计算机组成原理(第一)

1、计算机组成原理计算机组成原理计算机科学与技术学院应用技术系计算机科学与技术学院应用技术系嵌入式系统研究所嵌入式系统研究所主讲教师：覃志东主讲教师：覃志东 教材教材白中英，计算机组成原理白中英，计算机组成原理第五版，科学出版社，第五版，科学出版社，参考书参考书石磊，计算机组成原理石磊，计算机组成原理第第2版版, 清华大学出版社，清华大学出版社，2006钱晓捷，微型计算机原理及应用钱晓捷，微型计算机原理及应用, 清华大学出版社，清华大学出版社，2006王爱英王爱英,计算机组成与结构计算机组成与结构第第3版版, 清华大学出版社，清华大学出版社，2001考核方式考核方式平时作业和考勤平时作业和考勤 3

2、0考考 试试 70 作业在每次上课的时候交到讲台上作业在每次上课的时候交到讲台上 系统结构、组成与实现系统结构、组成与实现计算机系统结构计算机系统结构(Computer architecture）计算机系统的软件与硬件的界面指令系统计算机系统的软件与硬件的界面指令系统程序员所看到的计算机属性外特性程序员所看到的计算机属性外特性 计算机组成计算机组成(Computer organization）组织）组织计算机系统结构的逻辑实现计算机系统结构的逻辑实现计算机实现计算机实现(Computer implementation）计算机组成的物理实现计算机组成的物理实现计算机系统的结构，组成，实现是三个完

3、全不同计算机系统的结构，组成，实现是三个完全不同的概念，相互间有着十分密切的依赖关系和相互的概念，相互间有着十分密切的依赖关系和相互的影响。广义的计算机系统结构即包括经典的指的影响。广义的计算机系统结构即包括经典的指令集结构，也包括计算机组成和实现技术的研究令集结构，也包括计算机组成和实现技术的研究结构、组成和实现结构、组成和实现 一种体系结构可以有多种组成一种体系结构可以有多种组成 一种组成可以有多种物理实现一种组成可以有多种物理实现是否设置是否设置乘方乘方/ /开方指令开方指令逻辑设计逻辑设计1 1( (硬联电路硬联电路) )实现方案实现方案1 1(V1,$1,T1)(V1,$1,T1)逻

4、辑设计逻辑设计3 3( (微程序微程序) )逻辑设计逻辑设计2 2(ROM(ROM查表查表) )实现方案实现方案2 2(V2,$2,T2)(V2,$2,T2)实现方案实现方案3 3(V3,$3,T3)(V3,$3,T3)计算机系统结构计算机系统结构计算机组成计算机组成计算机实现计算机实现是是否否第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.1.概念概念计算机（计算机（Computer）是一种以电子器件为基础是一种以电子器件为基础的，不需人的直接干预，能够对各种数字化信的，不需人的直接干预，能够对各种数字化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。息，进行算术和逻辑运算的快速工具。2、 层次层次 以电

5、子器件为物质基础：电子数字计算机以电子器件为物质基础：电子数字计算机（Digital Computer）不需要人的直接干预：自动化（存储程序为不需要人的直接干预：自动化（存储程序为基础）基础）数字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑数字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑判判断和处理能力的基础）断和处理能力的基础）算逻运算：基本运算操作是算术和逻辑运算算逻运算：基本运算操作是算术和逻辑运算 快速工具：电子器件；存储程序快速工具：电子器件；存储程序（1）内部特征：）内部特征： （A） 高速高集成度开关元件高速高集成度开关元件 （B） 数字化信息编码数字化信息编码 （C） 逻辑判断和处理能力逻辑判断和

6、处理能力 （D） 存储程序存储程序（2）外部特征：）外部特征： （A） 快速性（由（快速性（由（1）中（）中（A）（）（D）决定）决定） （B） 准确性（由（准确性（由（1）中（）中（B）（）（D）决定）决定） （C） 逻辑性（由（逻辑性（由（1）中（）中（A）（）（C）（）（D）决定）决定） （D） 通用性（由（通用性（由（1）中（）中（A）（）（B）（）（C）（）（D）决定）决定） 1.1.1 计算机的分类计算机的分类计算机从总体上来说分为两大类计算机从总体上来说分为两大类: 模拟计算机模拟计算机和和数字计算机数字计算机。各自主要特点：各自主要特点：模拟计算机模拟计算机由模拟运算器件构成，

7、其变量由连由模拟运算器件构成，其变量由连续量（如：电压、电流等）来表示，运算过程续量（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的也是连续的数字计算机数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量则是由逻辑电子器件构成，其变量为开关量（离散的数字量），采用数字式按位为开关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算模式是离散式的运算，运算模式是离散式的数字计算机与模拟计算计的主要区别数字计算机与模拟计算计的主要区别比较内容比较内容数字计算机数字计算机模拟计算机模拟计算机数据表示方式数据表示方式数字数字0和和1电压、电流等电压、电流等计算方式计算方式数字计算数字计算电量组合和测量值电量组合和测量值控制

