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1、计算机组成原理,任课教师：石磊郑州大学信息工程学院计算机系Email:Tel:13676986863,教材白中英，计算机组成原理网络版，科学出版社，2002参考书石磊，计算机组成原理第2版,清华大学出版社，2006钱晓捷，微型计算机原理及应用,清华大学出版社，2006王爱英,计算机组成与结构第3版,清华大学出版社，2001白中英 邝坚，计算机组织与结构网络版，科学出版社，2003,第一章 计算机系统概论第二章 运算方法和运算器第三章 存储系统第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统第九章 并行组织,目录,一、课程性质与任务（课程在专业教学计
2、划中的地位与课程教学目标）“计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。计算机组成原理是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要必修的主干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算期、控制器、存储器、输入输出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器部件、存储器子系统、输入/输出子系统与输入/输出系统设备，围绕各自的功能、组成、设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程性、实践性、技术性比较强，还强调培养学生的
3、动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。二、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的组成和工作原理。通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。三、课程与其他课程的联系与分工先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计后续课：计算机系统结构、微型计算机系统与设计，关系密
4、切的还有操作系统等课程。四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等）授课学时：72，实验学时：18,教学大纲,第一章 计算机系统概论第二章 运算方法和运算器第三章 存储系统第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统第九章 并行组织,目录,第一章 计算机系统概论,1.概念计算机（Computer）是一种以电子器件为基础的，不需人的直接干预，能够对各种数字化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。,（1）以电子器件为物质基础：电子数字计算机（Digital Computer）（2）不需要人的直接干预：自动化（存储程序为基 础）（3）数
5、字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑判 断和处理能力的基础）（4）算逻运算：基本运算操作是算术和逻辑运算（5）快速工具：（A）电子器件（B）存储程序,2、层次：,（1）内部特征：（A）高速高集成度开关元件（B）数字化信息编码（C）逻辑判断和处理能力（D）存储程序（2）外部特征：（A）快速性（由（1）中（A）（D）决定）（B）准确性（由（1）中（B）（D）决定）（C）逻辑性（由（1）中（A）（C）（D）决定）（D）通用性（由（1）中（A）（B）（C）（D）决定）,3、特征：,1.1.1 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
6、成，其变量由连续量（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算模式是离散式的,数字计算机与模拟计算计的主要区别,通用计算机类别,巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机，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,今天的小型机可能是明天的微型机,而今天的微型机可能是明天的单片机,1.1.2 计算机的应用,计算机之所以迅速发展,其生命力在于它的广泛应用并协助人类取得了辉煌的成就。计算机的应用范围几乎涉及人类社会的所有领域。本书归纳成六个主要方面来叙述：科学计算自动控制和测量 信息
7、处理教育和卫生 家用电器 人工智能,1.2.1 计算机的硬件系统组成,运 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),中央处理单元CPU,1.运算器,算术运算逻辑运算采用二进制数（容易实现）位数越多，计算精度越高计算机的运算器长度：8位、16位、32位或64位,2.存储器,功能：保存或“记忆”数据和运算过程存储的是0或1表示的二进制代码主存采用半导体器件来作为存储器一个半导体触发器记忆一个二进制位存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器，组成一个存储单元存储器地址：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
8、址存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB、GB”等表示内存储器（主存）和外存储器(辅存）,表示参加运算的数据从存储器的哪个单元取运算的结果应存到哪个单元,3.控制器,控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作指令有两部分：操作的性质和操作的地址,指出指令所进行的操作加、减、乘、除、取数、存数等,电子计算机的设计思想,存储程序，程序控制“存储程序”，是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同 一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成程序“程序控制”，是当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务冯诺依曼型
