计算机组成课件

计算机组成与结构

2008年3月什么是计算机结构与组成？

在本书中，计算机结构定义为系统程序员所能见到的计算机硬件特性，是指计算机的逻辑结构，如：程序计数器、通用寄存器、段寄存器等。计算机组成定义为计算机硬件的具体实现，是指计算机的物理结构。运算器控制器存储器输入设备输出设备地址总线数据总线控制总线实际机器《计算机组成与结构》

课程的性质：《计算机组成原理》是计算机类各专业的一门必修的核心课程，主要讨论计算机单机系统的组成及内部工作机制。

课程的任务通过学习计算机的基本概念、基本结构、基本算法及实验，对组成计算机的各个部件的功能和工作过程、以及部件间的连接有较全面、较系统的认识，形成较完整的计算机组成与工作原理模型。通过实验课的学习，不但使学生硬件的动手能力得到初步训练，而且可以建立一个完整的计算机整机概念。与其他课程的关系先修课程：《电子技术》、《汇编语言》。后续课程：《计算机系统结构》、《微型机与接口技术》、《操作系统》等。学习内容及重点

内容：第一~第十章重点：第3、4、5、6、7章特点：内容比较抽象，难以想象。参考书目《计算机组成原理》，白中英主编，科学出版社《计算机组成原理与系统结构》，蒋本珊编著Internet：www.google.cn；www.citeseer.nj.nec.com/cs；……

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电话：81868816，（638808）第一章计算机系统概论本章内容包括：计算机的语言计算机的硬件与软件计算机系统的层次结构电子计算机的发展简史（自学）计算机的应用（自学）计算机的网络（自学）思考题第一章 计算机系统概论1.1 计算机的语言一、自然语言与高级语言

自然语言：汉语、英语等（计算机不能接受）高级语言：和自然语言接近，并能为计算机接受。常用于科学计算和数据处理的高级语言有：BASIC、FORTRAN、PASCAL、COBOL等；常用于人工智能的语言：LISP、PROLOG等。1.1 计算机的语言二、计算机的解题步骤计算机能自动完成运算或处理过程的基础是存储程序和程序控制，即计算机的工作原理就是存储程序和程序控制原理。程序是为解决某个问题而编制的一系列工作步骤，它可由高级语言的语句组成，也可以由机器指令组成。机器指令是计算机唯一能够直接识别并执行的语言，即机器语言。计算机解题过程可归纳为：P1程序中的每一条指令都要求计算机完成一定的操作。一条指令是用一串二进制代码表示的，它通常应包括两方面的信息：操作码和地址码。操作码：表征该指令的操作特性和功能，即用来规定指令应进行什么操作。地址码：指出参与操作的数据在存储器中的地址，通常表示的是数据地址。1.1 计算机的语言二、计算机的解题步骤计算机工作过程举例现要求计算机完成31+14=45的运算，并把运算结果送到地址为60H的存储单元中保存起来。要完成上面的运算工作，首先要编写运算程序，并将这一程序送到计算机。某计算机完成上述运算的指令为：助记符 操作码 操作数 十六进制数表示MOVA,1FH 01110100 00011111 741FADDA,0EH 00100100 00001110 240EMOV60H,A 11110101 01100000 F5601.1 计算机的语言二、计算机的解题步骤计算机的运行过程为：计算机开始运行后，先把第一条指令取进来，分析第一条指令：操作码74表示要把一个数取到计算机的累加器A中，要取进来的数为1FH（即十进制数31）。分析了这条指令后，计算机指挥有关部件完成这一操作。接着计算机把第二条指令取进来，分析第二条指令：24表示要做加法操作，即把累加器A中的数加上一个数，并把和数放在累加器A中，而要加的数为0EH（即十进制数14），分析好第二条指令后，即完成与该指令相应的操作，这时累加器A中的数为2DH（即十进制数45）。再接着把第三条指令取进来，分析第三条指令：把累加器A中的计算结果传送到地址为60H的存储单元中，当完成相应的操作后，60H单元中的内容即为运算结果2DH（即十进制数45）。1.2 计算机的硬件与软件一、数字计算机的硬件组成

硬件：构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。硬件系统的基本功能是在计算机程序的控制下，完成数据的输入、运算、输出等一系列操作。硬件主要包括：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大功能部件。硬件是计算机能够运行的物质基础，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算精度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。运算器：运算器就好象是一个由电子线路构成的算盘，它的主要功能是加、减、乘、除等算术运算，除此以外，还可进行逻辑运算，因此其内部有一个算术及逻辑运算部件（ALU）。存储器：存储器的功能是保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤，为此在运算前需要把参加运算的数据和解题步骤通过输入设备送到存储器中保存起来。1.2 计算机的硬件与软件几个概念：