8、方式控制方式程序控制程序控制模拟信号组合控制模拟信号组合控制精度、抗干扰性精度、抗干扰性高、好高、好低、差低、差数据存储量数据存储量大大小、几乎无小、几乎无逻辑判断能力逻辑判断能力强强无无通用计算机类别巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机，它们的结构规模和性能指标依次递减单片机，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随着超大规模集成电路的迅速发展,今天的小型今天的小型机可能是明天的微型机机可能是明天的微型机,而今天的微型机可能是而今天的微型机可能是明天的单片机明天的单片机1.1.2 计算机的应用计算机的应用计算机之所以迅

9、速发展计算机之所以迅速发展,其生命力在于它的广泛其生命力在于它的广泛应用并协助人类取得了辉煌的成就。计算机的应用并协助人类取得了辉煌的成就。计算机的应用范围几乎涉及人类社会的所有领域。本书应用范围几乎涉及人类社会的所有领域。本书归纳成六个主要方面来叙述：归纳成六个主要方面来叙述：科学计算科学计算自动控制和测量自动控制和测量 信息处理信息处理教育和卫生教育和卫生 家用电器家用电器 人工智能人工智能1.2.1 计算机的硬件系统组成计算机的硬件系统组成运运 算算 器器控控 制制 器器主存储器主存储器输入设备输入设备输出设备输出设备总线总线 和和 输入输出接口输入输出接口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟

10、存储器(磁盘设备磁盘设备)（第二章）（第二章）（第五章）（第五章）（第三章）（第三章）（第六章）（第六章）（ 第七、八章）第七、八章）中央处理单元中央处理单元CPU1. 运算器运算器算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算采用二进制数（容易实现）采用二进制数（容易实现）位数越多，计算精度越高位数越多，计算精度越高计算机的运算器长度：计算机的运算器长度：8位、位、16位、位、32位或位或64位位2. 存储器存储器功能：功能：保存或保存或“记忆记忆”数据和运算过程数据和运算过程存储的是存储的是0或或1表示的二进制代码表示的二进制代码主存采用半导体器件来作为存储器主存采用半导体器件来作为存储器一个半导体触发

11、器记忆一个二进制位一个半导体触发器记忆一个二进制位存储单元：存储单元： 在存储器中保存一个在存储器中保存一个n位二进制数的位二进制数的n个触发器，组成一个存储单元个触发器，组成一个存储单元存储器地址：存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址个存储单元的编号，称为地址存储容量：存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用存储器所有存储单元的总数。通常用单位单位“KB、MB、GB”等表示等表示内存储器（主存）和外存储器内存储器（主存）和外存储器(辅存）辅存）3. 控制器控制器表示参加运算的数据表示参加运算的数据从存储器的哪个单元取从存储器的哪

12、个单元取运算的结果应存到哪个单元运算的结果应存到哪个单元 控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作 指令指令有两部分：操作的性质和操作的地址有两部分：操作的性质和操作的地址操作码操作码地址码地址码指出指令所进行的操作指出指令所进行的操作加、减、乘、除、取数、存数等加、减、乘、除、取数、存数等 指令指令操作码操作码加法加法减法减法乘法乘法除法除法取数取数存数存数打印打印停机停机001010011100101110111000控制器的基本任务控制器的基本任务按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，

13、对该指令的操作码由译一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令，依次类推二条指令，再执行第二条指令，依次类推取指令的一段时间叫做取指令的一段时间叫做取指周期取指周期执行指令的一段时间叫做执行指令的一段时间叫做执行周期执行周期执行完成指令的时间，称为执行完成指令的时间，称为指令周期指令周期指令字和数据字，指令流和数据流指令字和数据字，指令流和数据流 某字为一条指令，则称为某字为一条指令，则称为指令字指令字

14、某字代表要处理的数据，称为某字代表要处理的数据，称为数据字数据字在取指周期中从内存读出的信息是在取指周期中从内存读出的信息是指令流指令流，它，它流向控制器流向控制器而执行周期中从内存读出的信息流是而执行周期中从内存读出的信息流是数据流数据流，它由内存流向运算器它由内存流向运算器时间上时间上：在取指周期中，：在取指周期中，CPU从内存读出的信从内存读出的信息一定是息一定是指令指令；而执行周期中从内存读出或写入；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定是的信息一定是数据数据。空间上空间上：指令一定流向控制器；而数据则是在：指令一定流向控制器；而数据则是在内存（或寄存器）与运算器内存（或寄存器）与运算

15、器之间之间流动流动1.2.2 计算机的发展历程计算机的发展历程第一台计算机第一台计算机 1946年年, 美国宾西法尼亚大美国宾西法尼亚大学研制成功的电子数字计算学研制成功的电子数字计算机机 ENIAC。重。重28吨，耗电吨，耗电150kW，占地，占地170平米，耗平米，耗用电子管用电子管18800个，继电器个，继电器1500个，电阻个，电阻7000个，电容个，电容10 000每秒进行每秒进行5000次加法次加法运算。比当时最快的计算工运算。比当时最快的计算工具快具快1000倍，很好地满足了倍，很好地满足了军方对弹道计算的需求。军方对弹道计算的需求。 标志着人类进入计算机发展标志着人类进入计算机

