计算机组成原理课件第一讲

第一页，共三十一页，编辑于2023年，星期五计算机组成原理Principlesof

ComputerOrganization广义双语教学课程09/skyclass25/青岛理工大学

校级精品课程/ec/C84/教材：唐朔飞.计算机组成原理（第2版）.高等教育出版社第二页，共三十一页，编辑于2023年，星期五课程的目的与任务本课程是网络工程、软件工程专业的一门主要的技术基础课。通过本课程的学习，使学生掌握单台计算机硬件系统的组成、各主要部件的结构和工作原理，了解计算机运算器、控制器、主存储器和输入输出系统的基本设计方法，为学习后继课程准备必要的硬件知识。先修课：数字逻辑，汇编语言，计算机导论后继课：操作系统，计算机系统结构，微计算机技术，接口技术，3第三页，共三十一页，编辑于2023年，星期五参考书徐爱萍.计算机组成原理—习题与解析.清华大学出版社WilliamStallings.ComputerOrganizationandArchitecture:DesigningforPerformance，5thedition.Prentice-Hall,Inc.2000电子工业出版社/COA/COA7e.html相关网站，看看吧，也许有收获……/en-us/http://www.tomshardware.co.uk//CIC/http://www.microprocessor.sscc.ru//wiki/Multi-core_(computing)王爱英.计算机组成与结构.清华大学出版社4第四页，共三十一页，编辑于2023年，星期五课程的基本要求1．了解计算机硬件系统的基本组成。2．掌握数据在计算机中的表示方法。3．掌握定点补码加减法运算、浮点加减法运算的原理。4．了解定点乘除法运算和浮点乘除法运算的原理。5．掌握运算器的工作原理。6．掌握主存储器的结构、工作原理和设计方法。7．掌握指令格式、寻址方式和指令系统的设计方法。8．掌握CPU的组成、工作原理和微程序控制器的设计方法。9．熟悉辅助存储器的工作原理和结构。10．掌握输入输出系统的工作原理、中断和DMA传送的概念。11．了解数据校验码的原理12．了解主要输入/输出设备的工作原理和结构。13．熟悉总线的概念和总线结构。14．掌握存储系统的层次结构和Cache的概念。5第五页，共三十一页，编辑于2023年，星期五“计算机组成原理”是计算机专业的最重要的专业基础课之一。具有难度大、知识点多的特点。在本门课程的教学中：教学内容的顺序可能与教材不同适当补充一些教材中没有的新内容部分内容不在课堂上讲述，请同学们自学为了学好本门课程，要求：1．上课认真听讲，记笔记，不说话。2．课后抓紧时间阅读教材的有关内容，认真做作业，不要抄袭。3．每章讲完后及时归纳要点，抓住“三基”。（基本概念，基本原理，基本方法）4．在学习中有问题，抓住课间时间问老师。同学之间互相交流。注意：各章内容相对独立，把问题留到后面将积累地越来越多。5．注意积累英文的专业术语，提高专业英语阅读能力。6．认真做实验，必须预习实验。7．“数字逻辑”的知识对本课程很重要，应抓紧复习。第六页，共三十一页，编辑于2023年，星期五第一章计算机系统概论Computerdesignisconcernedwiththehardwaredesignofthecomputer.Oncethecomputerspecificationsareformulated,itisthetaskofthedesignertodevelophardwareforthesystem.Computerdesignisconcernedwiththedeterminationofwhathardwareshouldbeusedandhowthepartsshouldbeconnected.Chapter1Introduction7第七页，共三十一页，编辑于2023年，星期五Thebasicfunctionsthatacomputercanperformare:Dataprocessing,Datastorage,Datamovement,ControlWhatisaComputer?电子数字计算机ElectronicDigitalComputer机电计算机电子模拟计算机机械计算机Computers:Havelimitedcapabilities.Canonlydobasicmathematicsandlogicalcomparisons.Mustbeinstructedwithprogramswhattodo.Acomputerisanelectronicmachinethatacceptsdata(input),manipulatesthedataaccordingtosomerules(process),produceresults(output)andstorestheresultsforfutureuse(storage).8第八页，共三十一页，编辑于2023年，星期五Computer计算机硬件系统的基本组成纸人怎样做计算？计算工具——算盘笔和手题目结果9第九页，共三十一页，编辑于2023年，星期五Computer计算机硬件系统的基本组成主机主存储器运算器控制器输入设备输出设备控制命令数据指令结果数据程序地址输入设备和输出设备统称为外部设备（Peripheral）或外围设备在计算机的工作过程中，有多种信息在流动：数据流，指令流，地址流，控制流。存储器处于机器的中心10第十页，共三十一页，编辑于2023年，星期五冯·诺伊曼计算机冯·诺伊曼（VonNeumann）冯·诺伊曼计算机的主要特点：1.计算机硬件系统由运算器、控制器、主存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。2.程序存储。3.采用二进制运算。4.一维线性结构的存储器组织。5.串行计算。存储程序计算机TheVonNeumannarchitectureisadesignmodelforastored-programdigitalcomputerthatusesaprocessingunitandasingleseparatestoragestructuretoholdbothinstructionsanddata.Astored-programdigitalcomputerisonethatkeepsitsprogrammedinstructions,aswellasitsdata,inread-write,random-accessmemory.