计算机组成原理：1-1 概论

学习指南本课程的性质计算机组成原理是计算机科学与技术专业本科生的核心课程之一，是必修的专业基础课。本课程的地位本课程在计算机学科中处于承上启下的地位，要求先修的课程有计算机导论，数字电路本课程的任务讨论单机系统范围内计算机各部件和系统的组成以及内部工作机制。本课程的重点五大基本部件的原理及实现。参考书白中英，计算机组成原理，北京科学出版社。王闵，计算机组成原理，电子工业出版社。候炳辉，计算机原理与系统结构，清华大学出版社。课程的主要内容第1章概论第2章数据的机器层次表示第3章指令系统第4章数值的机器运算第5章存储系统和结构第6章中央处理器第7章外部设备第8章输入输出系统本课程的要求授课总学时

64学时（4学时/周，共授课16周）作业从第三周开始，逢单周星期四为交作业时间，只有当作业收齐交到讲台上后才开始上课课程总评成绩计算方法作业占10-15%平时考勤、课堂提问占10%期末考试占75-80%第1章概论1.1电子计算机与存储程序控制1.2计算机系统的硬件组成1.3计算机系统1.4计算机的工作过程和主要性能指标1.1电子计算机与存储程序控制电子计算机从信息形式和处理方式上可分为电子模拟计算机用电路之间的关系来模拟其他物理量的计算，计算机中数值由连续的量来表示。电子数字计算机计算机中的数值由离散的数值来表示。电子数字-模拟混合计算机以上两者的结合，在某种场合能发挥两种机器的长处。可以有非电子计算机如：光计算机、量子计算机、超导计算机等。

存储程序概念

——由冯·诺依曼等人在1946年6月提出存储程序概念：计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；计算机内部采用二进制来表示指令和数据；将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上，称冯·诺依曼型计算机。1.2计算机的硬件组成运算器控制器主存储器输入设备输出设备辅助存储器CPU控制流数据流

地址或指令主机外设

存储器中央处理器（CPU）=运算器+控制器主机

=

中央处理器+主存储器外部设备=除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输出设备、辅助存储器等）

输出设备

输入设备

运算器

控制器

存储器计算结果程序和数据计算机硬件系统的直接通路联接法指令流数据流计算机的硬件组成执行算术、逻辑运算从计算机外部输入信息存放数据、指令等分析指令，控制指令的执行，协调其它部件工作将加工后的信息输出存储器运算器控制器接口输入设备输出设备系统总线计算机硬件系统的基本构成计算机硬件系统的总线联接法计算机的硬件结构——运算器运算器的功能是计算机中进行数据加工的部件。运算器的结构算术逻辑单元ALU——ArithmeticLogicalUnit进行算术运算和逻辑运算的部件由加法器和控制逻辑电路组成寄存器存贮参加运算的数据ALU暂存器1暂存器2R0Rn通用寄存器组至数据总线自数据总线计算机的硬件结构——运算器运算器主要的性能是影响整个计算机系统性能的重要因素运算器并行处理的二进制代码的位数(字长)↗，则处理数的范围↗，精度↗运算器进行基本运算的速度,将直接影响系统的速度精度、速度是运算器的重要性能参数ALU暂存器1暂存器2R0Rn通用寄存器组至数据总线自数据总线计算机的硬件结构——存贮器存贮器的功能是存放程序和数据，是计算机中各种信息的存贮和交流中心。存贮器的结构——一座巨大的旅馆存贮单元——房间存贮单元地址——房号（唯一）每个存贮单元存放若干位二进制代码，而房间可住若干个人计算机的硬件结构——存贮器存贮器所含二进制信息的总和叫存贮容量存贮容量计量单位单位通常意义实际表示K(千)103IK=210=1024M(兆)1061M=210K=220=1048576G(吉)1091G=210M=230=1073741824T(太)10121T=210G=240=1099511627776P(皮)10151P=210T=250=1125866906842624计算机的硬件结构——存贮器存贮容量大↗，处理问题的范围大↗，计算机功能强↗存贮器的存取速度快↗，运算程序的速度快↗存贮器的主要性能指标容量速度存贮器按功能分为主存贮器（主存）——存放运行的当前程序和数据辅存贮器（外存）——存放暂不运行的程序和数据计算机的硬件结构——控制器控制器的功能——读取程序的指令，并对其译码后产生相应的控制命令串，以使机器各部分按要求协调地工作即控制器要向计算机各功能部件提供每一时刻协同运行所需要的控制信号计算机的硬件结构——I/O部件I/O部件的功能——完成人机联系的部件I/O部件的组成——I/O设备设备接口术语：辅存和I/O设备合称——外围设备计算机的硬件结构——总线早期计算机系统的各个部件采用直接通路联接法主要优点：速度快主要缺点：不易于扩展计算机的硬件结构——总线总线(BUS)——是信息传递的一组公共通路目前在计算机中广泛应用按传递信息的类别的不同，总线可分为地址总线（AB）——单向数据总线（DB）——双向控制总线（CB）——双向优点——减少各部件间联接线，易于扩展缺点——速度低，控制复杂接口接口外设外设…CPU主存储器

