第1章概论剖析

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1、北京理工大学计算机学院,计算机组成 原理,北京理工大学计算机学院 蒋本珊 bs.jiang,北京理工大学计算机学院,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。,北京理工大学计算机学院,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： 计算机科学导论 数字电路,学习指南,北京理工大学计算机学院,学习指南,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。通过学习，掌握计算机各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成整机系统的技术，并为后继课程的学习打好基础。,北京理工大学计算机学院

2、,学习指南,本课程的重点：五大基本部件的原理及实现。 本课程的难点：各部件互连构成整机系统，即整机概念的建立。 本课程的深广度：主要讨论计算机组成中具有共性的问题，要处理好抽象概念与具体实例的关系。,北京理工大学计算机学院,学习指南,计算机学科专业基础综合考试涵盖数据结构、计算机组成原理、操作系统和计算机网络等学科专业基础课程。要求考生比较系统地掌握上述专业基础课程的概念、基本原理和方法，能够运用所学的基本原理和基本方法分析、判断和解决有关理论问题和实际问题。 数据结构 45分 计算机组成原理 45分 操作系统 35分 计算机网络 25分,北京理工大学计算机学院,学习指南,考查目标： 理解单处

3、理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。 理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。 能够综合运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能对一些基本部件进行简单设计。,北京理工大学计算机学院,学习指南,教材 蒋本珊，计算机组成原理（第3版），北京，清华大学出版社，2013。,北京理工大学计算机学院,学习指南,参考书 唐朔飞，计算机组成原理（第2版）高等教育出版社，北京，2008。 蒋本珊，计算机组成原理学习指导与习题解析（第3版），

4、北京，清华大学出版社，2014。,北京理工大学计算机学院,第1章,概论,北京理工大学计算机学院,第1章,在本章中我们将从存储程序的概念入手，讨论计算机的基本组成与工作原理，使大家对于计算机系统先有一个简单的整体概念，为今后深入讨论各个部件打下基础。,北京理工大学计算机学院,第1章,1.1 电子计算机与存储程序控制 1.2 计算机的硬件组成 1.3 计算机系统 1.4 计算机的工作过程和主要性能指标,北京理工大学计算机学院,电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确的对各种信息进行处理和存储的电子设备。 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）。 可以有非数字计

5、算机（如：模拟计算机）。,1.1 电子计算机与存储程序控制,北京理工大学计算机学院,1.1.1电子计算机的发展 世界上第一台电子数字计算机是1946年2月问世的ENIAC。 ENIAC的设计开始于1943年, 该机一直使用到1955年。,1.1 电子计算机与存储程序控制,北京理工大学计算机学院,1.1 电子计算机与存储程序控制,ENIAC的特点： 采用十进制 20 个10位的累加器 用开关手动编程 18,000个电子管 重30 吨 占地170平方米 耗电170 KW 5,000次/秒加法运算,北京理工大学计算机学院,1.1.2 存储程序概念 美籍匈牙利数学家冯诺依曼等人在1945年6月提出存储

6、程序概念。,1.1 电子计算机与存储程序控制,北京理工大学计算机学院,存储程序概念： (1)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； (2)计算机内部采用二进制来表示指令和数据； (3)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。,1.1 电子计算机与存储程序控制,北京理工大学计算机学院,1.1 电子计算机与存储程序控制,EDVAC 冯诺依曼设计的存储程序计算机 1951年诞生。 EDSAC 事实上的第一台存储程序计算机 1949年诞生。 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。 也

7、出现了一些突破冯诺依曼结构的计算机，统称非冯结构计算机，如：数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。,北京理工大学计算机学院,第1章,1.1 电子计算机与存储程序控制 1.2 计算机的硬件组成 1.3 计算机系统 1.4 计算机的工作过程和主要性能指标,北京理工大学计算机学院,中央处理器（CPU） CPU = 运算器 + 控制器 主机 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）,1.2 计算机的硬件组成,注意,北京理工大学计算机学院,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

8、出设备,辅助存储器,CPU,控制,数据,地址或指令,主机,外设,存储器,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,1.2.1 计算机的主要部件 1.输入设备 输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。常用的有键盘、鼠标、扫描仪等。 2.输出设备 输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。常用的有显示器、打印机、绘图仪等。,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,3.存储器 存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。,北京理工大