便于数据的表示，有两个稳定状态的器件容易找到运算规则简单11第十一页，共三十一页，编辑于2023年，星期五在冯·诺伊曼计算机上解题，首先要建立数学模型，提出算法，编制解题程序。预先将程序和数据顺序保存在存储器中。计算机自动从存储器中逐条取出指令执行。冯·诺伊曼计算机主机MainMemoryALUControlUnitInputDevicesOutputDevicesControlSignalDataInstructionResultDataProgramAddress12第十二页，共三十一页，编辑于2023年，星期五VonNeumannMachineInmostmoderncomputers,throughputismuchsmallerthantherateatwhichtheCPUcanwork.ThisseriouslylimitstheeffectiveprocessingspeedwhentheCPUisrequiredtoperformminimalprocessingonlargeamountsofdata.TheseparationbetweentheCPUandmemoryleadstotheVonNeumannbottleneck,thelimitedthroughput(datatransferrate)betweentheCPUandmemorycomparedtotheamountofmemory.Stored-programcomputerswereanadvancementovertheprogram-controlledcomputersofthe1940s,suchastheColossusandtheENIAC,whichwereprogrammedbysettingswitchesandinsertingpatchleadstoroutedataandtocontrolsignalsbetweenvariousfunctionalunits.TheCPUiscontinuouslyforcedtowaitforneededdatatobetransferredtoorfrommemory.13第十三页，共三十一页，编辑于2023年，星期五控制器+运算器→中央处理器CentralProcessingUnit，简称CPUCPUACentralProcessingUnit(CPU),orsometimesjustcalledprocessor,isadescriptionofaclassoflogicmachinesthatcanexecutecomputerprograms.Thetermitselfanditsinitialismhavebeeninuseinthecomputerindustryatleastsincetheearly1960s.Theform,designandimplementationofCPUshavechangeddramaticallysincetheearliestexamples,buttheirfundamentaloperationhasremainedmuchthesame.中央处理器是计算机的核心部件14第十四页，共三十一页，编辑于2023年，星期五把CPU的大部分逻辑都集成在一个半导体集成电路芯片上，称为微处理器（Microprocessor，简称MPU）MicroprocessorPreviousgenerationsofCPUswereimplementedasdiscretecomponentsandnumeroussmallintegratedcircuits(ICs)ononeormorecircuitboards.Microprocessors,ontheotherhand,areCPUsmanufacturedonaverysmallnumberofICs;usuallyjustone.TheoverallsmallerCPUsizeasaresultofbeingimplementedonasinglediemeansfasterswitchingtimebecauseofphysicalfactorslikedecreasedgateparasiticcapacitance.Thishasallowedsynchronousmicroprocessorstohaveclockratesrangingfromtensofmegahertztoseveralgigahertz.Additionally,astheabilitytoconstructexceedinglysmalltransistorsonanIChasincreased,thecomplexityandnumberoftransistorsinasingleCPUhasincreaseddramatically.15第十五页，共三十一页，编辑于2023年，星期五DieofanIntel80486DX2microprocessorinitspackaging(actualsize:12×6.75mm)第十六页，共三十一页，编辑于2023年，星期五单片计算机（SingleChipMicrocomputer，简称单片机）是把计算机的主机（除少数几个元件外）以及一些输入输出接口电路集成在一个半导体集成电路芯片上。单片机主机MainMemoryALUControlUnitInputDevicesOutputDevicesControlSignalDataInstructionResultDataProgramAddress17第十七页，共三十一页，编辑于2023年，星期五双核处理器在一个芯片上集成了2个独立的CPU。