计算机组成原理第一章

1、计算机组成与体系结构计算机组成与体系结构 你知道吗？你知道吗？为什么要学习本课程为什么要学习本课程本课程研究的主要内容；本课程研究的主要内容；本课程的学习目标；本课程的学习目标；学好这门课应注意的事项。学好这门课应注意的事项。为什么学习本课程为什么学习本课程 计算机组成是从硬件方面解释程序的计算机组成是从硬件方面解释程序的运行原理运行原理。教学内容教学内容 研究讨论研究讨论单台单台计算机的计算机的完整完整硬件硬件系统的系统的基本基本组成原理与内部运行机制。组成原理与内部运行机制。 单台：非多机系统单台：非多机系统 完整：计算机整机、全部的硬件功能部件完整：计算机整机、全部的硬件功能部件. .

2、基本：不一定是最高性能、最合理的组成基本：不一定是最高性能、最合理的组成, , 而是最基础的必要的组成部分而是最基础的必要的组成部分. .理论教学学时安排理论教学学时安排 4848学时学时第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论2第二章第二章 运算方法和运算器运算方法和运算器8 8第三章第三章 存储系统存储系统6 6第四章第四章 指令系统指令系统6 6第五章第五章 中央处理机中央处理机1212第六章第六章 总线系统总线系统4 4第七章第七章 外围设备外围设备 2 2第八章第八章 输入输出系统输入输出系统4总学时总学时 4*16=64实验教学学时安排实验教学学时安排 序序 号号实实 验验 项项

3、 目目学时安排学时安排实验一实验一系统认知实验系统认知实验 2 2学时学时实验二实验二运算器模拟实验运算器模拟实验 2 2学时学时实验三实验三运算器移位实验运算器移位实验 2 2学时学时实验四实验四静态随机存储器静态随机存储器 2 2学时学时实验五实验五微程序控制器实验微程序控制器实验 4 4学时学时实验六实验六总线控制器实验总线控制器实验 2 2学时学时实验七实验七简单模型机的设计与实现简单模型机的设计与实现 2 2学时学时2 2* *8=168=16教学参考书教学参考书计算机组成原理（第五版）计算机组成原理（第五版），白中英主编，科学出版社白中英主编，科学出版社计算机组成原理试题解析（第五

4、计算机组成原理试题解析（第五版）版），白中英主编，科学出版社，白中英主编，科学出版社微型计算机系统原理及应用微型计算机系统原理及应用，杨素行等编著，清华大学出版社杨素行等编著，清华大学出版社计算机组成原理计算机组成原理，蒋本珊主编，蒋本珊主编，清华大学出版社清华大学出版社微型计算机组成原理微型计算机组成原理，陆志才，陆志才主编，高等教育出版社主编，高等教育出版社课程目的：课程目的： 掌握计算机的工作原理掌握计算机的工作原理, 深刻理解程序在深刻理解程序在计算机硬件上被执行的过程。计算机硬件上被执行的过程。 课程任务：课程任务： 掌握计算机硬件系统各组成部件的工作原掌握计算机硬件系统各组成部件的

5、工作原理、逻辑实现、设计思想。理、逻辑实现、设计思想。 理解各部件联结成整机并协调运转的方法。理解各部件联结成整机并协调运转的方法。 了解当代计算机系统的新技术和新成果。了解当代计算机系统的新技术和新成果。 课程内容的工程性、技术课程内容的工程性、技术性、实用性都比较强，因此，性、实用性都比较强，因此，在学习计算机组成的原理性知在学习计算机组成的原理性知识之外，还应有较多的设计与识之外，还应有较多的设计与实验技能训练。实验技能训练。学习方法学习方法1 1、注意力不应放在实例、线路的具体内容。要、注意力不应放在实例、线路的具体内容。要掌握组成的原理知识，技术思路内容。掌握组成的原理知识，技术思路

6、内容。2 2、牢固建立起整机思想；、牢固建立起整机思想；3 3、注意理论与实践相结合，注意能力的培养；、注意理论与实践相结合，注意能力的培养；4 4、有一定的知识面，适应在各类机器上进行开、有一定的知识面，适应在各类机器上进行开发和应用；发和应用；5 5、关注新技术、新动向，以适应计算机发展快、关注新技术、新动向，以适应计算机发展快的需要。的需要。6 6、注意硬软件结合。、注意硬软件结合。 教学与考核方式教学与考核方式教学方式： 本课程完整的教学过程包括：理论教学、本课程完整的教学过程包括：理论教学、实验环节、作业三部分；实验环节、作业三部分； 理论讲解采用课堂多媒体教学方式；理论讲解采用课堂