9、学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,速度,快,慢,三级存储系统,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,三级存储系统,小,大,容量,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,三级存储系统,贵,贱,价格/位,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,主存储器 可由CPU直接访问，用来存放当前正在执行的程序和数据。,主存储器,主存储器,主存储器,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,辅助存储器,辅助存储器,辅助存储器,辅助存储器 设置在主机外部，CPU不能直接访问，用来存放暂时不参与运行的程序和数据，需要时再传送到主存。,北京理工大学计算机学院,1.2 计

10、算机的硬件组成,Cache,Cache,Cache,高速缓冲存储器（Cache） CPU可以直接访问，用来存放当前正在执行的程序中的活跃部分（副本），以便快速地向CPU提供指令和数据。,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,4.运算器 运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算是算术运算和逻辑运算，因此运算器的核心是算术逻辑运算部件ALU。 运算器中有若干个寄存器（如累加寄存器、暂存器等）。 5.控制器 控制器是整个计算机的指挥中心。 控制器中主要包括时序控制信号形成部件和一些专用的寄存器。,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,1.2.2 各大部件之间的连接

11、将各大基本部件，按某种方式连接起来就构成了计算机的硬件系统。 1.总线结构（小、微型机的典型结构） 目前许多计算机的各大基本部件之间是用总线（Bus）连接起来的。 总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息。,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,总线特点： 共享 分时 小型、微型机的设计目标是以较小的硬件代价组成具有较强功能的系统，而总线结构正好能满足这一要求。,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,单总线结构,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,单总线并不是指只有一根信号线。系统总线按传送信息的不同又可以细分为：地址

12、总线、数据总线和控制总线。地址总线（Address Bus）由单方向的多根信号线组成，用于CPU向主存、外设传输地址信息；数据总线（Data Bus）由双方向的多根信号线组成，CPU可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据；控制总线（Control Bus）上传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存/外设反馈给CPU的状态信号。,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,2.大、中型计算机的典型结构 大、中型计算机系统的设计目标更着重于系统功能的扩大与效率的提高。 通道是承担I/O操作管理的主要部件，主机可以连接多个通道，每个通道可以接一台或几台设备

13、控制器，每个设备控制器又可接一台或几台外部设备，这样整个系统就可以连接很多的外部设备。,北京理工大学计算机学院,第四级,第三级,第二级,1.2 计算机的硬件组成,主存,CPU,通道,通道,设备 控制器,设备 控制器,设备 控制器,设备 控制器,外设,外设,外设,外设,外设,外设,外设,外设,主机,第一级,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,1.2.3 不同对象观察到的计算机硬件系统,一般用户观察到的计算机硬件系统,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,专业用户观察到的计算机硬件系统,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,计算机设计者观察到的计算机硬件系统,

14、北京理工大学计算机学院,1.2.4 冯诺依曼结构和哈佛结构的存储器设计思想 1.冯诺伊曼结构 冯诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令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等都采用了冯诺伊曼结构。,1.2 计算机的硬件组成,北京理工大学计算机学院,1.2 计算机的硬件组成,冯诺依曼结构的存储器设计,北京理工大学计算机学院,2.哈佛结构 哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。CPU首先到指令存储器中读

15、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（通常是执行）。,1.2 计算机的硬件组成,北京理工大学计算机学院,哈佛结构的处理器通常具有较高的执行效率。其指令和数据分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。 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。 微机中的L1 Cache采用的是哈佛结构，即分为指令Cache和数据Cache。,1.2 计算机的硬件组成,北京理工大学计算机学院,哈佛结构的存储器设计,1.2 计算机的硬件组成,北京理工大学计算

16、机学院,第1章,1.1 电子计算机与存储程序控制 1.2 计算机的硬件组成 1.3 计算机系统 1.4 计算机的工作过程和主要性能指标,北京理工大学计算机学院,1.3 计算机系统,计算机系统=硬件系统+软件系统 硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体；软件通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。,注意,北京理工大学计算机学院,1.3 计算机系统,1.3.1 硬件与软件的关系 硬件是计算机系统的物质基础，软件是计算机系统的灵魂。硬件和软件是相辅相成的，不可分割的整体。 当前计算机的硬件和软件正朝着互相渗透，互相融合的方向发展，在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。,北京理工大学计算机学院,1.3 计算机系统,硬件软化：原来由硬件实现的操作改由软件来实现。它可