位：存储器中最小的存储单位，用来记存一位二进制信息（0或1）。字节：八位二进制信息称为一个字节，字节是计算机内外存之间交换信息的最小单位，以B表示。字长：CPU对主存进行操作时，通常将若干个二进制位作为一个整体存入或取出，这一组二进制代码称为一个字，其包含的二进制个数称为字长。字是计算机内部进行数据处理的基本单位。存储单元：能存储八位二进制代码信息的物理器件。地址：每个存储单元都有一个编号，此编号称为地址。存储容量：存储器中所有存储单元的总和，即存储器所能容纳的二进制量。存储容量的单位是KB，MB与GB。1.2 计算机的硬件与软件

控制器：是计算机的控制中心，用来实现计算机本身运算过程的自动化。控制器的主要工作是不断地取指令、分析指令和执行指令。控制器是计算机中发号施令的部件，它控制计算机的各部件有条不紊地进行工作，更具体地讲，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。控制器与运算器合称为CPU，即中央处理器。输入设备：把原始数据和处理这些数据的程序通过输入接口输入到计算机的存储器中，即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。常见的输入设备：键盘、鼠标。输出设备：输出计算机的处理结果，即把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式。常用的输出设备有：显示器、打印机。1.2 计算机的硬件与软件二、计算机系统的软件

计算机运行需要的程序、数据和有关的技术文档资料。软件通常分为系统软件和应用软件两大类。程序：用某种特定的符号系统（语言）对被处理的数据和实现算法的过程进行描述，通俗地说就是用于指挥计算机执行各种动作以便完成指定任务的指令集合。而程序设计语言是指编写计算机程序所用的语言，可分为三种类型：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言：直接用计算机指令作为语句与计算机交换信息的语言，是一种二进制语言。汇编语言：第二代语言，由机器语言符号化了的语言。高级语言：面向问题求解过程的语言。1.2 计算机的硬件与软件三、软件与硬件的功能划分与逻辑等价性在计算机中，许多功能可以直接由由硬件实现，也可以软件来实现；对用户而言在功能上是等价的，被称为硬、软件在功能上的逻辑等价。如何分配硬件、软件的功能？硬件软化：将原来依靠软件实现的一些功能改由硬件直接实现，如浮点运算、存储管理等。固件（软件固化）：利用程序设计技术和扩大微程序的容量，可以使原来属于软件级的一些功能纳入微程序一级。微程序类似于软件，但被固化在只读存储器中，属于硬件CPU的范畴，称为固件。1.3 计算机系统的层次结构现代计算机解题的一般过程：用户用高级语言编写程序，连同数据一起送入计算机，然后由计算机将其翻译成机器语言程序，在计算机上运行后输出结果。其过程如图1.2（P4）所示。一、汇编语言虚拟机器的层次结构汇编语言：第二代语言，由机器语言符号化了的语言。和机器语言基本上一一对应，表示方法作了根本性改进，用一种助记符来代替操作码，用符号来表示操作数地址（地址码）。汇编程序：把汇编语言源程序翻译成机器可执行的机器语言表示的目标程序的翻译程序，其翻译过程叫汇编。汇编语言虚拟机器的层次结构：

虚拟机器M2（汇编语言机器）

实际机器M1（机器语言机器）1.3 计算机系统的层次结构二、高级语言虚拟机器的层次结构

高级语言：面向问题求解过程的语言。编译程序：将用高级语言所编写的源程序翻译成与之等价的用机器语言表示的目标程序的翻译程序，其翻译过程称为编译。解释程序：接受用某程序设计语言编写的源程序，然后对源程序中的每个语句进行解释并分析执行，最后得出结果。高级语言虚拟机器的层次结构：

虚拟机器M3（高级语言机器）虚拟机器M2（汇编或中间语言机器）

实际机器M1（机器语言机器）1.3 计算机系统的层次结构三、多级组成的计算机系统（P6图1.4）

多级组成的计算机系统也可以用下图来表示：编译程序汇编程序操作系统微程序微程序直接由硬件执行

高级语言级

汇编语言级

操作系统级

一般机器级微程序设计级1级2级3级4级5级1.3 计算机系统的层次结构

微程序设计级。这是一个实在的硬件级，由机器硬件直接执行微指令。如果某个应用程序直接用微指令来编写，可在这一级上运行应用程序。一般机器级：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。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，所以也称为混合级。汇编语言级：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，则这一级可不要。高级语言级：是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的，这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。1.4 电子计算机的发展简史一、第一台计算机的诞生

