北京联合大学李天工计算机组成原理课件1

1、1第第1 1章章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 1.1 计算机的发展和分类计算机的发展和分类1.2 1.2 计算机系统的组成计算机系统的组成1.3 1.3 计算机的主要技术指标计算机的主要技术指标1.4 1.4 计算机系统的设计思想计算机系统的设计思想1.5 1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构2第第1 1章章 计算机系统概论计算机系统概论本节教学目标：本节教学目标： 了解计算机系统概况，为分析计算机工作奠定基础。了解计算机系统概况，为分析计算机工作奠定基础。本节重点内容：本节重点内容： 硬件系统组成、硬件系统组成、CPUCPU组成、数据和信息组成、数据和信息31.1 1.1

2、 计算机的发展和分类计算机的发展和分类 自自19461946年年第一台电子数字计算机问世以来，计算机第一台电子数字计算机问世以来，计算机大体经历了几代变革。在这期间，大约每五年计算机的大体经历了几代变革。在这期间，大约每五年计算机的平均运算平均运算速度速度提高十倍，运行的可靠性提高十倍，制造提高十倍，运行的可靠性提高十倍，制造成本下降十倍，体积缩小十倍。成本下降十倍，体积缩小十倍。 当前，当前，微型计算机微型计算机已经成为计算机的代表。已经成为计算机的代表。 根据计算机的发展和应用情况，可以将计算机进行根据计算机的发展和应用情况，可以将计算机进行多种分类。多种分类。4摩尔定律v早在早在1964

3、1964年，英特尔公司创始人戈登年，英特尔公司创始人戈登. .摩尔摩尔（Gordon MooreGordon Moore）在一篇很短的论文里断言：）在一篇很短的论文里断言：每每1818个月，集成电路的性能将提高一倍，而个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路近定律，摩尔定律被集成电路近4040年的发展历年的发展历史准确无误地验证着。史准确无误地验证着。5 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

4、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：模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量模拟计算机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，运算过程也是连续的（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算模式是离散式的。模式是离散式的。1. 计算机分类（计算机分类（P1）数字计算机数字计算机:分为专用计算机和通用的计算机。分为专用计算机和通用的计算机。通用的计算机：分以下六类通用

5、的计算机：分以下六类6各机型各机型性能性能、功能、指令、功能、指令、容量、速度容量、速度、体积、价格、体积、价格不同。不同。72. 2. 计算机发展（计算机发展（P2P2）1)1)按年代划分按年代划分2)2)按电子技术划分按电子技术划分代代时时 间间硬件技术硬件技术速度（次速度（次/ /秒）秒）一一1946-19571946-1957电子管电子管4000040000二二1958-19641958-1964晶体管晶体管200000200000三三1965-19711965-1971中、小规模集成电路中、小规模集成电路10000001000000四四1972-1972-1990-1990大大/ /

6、超大规模集成电路超大规模集成电路1000000010000000五五19911991巨大规模集成电路巨大规模集成电路1010亿亿1.1 1.1 计算机的发展和分类计算机的发展和分类83. 3. 半导体存储器发展（半导体存储器发展（P3P3） 早期：所有计算机存储器用铁磁环（磁芯）做成。早期：所有计算机存储器用铁磁环（磁芯）做成。 7070年：仙童半导体公司生产第一个较大容量半导体年：仙童半导体公司生产第一个较大容量半导体M M。 目前：内存都采用目前：内存都采用半导体半导体M M。1.1 1.1 计算机的发展和分类计算机的发展和分类半导体存储器芯片容量指标意义：半导体存储器芯片容量指标意义：1

7、KB 1KB 、1MB1MB、1GB1GB、1TB1TB4. 4. 微处理器（微处理器（CPUCPU）发展（）发展（P3P3、P4P4） 19711971年：年：IntelIntel公司开发公司开发4 4位位Intel4004Intel4004，第一个将，第一个将CPUCPU的所有元件都放入同一块芯片内，标志的所有元件都放入同一块芯片内，标志微处理诞生微处理诞生。 19721972年：出现了年：出现了Intel8008Intel8008，第一个，第一个8 8位位微处理器。微处理器。 19741974年：出现了年：出现了Intel8080Intel8080，第一个，第一个通用通用CPUCPU。