系统总线

冯·诺依曼结构的存储器设计思想

冯·诺伊曼结构是一种将程序存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。使用冯·诺伊曼结构的中央处理器有很多，如：Intel公司的80X86、ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS等。哈佛结构的存储器设计思想

哈佛结构是一种将程序存储和数据存储分开的存储器结构。CPU首先到程序存储器中读取指令内容，译码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作。哈佛结构的处理器通常具有较高的执行效率。目前使用哈佛结构的中央处理器也有很多，如MOTOROLA公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。系统软件

应用软件计算机软件

计算机系统计算机硬件操作系统语言处理程序诊断程序各种标准程序库…MISERPOFFICEOUTLOOK1.3计算机系统的组成计算机系统软件的组成为用户便于使用和管理计算机而编制的程序，由系统设计者和厂家提供。为解决某个应用领域的具体任务而编制的程序主存主机计算机硬件计算机系统计算机软件计算机系统硬件的组成计算机硬件是指构成计算机的所有实体部件的集合,通常这些部件由电路、机械等物理部件组成，它们“看得见模得着”CPUCPU辅存I/O设备运算器控制器外设硬件是计算机系统的物质基础，软件是计算机系统的灵魂。软、硬件是相辅相成、不可分割的整体。系列机和软件兼容系列机指一个厂家生产的、具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。系列机应在指令系统、数据格式、字符编码、中断系统、控制方式、输入/输出操作方式等方面保持统一，从而保证软件的兼容性——向上兼容——力争做到向下兼容向前兼容向后兼容——必须保证计算机系统的多层次结构

一般用户观察到的计算机硬件系统专业用户观察到的计算机硬件系统

不同对象观察到的计算机硬件系统是不同的

计算机设计者观察到的计算机硬件系统

不同对象观察到的计算机硬件系统

计算机系统的多层次结构现代计算机系统是一个硬件与软件组成的综合体，我们可以把它看成是按功能划分的多级层次结构。在多层结构中每一层机器都有自己的语言每一层语言都要通过翻译或解释由低一层次的机器来实现微程序级（实际机器）机器语言级（实际机器）汇编语言级（虚拟机器）应用语言级（虚拟机器）高级语言级（虚拟机器）操作系统级（虚拟机器）硬操作时序（实际机器）第0级

第1级

第2级

第3级

第4级

第5级第6级硬联逻辑（实际机器）微程序级（实际机器）机器语言级（实际机器）操作系统级（虚拟机器）汇编语言级（虚拟机器）高级语言级（虚拟机器）应用语言级（虚拟机器）硬联逻辑微程序操作系统汇编程序编译程序应用程序计算机系统的多层次结构微程序级——微指令集，微程序可直接由硬件执行。机器语言级——指令系统，机器语言程序可由微程序进行解释。操作系统级——它直接管理传统机器的软硬件资源，它是传统机器的延伸。汇编语言级——汇编语言，完成汇编语言程序的翻译。高级语言级——各种高级语言，通常用编译程序来完成翻译工作。应用语言级——各种面向问题的应用语言，为使计算机满足某用途而专门设计。微程序级机器语言级汇编语言级应用语言级高级语言级操作系统级硬联逻辑第0级

第1级

第2级

第3级

第4级

第5级第6级硬联逻辑微程序级机器语言级操作系统级汇编语言级高级语言级应用语言级硬联逻辑微程序操作系统汇编程序编译程序应用程序虚拟机器实际机器实际机器和虚拟机器对每一个机器级的用户来说，都可以将此机器级看成是一台独立的使用自己特有的“机器语言”的机器。虚拟计算机是指这个计算机只对该级的观察者存在。虚拟计算机——指以软件或以软件为主实现的机器。微程序级机器语言级汇编语言级应用语言级高级语言级操作系统级硬联逻辑第0级

第1级

第2级

第3级

第4级

第5级第6级硬联逻辑微程序级机器语言级操作系统级汇编语言级高级语言级应用语言级硬联逻辑微程序操作系统汇编程序编译程序应用程序虚拟机器实际机器Movax,[01000]Xchgax,[01010]Mov[01000],axtemp=v[k];v[k]=v[k+1];v[k+1]=temp;000010011100011010101111010110001010111101011000000010011100011011000110101011110101高级语言程序汇编语言程序一般机器级微程序设计级编译器汇编器机器解释同一程序可以在不同复杂度级别进行表示

计算机系统的多层次结构硬件与软件的关系计算机系统中没有一条明确的硬件与软件的分界线。硬件和软件之间的界面是浮动的。对于程序设计人员来说，硬件和软件在逻辑上是等价的。微程序级机器语言级汇编语言级应用语言级高级语言级操作系统级硬联逻辑第0级

第1级

第2级

第3级

第4级

第5级第6级硬联逻辑微程序级

机器语言级

操作系统级

汇编语言级高级语言级应用语言级硬联逻辑微程序操作系统汇编程序编译程序应用程序虚拟机器实际机器软件与硬件的逻辑等价性同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现，它们在逻辑功能上是等价的，不同的只是性能和价格不同用软件实现的特点成本↘、速度↘、占内存↗、可靠性↗用硬件实现的特点成本↗、速度↗、不占内存、可靠性↘固件——介于传统的软件和硬件间的实体。功