世界上第一台计算机是1946年2月在美国诞生，它的名字叫ENIAC（译作“埃尼克”），是一台电子数字积分计算机。由美国宾夕法尼亚大学的物理学家莫奇利（JOHNW.MAUCHLY）和埃克特（J.PRESPERECKERT）领导的研究小组设计制造的，该机用于美国陆军部的弹道研究实验室。它的诞生宣告一个新的时代——电子计算机时代的到来。ENIAC是世界上第一台投入运行的电子计算机，但它还不具备现代计算机主要原理特征（存储程序和程序控制原理）。世界上第一台设计具有存储程序功能的计算机叫EDVAC（译作“埃德瓦克”）。与ENIAC相比，它的主要改进有两点：采用了二进制和使用汞延迟线作存储器。EDVAC从1946年开始设计，于1950年研制成功。它的基本特点：P6~71.4 电子计算机的发展简史二、计算机发展简史

依据计算机采用的物理器件，可将计算机的发展划分成以下几个阶段。第一代——电子管计算机（约在1946~1957年）主要特征：使用电子管作为电子器件，用光屏管或汞延时电路作存储器，输入输出主要采用穿孔纸带或卡片。软件还处于初始阶段，几乎没有什么系统软件。用途：主要用于科学计算。代表产品：UNIVAC-I（UNIVERSALAUTOMATICCOMPUTER）

缺点：体积大、耗电多、运算速度低、成本高、使用不方便。1.4 电子计算机的发展简史

第二代——晶体管计算机（约在1958~1964年）主要特征：使用晶体管作为电子器件，用磁性材料制成的磁芯和磁鼓作存储器，输入输出主要采用磁带和磁盘。软件有了较大的发展，产生了FORTRAN（1957年）、COBOL（1960年）、ALGOL60、PL/1等高级程序设计语言和批量处理系统。用途：除了用于科学计算外，还用于数据处理和事务处理，并逐渐用于工业控制。代表产品：IBM公司的IBM7090、IBM7094、IBM7040、IBM7044优点：体积大大缩小、耗电少、运算速度加快、内存容量增加。1.4 电子计算机的发展简史

第三代——集成电路计算机（约在1965~1970年）主要特征：使用中小规模集成电路作为计算机电子器件，用半导体作主存储器。软件有了更进一步的发展，有了标准化的程序设计语言和人机会话式的BASIC语言。用途：除了用于科学计算外，还用于企业管理、自动控制、辅助设计和辅助制造等领域。代表产品：IBM公司的IBM360（中型机）、IBM370（大型机）、DEC公司的PDP—11系列小型计算机等。优点：体积和功耗电进一步减少、可靠性和运算速度进一步提高。1.4 电子计算机的发展简史

第四代——大规模、超大规模集成电路计算机（约在1971~至今）主要特征：采用集成度为上千甚至上万的大规模、超大规模集成电路作为计算机主要功能部件，用集成度更高的半导体存储器（16K、64K）作主存储器，输入输出除入采用磁带和磁盘外，还引进入光盘。软件配置空前丰富，软件系统工程化、理论化，程序设计自动化，是软件方面的主要特点。用途：应用已经涉及到国民经济的各个领域，已经在办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统等众多领域中大显身手，并且进入了家庭。优点：体积进一步缩小、性能进一步提高，机器的性能价格比大幅度上升。1.4 电子计算机的发展简史

计算机的发展方向绿色计算机：对人类及其生存环境不会产生不良影响的计算机。它要具备节能、低污染、易回收、符合人体工程学。（P378）多媒体计算机：将通用计算机配置专用硬件和相应软件，从而能对文本、图形、图像、动画、音频、视频等多种媒体进行存储、处理和传输的计算机。（P380）1.4 电子计算机的发展简史三、计算机的分类

大型机：P8

巨型机：P9

小型机：P9

微型机：P9

工程工作站：P10

联机系统和计算机网络：P10~111.5 计算机的应用一、科学计算

科学研究和工程技术计算领域，是计算机应用最早的领域，也是应用得较广泛的领域，例如在天文学、量子化学、空气动力学、核物理学等领域中，都需要依靠计算机进行复杂的运算。科学计算的特点是计算量大和数值变化范围大。二、数据（信息）处理

信息处理是指计算机对信息记录、整理、统计、加工、利用、传播等一系列活动的总称。即泛指非科技工程方面的所有计算、管理和任何形式数据资料的处理，包括OA（办公自动化）、MIS（管理信息系统）、ES（专家系统）。如铁路、飞机售票系统，计算机管理系统等。三、计算机控制（实时控制）

