组成课程概述及第一章

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1、计算机组成原理 Computer Organization 课程号：341300513 授课学时：56（理论）+8（实验） 授课对象：0701软工 授课时间：2009年2月2009年6月 授课教师：王晓涓,教学内容,研究讨论单台计算机的完整硬件系统的基本组成原理与内部运行机制。,单台：非多机系统 基本：不一定是最高性能、最合理的组成, 而是最基础的必要的组成部分. 完整：计算机整机、全部的硬件功能部件.,课程性质,核心课程 主干课程 任何一台计算机是通过执行指令来完成某种功能，指令系统的确定，属计算机系统的结构而指令的实现，如取指令、取操作数、运算、送结果等具体操作及其排序方式属于计算机组成。

2、 由此可见：计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现,包括机器级内的数据流和控制流的组成及逻辑设计等,它着眼于机器级内各事件的排序方式与控制机构各部件的功能以及各部件间的联系。,输入设备,输出设备,总 线,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,第5，7章,第8章,第3，6章,第4章,计算机硬件系统组成,第8章,输入输出接 口,第8章,教学过程,为了更好地做到理论联系实际，更好地培养学生的实验动手能力和创新意识，采用唐都科教仪器的计算机组成原理与系统结构实验箱为实验设备。 实验地点：行政楼511,学习目标,计算机组成原理是计算机类专业的主干课之一。 本课程的目的和任务是：用层次结

3、构的观点并以信息的加工、处理为主线研究计算机硬件结构及工作原理；使学生掌握计算机硬件系统中各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及互连构成整机的技术；培养学生对硬件系统的分析、设计、开发、使用和维护方面的能力，建立牢固的整机思想。,教学参考书,白中英，计算机组成原理试题库及 实现，科学出版社，1991年。 王爱英，计算机组成与结构，第3 版, 清华大学出版社, 2001 莫正坤等，计算机组成原理，华中 理工大学出版社,2000年。 李亚明，计算机组成与系统结构， 清华大学出版社, 2000,相关连接,http:/ http:/www.eecs.berkeley.edu/ http:/puter

4、.org/tcca/ http:/www.acm.org/sigs/sigarch/ http:/bwrc.eecs.berkeley.edu/CIC http:/ of Computer Science and Technology 计算机学报 软件学报 计算机研究与发展,理论教学学时安排,56学时,实验教学学时安排,2*4=8,第10周第17周的周一为实验时间 分2组实验,教学目标：尽可能清晰而完整地介绍当代计算机系统的性质和特征。 具有挑战性： 计算机系统的多样性：价格、体积、性能和应用等。 计算机技术的飞速发展：低层的集成电路计算机和并行组织技术。,课程内容的工程性、技术性、实用性都比

5、较强，因此，在学习计算机组成的原理性知识之外，还应有较多的设计与实验技能训练。,完成教学实验和平时的课外作业是可以进入考试的条件，这两项成绩占课程总成绩的3040%的比例，很重要。,学习方法：厚基础、薄型号,1.注意力不应放在实例、线路的具体内容。要掌握组成的原理知识，技术思路内容。 2.牢固建立起整机思想； 3.注意理论与实践相结合，注意能力的培养； 4.有一定的知识面，适应在各类机器上进行开发和应用； 5.关注新技术、新动向，以适应计算机发展快的需要。 6.注意硬软件结合。,基本要求,1、上课不迟到、不无故缺勤； 2、按时、按质完成作业和实验报告； 3、上课不讲其他的话；,考研展望,数据结

6、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 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。,计算机组成原理考查目标,1. 理解单处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。 2. 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。 3. 能够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。,欢迎你进入第

7、一章的学习！,计算机组成原理,第一章 概论,本章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，使读者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。,第一章学习内容,1.1 电子计算机与存储存储控制 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,考研大纲（一）,（一） 计算机发展历程 （二） 计算机系统层次结构 1. 计算机硬件的基本组成 2. 计算机软件的分类 3. 计算机的工作过程 （三） 计算机性能指标 吞吐量、响应时间；CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；MIPS、MFLOPS。,本章学习要求,了解：存储

8、程序概念。 理解：CPU和主机的含义。 了解：总线概念和总线分时共享的特点。 理解：计算机系统的含义。 了解：计算机中主要性能指标（基本字长、数据通路宽度、存储容量等）。,1.1 电子计算机与存储程序控制,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。,1.1.1 电子计算机的发展,第一代，19461959，电子管计算机。 第二代，19591964，晶体管计算机。 第三代，19641975，小、中规模集成电路（SSI，MSI）计算机。 第四代，19751990，大、超大规模集成电路（LSI，VLSI）计算机。 第五代，1990200?，甚大规模集

