电子科技大学,计算机组成原理1计算机组成原理-1

1、计算机组成原理,授课教师：纪禄平,邮件： 电子科技大学计算机学院,课程内容简介：,第一章 概论 4学时,第二章 计算机中的信息表示 6学时,第三章 CPU子系统 24学时,第四章 存储子系统 8学时,第五章 I/O子系统 8学时,第六章 输入/输出设备及I/O接口 4学时,第七章 计算机硬件系统模型 (自学),一、课程主要内容,讨论计算机单机系统的硬件组成。,即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。,二、学习目的,为培养同学们在分析、设计、开发计算机系统方面的

2、能力打下坚实的基础。,三、教学特点,1、以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（64课时，4节/周）,教学思路： CPU 主机 计算机硬件系统,五、成绩分布,选修课：可编程逻辑设计,主要内容： 计算机的基本概念 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 计算机的性能指标,第一章 概论,第一节 计算机的基本概念,电子计算机一种能够自动高速精确地对数字信息进行加工处理存储与传送的电子设备。,计算机的分类,计算机从总体上来说分为两大类: 模拟计算机和数字计算机。,各自主要特点： 模拟计算机：由模拟运算器件构成，处理在时间和数值上连续的模拟量（

3、如：电压、电流等）； 数字计算机：由逻辑电子器件构成，处理离散的数字量。,计算机的分类,计算机分类,数字计算机又可分为: 专用计算机和通用计算机。 专用机是以快速、经济和高集成度为主要指标的特殊计算机，它是针对某一任务设计的计算机，但是它的适应性较差（如：工控机、IOP等） 。 通用机适应性较高，但是牺牲了效率、速度和经济性。,计算机分类,按照计算机的体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模、机器价格和应用范围等条件，将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机等。 它们的结构规模和性能指标依次递减。随着超大规模集成电路的迅速发展，类型也会发生动态变化。,计算机分类,

4、通用计算机类别：,1.1.1 冯 诺依曼思想,1. 用二进制代码表示程序和数据；,任何复杂的运算和操作都可转换成一系列用二进制代码表示的简单指令，各种数据则可用二进制代码来表示；,2. 计算机采用存储程序的工作方式；,3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备组成。,将组成程序的指令和数据存储起来（称为存储程序），让计算机自动地执行有关指令，就可以完成各种复杂的运算操作（称为程序控制）。,计算机硬件组成如后图所示; 这些思想已成为现代计算机技术的理论基础。,图 计算机组成示意图,实心箭头代表控制信号流向,空心箭头代表数据信号流向,图 计算机的工作流程,1.1.2 信息的数字化

5、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 0 101,表示为 1 101,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 11,2. 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,1,0,1,表示数字代码,实现并行操作,实现串行操作,3. 数字化方法表示信息的优点,（1）物理上

6、易实现信息的表示与存储 （2）抗干扰能力强，可靠性高 （3）数值的表示范围大，精度高 （4）可表示的信息类型广泛 （5）能用数字逻辑技术进行处理,1.1.3 存储程序工作方式,1.事先编制程序,3.自动、连续地执行程序,2.事先存储程序,传统诺依曼机串行执行指令。,对传统诺依曼机的改造：增加并行处理功能。,第二节 计算机系统的组织,硬件是指构成计算机系统的实体和装置之类的有形设备，是组成计算机系统的物质基础。 软件是指由硬件所表达的各种内在信息，包括数据与控制程序。因为它们是无形的东西，所以称为软件或软设备。,1.2.1 计算机的硬件系统组成,运 算 器,控 制 器,主存储器,输入设备,输出设

7、备,总线 和 输入输出接口,高速缓存,虚拟存储器 (磁盘设备),（第3章）,（第4章）,（第5章）,（ 第6章）,CPU,计算机的硬件,计算机的一般组成结构为： 运算器+存储器+控制器+输入/输出设备。,主要功能部件,1. CPU（Central Processing Unit） 由运算器、控制器组成。,（1） 运算器 1）功能：加工信息。 2）组成：,又称为算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)，用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作，它是CPU的执行部件。 ALU是一种以全加器为核心的具有多种运算功能的组合逻辑电路。 在运算中,当数的位数越多时,计算的精度就越高

8、,但是位数越多,所需的电子器件也越多。目前计算机的运算器长度一般是8位、16位、32位或64位,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,ALU: 通过加法器实现运算操作（由全加器求和、由进位链传递进位信号）。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,通用寄存器组：提供操作数，存放运算结果。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,选择器：选择操作数；选择控制条件，实现各种算法。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,移位器：直接或者移位送出运算结果。,3）讨论 几种典型的运算器组成 几种主要的运算方法（定、浮）,（2）控制