计算机及时采集数据，按最佳值迅速对控制对象进行自动控制或自动调节。如无人车间与无人生产线、卫星发射的控制等等。1.5 计算机的应用四、计算机辅助系统

计算机辅助教学（CAI）：利用计算机帮助学习的自学习系统，将教学内容、教学方法以及学习情况等存储在计算机中，使学生能够轻松自如地从中学到所需要的知识。计算机辅助设计（CAD）：利用计算机来帮助设计人员进行设计工作。分为两类：产品设计和工程设计。计算机辅助制造（CAM）：利用计算机进行生产设备的管理、控制与操作，从而提高产品质量，降低成本、缩短生产周期。计算机辅助测试（CAT）：利用计算机进行复杂而大量的测试工作。计算机集成制造系统（CIMS）：CAD、CAM与CAPP（CAE）集成。1.5 计算机的应用五、计算机通信

如网上会议、网上理财、网上商业等网上通信活动进入人们生活。六、人工智能用计算机模拟人类的智能活动：判断、理解、学习、图象识别、问题求解等，是计算机向智能化方向发展的趋势。简单地说就是要使计算机能够模仿人的高级思维活动。人工智能的研究课题是多种多样的，如计算机学习、计算机证明、机器人等。以下棋为例，把走棋子的法则编成程序存入计算机，计算机可按规则走动棋子，与人对奕。我们必须从方法和程序上研究一种新的手段，使计算机下棋输了以后它能进行自学习、自组织、自积累经验，那么下次再下棋时就不会重犯上次的错误，这就是人工智能所研究的课题。七、嵌入式应用1.6 计算机网络一、计算机网络基础知识

计算机网络定义：凡是地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线路互相连接起来，并配以功能完善的网络软件，实现资源共享的系统，称为“计算机网络”。网络的分类：局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）。二、局域网网内所有计算机之间的距离比较短，一般在2.5km之内；数据传输率在1Mbps到1000Mbps之间。网络拓扑结构：网络中各个站点相互连接的方法和形式。局域网的拓扑结构主要有星形结构、总线结构和环形结构等。1.6 计算机网络三、广域网和网络协议

所谓广域网，就是通过通信线路（专用线、电话线或卫星）将远距离（甚至全世界）的计算机连接起来。ISO/OSI基本参考模型：描述了信息通过源设备时自上而下的七个结构层次。从低到高依次为：物理层，数据链路层，网络层、传送层、会话层、表示层、应用层。1.6 计算机网络四、TCP/IP

TCP——TransmissionControlProtocol，传输控制协议。TCP协议规定了对传输信息怎样分层、分组和在线路上传输；IP——InternetProtocol，网际互联协议。IP协议定义了Internet上计算机之间的路由选择，把各种不同网络的物理地址转换为Internet地址；TCP/IP协议组：是一组工业标准协议，互联网络信息交换、规则、规范的集合体。TCP/IP模型分4个层次：应用层、传输层、网络层和物理层。1.6 计算机网络五、Internet（因特网）六、网络互连设备中继器：主要用来扩展网络电缆的长度，连接网络段。集线器：在局域网中，作为中心以连接各个计算机星形结构的网络互连设备。网桥：经常用于连接两个或多个局域网，也可将一个大局域网分割成若干个局域网，每个局域网有自己的服务器，中间用网桥连接起来，当大部分通信在单个局域网之内时，可大大提高整个局域网的带宽。路由器：可实现相同或不同类型网络的互连。即可实现局域网之间，局域网与广域网之间，广域网与广域网之间的互连。交换机：可应用于广域网或局域网中。网关：实现不同网络协议之间互相转换的设备。第一章 计算机系统概论本章掌握内容：计算机的解题过程计算机的硬件组成计算机系统的层次结构计算机的发展简史计算机的应用本章作业： （P22）1、2、3课外思考题：（P22）10补充习题：为什么硬件和软件能实现相互转换？实现这种转换的媒介是什么？如何理解软硬件之间的等价性？第一章 课堂练习一、选择题：1、一个完整的计算机系统应包括

。

A、运算器、存储器、控制器 B、外部设备和主机

C、主机和实用程序 D、配套的的硬件设备和软件系统2、计算机系统中的存储器系统是

。

A、RAM存储器 B、ROM存储器 C、主存储器 D、主存储器和外部设备3、集成电路的发展，到目前为止，依次经历了

四个阶段。

A、SSI、LSI、MSI、VLSI B、VLSI、LSI、MSI、SSI C、SSI、MSI、VLSI、LSI D、SSI、MSI、LSI、VLSI4、冯·诺依曼机工作方式的基本特点是

。

A、多指令流，单数据流 B、按地址访问并顺序执行指令

C、堆栈操作

D、存储器按内容选择地址

第一章 课堂练习5、设有外存储器的计算机监控程序可以存放在

中。

A、RAM B、ROM C、RAM和ROM D、CPU6、所谓第二代计算机是以

电子元件为主