计算机组成原理考研

1、本课程地位,计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门重要的专业基础课。通过对本课程的学习，使学生了解计算机的基本组成与工作原理，掌握计算机系统的基本设计技术，培养学生分析和解决复杂数字系统实际问题的能力，同时为学习本专业后续课程和进行与硬件有关的技术工作打下坚实的基础。 在计算机科学与技术专业所设置课程中的地位极为重要，由ACM和IEEE/CS联合教程专题组1990年发表的Computing Curricula 1991、2001年3月发表的Computing Curricula 2001 和2005年9月发表的Computing Curricula 2005中都将本课程列为计算机专业的主干

2、课程。64学时，其中实验8学时。 本课程主要是以一个简化了的但又是完备的单处理机系统为例讲解计算机的组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器部件、存储器子系统、输入/输出子系统（总线与接口等）与输入/输出系统设备，按照各自的功能、组成、设计、实现、使用等知识进行组织。,计算机组成原理（第三版），白中英主编，科学出版社。 Computer Organization and Architecture, Designing for Performance, Fifth Edition计算机组织与结构性能设计(第五版/影印版), William Stallings著，Prentice Hall/

3、Pearson，高等教育出版社(国外优秀信息科学与技术系列教学用书)。 /class/ee182 /courses/ececs314/,参考书目录,学时分配,6学时,4学时,计算机硬件系统组成(章节分配),运 算 器,控 制 器,主存储器,输入设备,输出设备,总线和I/O接口,高速缓存,虚拟存储器 (磁盘设备),第一部分(2,3章),第二部分 (5,6章),第三部分(4,7,8章),第四部分(9,10章),第1章 计算机系统概论(目录部分),1.1 计算机的语言 1.2 计算机的硬件 1.3 计算机系

4、统的层次结构 1.4 电子计算机的发展简史 1.5 计算机的应用 1.6 计算机网络 1.7 习题与作业,第1章 计算机系统概论(计算机的语言),计算机语言分为低级语言(机器语言、汇编语言)和高级语言两类。 也可分为机器语言、通用的编程语言(汇编语言、高级语言),第1章 计算机系统概论(计算机的语言),计算机的语言 自然语言：人类相互交流信息所用的语言。 高级语言：和自然语言接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为计算机的高级语言 。 BASIC, PASCAL, C , JAVA. 机器语言：由二进制代码表示的指令组成，计算机能直接执行的语言，这种语言被称为机器语言. 1000101111

5、000011 汇编语言：符号式(助记符mnemonic symbol）程序设计语言。 MOV AX , BX,第1章 计算机系统概论(计算机的语言),需要进一步说明的地方： 机器语言:计算机所能识别的语言只有机器语言，即由0和1构成的代码。但通常人们编程时，不采用机器语言，因为它非常难于记忆和识别。 汇编语言:实质和机器语言是相同的，都是对硬件操作，只不过指令采用英文缩写的标识符，更容易识别和记忆。 高级语言:指更接近于人们日常使用的书面语言、用来编制程序的语言,高级语言主要是相对于汇编语言而言，它并不是特指某一种具体的语言，而是包括了很多编程语言，如目前流行的VB、VC、Delphi等，这些

6、语言的语法、命令格式都各不相同。(经过编译和解释两种方式“翻译”成目标代码(机器语言),才能被计算机识别),第1章 计算机系统概论(计算机的语言),1、指令是对计算机进行程序控制的最小单位。 所有的指令的集合称为计算机的指令系统。,2、指令格式,3、工作原理 不断的取指令和执行指令，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。,例如：ADD AX,BX,BASIC语言语句：LET d = b*b - 4*a*c,机器语言： 1. MUL B B ; b2 送B 2. MUL A E ; 4a 送入A 3. MUL A C ;4ac 送A 4. SUB B A ;b2 4ac送B 5. MOV

7、D B ; b2 4ac从B 送到D A a B b C c D d E 4,将指令存放在相邻的存储单元中：,n MUL n+7 n+7 ; b2 送B n+1 MUL n+6 n+10 ; 4a 送入A n+2 MUL n+6 n+8 ;4ac 送A n+3 SUB n+7 n+6 ;b2 4ac送B n+4 MOV n+9 n+7 ; b2 4ac从B 送到D n+5 HLT ;停机指令 n+6 a n+7 b n+8 c n+9 d n+10 4,计算机的硬件（Hardware）组成 (计算机的硬件系统是指构成计算机的所有物理部件的集合。通常这些部件是由电子磁性、光元器件、机械等物理部件

8、组成) 算盘 运算器 纸 存储器 笔 输入/输出设备 大脑 控制器,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),CPU(中央处理器),第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),运算器,存储器,I/O 设备,地址总线,数据总线,控制总线,控制器,CPU,I/O 接口,I/O 设备,I/O 接口,组成计算机的基本部件有中央处理器CPU（运算器和控制器）、存储器和输入、输出设备。,运算控制部件 （CPU),存储器,输入/输出,输入/输出,地址总线AB,数据总线DB,控制总线CB, ,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),图1.1 以总线连接的计算机框图,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线分类:

9、,一个功能部件内部的总线，CPU内,单机系统各功能部件间的总线,连接不同系统的总线,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 1.面向CPU的双总线结构,优点：简单，对总线传输速率要求低,缺点：I/O设备与内存交换信息需经CPU，CPU效率低,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 2.单总线结构,优点：设备扩充、增删方便、灵活,缺点：分时使用总线,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 3.面向存储器的双总线结构,优点：存取速度提高，减轻了系统总线负担,缺点：硬件成本高，总线控制逻辑复杂,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 4.PC机常用总线

