第一章+计算机组成与结构-概述

1、计算机组成与结构本课程主要内容n计算机单机系统的硬件组成(存储器,运算器,控制器,I/O设备)n计算机单机系统的硬件间结合结构,怎样把他们连结起来构成计算机系统(部件间的相互数据/信息流)教学安排n概论n运算器与运算方法n指令系统(指令的格式与寻址方式) nCPU(运算器与控制器）n存储器系统（逻辑设计）nI/O设备（显示器）nI/O系统（总线和接口interface,中断和DMA)本节课程内容n计算机的基本概念与发展简史n系统硬件组成（主要部件与系统结构）n计算机系统的性能指标构造/Constructing计算机发展简史n公元2世纪，中国发明算盘n17世纪，法国人帕斯卡发明机械台式计算机（计

2、算器中有一些互相联锁的齿轮，一个转过十位的齿轮会使另一个齿轮转过一位，人们可以像拨电话号码盘那样，把数字拨进去，计算结果就会出现在另一个窗口中，但是只能做加减计算。 ）n1694年，莱布尼兹在德国将其改进成可以进行乘除的计算。 计算机发展简史n1833年电脑之父-英国的科学家巴比奇构想出一部能够储存的机械式电脑，但直到他死时仍无法实现。 计算机发展简史n1945年6月，冯诺伊曼與戈德斯坦、勃克斯等人，聯名發表了一篇長達101頁紙的報告，即計算機史上著名的101頁報告，是現代電腦科學發展里程碑式的文獻。明確規定用二進制替代十進制運算，並將計算機分成五大組件，这一卓越的思想为电子计算机的逻辑结构设

3、计奠定了基础，已成为计算机设计的基本原则。1951年，EDVAC計算機宣告完成。由于他在计算机逻辑结构设计上的伟大贡献，他被誉为计算计算机之父机之父。n第一部通用电脑是由美国人在1946年所制造的，名为恩尼爱克，体积庞大，温度又高，包含了19000个电子管，后来，人类发明了电晶体和微晶片后，电脑才得以缩小。 。 计算机-机器特点n在机器中数据，信息如何表示与交流；n计算机怎样自动、连续、快速工作；n提供什么样的硬件支持计算机的工作。（冯诺伊曼）计算机体系的基本概念1.1 冯.诺伊曼n用二进制表示数据（任何格式的数据都要表示为二进制）n计算机采用存储程序的工作方式。n规定了计算机的五大组成部分(

4、存储器,运算器,控制器,I/O设备) 。计算机体系的基本概念1.2 信息的表示n人类的知识金子塔n用什么模型来从机器的角度放映人类世界的信息与知识n信息的物理表示。计算机体系的基本概念二进制n用二进制表示数据5 0 101 -6 1 110n用二进制表示字符A 000000001B 000000011n用二进制表示命令与状态计算机体系的基本概念二进制n用二进制表示物理机制怎样将二进制代码体现到物理信号上（数字型的电信号-模拟和数字的区别）数字型的电信号分为：脉冲和电平例一：用脉冲信号表示数字代码例二：用电平信号表示数字代码高电平1 低电平0计算机体系的基本概念1.3存储程序的工作方式n事先编制

5、程序n存储程序（转化为指令）n程序的执行计算机程序机器指令序列编译/解释计算机系统的硬件组成2.1 主要功能部件1.存储器功能存储信息主存储器/内存储器2.1 主要功能部件1.存储器存储体：存放信息的实体（一个存储单元可以方一个8位或16为数据）地址：每个单元的编号计算机系统的硬件组成 寻址系统：地址寄存器和地址译码器 读写线路和数据寄存器：暂存读写数据 控制线路讨论（第五章）：存储单元的读、写原理存储器逻辑设计计算机系统的硬件组成2.运算器功能：对信息进行运算、加工、处理（逻辑，算术）计算机系统的硬件组成移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器移位器移位器ALUALU选择