16、发展时代时代比较成熟的比较成熟的5代计算机代计算机电子管计算机电子管计算机(19461957) 体积大、耗电量大、可靠性差体积大、耗电量大、可靠性差存储容量很小，输入输出慢存储容量很小，输入输出慢无系统软件，机器语言、汇编语言无系统软件，机器语言、汇编语言ENIACISA计算机计算机IBM701晶体管计算机晶体管计算机(19581964)可靠性和运算速度均得到提高可靠性和运算速度均得到提高磁芯为主存，磁盘、磁鼓或磁带，磁芯为主存，磁盘、磁鼓或磁带，监控程序，监控程序，Fortran、ALGOL、CobolUnivac LARC IBM 7030集成电路计算机集成电路计算机(19651971)可

17、靠性和运算速度得到大幅度提高可靠性和运算速度得到大幅度提高半导体存储器半导体存储器分时操作系统，更多高级语言分时操作系统，更多高级语言IBM 360，370系列系列 ASC计算机计算机PDP-8系列系列超大规模集成超大规模集成电路计算机电路计算机(197186)可靠性、速度进一步提高半导体存可靠性、速度进一步提高半导体存储器、软盘、硬盘、光盘存储器储器、软盘、硬盘、光盘存储器操作系统进一步完善，计算机网络、操作系统进一步完善，计算机网络、多媒体技术多媒体技术 VAX 9000CrayX MP巨大规模集成巨大规模集成电路计算机电路计算机(1986现在现在)进一步改善进一步改善IBM 3090VF

18、微型计算机微型计算机1.3 计算机的软件系统计算机的软件系统软件（软件（Software）：）：指能使计算机工作的程序和程序运行时指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。软件的分类：软件的分类：（1）系统软件：）系统软件：指管理、监控和维护计算机资源的软件。指管理、监控和维护计算机资源的软件。 操作系统：操作系统：DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX 语言处理程序：机器语言、汇编语言和高级语言语言处理程序：

19、机器语言、汇编语言和高级语言 数据库管理系统：数据库和管理数据库的软件数据库管理系统：数据库和管理数据库的软件 服务程序：例如编辑程序、诊断程序、排错程序等服务程序：例如编辑程序、诊断程序、排错程序等 （2）应用软件：）应用软件：除了系统软件以外的所有软件，是用户利除了系统软件以外的所有软件，是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序。计算机程序。 软件程序软件程序+数据数据+文档文档软件分类软件分类操作系统操作系统 语言处理程序语言处理程序服务性程序服务性程序应用软件应用软件办公软件包办公软件包数据库管理系统数据

20、库管理系统浏览器浏览器实时控制软件实时控制软件诊断、排错程序诊断、排错程序反病毒程序反病毒程序备份程序备份程序文件压缩程序文件压缩程序卸载程序卸载程序图形图像处理软件图形图像处理软件其它应用软件其它应用软件系统软件系统软件计算机软件程序数据文档计算机软件程序数据文档目的程序目的程序早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以计算机完全可以“识别识别”并能执行，所以又叫并能执行，所以又叫做做目的程序目的程序用机器语言编写程序很繁琐，又耗费大量的人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力和时间，容易出错

21、，出错后寻找错误也相当费事，大大限制了计算机的使用费事，大大限制了计算机的使用汇编程序汇编程序为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率，人们发明了率，人们发明了汇编语言汇编语言借助于汇编程序，计算机本身自动地把符号借助于汇编程序，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用机器语言表示的目的程序用约定的文字、符号和数字（用约定的文字、符号和数字（助记符助记符）按规定按规定 的格式来表示各种不同的指令的格式来表示各种不同的指令高级语言高级语言为了进一步实现程序自动化和便于程序交流

22、，使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，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人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言（高级程序设计语言）（高级程序设计语言）算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号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加学习就能掌握，便于推广使用计算机编译程序编译程序用程序设计

23、语言编写的程序称为源程序，这种用程序设计语言编写的程序称为源程序，这种源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的“翻译翻译”，才能把源程序翻译为机器语言，才能把源程序翻译为机器语言通常采用下面两种方法：通常采用下面两种方法：编译系统：编译系统： 用编译程序将源程序编译成机器语用编译程序将源程序编译成机器语言形式的目的程序，然后在目标系统运行言形式的目的程序，然后在目标系统运行解释系统解释系统 ：逐个解释并立即执行源程序的语句，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解释语句并得出计算结果计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构第第5层层编译程序编译程序高级语言层高级语言层第第4层层汇编程序汇编程序汇编语言层汇编语言层第第3层层操作系统操作系统操作系统层操作系统层第第2层层微程序微程序机器语言层机器语言层第第1层层微指令直接由硬件执行微指令直接由硬件执行