10、结构, 按相对于CPU或其它芯片的位置可分为 片内总线: 在CPU内部，寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线。 片外总线:是CPU与内存RAM、ROM和输入/输出设备接口之间进行通讯的通路。,按总线的功能可分为 地址总线(ABus), 数据总线(DBus), 控制总线(CBus) 按总线的层次结构可分为 CPU总线:包括地址线(CAB)、数据线(CDB)和控制线(CCB)，它用来连接CPU和控制芯片。 存贮总线:包括地址线(MAB)、数据线(MDB)和控制线(MCB)，用来连接存储控制器和DRAM。 系统总线: 也称为I/O通道总线，包括地址线(SAB)、数据线(SD

11、B)和控制线(SCB)，用来与扩充插槽上的各扩充板卡相连接。系统总线有多种标准，以适用于各种系统。 外部总线： 用来连接外设控制芯片，如主机板上的I/O控制器和键盘控制器。包括地址线(XAB)、数据线(XDB)和控制线(XCB)。,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 4.PC机常用总线结构,注意: CPU总线、存储总线、外部总线在系统板上，不同的系统采用不同的芯片集。这些总线不完全相同，也不存在互换性问题。 系统总线是与I/O扩充插槽相连的，I/O插槽中可插入各式各样的扩充板卡，作为各种外设的适配器与外设连接。系统总线必须有统一的标准，以便按照这些标准设计各类适配卡。 我们要讨

12、论的总线就是系统总线，各种总线标准也主要是指系统总线的标准(PC机上的系统总线又可分为ISA、EISA、VESA、PCI、AGP等多种标准)。,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 4.PC机常用总线结构,按总线在微机系统中的位置可分为： 机内总线:上面介绍的各类都是机内总线。 机外总线(Peripheral Bus 外设总线):指与外部设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。 说明:目前PC机上流行的接口标准：IDE、SCSI、USB和IEEE1394，前两种主要是与硬盘、光驱等IDE设备接口，后面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备。,第1章 计算机系统概论(计算机的

13、硬件),总线结构: 4.PC机常用总线结构,(5)局部总线 在以Windows为代表的图形用户接口(GUI)进入PC机之后，要求有高速的图形描绘能力和I/O处理能力。 这不仅要求图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度提出了挑战。实际上当时外设的速度已有了很大的提高，如硬磁盘与控制器之间的数据传输率已达10MB/s以上，图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到69MB/s。通常认为I/O总线的速度应为外设速度的35倍。 因此原有的ISA、EISA已远远不能适应要求，而成为整个系统的主要瓶颈。,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 4.PC机常用总线结构,(5)局部总线 局部总线是P

14、C体系结构的重大发展。它打破了数据I/O的瓶颈，使高性能CPU的功能得以充分发挥。 从结构上看，所谓局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层。这样可将一些高速外设，如图形卡、硬盘控制器等从ISA总线上卸下而通过局部总线直接挂接到CPU总线上，使之与高速的CPU总线相匹配。 局部总线可分为三种： 专用局部总线:如NEC、Dell、HP等,为自己系统开发的专用总线,用于图形处理、网络传输等.它们是非标准的,不能通用，也不被广大兼容机采用。 VL 总线(VESA Local Bus) PCI 总线 VL 总线和PCI 总线都是通用总线，但VL 总线只是适用于486的一种过渡标准，

15、目前已经淘汰。586以上档次的微机普遍采用PCI 总线。,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),总线结构: 4.PC机常用总线结构,CPU(微处理器)介绍,微处理器主流厂家 大型机IBM、SUN 微机Intel、AMD 嵌入式ARM、MIPS 中国芯：龙芯,MIPS公司: Microprocessor without interlocked piped stages ARM公司: Advanced RISC Machine,微处理器发展简史,微处理器 IBM Intel AMD (Advanced Micro Devices)(超微),微处理器的发展 (机械时代),第1章 计算机系统概论(计

16、算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展(进入机电时代),第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),微处理器的发展,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),”晶体管之

17、父”的肖克利（W.Shockley）博士,诺宜斯（N. Noyce）、摩尔（R.Moore）、布兰克（J.Blank）、克莱尔（E.Kliner）、赫尔尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、罗伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）八叛逆,仙童半导体公司FairChild,集成电路之父杰克基尔比,微处理器的发展-英特尔Intel(Integrated/Electronics) 的元老,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),摩尔,诺宜斯,葛洛夫,Intel微处理器发展历史4004,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),1971年11月Intel面世了微处理器400

18、4。 这款芯片的架构为4bit。 4004 是英特尔推出的第一款微处理器。 这一突破性的发明最先应用于 Busicom 计算器，为无生命体和个人计算机的智能嵌入铺平了道路。 晶体管数量：2,300 速度：108 KHz Intel的第一款微处理器是给日本人做计算器用的,Intel微处理器发展历史8008,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),1972 年：8008 微处理器诞生 8008 的性能是 4004 的两倍。1974 年，Radio Electronics发表的一篇文章指出一款名为 Mark-8 的设备采用了 8008。 Mark-8 是第一批家用计算机之一，而以今天的标准来看该产品很难进行构建、维护和操作。 晶体管数量： 3,500 速度：200 KHz,Intel微处理器发展历史8080,第1章 计算机系统概论(计算机的硬件),1974 年：8080 微处理器 8080 有幸成为了第一款个人计算机 Altair 的大脑。 Altair 这个名称是源星际旅行电视节目中一个星际飞行计划（Starshi