9、计算机的设计思想存储程序并按地址顺序执行,冯诺依曼计算机的基本思想采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成；将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是“存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的概念；指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成，规定了5部分的基本功能,控制器的基本任务,按照计算程序所排的指令序列，先从存储器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析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相
10、应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令，依次类推取指令的一段时间叫做取指周期执行指令的一段时间叫做执行周期执行完成指令的时间，称为指令周期,指令字和数据字，指令流和数据流,某字为一条指令，则称为指令字某字代表要处理的数据，称为数据字在取指周期中从内存读出的信息是指令流，它流向控制器而执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器时间上：在取指周期中，CPU从内存读出的信息一定是指令；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定是数据。空间上：指令一定流向控制器；而数据则是在内存（或寄存器）与运算器之间流动,适配器与输入输出设备,输入设备把人们所熟悉的某种形式的信息变换为机器
11、内部所能接收和识别的二进制信息形式输出设备把计算机处理的结果变换为人或其它机器所能接收和识别的信息形式I/O设备通常统称为外围设备适配器(I/O接口)相当与一个转换器,它可以保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息系统总线构成计算机系统的信息链接,是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路,1.2.2 数字计算机的发展史,世界上第一台电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）诞生于1946年2月15日，是美国宾夕法尼亚大学摩尔理工学院的摩切利和埃卡特发明的。计算机的发展大致经历了五代的变化：1946年开始，第一代
12、电子管计算机1958年开始，第二代晶体管计算机 1965年开始，第三代中小规模集成电路计算机 1971年开始，第四代大规模集成电路计算机 1986年开始，第五代巨大规模集成电路计算机,计算机的发展史,第一台电子计算机（ENIAC）,5000次加法/秒体重28吨占地170M218,800只电子管1500个继电器耗电150KW,计算机发展史,Top500(2006)IBM Blue Gene,计算机发展史,Top500(2006.06),计算机发展史,摩尔定律,早在1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（Gordon Moore）在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价
13、格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路近40年的发展历史准确无误地验证着,微型计算机系统,什么是微型计算机,微型计算机（Microcomputer）采用微处理器为核心构造的计算机微处理器（Microprocessor）一块大规模集成电路芯片微型机的运算和控制核心中央处理单元（CPU：Central Processing Unit）相对来说，微机性能、价格、体积较小工作学习中使用的个人微机生产生活中运用的各种智能化电子设备,微处理器的基本性能指标,字长微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数例如一次进行运算、传输的位数时钟频率微处理器的
14、处理速度反映微处理器的基本时间单位集成度表明微处理器的生产工艺水平常用芯片上集成的晶体管数量来表达,通用微处理器,4位微处理器1971年，Intel 4004，第一个微处理器8位微处理器M6800、Z80和Intel 8080/8085Apple公司苹果机16位微处理器Intel 8086/8088 16位个人计算机（PC：Personal Computer）32位微处理器80386，80486，PentiumPentium 432位PC机，APPLE公司的Macintosh机64位微处理器,专用微处理器,单片机（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-
15、96/98系列爱特梅尔（Atml）公司的AT89系列（与MCS-51兼容），AT91系列（基于ARM内核）Microchip Technology公司的PIC系列数字信号处理器（DSP）专注于数字信号的高速处理美国德州仪器TI公司TMS320各代产品主要应用于通信、消费类电子产品和计算机主要应用形式：嵌入式系统IP级结构，芯片级结构，模块级结构,8086,16位结构的微处理器：数据总线为16位主存容量1MB：地址总线为20位时钟频率5MHz（IBM PC使用4.77MHz）准16位微处理器8088：外部数据总线为8位IBM PC和PC/XT机使用Intel 8088 CPU处理器总线（Bus）
16、微处理器的对外引脚（Pin）数据、地址和控制三组信号电源和地线,处理器总线,数据总线（DB：Data Bus）处理器与存储器或外设交换信息的通道个数（条数）是一次能够传送数据的二进制位数 地址总线（AB：Address Bus）指定存储器或外设的具体单元个数反映访问的主存储器容量或外设范围控制总线（CB：Control Bus）控制处理器数据传送等操作,一个信号两种状态（高或低）两种编码（1或0）,N：2N,地址就是号码,80286,16位数据总线，24位地址总线（16MB主存）实方式（Real Mode）与8086工作方式一样保护方式（Protected Mode）提供存储管理、保护机制和多
