计算机组成原理第一讲(引言)

College of computer science,SWPUComputer Science计算机组成原理计算机组成原理第一讲：引言第一讲：引言计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU课程介绍课程介绍学习本课程的目的学习本课程的目的本课程与其它专业课程的层次关系本课程与其它专业课程的层次关系课程的主要内容课程的主要内容教学安排教学安排教材与参考书教材与参考书其它信息其它信息成绩计算成绩计算计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU学习本课程的目的学习本课程的目的目的之一：目的之一：从硬件的角度，学习计算机的工作过程，从硬件的角度，学习计算机的工作过程，掌握计算机最基本的工作原理。掌握计算机最基本的工作原理。“计算机内部究竟是怎么工作的？计算机内部究竟是怎么工作的？计算机内部究竟是怎么工作的？计算机内部究竟是怎么工作的？”目的之二：目的之二：为培养在计算机硬件系统的分析、研究、为培养在计算机硬件系统的分析、研究、开发等方面的能力打下坚实基础。开发等方面的能力打下坚实基础。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU学习本课程的目的学习本课程的目的目的之三：目的之三：了解硬件在计算机系统中的地位。以硬了解硬件在计算机系统中的地位。以硬件为核心，叠加不同层次的软件，构成件为核心，叠加不同层次的软件，构成一个计算机系统，如下图所示：一个计算机系统，如下图所示：计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机硬件计算机硬件机器语言机器语言汇编语言汇编语言操作系统操作系统其它系统软件其它系统软件应用程序应用程序应用程序应用程序计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU本课程与其它专业课的层次关系本课程与其它专业课的层次关系本课程的基础课程本课程的基础课程计算机导论计算机导论计算机导论计算机导论数字逻辑数字逻辑数字逻辑数字逻辑汇编语言程序设计汇编语言程序设计汇编语言程序设计汇编语言程序设计本课程的性质：具有专业基础课和专业本课程的性质：具有专业基础课和专业课双重性质。课双重性质。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU 计算机组成原理计算机组成原理 微机原理微机原理操作系统操作系统编译原理编译原理编程语言编程语言 软件工程软件工程 计算机网络计算机网络 数据库数据库人工智能人工智能 程序设计理论程序设计理论 模拟模拟/数字电路数字电路 汇编语言汇编语言基础基础课程课程硬硬件件层层系统系统软件软件专专业业课课计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU课程主要内容课程主要内容计算机系统硬件组成包括五大功能部件：计算机系统硬件组成包括五大功能部件：运算器运算器运算器运算器控制器控制器控制器控制器存储器存储器存储器存储器输入系统输入系统输入系统输入系统输出系统输出系统输出系统输出系统学习各部分的工作原理、逻辑实现、设学习各部分的工作原理、逻辑实现、设计方法及相互之间的连接并构成整机的计方法及相互之间的连接并构成整机的方法。方法。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU教学安排教学安排教学内容：教学内容：引言及绪论：引言及绪论：引言及绪论：引言及绪论：4 4 4 4学时学时学时学时计算机中信息表示：计算机中信息表示：计算机中信息表示：计算机中信息表示：10101010学时学时学时学时CPUCPU子系统：子系统：子系统：子系统：18181818学时学时学时学时存储器子系统：存储器子系统：存储器子系统：存储器子系统：12121212学时学时学时学时输入输入输入输入/输出系统：输出系统：输出系统：输出系统：8 8 8 8学时学时学时学时计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU教学安排教学安排本课程重点：本课程重点：中央中央中央中央处理器处理器处理器处理器(CPU)CPU)CPU)CPU)特别是特别是特别是特别是:通路结构、指令流程通路结构、指令流程通路结构、指令流程通路结构、指令流程存储器部分：存储器逻辑设计存储器部分：存储器逻辑设计存储器部分：存储器逻辑设计存储器部分：存储器逻辑设计I/OI/OI/OI/O系统部分：中断机制及其接口设计。系统部分：中断机制及其接口设计。系统部分：中断机制及其接口设计。系统部分：中断机制及其接口设计。