组成课程概述及第一章.ppt

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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。由此可见：计算机

2、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：用层次结构的观点并以信息的加工

3、、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:/,国内出版的代表性学术刊物,Journal of Computer Science and Technology计算机

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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 KW5,000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

9、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。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

10、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,

11、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

12、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

13、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,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

14、；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

15、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

16、算机设计者观察到的计算机硬件系统,1.3 计算机系统,一个完整的计算机系统包含硬件系统和软件系统两大部分。硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体；软件通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。,硬件是计算机系统的物质基础，软件是计算机系统的灵魂。硬件和软件是相辅相成的，不可分割的整体。当前计算机的硬件和软件正朝着互相渗透，互相融合的方向发展，在计算机系统中没有一条明确的硬件与软件的分界线。硬件和软件之间的界面是浮动的，对于程序设计人员来说，硬件和软件在逻辑上是等价的。,1.3.1 硬件与软件的关系,固件是指那些存储在能永久保存信息的器件（如ROM）中的程

17、序，是具有软件功能的硬件。固件的性能指标介于硬件与软件之间，吸收了软、硬件各自的优点，其执行速度快于软件，灵活性优于硬件，是软、硬件结合的产物。,固件,系列机是指一个厂家生产的，具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。系列机的软件兼容分为向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容四种。向上（下）兼容指的是按某档次机器编制的程序，不加修改就能运行在比它更高（低）档的机器上；向前（后）兼容是指按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改就能运行在它之前（后）投入市场的机器上。,1.3.2 系列机和软件兼容,兼容性示意图,现代计算机系统是一个硬件与软件组成的综合体，可以把

18、它看成是按功能划分的多级层次结构。第0级 硬件组成的实体第一级 微程序级第二级 传统机器级第三级 操作系统级第四级 汇编语言级第五级 高级语言级第六级 应用语言级,1.3.3 计算机系统的多层次结构,计算机系统的多层次结构,解释和翻译,解释和翻译是语言实现的两个基本技术。共同点：都是以执行一串M级指令来实现一条M+1级指令；不同点：翻译技术是先把M+1级程序全部转换成M级程序后再去执行新产生的M级程序，在执行过程中M+1级程序不再被访问；而解释技术则是每当一条M+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的M级指令，然后再去取下一条M+1级指令，依次重复进行。,实际机器是指由硬件或固件实现的机器，

19、如图1-10中的第0二级。虚拟机器是指以软件或以软件为主实现的机器，如图1-10中的第三六级。虚拟机器只对该级的观察者存在，即在某一级观察者看来，他只需要通过该级的语言来了解和使用计算机，至于下级是如何工作和实现就不必关心了。如高级语言级及应用语言级的用户，可以不了解机器的具体组成，不必熟悉指令系统，直接用所指定的语言描述所要解决的问题。,1.3.4 实际机器和虚拟机器,1.4 计算机的工作过程和主要性能指标,为使计算机按预定要求工作，首先要编制程序。程序是一个特定的指令序列，它告诉计算机要做哪些事，按什么步骤去做。指令是一组二进制信息的代码，用来表示计算机所能完成的基本操作。衡量一台计算机的

20、性能是由多项技术指标综合确定的，不能片面强调某一项指标。,1.4.1 计算机的工作过程,将编制好的程序放在主存中，由控制器控制逐条取出指令执行。以采用单累加寄存器结构的运算器为例，计算a+b-c=?,计算机执行过程实例,执行取数指令，从主存5号单元取出数a，送入累加寄存器中；执行加法指令，将累加寄存器中的内容a与从主存6号单元取出数b一起送到ALU中相加，结果a+b保留在累加寄存器中；执行减法指令，将累加寄存器中的内容a+b与从主存7号单元取出的数c一起送到ALU中相减，结果a+b-c保留在累加寄存器中；执行存数指令，把累加寄存器的内容a+b-c存至主存8号单元；执行停机指令，计算机停止工作。

21、,计算机的执行步骤,1.上机前的准备,建立数学模型,编制解题程序,确定计算方法,程序 运算的 全部步骤,指令 每 一个步骤,1.4.1 计算机的工作过程,取x 至运算器中,乘以x 在运算器中,乘以a 在运算器中,存ax2 在存储器中,取b 至运算器中,乘以x 在运算器中,加ax2 在运算器中,加c 在运算器中,=(ax+b)x+c,取x 至运算器中,乘以a 在运算器中,加b 在运算器中,乘以x 在运算器中,加c 在运算器中,计算 ax2+bx+c,编程举例,000001 0000001000,打印,停机,取数,存数,加,乘,指令格式举例,计算 ax2+bx+c 程序清单,计算机的解题过程,(1

22、)运算器的基本组成及操作过程,被加数,被减数,被除数,乘数,商,加数,减数,被乘数,除数,加法,减法,乘法,除法,和,差,余数,加法操作过程,减法操作过程,乘法操作过程,除法操作过程,存储体,大楼,存储单元 存放一串二进制代码,存储字 存储单元中二进制代码的组合,存储字长 存储单元中二进制代码的位数,每个存储单元赋予一个地址号,按地址寻访,存储单元,存储元件,（0/1）,房间,床位,（无人/有人）,(2)存储器的基本组成,MAR,MDR,存储器地址寄存器反映存储单元的个数,存储器数据寄存器反映存储字长,(2)存储器的基本组成,取指令,分析指令,执行指令,PC,IR,CU,取指,执行,IR 存放

23、当前欲执行的指令,访存,访存,完成一条指令,(3)控制器的基本组成,以取数指令为例,(4)主机完成一条指令的过程,以存数指令为例,(4)主机完成一条指令的过程,(5)ax2+bx+c 程序的运行过程,将程序通过输入设备送至计算机,程序首地址,打印结果,分析指令,取指令,停机,启动程序运行,执行指令,MAR,M,MDR,IR,PC,CU,OP(IR),Ad(IR),MAR,M,MDR,ACC,PC,1.4.2 计算机的主要性能指标,1.机器字长,2.运算速度,CPU 一次能处理数据的位数与 CPU 中的 寄存器位数 有关,计算机中的最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。,CPU时钟周期,主频 CPU的时钟频率,221=256KB,3.存储容量,主存容量,辅存容量,存储单元个数 存储字长,字节数,字节数 80GB,如：MAR MDR 容量,10 8,16 32,存放二进制信息的总数量,1K 8位,64K 32位,