Amulti-coreCPU(orchip-levelmultiprocessor,CMP)combinestwoormoreindependentcoresintoasinglepackagecomposedofasingleintegratedcircuit(IC),calledadie,ormorediespackagedtogether.Adual-coreprocessorcontainstwocores,andaquad-coreprocessorcontainsfourcores.Amulti-coremicroprocessorimplementsmultiprocessinginasinglephysicalpackage.Aprocessorwithallcoresonasingledieiscalledamonolithicprocessor.Each"core"independentlyimplementsoptimizationssuchassuperscalarexecution,pipelining,andmultithreading.Asystemwithncoresiseffectivewhenitispresentedwithnormorethreadsconcurrently.DualCoreProcessor18第十八页，共三十一页，编辑于2023年，星期五计算机的发展冯·诺伊曼计算机的发展经历了四个主要阶段，称为Generation划分“代”的标志是计算机所采用的逻辑元件的进步。Firstgeneration，Thevacuumtubeage(真空管计算机)Secondgeneration，Thetransistorage(晶体管计算机)Thirdgeneration，Theintegratedcircuitage(集成电路计算机)小规模集成电路SSI，中规模集成电路MSIFourthgeneration，Themicroprocessorage(large-scaleintegratedcircuitage)大规模集成电路计算机大规模集成电路LargeScaleIntegratedcircuits/LSI，VLSI，ULSI19第十九页，共三十一页，编辑于2023年，星期五计算机的发展冯·诺伊曼计算机的发展经历了四个主要阶段，称为Generation划分“代”的标志是计算机所采用的逻辑元件的进步。未来的计算机：光学计算机，超导计算机，DNA计算机，量子计算机，……非冯·诺伊曼计算机Fifthgeneration(1991-)Theageofconnectivity20第二十页，共三十一页，编辑于2023年，星期五1957年，试制成功第一台国产电子计算机JS—1机。1965年，自制第一台晶体管计算机109B。1971年，研制了一批集成电路计算机DJS150。1983年，研制成功“银河Ⅰ”巨型机。1亿次/秒1992年，研制成功“银河Ⅱ”巨型机。中国——计算机的发展1995年，研制成功“曙光1000”服务器。25亿次/秒2008年，“曙光5000A”高性能计算机。230万亿次/秒2010年，“曙光星云”。1270万亿次/秒2011年11月，“天河－号”。天河－1A实测运算速度可达每秒2570万亿次21第二十一页，共三十一页，编辑于2023年，星期五计算机的主要应用领域DomainofApplication科学计算ScientificComputing数据处理DataProcessing计算机控制ComputerControl计算机辅助设计/制造CAD/CAM人工智能ArtificialIntelligence娱乐Entertainment嵌入式应用EmbeddedApplications22第二十二页，共三十一页，编辑于2023年，星期五计算机的分（型）类巨型机Supercomputer大型机MainframeComputer小型机Minicomputer微型机Microcomputer台式机Desktop便携机NotebookLaptop掌上机HandheldPalmPDA（PersonalDigitalAssistants）PC机PersonalComputer系列机：一个厂家生产的，具有相同的系统结构，但性能、组成和实现不同的一系列型号不同的机器。工作站Workstation服务器Server中型机？23第二十三页，共三十一页，编辑于2023年，星期五在表示二进制数的长度和二进制形式的代码长度时，经常用到的单位是：bit，Byte和Word。bit，Byte和Wordbit指的是二进制数的位（或译作“比特”），缩写是b。

Byte是计算机中表示数据长度的一个标准单位：字节（或译作“拜特”），缩写是B。1Byte=8bits。现代计算机的数据字的长度都是字节的整数倍。在计算学科中，字Word并没有标准的长度。例如，某16位计算机可以定义一个字的长度为16位，32位的字被称为双字。而某32位计算机可以定义一个字的长度为32位，16位的字被称为半字。24第二十四页，共三十一页，编辑于2023年，星期五计算机的主要性能指标1.字长（WordLength）计算机的字长又称为机器字长，指的是运算器能同时计算的二进制数的位数。计算机的字长与ALU的位数相同。CPU内的通用寄存器的位数与计算机的字长相同。字长32位的计算机被称为32位机。存储器的字长指的是一个存储单元可以保存的二进制数的位数。存储器的字长与计算机的字长不一定相同。现代计算机的存储器字长都是字节长度的整数倍。指令字长指的是用二进制位数表示的一条指令的长度。计算机的指令可以是固定长度的，也可以是可变长度的。指令字长与机器字长不一定相同。现代计算机的指令字长多为字节长度的整数倍。25第二十五页，共三十一页，编辑于2023年，星期五2.计算机的运算速度计算机的速度可以有多种不同的表示方法。如，每秒钟执行的指令条数，每秒钟可以完成的加法运算的次数，计算机的主频等。MIPS是每秒钟执行的百万条指令数MillionInstructionsperSecond由于指令系统中的不同类型的指令的执行时间可能是不一样的，不能笼统地说“每秒钟执行多少条指令”。所以，有用“每秒钟执行多少条加法指令”来表示计算机的运算速度的。或者根据不同类型的指令在程序中出现的频度的加权平均得到“每秒钟平均执行多少条指令”。计算机的主频一般指CPU的时钟（frequencyofsystemclock）频率。由于不同计算机的一个机器周期包含的时钟脉冲数往往是不同的，一个指令周期包含的机器周期数也是不同的，所以，不能简单地认为主频高的机器速度就一定快。MFLOPS是每秒钟执行的百万次浮点运算数MillionFloating-pointOperationsperSecond26第二十六页，共三十一页，编辑于2023年，星期五计算机系统的组成计算机软件（Software）主要是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。计计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。计算机硬件（Hardware）是指构成计算机的所有实