8、7070年代末：出现年代末：出现IntelIntel80868086 ，1616位位微储器。微储器。9一台完整的一台完整的计算机系统计算机系统（人）（人）包括：包括：硬件系统硬件系统（人的躯体）（人的躯体）软件系统软件系统（灵魂和思维）（灵魂和思维）计算机硬件建立了计算机应用的物质基础计算机硬件建立了计算机应用的物质基础计算机软件扩大了计算机的功能和应用范围计算机软件扩大了计算机的功能和应用范围1.2 1.2 计算机系统的组成计算机系统的组成101. 计算机硬件组成（计算机硬件组成（P6）1.2.1 硬件系统硬件系统1）五大组成部分）五大组成部分111.2.1 1.2.1 计算机系统计算机系统

9、2） 总线结构总线结构(1)单总线结构单总线结构(2)双总线结构双总线结构(3)三总线结构三总线结构20208086CPU 8086CPU 指令指令 控制器控制器 运运算算器器寄寄存存器器存储器存储器 ABABCBCBDBDB1616I/OI/O接口接口 I/OI/O接口接口 外设外设 外设外设 123 3）各部件结构简介各部件结构简介 示意图示意图主存主存高速缓存系统高速缓存系统虚拟存储系统虚拟存储系统1.2.1 1.2.1 硬件系统硬件系统131 1） 运算器运算器(1) (1) 定义定义 对数据进行处理的部件对数据进行处理的部件(2) (2) 功能功能 实现算术运算和逻辑运算实现算术运算

10、和逻辑运算(3) (3) 特点特点 采用二进制数（容易实现） 位数越多，计算精度越高 计算机的运算器长度：8位、16位、32位或64位（4 4）组成）组成1.2.1 1.2.1 硬件系统硬件系统142 2）存储器）存储器(1) (1) 定义定义存放存放程序和数据程序和数据的部件的部件( (存放程序、数据的二进制编码存放程序、数据的二进制编码) )(2) (2) 分类分类主存（主存（RAMRAM、ROMROM）高速缓存（高速缓存（CacheCache）辅存辅存( (硬盘、软盘、光盘、磁带等这些属于外部设备硬盘、软盘、光盘、磁带等这些属于外部设备) )1.3.2 1.3.2 硬件系统硬件系统15(

11、3) (3) 基本概念：基本概念：主存储器：主存储器：（简称主存或内存）包括存储体、各种逻辑（简称主存或内存）包括存储体、各种逻辑部件及控制电路等部件及控制电路等存储体：存储体：由许多存储单元组成电路阵列由许多存储单元组成电路阵列存储单元：存储单元：包含若干个存储元件包含若干个存储元件( (或称存储基元或称存储基元, ,存储元存储元) )存储元件存储元件能寄存能寄存 1 1 位位二进制代码（二进制代码（0 0或或1 1）存储单元存放一串二进制代码存储单元存放一串二进制代码存储单元的基本单位是存储单元的基本单位是字节字节字节定义：位字节定义：位二进制代码二进制代码存取字长：存取字长：指一次指一次

12、“访存访存”时可以处理的二进制代码串时可以处理的二进制代码串的长度。存取字长可以是的长度。存取字长可以是8 8位位/16/16位位/32/32位位/64/64位位等。等。1.2.1 1.2.1 硬件系统硬件系统161.2.1 1.2.1 硬件系统硬件系统 字节地址字节地址 存储器存储器内容内容12H 12H ABH ABH 100H 100H 存储单元存储单元( (字节字节) )101H 101H FFFFH FFFFH 字地址字地址100H 100H 字字0000H 0000H (4) 存储器示意图存储器示意图173 3） 控制器控制器(1) (1) 定义定义 控制整个机器协调工作的部件控制

13、整个机器协调工作的部件(2) (2) 功能功能 实现计算机运行过程的自动化实现计算机运行过程的自动化，实现程序的自动运行。，实现程序的自动运行。1.2.1 1.2.1 硬件系统硬件系统(3) (3) 控制器组成控制器组成 依时钟顺序发出很多电信号依时钟顺序发出很多电信号 这些电信号控制全机统一协调工作这些电信号控制全机统一协调工作控制逻辑部件控制逻辑部件机器指令机器指令控制信号控制信号指令寄存器指令寄存器IRIR184 4）输入部件和输出部件）输入部件和输出部件输入设备：把人们所熟悉的某种形式的信息变换为机器输入设备：把人们所熟悉的某种形式的信息变换为机器 内部所能接收和识别的二进制信息形式。

14、内部所能接收和识别的二进制信息形式。输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其它机器所输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其它机器所 能接收和识别的信息形式。能接收和识别的信息形式。适配器适配器(I/O(I/O接口接口) )：每种外设都配备与之相配合的每种外设都配备与之相配合的I/OI/O接接口，口，I/OI/O接口接口是建立外设与主机联系，它接受是建立外设与主机联系，它接受CPUCPU发出的发出的各种控制命令，完成信息传送的操作。各种控制命令，完成信息传送的操作。1.2.1 1.2.1 硬件系统硬件系统191. 1. 计算机软件系统简介计算机软件系统简介1.2.2 软件系统软件系统202.

