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1、任课教师：江海峰任课教师：江海峰 Phones:Phones: 13585479918 13585479918 8359172683591726（OO） E-mail:E-mail: jhfengjhfeng fengfengxzfengfengxz 课程的性质、内容及任务 教材 学时分配 参考书目 测评 课程性质： 计算机组织与体系结构是计算机专业的一门核心 专业基础课程。 主要内容： 计算机系统概论；运算方法和运算器；存储系统；指 令系统；中央处理器；总线系统；外围设备；输入输出系 统；并行组织。 主要任务： 通过本课程的学习，使得同学们初步了解和掌握计算 机单处理机系统的主要组成和工作原
2、理，着重于计算机硬 件和体系结构，培养扎实的计算机硬件动手能力，为后继 计算机课程的深入学习打下基础。 一、课程的性质、内容及任务 计算机组成与体系结构 （第4版立体化教材） 主编：白中英 清华大学出版社 二、教材(textbook) 共44+12=56学时 其中： 理论课：44学时 实验课：12学时 三、学时分配(time allocation) 四、参考书目 (reference books) l计算机组成原理与系统结构 马 礼 人民邮电出版社 l计算机体系结构 张晨曦 高教出版社 l计算机组成与结构 王爱英 清华大学出版社 l计算机系统结构 郑纬民 清华大学出版社 l计算机组成与体系结构
3、 王 诚 清华大学出版社 l计算机组成与系统结构(第二版) 胡越民 电子工业出版社 lComputer organization Carl hamcher lThe Essentials of Computer Organization and Architecture Linda Null等 机械工业出版社 l 先修课程计算机基础、电工技术与电子技术 要求（requirement)：参考书尽量人手一册 五、测评五、测评 n满分：100分 1. 笔试 70% 2. 实验 20% 3. 平时 10% 第一章 计算机系统概论 1.计算机的分类和应用 2.计算机的硬件 3.计算机的软件 4.计算机系
4、统的层次结构 1.1 计算机的分类和应用 1.1.1 计算机的分类(Categorize) 计算机 (电子) 电子模拟计算机 电子数字计算机 专用计算机 通用计算机 巨型机(Super) 大型机 (Mainframe) 中型机 (medium) 小型机(small) 微型机(micro) 单片机(single) (analog) (digital) (generic) (special) 单片机 微型机 小型机 中型机 大型机 巨型机 体积 功耗 性能 存储量 指令系统 价格 低 高 高 低 简易性 六种通用计算机的区别 当今高性能计算机： 曙光 单片机 l 科学计算 l 自动控制 l 测量和
5、测试 l 信息处理（商务处理和管理应用） l 教育和卫生 l 计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM ） l 家用电器 l 人工智能 1.1.2 计算机的应用(Application) 1.2 计算机的硬件(Hardware) 算式：y=ax+b-c 工具：算盘、横格纸和笔 步骤： 1.2.1 数字计算机的硬件组成 例如： 计算机的解题过程和算盘解题相似，可以 从算盘的解题过程推演计算机的硬件组成 。 行 数解体步骤骤和数据说说明 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 a 数据 b 数据 c 数据 x 数据 取数 (09)-算盘 a 取数 (12
6、)-算盘 ax 取数 (10)-算盘 ax+b 取数 (11)-算盘 ax+b-c 存数 y-13 把算盘上y值记到第13行 输出 把算盘上的y值写出给人看 y 数据 停止 运算完毕，暂停 v原始数据和解题步骤存储 纸(Paper)-存储器(Memory) v运算工具 算盘(Abacus)-运算器(Arithmetic and Logic Unit) v解题步骤和原始数据的输入、计算结果的输出 笔(pen)-输入/输出设备(Input/Output) v整个计算过程的调度控制 人脑(brain)-控制器(Control Unit) 主机：CPU+内存 功能(function)：算术和逻辑运算
7、1. 运算器(ALU) 寄存器B累加器A 运算单元电路 运算器结构示意图 数制：二进制 采用二进制的原因原因： (1) 容易实现 (2) 运算规律简单 (3) 抗干扰能力强，可靠性高 (4) 为实现逻辑运算和逻辑判断提供了便利 运算器的长度一般是8位、16位、32位、64位和128位 功能(function)：存放程序(指令)和数据 实现(realization)：用半导体器件来实现。 分类(classify)：内存储器和外存储器 存储容量(capacity)：计算机中存储单元的总数；单位bit、 byte、KB 、MB 、GB 、TB 、PB 存储单储单 元 0 1 2 3 m 存储器结构示
