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1、计算机组成原理计算机组成原理孙启良孙启良 讲师讲师 信息与计算科学系信息与计算科学系答疑办公室：西校答疑办公室：西校7教教C段段201Tel：13064090903 ss_质疑时间：周四质疑时间：周四 15:30-17:00本课程是计算机专业学生必修的核心硬件课程，其教学内容是学生必备的专业知识。要求学生在学过“数字逻辑与数字集成电路”和“汇编语言程序设计”课程的基础上，掌握计算机的硬件系统的基本组成原理和简单的设计技术。一、课程内容和学习目的包括数字化信息编码与数据表示，数据运算算法和运算器部件的知识；指令、指令系统和控制器部件的知识；存储器系统的组成、运行原理；输入输出系统的构成和运行原理
2、。力求达到能设计一台简单、完整的基本计算机系统的要求；同时还能熟悉知晓当前流行的计算机中广泛采用的最新技术和工艺，有能力粗浅了解国内外计算机硬件领域科学研究的动向与应用发展的趋势。本课程是计算机系统结构、微型计算机系统和操作系统等后续课程的先修课。本课程教学过程中，强调学习理论知识和增长科研与开创性工作的能力，强调理解硬件与软件的协调与实现的思路。二、世界上第一台电子数字计算机vENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)，美国宾夕法尼亚大学，美国宾夕法尼亚大学1946年研制成功。年研制成功。v18000多个电子管，多个电子管，1500
3、多个继电器，耗电多个继电器，耗电150千瓦，重千瓦，重30吨，占地吨，占地170平方米，运算速度平方米，运算速度5000次次/秒左右。秒左右。v尽管从今天的眼光来看，这台计算机性能低且耗费巨大，尽管从今天的眼光来看，这台计算机性能低且耗费巨大，但它却是科学史上的一次划时代的创新，它奠定了电子但它却是科学史上的一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的基础。宣告人类进入电子计算机时代。计算机的基础。宣告人类进入电子计算机时代。v担开发任务的担开发任务的“莫尔小组莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成。莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成。ENIACEN
4、IACVacuum tube in ENIACCableProgramingDebug(线路检查)ENIAC & Von NeumannVon NeumannENIAC的问题的问题v十进制计算机十进制计算机每一位数由一圈共每一位数由一圈共10个真空管表示个真空管表示v通过开关和插拔电缆进行手动编程通过开关和插拔电缆进行手动编程 输入程序和数据可能需要半天时间输入程序和数据可能需要半天时间v能否将程序和数据存在存储器中？存储程序？能否将程序和数据存在存储器中？存储程序？现代电子计算机之父现代电子计算机之父v19441945年间，美籍匈牙利科学家冯年间，美籍匈牙利科学家冯诺伊曼在第一台诺伊曼在第一
5、台现代计算机现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：的设计方案，其中提到了两个设想：v采用二进制和采用二进制和“存储程序存储程序”。这两个设想对于现代计算机。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯至关重要，也使冯诺伊曼成为诺伊曼成为“现代电子计算机之父现代电子计算机之父”，冯，冯诺伊曼机体系延续至今。诺伊曼机体系延续至今。第第1章章 概论概论 1.1 冯冯诺依曼体制诺依曼体制1.ENIAC概况概况 1）数据表示）数据表示-十进制十进制 2）工作存储器）工作存储器-只有只有20个单元，用于存放
6、数据个单元，用于存放数据 3）编程）编程-靠电子开关和拔接插头进行编制程序靠电子开关和拔接插头进行编制程序 4）ENIAC共用共用18000多个电子管，多个电子管，1500多个继电多个继电器，耗电器，耗电140kw，占地，占地170平米，重平米，重30吨，运算速吨，运算速度度5000次次/秒。秒。 ENIAC可靠运行时间不超过可靠运行时间不超过20分钟。分钟。第第1章章 概论概论 1.1 冯冯诺依曼体制诺依曼体制2. 冯冯诺依曼体制诺依曼体制 1）引进）引进存储程序存储程序概念，程序和数据一样放在同一个概念，程序和数据一样放在同一个存储器中存储器中 2）数据以）数据以二进制二进制码表示码表示