17、任务管理的硬件支持IBM PC/AT机使用Intel 80286 CPU,1KB210 B1024 B1MB220 B1024 KB1GB230 B1024 MB,20：22024：22432：232,80386,32位结构数据总线32位，地址总线32位，可寻址4GB主存虚拟8086方式（Virtual 8086 Mode）保护方式下的8086工作方式系统管理方式（System Management Mode）低功耗节能状态,英特尔32位结构：IA-32（Intel Architecture-32）IA-32微处理器：80386，80486，Pentium系列,80486,8048680386
18、803878KB Cache浮点处理单元FPU8086/8088：8087，80286：80287，80386：80387高速缓冲存储器Cache微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器用于提高整个存储器系统的存取速度复杂指令集计算机CISC融合精简指令集计算机RISC的技术特点，例如：指令流水线指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行多条指令可以在不同的执行阶段同时进行,Pentium,俗称的80586微处理器，奔腾微处理器32位结构，连接主存的外部数据总线却是64位超标量（Superscalar）技术具有可以并行工作的2条整数处理流水线，可以达到每个时钟周期执行2条指令双路高速缓冲
19、结构8KB代码高速缓冲存储器8KB数据高速缓冲存储器,Pentium Pro,原称P6，中文名称为“高能奔腾”两个芯片组成CPU一级（L1）Cache（8KB代码和8KB数据）二级（L2）Cache（256KB或512KB）扩展的超标量技术12级指令流水线能同时执行3条指令动态执行技术分支预测、数据流分析和推测执行,Pentium II,多媒体扩展指令（MMX指令）MMX（MutliMedia eXtension）整数运算多媒体指令对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化提升微机对多媒体的处理能力Pentium MMX（多能奔腾）：MMX指令应用于Pentium处理器Pentium II：M
20、MX指令应用于Pentium Pro,Pentium III,数据流SIMD扩展指令（SSE指令）SSE（Streaming SIMD Extensions）浮点单精度多媒体运算指令提高浮点3D数据的处理能力。SSE指令类似于AMD公司发布的3D Now!指令Pentium III：SSE指令应用于Pentium II 单指令多数据SIMDSingle Instruction Multiple Data表示一条指令具有同时处理多组数据的能力,Pentium 4,NetBurst的微结构（Microarchitecture）指令级并行ILP（Instruction-Level Parallel）
21、进一步发掘指令之间可以同时执行的能力超线程HT（Hyper Threading）线程级并行TLP（Thread-Level Parallel）发掘程序中的并行性一个物理处理器形成两个逻辑处理器SSE2指令增强浮点双精度多媒体运算能力SSE3指令增强和完善MMX，SSE和SSE2指令,Intel 80 x86微处理器,Celeron（赛扬）微处理器面向低端（低价位）PC机Xeon（至强）微处理器面向高端服务器、工作站AMD微处理器AMD公司生产的IA-32微处理器兼容芯片Intel公司最主要的竞争对手双核微处理器单芯片多处理器SMP技术Intel的Pentium D：单芯片双Pentium 4核
22、心64位微处理器AMD的K8核心：兼容IA-32的64位微处理器Intel的EM64T（扩展64位技术）：IA-32的64位扩展,微型计算机结构,1.微处理器2.存储器3.I/O接口和I/O设备4.系统总线,控制总线CB,数据总线DB,地址总线AB,微处理器,I/O设备,I/O接口,存储器,系统总线BUS,微处理器,微机的核心、控制中心，中央处理器CPU大规模集成电路VLSI芯片，集成控制器运算器（整数运算器）寄存器（高速存储单元）高性能微处理器内部还有浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元存储管理单元、代码保护机制Cache,存储器,存储器（Memory）是存放程序和数据的部件高性能微机的存储系
23、统微处理器内部的寄存器（Register）高速缓冲存储器（Cache）主板上的主存储器以外设形式出现的辅助存储器主存储器（主存、内存）半导体存储器芯片组成RAM部分断电后信息丢失相对造价高、速度快、但容量小辅助存储器（简称辅存或外存）磁盘、光盘存储器等构成相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢,RAM和ROM,I/O接口和I/O设备,I/O设备（Peripheral）：用户与微机交互输入（Input）设备，如标准输入设备：键盘输出（Output）设备，如标准输出设备：显示器I/O接口（Interface）：外设和主机间的桥梁完成信号变换、数据缓冲、联络控制等工作较简单的I/O接口电路与主
24、板一体较复杂的I/O接口电路制成独立的电路板（接口卡Card）,系统总线,总线（Bus）：传递信息的一组公用导线、信息通道系统总线（System Bus）：微机系统中信息交换的主要公共通道地址总线：单向输出主存单元或I/O端口的地址信息数据总线：读（Read）操作数据输入微处理器；写（Write）操作数据输出到外界（主存或外设）控制总线：有些控制信号或状态信号输出；有些请求或联络信号输入微机系统采用总线结构，总线连接使得微机组合灵活、扩展方便,个人微机,8位时代：Apple-II机，中华学习机16位时代：IBM PC系列机1981年，IBM PC机：Intel 8088，DOS1982年，IB
25、M PC/XT（Expanded Technology）1984年，IBM PC/AT（Advanced Technology）IBM PC/XT/AT机的兼容微机32位时代：32位PC机IA-32或其兼容微处理器Windows或Linux64位时代：,计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。都是由元件构成的有形物体，因而称为硬件或硬设备。硬件是计算机系统中实际物理装置的总称计算程序，因为它是无形的东西，称为软件或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件的结合，构成完整
