第1章绪论-计算机概要

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1、计算机组成原理,华东交通大学信息工程学院 物联网工程系 周洁 2016.3,计算机组成与结构（第五版） 王爱英 主编 清华大学出版社,课程简介,本课程是计算机科学与技术专业、物联网工程专业的核心课程。主要讨论计算机各功能部件的工作原理，各大部件互连构成整机系统的技术。 学科中处于承上启下的地位,先修课包括数字逻辑、汇编语言程序设计等。 本课程内容多,难度较大。 学时安排：48学时（15周）中讲授42学时，实验6学时。,实践活动环节安排 实验一 ：运算器实验 实验二：移位运算实验 实验三：微程序控制器实验 课设：16周,课程的重要性,考研 计算机科学与技术学科考研初试专业课为计算机学科专业基础综

2、合，考核以下四门计算机专业课：数据结构（45）、计算机组成原理（45）、操作系统（35）和计算机网络（25），共150分。 考生普遍反映是计算机组成原理最难学。 硬件课程的基础,考核方式,考试 平时成绩的组成 考勤：20% 提问：15% 实验：15%（实验考核+实验报告） 作业：50%（课后作业+随堂作业+期中测验）,参考书推荐,1、白中英. 计算机组织与结构.科学出版社（第五版） 2、唐朔飞. 计算机组成原理.高等教育出版社. 3、李亚明.计算机组成与系统结构.清华大学出版社. 4、江义鹏.计算机组成原理.人民邮电出版社. 5、胡越明.计算机组成和系统结构.上海科学技术文献出版社. 6、俸远

3、祯.计算机组成原理.电子工业出版社 7、李亚民.计算机组成与系统结构.清华大学出版社 8、袁开榜.计算机组成原理高等教育出版社 9、邹海明.计算机组织与结构.电子工业出版社 10、 John L. Hennessy & David A. Patterson, “Computer organization and design, the hardware/software interface“, Morgan Kaufmann, Second Edition, 1998 11、 John L. Hennessy and David A. Patterson, “Computer architec

4、ture: a quantitative approach”, Morgan Kaufmann, Second Edition, 1996 12、Patterson and Hennessy, “Computer Organization & Design: the Hardware/Software Interface (2nd edition)“,Morgan Kaufmann Publishers.,本章导引 -专业术语,计算机组成（Computer Organization）是从计算机系统的内部来研究计算机构成的，主要内容包括：运算方法、CPU组成、主存储器和输入输出设备、输入输出接口

5、等。 计算机系统结构（Computer Architecture）是从外部来研究计算机系统的一门学科。研究的对象主要包括：数据表示、寻址方式、指令系统、中断系统、存储系统、输入输出系统、流水线处理机、超标量处理机、互连网络、向量处理机和并行处理机等。 关于本课程 把“计算机系统结构”与“计算机组成”结合起来讲。,基本要求： 通过本章的学习，要求了解整个计算机系统由硬件和软件两部分构成，其中硬件部分包括运算器、控制器、存储器、输入输出设备等五大功能部件构成。通过总线相互连成一个完整的硬件系统；软件部分包括系统软件、应用软件两大部分。通过对计算机层次结构的了解，明确计算机组成原理课程的任务和目的。

6、了解计算机中的一些基本概念，包括性能指标、计算机发展简史以及计算机的应用。,重点： 1、计算机系统的基本构成 2、计算机系统的层次结构 3、计算机系统结构、组成及其实现 难点： 计算机系统的层次结构、系统结构、组成及其实现的关系。 其它： 1、计算机的性能评价（字长、容量、速度、时间、MIPS） 2、计算机发展简史（ENIAC、冯氏计算机） 3、计算机的应用（科学计算与数据处理的区别）,第1章 计算机系统概论,本章目录,1.1计算机的语言 1.2计算机的硬件 1.3计算机系统的层次结构 1.4电子计算机的发展简史 1.5计算机的应用,1.1 计算机的基本概念,自然语言：人类相互交流信息所用的语

7、言 高级语言：由于当前的计算机还不具备理解自然 语言的能力，于是人们希望找到一种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 。 机器语言：然而目前的通用计算机不会直接执行用高级语言编写的程序，因而要先将其翻译成机器能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由二进制代码表示的指令组成）。 汇编语言：符号化程序设计语言。,计算机解题的过程,计算机处理问题 物理问题 问题规范 数学描述 数学模型 近似的数值计算公式 计算程序的流程图 编写程序 编译程序 运行程序 输出结果 程序是由指令组成的，每种语言的指令有自己的格式,指令的格式,每条指令应当明确告诉控制器,从存储器的哪个单元

8、取数,并进行何种操作。 指令的内容由两部分组成,即操作的性质和操作的地址。前者称为操作码,后者称为地址码。 操作码:指出指令所进行的操作,如加、减、乘、除、取数、存数等; 地址码:表示参加运算的数据应从存储器的哪个单元取,运算的结果应存到哪个单元。 地址码含义灵活，不是所有的指令都需要地址。,操作码 地址码,计算机的工作工程,例如用BASIC语言编写的程序，执行语句 LET db*b4 *a*c 即可得到db24ac的值，而用机器语言则需要 五条指令才能实现。当用符号来表示指令时，其 程序如下：,程序 注释(运算结果) l MUL B B ；b2送入B 2 MUL A E ；4a送入A 3 M

