1计算机组成原理课件

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1、计算机组成原理主讲教师：纪禄平邮件：电子科技大学计算机学院计算机组成原理 前 言 “计算机组成原理”是计算机相关专业的一门 核心专业基础课程。 从课程地位来说，它在先导课和后续课之间 起着承上启下的作用。 本课程以单处理机作为主要对象，研究和学 习计算机系统的组成结构和工作原理。课程 内容具有知识面广、内容多、概念强、更新 快等特点。课程教学要求 本课程教学要求：（1）掌握基本概念、学会分析方法 ；（2）注重系统性学习特点，建立计算机整机概念；（3）掌握合理的知识结构，为进一步深入学习本专业的后续课程打下良好的基础；（4）理论教学与实践教学结合，注重能力的培养和对计算机总体结构知识的把握。课程

2、教学内容简介：第一章 概论 4学时 第二章 计算机中的信息表示 6学时 第三章 CPU子系统 24学时 第四章 存储子系统 8学时 第五章 I/O子系统 8学时 第六章 输入/输出设备及I/O接口 4学时 第七章 计算机硬件系统模型 自学一、课程主要内容讨论计算机单机系统的硬件组成。 即五大功能部件的工作原理、逻辑 实现、设计方法及相互连接构成整 机的方法。强调两个层次的整机概念：CPU整机概念硬件系统整机概念紧紧抓住各部件之间的信息 传送方式和传送途径。二、学习目的为培养同学们在分析、设计、开 发计算机系统方面的能力打下坚实的 基础。三、教学特点1、以模型机为背景讨论基本原理 ，适当辐射实用

3、机型。2、讨论硬件组成时，在寄存器级 进行分析。四、教学安排（80课时，5节/周）教学思路： CPU 主机 计算机硬件系统 五、成绩分布出勤、作业业半期考试试上机实验实验期末考试试 10分10分10分70选修课：可编程逻辑设计主要内容：计算机的基本概念系统硬件组成（主要部件、系统结构）计算机的性能指标第一章 概论 第一节 计算机的基本概念 电子计算机一种能够自动高速精 确地对数字信息进行加工处理存储与 传送的电子设备。计算机的分类计算机从总体上来说分为两大类:模拟计算机和数字计算机。各自主要特点：模拟计算机：由模拟运算器件构成，处理在时 间和数值上连续的模拟量（如：电压、电流等 ）； 数字计算

4、机：由逻辑电子器件构成，处理离散 的数字量。计算机的分类计算机分类 数字计算机又可分为: 专用计算机和通用计算机。 专用机是以快速、经济和高集成度为主要指标的特殊计算机，它是针对某一任务设计的计算机，但是它的适应性较差（如：工控机、IOP等） 。 通用机适应性较高，但是牺牲了效率、速度和经济性。计算机分类 按照计算机的体积、简易性、功率损耗 、性能指标、数据存储容量、指令系统 规模、机器价格和应用范围等条件，将 计算机分为巨型机、大型机、中型机、 小型机和微型机等。 它们的结构规模和性能指标依次递减。 随着超大规模集成电路的迅速发展，类 型也会发生动态变化。计算机分类通用计算机类别：1.1.1

5、 冯 诺依曼思想1. 用二进制代码表示程序和数据； 任何复杂的运算和操作都可转换成一系 列用二进制代码表示的简单指令，各种 数据则可用二进制代码来表示；2. 计算机采用存储程序的工作方式；3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制器 、输入设备和输出设备组成。 将组成程序的指令和数据存储起来（称为存储 程序），让计算机自动地执行有关指令，就可 以完成各种复杂的运算操作（称为程序控制） 。 计算机硬件组成如后图所示; 这些思想已成为现代计算机技术的理论基础 。图 计算机组成示意图控制器存储器运算器输出设备输入设备实心箭头代表控制信号流向 空心箭头代表数据信号流向 编写程序输入程序存储程序输出结果执行

6、指令将程序转换为 指令序列图 计算机的工作流程1.1.2 信息的数字化表示1. 在计算机中用数字代码表示各种信息 二进制代码例1 用数字代码表示数据 5 - 5 表示为 0 101 表示为 1 101 例2 用数字代码表示字符 A B 表示为 1000001 表示为 1000010 例3 用数字代码表示命令、状态 启动 停止 正在工作 工作结束 表示为 00 表示为 01 表示为 10 表示为 11 2. 在物理机制上用数字信号 数字型电信号 例1 用电平信号表示数字代码 高电平 1 低电平 高电平 0 1 例2 用脉冲信号表示数字代码 有脉冲无脉冲 有脉冲101表示数字代码 实现并行 操作实

7、现串行 操作3. 数字化方法表示信息的优点 （1）物理上易实现信息的表示与存储（2）抗干扰能力强，可靠性高（3）数值的表示范围大，精度高（4）可表示的信息类型广泛（5）能用数字逻辑技术进行处理1.1.3 存储程序工作方式1.事先编制程序 3.自动、连续地执行程序 2.事先存储程序 传统诺依曼机串行执行指令。 对传统诺依曼机的改造：增加并行 处理功能。第二节 计算机系统的组织 硬件是指构成计算机系统的实体和 装置之类的有形设备，是组成计算机系 统的物质基础。 软件是指由硬件所表达的各种内在信息，包括数据与控制程序。因为它们 是无形的东西，所以称为软件或软设备 。1.2.1 计算机的硬件系统组成运