15、计算机软件组成（计算机软件组成（P11）1）软件组成）软件组成系统软件；应用软件（程序）系统软件；应用软件（程序）2）计算机语言）计算机语言机器语言（低级语言）机器语言（低级语言）符号语言（汇编语言符号语言（汇编语言:低级语言）低级语言）算法语言（高级语言）算法语言（高级语言）3）语言使用）语言使用高级语言高级语言机器语言：编译程序机器语言：编译程序编译方式；解释方式编译方式；解释方式 编译方式编译方式编译是将整段程序进行翻译，把源程序翻译成等价的机器语言编译是将整段程序进行翻译，把源程序翻译成等价的机器语言目标程序，然后连接运行。目标程序，然后连接运行。 解释方式解释方式解释则不产生完整的目

16、标程序，而是逐句进行的，边翻译、边解释则不产生完整的目标程序，而是逐句进行的，边翻译、边执行。执行。 汇编语言汇编语言机器语言：汇编程序机器语言：汇编程序1.2.2 软件系统软件系统211. 1. 计算机的机器字长（简称计算机的机器字长（简称“字长字长”） 机器字长是指处理机运算器一次能处理数据的位数机器字长是指处理机运算器一次能处理数据的位数，通常由通常由CPUCPU的寄存器位数决定。字长越长，数的表示范围的寄存器位数决定。字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高，处理数据的能力越强。也越大，精度也越高，处理数据的能力越强。1.3 1.3 计算机硬件的计算机硬件的主要技术指标（主要技术指标（

17、P5P5）2. 2. 计算机的计算机的运算速度运算速度 不同场合，讨论不同问题，使用不同指标：不同场合，讨论不同问题，使用不同指标： 1 1）CPUCPU主频主频 2 2）CPICPI执行一条指令所需的平均时钟周期数执行一条指令所需的平均时钟周期数 3 3）MIPSMIPS单位时间内执行的指令数单位时间内执行的指令数 4 4）MFLOPSMFLOPS衡量机器浮点操作的性能衡量机器浮点操作的性能 223. 3. 计算机的存储容量（主存容量）计算机的存储容量（主存容量）1)1)存储器容量单位存储器容量单位 存储器容量以字节为单位存储器容量以字节为单位，记，记 B Byteyte 字节字节8 8位，

18、即位，即1B1B8bit8bit。 字节单位换算：字节单位换算：1KB1KB1024B1024B2 21010 B B 1MB 1MB1024KB1024KB2 220 20 B B，1GB=21GB=230 30 B B，1TB=21TB=240 40 B B2)2)信息存储量信息存储量计算机的信息量计算机的信息量的的单位是单位是“位位”(bit)(bit)信息存储量存储单元数信息存储量存储单元数8(bit)8(bit)231. 1. 计算机组成与运行结构计算机组成与运行结构 计算机的基本部件是计算机的基本部件是CPU(CPU(运算器、控制器、寄存器运算器、控制器、寄存器) )和存储器，它们

19、构成一个和存储器，它们构成一个最小工作系统（最小工作系统（主机主机）。）。 计算机一定有计算机一定有自己的指令系统自己的指令系统，它是随，它是随CPUCPU设计而诞设计而诞生的。生的。 计算机运行时的信息流处理方式、指令的自动处理计算机运行时的信息流处理方式、指令的自动处理方式等，取决于计算机的方式等，取决于计算机的体系结构体系结构。 上述典型计算机的设计思想，是由上述典型计算机的设计思想，是由冯冯 诺依曼计算机诺依曼计算机模型开创的。模型开创的。1.4 计算机系统的设计思想计算机系统的设计思想242. 2. 冯冯 诺依曼诺依曼(Von Nenmann)(Von Nenmann)计算机模型计算