9、UL A C ；4ac送入A 4 SUB B A ；b2-4ac进入B 5 MOV D B ；b2-4ac从B传送到D A a B b C c D d E 4 其中15为指令，MUL为乘法指令的操作码，SUB为减法指令，MOV为传送指令。 A，B，C，D，E分别表示存储数a，b，cd及常数4的地址，上述这些指令统称为算术逻辑运算指令。,若设第1条指令存放在地址为n的存储单元中，则其后 继的指令依次存放在n+1，n+2，n+3和n+4的存储单元中， 可将程序改写如下： n MUL n7 n+7 n+6 a n+1 MUL n+6 n+10 n+7 b n+2 MUL n+6 n+8 n+8 C

10、n+3 SUB n+7 n+6 n+9 d n+4 MOV n+9 n+7 n+10 4 n+5 HLT ；HLT为停机指令。,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、输出设备五大组成部分。,1.2 计算机的硬件,CPU（包括运算器和控制器） 存储器 ROM RAM 输入/输出设备(I/O设备) 总线 DBUS ABUS CBUS,运算器 和 控制器 CPU,存储器,输入输 出设备,地址总线,数据总线,控制总线,计算机软件和硬件的依存关系,明确划分系统软件和硬件的界限十分困难。 任何一种操作即可用硬件来实现，也可以由软件来实现。 任何一条指令的执行可以用硬件来

11、完成，也可以用软件来完成。,软、硬件的逻辑等价性,对于一台具体的计算机来说，究竟用软件方案还是硬件方案来完成某一操作，要根据价格、速度、可靠性、存储容量和变更周期等因素来决定。,早期的计算机 依靠硬件 小型机 硬件去完成较简单的指令系统功能， 软件完成高一级的复杂任务 硬件软化 集成电路的发展，许多原来用机器语言实现的操作，又可以改由硬件来实现 软件硬化 微程序控制技术与集成电路技术结合之后，使得原来属于软件的微程序和一些固定不变的程序可以装入一个可改写的 “固件”中， 介于软件和硬件之间的实体，功能类似于软件，形态类似硬件。,计算机系统的组成,硬件系统结构 1. 以总线为基础的系统结构 总线

12、：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。,总 线,总 线,功能 内总线 局部总线 系统总线 外总线,信息 地址总线 数据总线 控制总线,时序 同步总线 异步总线,格式 并行总线 串行总线,方向 单向总线 双向总线,微机的一般结构-单总线结构,（1）以CPU为中心的双总线结构,CPU,M.M,接口,接口,I/O,I/O,I/O 总线,M 总线,小型机的总线型结构,（2）单总线结构,CPU,M.M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,（3）以存储器为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,M 总线,大、中型机的通道型结构 （1）带通道的系统,I/O控制器

13、,主机,I/O,通道,（2）带IOP的系统,CPU,M,接口,I/O,IOP,LM,接口,I/O,系统总线,I/O总线,计算机系统的性能指标,机器字长 计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”。字长影响计算精度、指令功能。 存储容量 （1）主存容量 指 存储单元个数位数。,决定地址位数,表明编址单位,表示为：字数字长（按字编址）或 字节数（按字节编址）,（2）外存容量 常表示为字节数。 外存容量与地址码位数无关。,运算速度 （1）CPU时钟周期（频率） （2）指令执行速度（MIPS、MFLOPS/TFLOPS/PFLOPS） 基准程序（Benchmark) SPEC(Syst

14、em Performance Evaluation Committee) Linpack （Linear system package),硬件组成-输入设备和输出设备,输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程 序。 输出设备用来输出计算机的处理结果，可以是数 字、字母、表格、图形等。,硬件组成-存储器,存储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息 的存储和交流中心。 存储器分类： 1.主存储器（内存） 2.辅助存储器（外存） 当前在计算机上运行的程序和数据是存放在主存 储器中的,判断： 主机中只包含主存。 主存由RAM和ROM组成。 思考： 对于微型计算机而言，主存是指什么？辅存指什么？,存储

15、体,地址寄存器,译码器,读/写线路,数据寄存器,控制线路,存储体: 存放信息的实体。,寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。,硬件组成-中央处理器,中央处理器又叫CPU，在早期的计算机中分成运算器和 控制器两部分，由于电路集成度的提高，现在已把它们 集成在一个芯片中。 1.运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件，经常 进行的是算术运算和逻辑运算，所以在其内部有一个算 术及逻辑运算部件(ALU)。 算术运算是按照算术规则进行的运算，例如加、减、乘、除、求绝对值、求负值等。 逻辑运算一般是指非算术性质的运算，例如比较大小、 移位、逻辑乘、逻辑加等,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,+1,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,通过加法器实现运算操作（由全加器求和、由进位链传递进位信号）。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,通用寄存器组：提供操作数，存放运算结果。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,选择器：选择操作数