26、的计算机系统,计算机系统硬件系统软件系统,计算机软件程序数据文档,目的程序,早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以“识别”并能执行，所以又叫做目的程序用机器语言编写程序很繁琐，又耗费大量的人力和时间，容易出错，出错后寻找错误也相当费事，大大限制了计算机的使用,汇编程序,为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率，人们发明了汇编语言借助于汇编程序，计算机本身自动地把符号语言表示的程序（称为汇编源程序）翻译成用机器语言表示的目的程序,用约定的文字、符号和数字（助记符）按规定 的格式来表示各种不同的指令,高级语言,为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方
27、便地使用计算机，人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言（高级程序设计语言）算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则。比较接近数学语言，直观通用，与具体机器无关，只要稍加学习就能掌握，便于推广使用计算机,编译程序,用程序设计语言编写的程序称为源程序，这种源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的“翻译”，才能把源程序翻译为机器语言通常采用下面两种方法：编译系统：用编译程序将源程序编译成机器语言形式的目的程序，然后在目标系统运行解释系统：逐个解释并立即执行源程序的语句，它不是编出目的程序后再执行，而是直接逐一解释语句并得出计算
28、结果,计算机的层次结构,软硬件界面（Interface）,assembler,complier,Operating System,library,ISA,S/W,H/W,Application,S/W：Software 软件H/W：Hardware 硬件,ISA：Instruction Set Architecture 指令集结构,软件与硬件的逻辑等价性,随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性
29、、存储容量、变更周期等,软件的特点 易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约；硬件的特点 可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。,系统结构、组成与实现,计算机系统结构(Computer architecture）计算机系统的软件与硬件的界面指令系统程序员所看到的计算机属性外特性 计算机组成(Computer organization）组织计算机系统结构的逻辑实现计算机实现(Computer implementation）计算机组成的物理实现计算机系统的结构，组成，实现是三个完全不同的概念，相互间有着十分密切的依赖关系和相互的影响
30、。广义的计算机系统结构即包括经典的指令集结构，也包括计算机组成和实现技术的研究,结构、组成和实现,一种体系结构可以有多种组成一种组成可以有多种物理实现,是否设置乘方/开方指令,逻辑设计1(硬联电路),实现方案1(V1,$1,T1),逻辑设计3(微程序),逻辑设计2(ROM查表),实现方案2(V2,$2,T2),实现方案3(V3,$3,T3),系列机和兼容机,系列机在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器IBM PC系列机兼容机不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机IBM PC/AT兼容机,软件兼容,软件兼容：同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档
31、机器，结果一样，运行时间不同,当前机器,时间,机器档次,模拟和仿真,模拟（simulation）用一台机器的指令系统，去解释另一台系统结构不同的机器的指令系统，以实现软件的移植实现容易、速度较慢仿真（emulation）直接用微程序去解释另一台系统结构不同的机器的指令系统，以实现软件的移植微程序编写困难、实现速度较快,模拟与仿真可实现不同系统结构机器之间的软件移植对于使用频率较高的指令，尽可能用仿真方法以提高运算速度，而对使用频率低且难于用仿真实现的指令则用模拟方法加以实现,模拟和仿真,宿主机,虚拟机,目标机,计算机的主要应用需求,桌面计算销售额最大，竞争激烈，技术更新最快“价格杀手”服务器W
32、WW服务、电子邮件、电子商务考虑容量、有效服务能力和扩展性嵌入式计算看见的是一台设备，而不是一台计算机需求与应用问题密切相关，千差万别,习题1,4.冯诺依曼计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些组成部分？5.什么是存储容量、单元地址、数据字、指令字？7.计算机如何区分指令还是数据？14.计算机系统结构、计算机组织、计算机实现三个术语的概念是什么？彼此有什么关系？,第1章教学要求-1,了解计算机的类型：模拟和数字，专用和通用，巨型机、大型机、小型机、微型机、单片机熟悉计算机的硬件组成部件及其作用掌握主存有关概念：存储器地址、存储单元和存储容量；位bit、字节byte、KB、MB、GB掌握“存储程
33、序、程序控制”的冯诺依曼计算机的基本思想区别操作码和地址码（操作数）、指令字和数据字、指令流和数据流理解指令周期（控制器工作周期）：取指、译码、执行,第1章教学要求-2,掌握总线、处理器总线和系统总线的概念，熟悉数据总线、地址总线和控制总线的功能理解目的程序、汇编程序、编译程序的作用，区别机器语言、汇编语言和高级语言（算法语言）掌握计算机系统的层次结构、软件与硬件的逻辑等价性思想,第一章 小结,本章小结,计算机从开始出现到目前经历了一个快速发展的过程。按计算机所使用的微电子器件的发展可以将电子计算机分成五代。计算机系统由软件系统与硬件系统组成。计算机的硬件系统由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、输入输出设备及总线系统组成。计算机的软件系统是计算机系统结构的重要组成部分，也是计算机不同于一般电子设备的本质所在。计算机的软件一般分为系统程序和应用程序两大类。计算机主要性能指标有：主频、字长、运算速度、存储容量、可靠性、兼容性等。按照计算机的规模可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机、单板机、单片机等。,
