机。3.计算机系统的性能评价46(2)数据总线宽度指数据总线一次能并行传送的信息位数。一般指运算器与存储器之间的数据总线位数。有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致：

8086、80286、80386内外数据总线等宽；

8088、80386SX外部总线宽度8位内部总线宽度16位；

Pentium外总线64位，内总线32位（两条32位流水线）3.计算机系统的性能评价47(3)主存储器容量和带宽

主存容量是指其包含的存储单元总数量。主存可以字节编址（操作系统）、也可以字编址。存储带宽:指单位时间内从存储器中读出的二进制信息量，常用单位B/s（字节/秒）表示。（对应到存储带宽的指标包括：数据位和传输速率）3.计算机系统的性能评价482)时间指标3.计算机系统的性能评价(1)主频f/时钟周期Tf与T互为倒数。T也称为节拍周期，是处理操作最基本的时间单位。CPU主频越高，T周期时间就越短（f=100MHz时，T=10ns；f=1GHz时，T=1ns）49(2)CPI(ClockcyclesPerInstruction)执行一条指令所需要的平均时钟周期数(即T周期的个数)CPI=程序中所有指令的时钟周期数之和/程序中指令总数

=程序中各类指令的CPI程序中该类指令的比例3.计算机系统的性能评价50(3)MIPS(MillionInstructionsPerSecond)表示每秒执行的指令条数(以百万为单位)MIPS106=

指令条数执行时间CPU时钟周期之和=指令条数

106/ffCPI=

1063.计算机系统的性能评价51(4)MFLOPS(MillionFloating-PointOperationsPerSecond)

描述计算机每秒执行浮点操作次数，而不是MIPS所衡量的单位时间内执行的指令条数。

MFLOPS=程序中的浮