9、器 1）功能：产生控制命令(微命令)， 控制全机操作。 2）组成：,微命令序列,微命令产生方式（指令执行控制方式）：,3）讨论 两种控制器组成原理与控制机制； 模型机的数据通路结构和指令执行 过程。,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,2. 存储器 1）功能:存储数据和数字化后的程序。,注意到：不论是数据,还是程序,存储器存储的全是用0或1表示的二进制代码。 存储器包括如下名词概念：,存储单元: 在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器,组成一个存储单元。 地址: 存储器是由许多存储单元组成,每个存储单元的编号,称为地址。,存储容量: 存储器

10、所有存储单元的总数。 存储容量越大,表示计算机记忆储存的信息就越多。通常用单位“KB、MB、GB”等表示。 内存储器（主存）：存放直接为CPU提供服务的数据与程序的存储器。 目前主要采用半导体型内存储器芯片。其特点为：工作速度较快，存储容量比外存小。 外存储器(辅存）: 为计算机配备的存储容量很大的辅助存储器。 如：磁盘存储器、光盘存储器等，其主要特点是存储容量大，价格便宜，工作速度较慢。,讨论 存储单元读/写原理、存储器逻辑设计,存储体: 存放信息的实体。,寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。,读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂存读/写数据。,控制线路：产生读/写时序，控制读/写操

11、作。,3. 输入/输出设备 1）功能：转换信息。,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，并输出,（代码）,2）讨论 显示器的工作原理和信息转换过程。,4. 总线（Bus）,5. 接口,能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。,外设不标准，种类数量可变，为将系统总线与各类外设连接，须在两者之间设置一些部件，具有缓冲、转换、连接等功能，这些部件就是接口。,典型的硬件系统结构 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。,系统总线,总线结构 优点： 减少机器中信息传送线的根数，简化了系统结构，提高了机器的可靠性。 可以方便对系统进行扩充。

12、分为三类： 传送信息的数据总线DB (Data Bus)； 指示欲传信息的来源或目的地址的地址总线AB (Address Bus)； 管理总线上活动的控制总线CB (Control Bus)。,系统总线,总 线,功能 内总线 局部总线 系统总线 外总线,信息 地址总线 数据总线 控制总线,时序 同步总线 异步总线,格式 并行总线 串行总线,方向 单向总线 双向总线,（1）以CPU为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,I/O 总线,M总线,（2）单总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,（3）以M为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,

13、I/O,系 统 总 线,M总线,（4）多级总线结构,CPU,RAM,ROM,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,2. 采用通道或IOP的大型系统结构 （1）带通道的系统,I/O控制器,主机,I/O,通道,（2）带IOP的系统,CPU,M,接口,I/O,IOP,LM,接口,I/O,系统总线,I/O总线,3. 模型机系统结构,系 统 总 线,CPU,M,公共接口,接口,接口,I/O,I/O,4. 讨论 接口： 中断接口、DMA接口 总线：分类、信号组成,1.2.2 软件系统,软件类别： 系统程序和应用程序。 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

14、效率,发挥和扩大计算机的功能及用途的软件。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； 语言程序,如汇编程序、编译程序、解释程序等；,软件的组成和分类,操作系统； 数据库管理系统 应用程序：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。,1.2.3 系统组成的层次结构,计算机系统是一个由多层次结构组成的系统，其层次结构示意图，见书P13图1-9 。,多级组成的计算机系统,系统的多级结构,各级结构的基本特点 ： 1. 微程序设计级 这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微命令。如果某

15、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该应用程序。 2. 传统机器级 也称为机器语言级，由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。,3. 操作系统级 由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，这些广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为软硬件混合级。 4. 语言处理程序级 给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。,1.2.4 软件与硬件的逻辑等价性,软件的特点 易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受

16、到速度指标和软件容量的制约； 硬件的特点 可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。 传统的软件部分，今后完全有可能“固化”甚至“硬化”。,软件与硬件的逻辑等价性,第三节 计算机系统的性能指标,1. 基本字长 指操作数的基本位数。 它影响计算精度、指令功能。 2. 存储容量 （1）主存容量 指存储单元个数位数。,决定地址位数,表明编址单位,表示为：字数字长（按字编址）或 字节数（按字节编址）,（2）外存容量 常表示为字节数。 外存容量与地址码位数无关。,3. 运算速度 （1）定点/浮点四则运算时间 （2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（MHz）,总线位数总线时钟频率 8,5. 外围配置 （1）硬件设备的配置 （2）系统软件配置,总线带宽 =,4. 数据传输率,（B/S）,第一章小结,1. 计算机主要指数字计算机，通常分为专用计算机和通用计算机两大类。专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。 2. 计算机的硬件是指构成计算机的各类有形的电子器件，它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备等。传统上将运算器+控制