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU教材与参考书教材与参考书教材：教材：计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理 罗克露等编罗克露等编罗克露等编罗克露等编 电子工业出电子工业出电子工业出电子工业出版社版社版社版社参考书：参考书：计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理 白中英主编白中英主编白中英主编白中英主编 科学出版社科学出版社科学出版社科学出版社计算机组成原理与汇编语言程序设计计算机组成原理与汇编语言程序设计计算机组成原理与汇编语言程序设计计算机组成原理与汇编语言程序设计 俸远俸远俸远俸远桢等编桢等编桢等编桢等编 电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU其它信息其它信息学时：课内学时：课内64学时，其中实验学时，其中实验12学时。学时。课外课外52学时。学时。开课时间：开课时间：2010年春季，年春季，116周周主讲教师：颜俊华主讲教师：颜俊华联系方式：联系方式：Email:QQ：183569478Phone:13688454829计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU成绩计算成绩计算期末考试：期末考试：7070平时成绩：平时成绩：15%15%，主要包括作业、随堂测验和，主要包括作业、随堂测验和考勤考勤实验成绩：实验成绩：15%15%，主要包括实验课考勤、做实，主要包括实验课考勤、做实验情况和实验报告质量验情况和实验报告质量考勤：随时抽查考勤：随时抽查课堂抽问不能简单回答不会，回答对错都不扣课堂抽问不能简单回答不会，回答对错都不扣分分作业要求：作业不能抄袭。做错不扣分，态度作业要求：作业不能抄袭。做错不扣分，态度差要扣分。（作业的题目不用抄，写题号就可差要扣分。（作业的题目不用抄，写题号就可以。）以。）计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU第一章：概论第一章：概论 本章学习主要内容：本章学习主要内容：基本组成特点基本组成特点基本组成特点基本组成特点系统层次结构系统层次结构系统层次结构系统层次结构硬件系统组织硬件系统组织硬件系统组织硬件系统组织性能指标性能指标性能指标性能指标目的是通过本章的学习能建立计算机系目的是通过本章的学习能建立计算机系统的整体概念。统的整体概念。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机基础理论计算机基础理论计算机的基础理论：图灵论题计算机的基础理论：图灵论题 1936 1936年图灵（英国）发表论文：年图灵（英国）发表论文：论应用于决定问题的可计算数字论应用于决定问题的可计算数字 论文中心思想：论文中心思想：人类的工作可以分解成简单动作人类的工作可以分解成简单动作机器需要：机器需要：存储器：用于存储计算结果；存储器：用于存储计算结果；存储器：用于存储计算结果；存储器：用于存储计算结果；计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机基础理论计算机基础理论一种语言：表示运算和数字；一种语言：表示运算和数字；一种语言：表示运算和数字；一种语言：表示运算和数字；扫描：对运算和数字进行识别；扫描：对运算和数字进行识别；扫描：对运算和数字进行识别；扫描：对运算和数字进行识别；计算意向：计算过程中的下一步做什么；计算意向：计算过程中的下一步做什么；计算意向：计算过程中的下一步做什么；计算意向：计算过程中的下一步做什么；执行下一步计算执行下一步计算执行下一步计算执行下一步计算这种理想机器被称为：这种理想机器被称为：这种理想机器被称为：这种理想机器被称为：“图灵机图灵机图灵机图灵机”著名的图灵论题：著名的图灵论题：著名的图灵论题：著名的图灵论题：凡可计算的函数都可用这样的机器来实现凡可计算的函数都可用这样的机器来实现凡可计算的函数都可用这样的机器来实现凡可计算的函数都可用这样的机器来实现 论题为计算机的产生打下了理论基础论题为计算机的产生打下了理论基础论题为计算机的产生打下了理论基础论题为计算机的产生打下了理论基础计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机发展简史计算机发展简史第一台计算机的产生第一台计算机的产生第一台计算机：第一台计算机：第一台计算机：第一台计算机：ENIAC“ENIAC“ENIAC“ENIAC“埃尼阿克埃尼阿克埃尼阿克埃尼阿克”(Electronic”(Electronic”(Electronic”(ElectronicNumerical Numerical Numerical Numerical Integrator Integrator Integrator Integrator