6、器通用寄存器组通用寄存器组选择器 ALU: ALU: 通过加法器实现运算通过加法器实现运算操作（由全加器求和、由进位操作（由全加器求和、由进位链传递进位信号）。链传递进位信号）。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 通用寄存器组：提供操作数，通用寄存器组：提供操作数，存放运算结果。存放运算结果。ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 选择器：选择操作数；选择控选择器：选择操作数；选择控制条件，实现各种算法。制条件，实现各种算法。5-3? 第一步 转换为: 5+ (-3) 第二步 -3转换为补码方式(Complement)机器数的补码可由原码得到。如果机器数是正

7、数，则该机器数的补码与原码一样；如果机器数是负数，则该机器数的补码是对它的原码（除符号位外）各位取反，并在未位加1而得到的。如果是负数: X补 =X反+1第三步 运算相加0101+1101=0010移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 移位器：直接或者移位移位器：直接或者移位送出运算结果。送出运算结果。 3. 输入输入/输出设备输出设备 1）功能：）功能：转换信息转换信息。 输入输入：原始信息：原始信息 代码，送入主机代码，送入主机输出输出：处理结果：处理结果 人所能接受的形式，人所能接受的形式，并输出并输出（代码）（代码） 4. 控制器控制器 1）功能：）功能：产生控

8、制命令产生控制命令(微命令微命令)， 控制全机操作控制全机操作。 2）组成：）组成：微命令发生器微命令发生器指令信息指令信息状态信息状态信息时序信号时序信号微命令序列微命令序列指令信号: 控制指令的种类状态信号: 程序转移时序信号: 什么时候发相应指令微命令产生方式（指令执行控制方式）：微命令产生方式（指令执行控制方式）：组合逻辑控制方式：组合逻辑控制方式：微程序控制方式：微程序控制方式：由组合逻辑电由组合逻辑电 路产生路产生微命令微命令(门电路门电路)由微指令产生微命令由微指令产生微命令(一串二进制代码一串二进制代码)介绍介绍：两种控制器的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

9、程。2.2 硬件系统结构硬件系统结构1. 以总线为基础的系统结构以总线为基础的系统结构 总线：能为多个部件分时共享的总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。一组信息传送线路。总总 线线部件部件部件部件部件部件总总 线线功能功能 内总线内总线 局部总线局部总线 系统总线系统总线 外总线外总线信息信息 地址总线地址总线 数据总线数据总线 控制总线控制总线时序时序 同步总线同步总线 异步总线异步总线格式格式 并行总线并行总线 串行总线串行总线方向方向 单向总线单向总线 双向总线双向总线微型机系统结构微型机系统结构(多极总线多极总线) CPUCPURAMRAMROMROM公共接口公共接口总线控制

10、逻辑总线控制逻辑M M扩展板扩展板I/OI/O接口板接口板局部总线局部总线(插件板插件板/CPU板）板）系统总线系统总线以以M为中心的双总线结构为中心的双总线结构CPUCPUM M接口接口接口接口I/OI/OI/OI/O系系 统统 总总 线线 M M 总线总线 介绍：介绍： 中断接口中断接口、DMA接口；接口；总线：分类、信号的组成总线：分类、信号的组成第三节第三节 计算机系统的性能指标计算机系统的性能指标1. 基本字长基本字长 指操作数的基本位数。指操作数的基本位数。 它影响计算精度、指令功能。它影响计算精度、指令功能。2. 存储容量存储容量 （1）主存容量）主存容量 指存储单元个数指存储单元个数位数。位数。决定地址位数决定地址位数表明编址单位表明编址单位表示为：表示为：字数字数字长字长（按字编址）（按字编址）或或 字节数字节数（按字节编址）（按字节编址）（2）外存容量）外存容量 常表示为常表示为字节数字节数。 外存容量与地址码位数无关外存容量与地址码位数无关。3. 运算速度运算速度 （1）定点）定点/浮点四则运算时间浮点四则运算时间 （2）每秒