7、多媒体教学方式； 需要重点掌握的章节安排作业、习题来巩需要重点掌握的章节安排作业、习题来巩固课堂教学的内容。固课堂教学的内容。考核方法：闭卷考试（笔试）成绩评定方法：平时成绩40%+期末考试60%基本要求基本要求1、上课不迟到、不无故缺勤；、上课不迟到、不无故缺勤；2 2、按时、按质完成作业和实验报告；、按时、按质完成作业和实验报告；3 3、上课认真听讲，积极思考；、上课认真听讲，积极思考；4 4、有问题及时解决。、有问题及时解决。第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机的分类计算机的分类电子模拟计算机：以连续变化的电流或电压电子模拟计算机：以连续变化的电流或电压来表示运算量的

8、电子计算机。模拟计算机的来表示运算量的电子计算机。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。连续的。 电子数字计算机：以数字形式的量值在机器电子数字计算机：以数字形式的量值在机器内部进行运算和存储的电子计算机。它是在算内部进行运算和存储的电子计算机。它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。并且不连续地跳动计算。计算机可以划分为两类：计算机可以划分为两类：电子数字计算机可以划分为两类：电子数

9、字计算机可以划分为两类： 专用计算机：专为解决某一特定问题而设计制专用计算机：专为解决某一特定问题而设计制造的电子计算机。专用机是最有效、最经济和造的电子计算机。专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。最快速的计算机，但是它的适应性很差。 通用计算机：各行业、各种工作环境都能使通用计算机：各行业、各种工作环境都能使 用的计算机。通用计算机适应性很大，但是用的计算机。通用计算机适应性很大，但是 牺牲了效率、速度和经济性。牺牲了效率、速度和经济性。通用计算机可以分为：通用计算机可以分为：超级计算机超级计算机 大型机大型机 服务器服务器 工作站工作站 微型机微型机 单片机单片机1

10、.2 计算机的发展简史计算机的发展简史1.2.1 计算机的五代变化计算机的五代变化 第一代：第一代：1946194619571957年，电子管计算机，数据处理年，电子管计算机，数据处理 第二代：第二代：1958195819641964年，晶体管计算机，工业控制年，晶体管计算机，工业控制 第三代：第三代：1965196519711971年，中小规模集成电路计算机，年，中小规模集成电路计算机，小型计算机小型计算机 第四代：第四代：1972197219901990年，大规模和超大规模集成电年，大规模和超大规模集成电路计算机，微型计算机路计算机，微型计算机 第五代：第五代：19911991年开始，巨大

11、规模集成电路计算机，年开始，巨大规模集成电路计算机，单片机单片机1.2.2 半导体存储器的发展半导体存储器的发展2020世纪世纪50506060年代，所有计算机存储器都是由年代，所有计算机存储器都是由微小的磁芯做成微小的磁芯做成19701970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器容量半导体存储器 从从19701970年起，半导体存储器经历了年起，半导体存储器经历了1111代：单个代：单个芯片芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。 1.2.3 微处理器的发展微处理器的发展 微处

12、理器是用一片或少数几片大规模集成微处理器是用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传统的件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传统的中央处理器相比，具有体积小，重量轻和容易中央处理器相比，具有体积小，重量轻和容易模块化等优点。模块化等优点。4004、8008、8080、8086、803861.2.4 计算机的性能指标计算机的性能指标吞吐量：吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节的信息量，单位是字节/ /秒（秒（B/SB/S）。）。响应

13、时间：响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微秒、纳秒。间度量，用时间单位来度量，例如微秒、纳秒。利用率：利用率：表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。的时间所占的比率，一般用百分比表示。处理机字长：处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有制数运算的位数。当前处理机的字长有8 8位、位、1616位、位、3232位、位、6464位。位。字长影响计算精度和指令功能。字长影响计算精度和

14、指令功能。 总线宽度：总线宽度：一般指一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。的内部总线二进制位数。存储器容量存储器容量（存储信息的能力）：存储器中所有存储单（存储信息的能力）：存储器中所有存储单元的总数目，通常用元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。来表示。 K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（位（1 1个字节）个字节）存储器容量越大，记忆的二进制数越多。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。存储器带宽存储器带宽（存储器的速度指标）：单位时间内从存储（存储器的速度指标）：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一