7、3）机器以）机器以运算器运算器为核心为核心 4）指令由）指令由操作码操作码和和地址码地址码两部分构成两部分构成 5）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分构成输出设备五部分构成 这些理论奠定了现代计算机的基本思想，到这些理论奠定了现代计算机的基本思想，到目前为止，大多数计算机沿用这一体制，人们称目前为止，大多数计算机沿用这一体制，人们称其为其为冯冯诺依曼体制诺依曼体制存存储器器部件部件运算器运算器部件部件控制器控制器部件部件输入入设备输出出设备运算器运算器部件部件存存储器器部件部件控制器控制器部件部件输出出设备输入入设备方案（a）方
8、案（b）围绕运算器部件构建系统围绕运算器部件构建系统 围绕存储器部件构建系统围绕存储器部件构建系统第第1章章 概论概论 1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成1.2.1运算器基本结构运算器基本结构功能：完成算术运算和逻辑运算的装置功能：完成算术运算和逻辑运算的装置设置考虑：任意算术运算（加设置考虑：任意算术运算（加+减减-乘乘*除除/）都可以通）都可以通过相加和移位来解决。过相加和移位来解决。举证：举证：这样一来，运算器的基本结构就确定下来，如下图这样一来，运算器的基本结构就确定下来，如下图第第1章章 概论概论 1.2计算机的基本组成计算机的基本组成 运算器由加法器、运算器由加法器、移位门、
9、寄存器组、移位门、寄存器组、输入选择门输入选择门和数据总线组成。和数据总线组成。图图 运算器结构框图运算器结构框图1.2.1存储器的基本结构存储器的基本结构功能：存放程序和数据装置，并满足计算机在功能：存放程序和数据装置，并满足计算机在执行过程中能够随机访问这些程序和数据。执行过程中能够随机访问这些程序和数据。设置考虑：存、取如何解决？设置考虑：存、取如何解决？存储器的基本结构如下图存储器的基本结构如下图1.2计算机的基本组成计算机的基本组成图图 存储器基本结构框图存储器基本结构框图1.2.1控制器的基本结构控制器的基本结构功能：全机指挥机构，执行方式有如下三种：功能：全机指挥机构，执行方式有
10、如下三种：v按规定的操作去执行按规定的操作去执行v自动地去执行自动地去执行v有秩序地去执行有秩序地去执行第第1章章 概论概论 1.2计算机的基本组成计算机的基本组成图图 控制器结构框图控制器结构框图 图中可以看到的计算机系统的图中可以看到的计算机系统的 7 层结构。在不同层次层结构。在不同层次之间的关系表现为：之间的关系表现为： 上面的一层是建立在下一层的基础上实现出来的，实上面的一层是建立在下一层的基础上实现出来的，实现的功能更强大，更接近人解决问题的思维方式和处理问现的功能更强大，更接近人解决问题的思维方式和处理问题的具体过程，对使用人员更方便，使用这一层提供的功题的具体过程，对使用人员更
11、方便，使用这一层提供的功能时，不必关心下一层的实现细节。能时，不必关心下一层的实现细节。 下面一层是实现上一层的基础，更接近计算机硬件实下面一层是实现上一层的基础，更接近计算机硬件实现的细节，实现的功能相对简单，人们使用这些功能更感现的细节，实现的功能相对简单，人们使用这些功能更感到困难。在实现这一层的功能时，可能尚无法了解其上一到困难。在实现这一层的功能时，可能尚无法了解其上一层的目标和将要解决的问题，也不必理解其更下一层实现层的目标和将要解决的问题，也不必理解其更下一层实现中的有关细节问题，只要使用下一层所提供出来的功能来中的有关细节问题，只要使用下一层所提供出来的功能来完成本层次的功能处理即可。完成本层次的功能处理即可。 采用这种分层次的方法来分析和解决某些问题，有利采用这种分层次的方法来分析和解决某些问题，有利于简化处理问题的难度，在某一段时间，在处理某一层中于简化处理问题的难度，在某一段时间，在处理某一层中的问题时，只需集中精力解决当前最需要关心的核心问题的问题时，只需集中精力解决当前最需要关心的核心问题即可，而不必牵扯各上下层中的其他问题。即可，而不必牵扯各上下层中的其他问题。汇编语言层汇编语言层操作系统层操作系统层指令系统层指令系统层微体系结构层微体系结构层数字逻辑层数字逻辑层高级语言层高级语言层应用层应用层计算机系统的层次结构小结