8、意图 存储器 外存储器 内存储器 磁盘 磁带 磁鼓 光盘 ROM RAM ROM PROM EPROM EEPROM SRAM DRAM SDRAM EDRAM 2. 存储器(Memory) 任务(Task)：从内存中取出解题步骤加以分析，然 后执行某种操作。 3. 控制器(Control Unit) (1) 计算程序：解决某一问题的一串指令序列称为该 问题的计算程序。 注意：计算程序是在运行前事先把指令和数据顺序存放到 存储器中。控制器控制计算机按照指令顺序执行解决问题 。 控制器的结构控制器的结构 注意：指令的操作码和地址码都是用二进制代码表示的。 （2） 指令形式 ：一条指令必须明确指示
9、出从哪个单元 中取数，并进行何种性质的操作；即指令由操作码和地 址码组成，分别指出操作的性质和操作数的地址。 操 作 码地 址 码 指令操作码码 加法001 减法010 乘法011 除法100 取数101 存数110 打印111 停机000 101 1001 011 1100 001 1010 010 1011 110 1101 111 xxxx 000 xxxx a b c x y 指令的操作码定义 指令和数据在存储器中 用二进制码存储 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 按照程序所排的指令序列，先从存储器中取出一条 指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分
10、析判别，然后根据指令的性质，执行该指令，进行相应 的操作；接着取出第二条指令，再执行第二条指令，依 此类推。 （3）控制器的基本任务（Foundational Task ） 术语：取指周期取指周期 & & 执行周期执行周期 & & 中央处理器中央处理器 & & 主机主机 1. 位(Bit):计算机的最小信息单位 2. 字节(Byte)：1Byte=8 bits 3. 字(Word)：由一个以上的字节组成 4. 字长：组成一个字的二进制位数 5. 指令字：字的内容是一条指令 6. 数据字：代表要处理的数据 7. 指令流：取指周期从内存中读出的信息流 是指令流，它流向控制器。 8. 数据流：在执行
11、周期中从内存中读出的信息 流是数据流，它由内存流向运算器 。 （4）指令流(Instruction Stream)和数据流(Data Stream) CPUCPU的结构的结构 4 . . 适配器(adapter)和输入输出设备(I/O) 输入(Input)设备：键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等 输出(Output)设备：显示器、打印机、绘图仪 输入/输出设备：硬盘、软盘、磁带、磁鼓等 (1)输入输出设备： (2)适配器： 作用：相当于一个转换器、保证外围设备用计算机 系统特性所要求的形式接发信息。 常见有：网络适配器、显卡适配器等 5. 总线(Bus) 是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间
12、进行数据传送的公共通路。 冯冯. .诺依曼结构计算机诺依曼结构计算机 l（1）存储程序控制：要求计算机完成的功能，需要 事先编制成相应的程序，并输入到存储器中，在控 制器的控制下，有条不紊地工作。 l（2）程序和数据都用二进制表示。 l（3）程序由指令序列构成，任何一条指令序列都包 含操作码和地址码。 l（4）全机以CPU为中心，输入的信息在CPU控制下 才能写入主存储器，输出的信息也只有在CPU控制下 才能从主存储器中取出送至相应的输出设备。 I/0 输入设备 输出设备 运算器 控制器 存储器 CPU Basic Functional Units of a Computer 计算机的基本组成
13、 小结（Summary） 1946年Von Neumann提出存储程序计算机模型。 1.2.2 数字计算机的发展史 从使用器件角度，计算机的发展大致经历了五代： 一、第一代：电子管计算机 时间跨度：19461957 器件特性：电子管 运算速度：几千至几万次/秒 缺点：体积大、成本高、不可靠 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer ） 电子数字积分计算机 二、第二代：晶体管计算机 时间跨度：19581964 器件特性：晶体管，磁芯存储器 运算速度：几万次几十万次/秒 三、第三代：中小规模集成电路计算机 时间跨度：19651970 产品
14、特性：集成电路，操作系统 运算速度：几十万次几百万次/秒 四、第四代：大规模、超大规模集成电路计算机 时间跨度：19711985 产品特性：大规模集成电路，半导体存储器，微型计算机出现 运算速度：几百万次几千万次/秒 五、第五代：巨大规模集成电路计算机 时间跨度：1986 产品特性：VLSI、ULSI，半导体存储器，微机发展迅速 运算速度：几亿次几百亿次/秒 （1）网络化和分布式计算机系统 （2）智能化 （3）多处理机和模块化计算机系统结构 （4）多媒体技术 数字计算机的发展趋势： 1.3 计算机的软件 1.3.1 软件的组成 与分类 计算机软件 系统程序 各种服务性程序：诊断、排错等 语言程序：汇编、编译、解释等 操作系统 数据库管理系统 应用程序 工程设计程序 数据处理程序 自动控制程序 企业管理程序 情报检索程序 科学计算程序 硬件硬件 系统程序系统程序 应用程序应用程序 用户用户 计算机软件层次结构示意图 机器语言：使用1和0编制。计算机直接可以识别和执行。缺点： 要熟悉指令系统、繁杂、容易出错、不易调试、只有专家使用。 汇编语言：对机器指令采用助记符的表