15、般用字节数器读出的二进制数信息量，一般用字节数/ /秒来表示。秒来表示。CPU主频主频（运算速度）：（运算速度）：CPU的工作节拍受主时钟控制，的工作节拍受主时钟控制，主时钟的频率（主时钟的频率（f）叫）叫CPU的主频。度量单位是的主频。度量单位是MHz（兆（兆赫兹）、赫兹）、GHz（吉赫兹）。（吉赫兹）。CPU时钟周期时钟周期（T）：主频的倒数称为即）：主频的倒数称为即T=1/f，度量单，度量单位是微秒、纳秒。位是微秒、纳秒。 CPU执行时间：执行时间：表示表示CPU执行一段程序所占用的执行一段程序所占用的CPU时间。时间。 CPU执行时间执行时间 CPU时钟周期数时钟周期数 CPU时钟周期

16、时钟周期 CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算：期数。用下式计算： 执行某段程序所需的执行某段程序所需的CPU时钟周期数时钟周期数 CPI 该程序包含的指令条数该程序包含的指令条数 MIPS：表示每秒百万条指令数，即单位时间内执行的指令数。表示每秒百万条指令数，即单位时间内执行的指令数。 指令条数指令条数 时钟频率时钟频率 MIPS 程序执行时间程序执行时间 10 106 6 CPI 10 106 6 1.3 计算机的硬件计算机的硬件冯冯诺依曼思想：诺依曼思想：1 1、用二进制代码表示程序和数据；、用二进制

17、代码表示程序和数据；2 2、计算机采用存储程序的工作方式；、计算机采用存储程序的工作方式；3 3、计算机由存储器、运算器、控制器、输、计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。入设备和输出设备五大部件组成。1.3.1 硬件组成要素硬件组成要素 假设有一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，假设有一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算要求我们计算y=ax+b-cy=ax+b-c这样一个题目。解题步骤这样一个题目。解题步骤和数据记录在横格纸上。和数据记录在横格纸上。输入设备数据流指令流运算器存储器控制器输出设备冯冯诺依曼型计算机：诺依曼型计算机：输入设备输入设备输出设备

18、输出设备 总总 线线外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器第第3、7章章第第4、5章章第第2章章计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成第第6章章输入输出接 口第第8章章硬件系统结构硬件系统结构总线：构成计算机系总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据统部件之间进行数据传送的公共通路。传送的公共通路。1.3.2 运算器运算器 （加工信息）（加工信息）算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算 在计算机中参与运算的数是二进制的在计算机中参与运算的数是二进制的 运算器的长度一般是运算器的长度一般是8 8、1616、3232或或6464

19、位位1.3.3 存储器存储器 （存储信息）（存储信息）存储数据和程序（指令）存储数据和程序（指令） 存储容量存储容量分类：内存、外存分类：内存、外存 1.3.4 控制器控制器（产生控制命令，控制全机操作）（产生控制命令，控制全机操作） 指令指令: :每一个基本操作。每一个基本操作。程序：解算某一问题的一串指令序列。程序：解算某一问题的一串指令序列。指令的基本格式：操作码指令的基本格式：操作码+ +地址码地址码控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期取指周期和执行周期 指令和

20、数据：一般来讲，取指周期中从内存读出指令和数据：一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。存流向运算器。 1.3.5 适配器与适配器与I/OI/O设备设备 （转换信息）（转换信息）输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换输入设备：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为机器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输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接

21、收和识别的信息形式他机器设备所能接收和识别的信息形式 适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作行协调地工作 1.4 计算机的软件计算机的软件1.4.1 软件的组成与分类软件的组成与分类 系统软件：系统软件：控制和协调计算机及外部设备控制和协调计算机及外部设备, ,支持应用软件支持应用软件开发和运行的系统开发和运行的系统, ,是无需用户干预的各种程序的集合。是无需用户干预的各种程序的集合。用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用来简化程序设计，简化使用方法，

22、提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类：各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、下四类：各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等练习程序等 语言程序，如汇编程序、编译程序、解语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等释程序等 操作系统操作系统 数据库管理系统数据库管理系统 应用软件：应用软件：是用户可以使用的各种程序设计语言是用户可以使用的各种程序设计语言, ,以及用以及用各种程序设计语言编制的应用程序的集合。用户利用各种程序设计语言编制的应用程序的集合。用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设计程计算机

23、来解决某些问题而编制的程序，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、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。情报检索程序、科学计算程序等。 1.4.2 软件的发展演变软件的发展演变 系统程序的发展系统程序的发展 手编程序：机器语言程序，手工编译二进手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码制码 汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编 源程序：算法语言程序，编译程序编译源程序：算法语言程序，编译程序编译 1.5 1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统的软、硬件界限已经变得模糊了。因为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现，任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。 课堂