8、 算 器控 制 器主存储器输入设备输出设备总线 和 输入输出接口高速缓存虚拟存储器(磁盘设备)（第3章）（第4章）（第5章）（ 第6章）CPU计算机的硬件计算机的一般组成结构为：运算器+存储器+控制器+输入/输出设备。主要功能部件1. CPU（Central Processing Unit ）由运算器、控制器组成。 （1） 运算器1）功能：加工信息。2）组成：v又称为算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)，用来进行算术或逻辑运算以及 位移循环等操作，它是CPU的执行部件。vALU是一种以全加器为核心的具有多种运算 功能的组合逻辑电路。v在运算中,当数的位数越多时,计算

9、的精度就 越高,但是位数越多,所需的电子器件也越多。 目前计算机的运算器长度一般是8位、16位、 32位或64位移位器ALU选择器通用寄存器组选择器移位器ALU选择器通用寄存器组选择器ALU: 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；选择控 制条件，实现各种算法。移位器ALU选择器通用寄存器组选择器移位器：直接或者移位 送出运算结果。3）讨论几种典型的运算器组成几种主要的运算方法（定、浮）（2）控制器1）功能：产生控制命令(微命令)，

10、控制全机操作。2）组成：微命令发生器指令信息状态信息时序信号微命令序列微命令产生方式（指令执行控制方式） ：3）讨论两种控制器组成原理与控制机制；模型机的数据通路结构和指令执行过程。组合逻辑控制方式：微程序控制方式：由组合逻辑电 路产生微命令 由微指令产生 微命令2. 存储器1）功能:存储数据和数字化后的程序。注意到：不论是数据,还是程序,存储器存储的全是用0 或1表示的二进制代码。 存储器包括如下名词概念：存储单元: 在存储器中保存一个n位二进制数的n个 触发器,组成一个存储单元。地址: 存储器是由许多存储单元组成,每个存储单元 的编号,称为地址。 存储容量: 存储器所有存储单元的总数。 存

11、储容量越大,表示计算机记忆储存的信息就越 多。通常用单位“KB、MB、GB”等表示。 内存储器（主存）：存放直接为CPU提供服务的 数据与程序的存储器。 目前主要采用半导体型内存储器芯片。其特点为 ：工作速度较快，存储容量比外存小。 外存储器(辅存）: 为计算机配备的存储容量很大 的辅助存储器。 如：磁盘存储器、光盘存储器等，其主要特点是 存储容量大，价格便宜，工作速度较慢。存储体地址寄存器译码器读/写线路数据寄存器控制线路讨论存储单元读/写原理、存储器逻辑设计 存储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。读/写线路和数据

12、寄存器：完成读/写 操作，暂存读/写数据。存储体地址寄存器译码器读/写线路数据寄存器控制线路控制线路：产生读/写时序，控制读/ 写操作。3. 输入/输出设备1）功能：转换信息。 输入：原始信息 代码，送入主机 输出：处理结果 人所能接受的形式 ，并输出（代码） 2）讨论显示器的工作原理和信息转换过程 。4. 总线（Bus）5. 接口能为多个部件分时共享的一组信息传送线 路。外设不标准，种类数量可变，为将系统总 线与各类外设连接，须在两者之间设置一 些部件，具有缓冲、转换、连接等功能， 这些部件就是接口。典型的硬件系统结构1. 以总线为基础的系统结构总线：能为多个部件分时共享的一组 信息传送线路

13、。CPUCPU总线控制逻辑接 口接 口存储器存储器大容量存储器I/O设备I/O子系统系统总线 总线结构 优点： 减少机器中信息传送线的根数，简化了 系统结构，提高了机器的可靠性。 可以方便对系统进行扩充。 分为三类： 传送信息的数据总线DB (Data Bus)； 指示欲传信息的来源或目的地址的地址 总线AB (Address Bus)； 管理总线上活动的控制总线CB (Control Bus)。系统总线存 储 器I/O 接 口输 入 设 备I/O 接 口数据总线 DB控制总线 CB地址总线 AB输 出 设 备CPU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

14、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（1）以CPU为中心的双总线结构CPUM接口接口I/OI/OI/O 总线M总线 （2）单总线结构CPUM接口接口I/OI/O系 统 总 线（3）以M为中心的双总线结构CPUM接口接口I/OI/O系 统 总 线M总线 （4）多级总线结构CPURAMROM公共接口总线控制逻辑M扩展板I/O接口板局部总线系统总线2. 采用通道或IOP的大型系统结构（1）带通道的系统I/O控制器主机I/O通道（2）带IOP的系统CPUM接口I/OIOPLM接口I/O系统总线I/O总线3. 模型机系统结构系 统 总 线CPUM公共接口接口接口I/OI/O4. 讨

15、论接口： 中断接口、DMA接口总线：分类、信号组成1.2.2 软件系统 软件类别： 系统程序和应用程序。 系统程序：用来简化程序设计,简化使用方法,提高计算机的使用效率,发挥和扩大计算机的功能及用途的软件。它包括以下四类: 各种服务性程序,如诊断程序、排错程序、练习程序等； 语言程序,如汇编程序、编译程序、解释程序等；软件的组成和分类 操作系统； 数据库管理系统 应用程序：用户利用计算机来解决某些问题所编制的程序,如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等等。1.2.3 系统组成的层次结构计算机系统是一个由多层次结构组成的系统，其层次结构示意图，见书P13图1-9 。多级组成的计算机系统系统的多级结构各级结构的基本特点 ： 1. 微程序设计级这是一个实在的硬件级，它由机器硬件 直接执行微命令。如果某一个应用程序直接 用微命令来编写，那么可在这一级上运行该 应用程序。 2. 传统机器级也称为机器语言级，由微程序解释机器 指令系统。这一级也是硬件级。3.