郑州大学计算机组成原理.ppt

计算机组成原理任课教师：石磊 教授 郑州大学信息工程学院计算机系 Email: shilei@ 科学出版社，2002n参考书n石磊，计算机组成原理·第2版, 清 华大学出版社，2006n钱晓捷，微型计算机原理及应用, 清 华大学出版社，2006n王爱英,计算机组成与结构·第3版, 清华大学出版社，2001n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 并行组织目录系统结构基本概念第一章 计算机系统概论v1.概念v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 系统结构基本概念（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：系统结构基本概念（（1 1）内部特征：）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 2）外部特征：）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 ：系统结构基本概念 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 模式是离散式的系统结构基本概念数字计算机与模拟计算计的主要区别比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0和1电压、电流等计算方式数字计算电量组合和测量值控制方式程序控制模拟信号组合控制精度、抗干扰性高、好低、差数据存储量大小、几乎无逻辑判断能力强无系统结构基本概念通用计算机类别系统结构基本概念v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v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系统结构基本概念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：v科学计算v自动控制和测量 v信息处理v教育和卫生 v家用电器 v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)（第二章）（第五章）（第三章）（第六章）（ 第七、八章）中央处理单元CPU系统结构基本概念1. 运算器v算术运算v逻辑运算v采用二进制数（容易实现）v位数越多，计算精度越高v计算机的运算器长度： ›8位、16位、32位或64位系统结构基本概念2. 存储器v功能：保存或“记忆”数据和运算过程v存储的是0或1表示的二进制代码v主存采用半导体器件来作为存储器v一个半导体触发器记忆一个二进制位v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v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，称为地址v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v内存储器（主存）和外存储器(辅存）系统结构基本概念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v控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作v指令有两部分：操作的性质和操作的地址操作码地址码指出指令所进行的操作 加、减、乘、除、取数、存数等 指令操作码加法 减法 乘法 除法 取数 存数 打印 停机001 010 011 100 101 110 111 000系统结构基本概念电子计算机的设计思想v存储程序，程序控制v“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v“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v冯·诺依曼型计算机的设计思想 存储程序并按地址顺序执行系统结构基本概念v冯·诺依曼计算机的基本思想v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；v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；v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。

v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部分的基本功能系统结构基本概念控制器的基本任务v 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v取指令的一段时间叫做取指周期v执行指令的一段时间叫做执行周期v执行完成指令的时间，称为指令周期系统结构基本概念指令字和数据字，指令流和数据流 v某字为一条指令，则称为指令字v某字代表要处理的数据，称为数据字v在取指周期中从内存读出的信息是指令流，它流向 控制器v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v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v空间上：指令一定流向控制器；而数据则是在内存 （或寄存器）与运算器之间流动系统结构基本概念 适配器与输入输出设备v输入设备把人们所熟悉的某种形式的信息变 换为机器内部所能接收和识别的二进制信息 形式v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vI/O设备通常统称为外围设备v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v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系统结构基本概念1.2.2 数字计算机的发展史v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： 1.1946年开始，第一代电子管计算机 2.1958年开始，第二代晶体管计算机 3.1965年开始，第三代中小规模集成电路计算机 4.1971年开始，第四代大规模集成电路计算机 5.1986年开始，第五代巨大规模集成电路计算机 系统结构基本概念类型时期主要器件重 要 特 征第1代1946- 1958电子管机器语言，汇编语 言速度低，体积 大，价格昂贵，可靠性差，用于科学计 算速度达几千次到几万次 第2代1958- 1964晶体管算法语言，操作系统体积缩 小，可 靠性提高从科学计算到数据处理每 秒几万次到几十万次 第3代1964- 1971中小规模集 成电路体积小，可靠性大大提高，速度达几百 万次，软件技术和外设发 展迅速应用 领域不断扩大 第4代1971- 1986大/超大规模 集成电路速度提高至几千万亿次 出现微型计算机 第5代1986-巨大规模集 成电路速度提高至几亿次乃至上百亿次 出现单 片机计算机的发展史系统结构基本概念第一台电子计算机（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计算机发展史系统结构基本概念Top500 (2006)—IBM Blue Gene计算机发展史系统结构基本概念Top500 (2006.06)计算机发展史系统结构基本概念摩尔定律v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计算机组成原理29什么是微型计算机l微型计算机（Microcomputer） •采用微处理器为核心构造的计算机l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）l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计算机组成原理30微处理器的基本性能指标l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l时钟频率 •微处理器的处理速度 •反映微处理器的基本时间单位l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计算机组成原理31通用微处理器l4位微处理器•1971年，Intel 4004，第一个微处理器l8位微处理器•M6800、Z80和Intel 8080/8085•Apple公司苹果机l16位微处理器•I。