20、机模型美籍匈牙利数学家冯美籍匈牙利数学家冯诺依曼被称为诺依曼被称为“计算机计算机之父之父”。他对人类的最大贡献是对计算机科学、他对人类的最大贡献是对计算机科学、计算机技术和数值分析的开拓性工作。计算机技术和数值分析的开拓性工作。19441944年，冯年，冯 诺依曼参加诺依曼参加“ENIAC”ENIAC”计算机研究计算机研究工作。工作。19451945年，数学家冯年，数学家冯 诺依曼等人，提出了诺依曼等人，提出了“存存储程序储程序”的概念。的概念。19461946年，冯年，冯 诺依曼与他人合作提出更完善的计算机设计报告，是诺依曼与他人合作提出更完善的计算机设计报告，是以仙农提出的二进制，程序内存

21、以及指令和数据统一存储为基础，以仙农提出的二进制，程序内存以及指令和数据统一存储为基础，奠定了现代计算机体系结构的根基。奠定了现代计算机体系结构的根基。John Von Neuman(19031957) 1.4 计算机系统的设计思想计算机系统的设计思想2519531953年年3 3月，冯月，冯 诺依曼领诺依曼领导的小组发表了全新的存导的小组发表了全新的存储程序式通用电子计算机储程序式通用电子计算机方案方案电子离散变量自动电子离散变量自动计算机计算机EDVACEDVAC。以以“存储程序存储程序”概念为基概念为基础的各类计算机，统称为础的各类计算机，统称为“冯冯 诺依曼机诺依曼机”。1.4 计算机

22、系统的设计思想计算机系统的设计思想26当年的当年的“冯冯 诺依曼机诺依曼机”机房情况机房情况1.4 计算机系统的设计思想计算机系统的设计思想273. 3. 冯冯 诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点l计算机由计算机由五大部件组成五大部件组成：运算器、存储器、控制器、：运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备。输入设备、输出设备。l指令和数据均使用指令和数据均使用二进制编码二进制编码表示。表示。l指令指令的构成：操作码、地址码。操作码表示操作的功的构成：操作码、地址码。操作码表示操作的功能，地址码表示操作数所在存储单元的位置。能，地址码表示操作数所在存储单元的位置。l指令和数据以同等地位指令和

23、数据以同等地位存放在存储器存放在存储器内。内。l程序在存储器内按执行程序在存储器内按执行顺序存放顺序存放，并，并自动自动按地址按地址执行执行指令和访问数据。指令和访问数据。 l机器机器以运算器为中心以运算器为中心，与存储器、输入设备、输出设，与存储器、输入设备、输出设备进行数据传送时，都要通过运算器才能完成传送过程。备进行数据传送时，都要通过运算器才能完成传送过程。1.4 计算机系统的设计思想计算机系统的设计思想28例：例：冯冯 诺依曼计算机体系结构的诺依曼计算机体系结构的基本思想基本思想是什么？是什么？答：冯答：冯 诺依曼计算机体系结构的基本思想是：诺依曼计算机体系结构的基本思想是：“存储程

24、存储程序；序；( (按地址顺序按地址顺序) )自动执行自动执行”。也就是将用指令序列描述的解题程序，程序与原始数据也就是将用指令序列描述的解题程序，程序与原始数据一起存储到计算机中，计算机启动后自动按顺序执行一一起存储到计算机中，计算机启动后自动按顺序执行一条条指令，直至程序执行完毕（得到计算结果）。条条指令，直至程序执行完毕（得到计算结果）。1.4 计算机系统的设计思想计算机系统的设计思想29例：例：按照冯按照冯 诺依曼计算机体系结构的设计思想，计算诺依曼计算机体系结构的设计思想，计算机硬件系统应由哪些部件组成机硬件系统应由哪些部件组成? ? 它们各起什么作用？它们各起什么作用？答：答： 按

25、此思想设计的按此思想设计的计算机硬件系统计算机硬件系统包括：运算器、控制器、存储包括：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备个基本部件器、输入设备和输出设备个基本部件。 部件作用如下部件作用如下u运算部件对数据进行算术运算和逻辑运算；运算部件对数据进行算术运算和逻辑运算；u控制部件为计算机工作提供统一时钟和时序控制部件为计算机工作提供统一时钟和时序, ,解读指令解读指令, ,生成控生成控制信号制信号, ,完成指令规定的操作内容完成指令规定的操作内容, ,实现计算机运行过程自动化；实现计算机运行过程自动化；u存储器用来存放程序、数据、结果；存储器用来存放程序、数据、结果； u输入设备用来输入原始数据及相关程序；输入设备用来输入原始数据及相关程序； u输出设备用来输出计算机的处理结果，向用户提供信息。输出设备用来输出计算机的处理结果，向用户提供信息。30计算机的发展也可从系统层次结构的变化上体现出来