9、成电路（ULSI）计算机。 第六代，200? 20?，极大规模集成电路（ELSI）计算机。,第一台电子数字计算机ENIAC,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140 KW 5,000次/秒加法运算,1.1.2 存储程序概念,冯诺依曼等人在1946年6月提出存储程序概念： 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； 计算机内部采用二进制来表示指令和数据； 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。,世界上第一台计算机ENIAC不是存储存储计算机。

10、 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。,1.1.2 存储程序概念（续）,冯诺依曼计算机的特点,1. 计算机由五大部件组成,3. 指令和数据用二进制表示,4. 指令由操作码和地址码组成,6. 以运算器为中心,5. 存储程序,算术运算 逻辑运算,存放数据 和程序,将信息转换成机 器能识别的形式,将结果转换成 人们

11、熟悉的形式,指挥程序 运行,冯诺依曼计算机硬件框图,计算机硬件框图,1. 以存储器为中心的计算机硬件框图,ALU,主存 辅存,CPU,主机,I/O,硬件,CU,现代计算机硬件框图,1.2 计算机的硬件组成,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）。,运算器,控制器,主存储器,输入设备,输出设备,辅助存储器,CPU,控制,数据,地址或指令,主机,外设,存储器,计算机简单框图,输入设备,输出设备,输入出接口和总线,控 制 器,运 算 器,1.2.1 计算机系统的硬件组成,虚

12、拟存储器,主存储器,高速缓存,运 算 器,运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能包括： 1. 执行数值数据的加减乘除等算术运算， 执行逻辑数据的与或非等逻辑运算， 由一个被称为 ALU 的线路完成。 2. 暂时存放参加运算的数据和中间结果， 由多个通用寄存器和乘商寄存器承担。 3. 运算器通常也是数据传输的通路 。,1.2.1计算机系统的硬件组成,控 制 器,运 算 器,控制器是计算机中控制执行指令的部件，向计算机各功能部件提供每一时刻协同运行所需要的控制信号： 1. 正确分析与执行每条指令： 取指令分析指令执行指令。 2. 保证指令按规定序列自动连续地执行。 3. 对各种异常情况

13、和请求及时响应和处理。,1.2.1计算机系统的硬件组成,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,由高速缓冲存储器、主存储器、虚 拟存储器所组成的多级存储器系统， 是计算机中用于存储程序和数据的部件。 这三级存储器各自的功能分工、所用的 存储介质的工作原理和特性各不相同。 将作为三个部分分别讲解。,1.2.1计算机系统的硬件组成,输入设备,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,输入设备是向计算机中送入程序 和数据的具有一定独立功能的设备， 通过 接口 和 总线与计算机主机连通， 用于人机交互联系，如计算机键盘和 鼠标等。,1.2.1计算机系统的硬件组成,输入设备

14、,输出设备,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息的设备，例如打印机、显示器等。,1.2.1计算机系统的硬件组成,输入设备,输出设备,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,这些部件和设备通过总线和接口连接在 一起, 构成计算机整机系统，协同运行。,输入出接口和总线,1.2.1计算机系统的硬件组成,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。 总线特点： 共享； 分时。,1.2.2 计算机的总线结构,单总线结构,系统总线按传送信息的不同可以细分为：地址总线、数据总线和控制总线。 地址总

15、线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； 控制总线上传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存/外设返回CPU的反馈信号。,1.单总线结构,总线电路主要由三态门组成。 三态门是具有三种逻辑状态的门电 路。这三种状态为：逻辑“0”、逻辑“1”和浮空状态。所谓浮空状态，就是三态门的输出呈现开路的高阻状态。 四种类型的三态门：,2.总线电路,在系统连接上分为四级：主机、通道、设备控制器、外部设备。 通道是承担I/O操作管理的主要部件，能使CPU的数据处理和与外部设备交换信息这两项操作同时进行。每个通道可以接一台或几台设备控制器，每个设备控制器又可接一或几台外部设备，这样整个系统就可以连接很多的外部设备。,1.2.3 大、中型机的典型结构,第四级,第三级,第二级,大、中型机的典型结构,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,1.一般用户观察到的计算机硬件系统,1.2.4 不同对象观察到的计算机硬件系统,2.专业用户观察到的计算机硬件系统,3.计算机设计者观察到的计