And And And And ComputerComputerComputerComputer电电电电子子子子数数数数字字字字积积积积分分分分计计计计算算算算机机机机)于于于于1946194619461946年年年年在在在在美美美美国国国国诞诞诞诞生生生生 (由由由由宾宾宾宾夕夕夕夕法法法法尼尼尼尼亚亚亚亚大大大大学学学学莫莫莫莫尔尔尔尔学学学学院院院院制成）制成）制成）制成）十进制运算十进制运算十进制运算十进制运算 18000 18000 18000 18000多个电子管、多个电子管、多个电子管、多个电子管、1500150015001500多个继电器多个继电器多个继电器多个继电器 150 150 150 150千瓦、千瓦、千瓦、千瓦、30303030吨、吨、吨、吨、170170170170平方米平方米平方米平方米 5000 5000 5000 5000次加法秒（或次加法秒（或次加法秒（或次加法秒（或400400400400次乘法秒）次乘法秒）次乘法秒）次乘法秒）用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程 计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机发展简史计算机发展简史第一台计算机的产生第一台计算机的产生作用：计算火箭、炮弹等的弹道轨迹作用：计算火箭、炮弹等的弹道轨迹作用：计算火箭、炮弹等的弹道轨迹作用：计算火箭、炮弹等的弹道轨迹ENIACENIAC的两大缺点：的两大缺点：的两大缺点：的两大缺点：没有内部存储器没有内部存储器没有内部存储器没有内部存储器不同的计算需要重新搭配组件不同的计算需要重新搭配组件不同的计算需要重新搭配组件不同的计算需要重新搭配组件计算计算 1 1计算计算3 3计算计算 2 2计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机发展简史计算机发展简史1946194619461946年由美国宾夕法尼亚大学研制年由美国宾夕法尼亚大学研制年由美国宾夕法尼亚大学研制年由美国宾夕法尼亚大学研制 ENIAC ENIAC ENIAC ENIAC（Electronic Electronic Electronic Electronic Numerical Integrator And calculatorNumerical Integrator And calculatorNumerical Integrator And calculatorNumerical Integrator And calculator），运算速度），运算速度），运算速度），运算速度 5000 5000 5000 5000次次次次/秒，秒，秒，秒，功耗功耗功耗功耗150kw/h150kw/h150kw/h150kw/h，占地，占地，占地，占地170m170m170m170m2 2 2 2 ，造价，造价，造价，造价100100100100万美元。万美元。万美元。万美元。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机发展简史计算机发展简史世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946ENIAC(1946于美国于美国)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机发展简史计算机发展简史英国人的观点：第一台计算机英国人的观点：第一台计算机英国于英国于英国于英国于1940194019401940年研制的年研制的年研制的年研制的“巨人巨人巨人巨人”计算机计算机计算机计算机作用：破译德国作用：破译德国作用：破译德国作用：破译德国“谜式谜式谜式谜式”密码密码密码密码“ENIACENIAC”与与与与“巨人巨人巨人巨人”的共同点的共同点的共同点的共同点:专用专用专用专用不具有现代计算机特征不具有现代计算机特征不具有现代计算机特征不具有现代计算机特征计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机发展简史计算机发展简史现代计算机原型现代计算机原型冯冯冯冯.诺依曼：存储程序式通用计算机结构诺依曼：存储程序式通用计算机结构诺依曼：存储程序式通用计算机结构诺依曼：存储程序式通用计算机结构 该结构明确规定：计算机由该结构明确规定：计算机由该结构明确规定：计算机由该结构明确规定：计算机由5 5个部分组成：个部分组成：个部分组成：个部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出运算器、控制器、存储器、输入设备、输出运算器、控制器、存储器、输入设备、输出运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备设备设备设备EDVAC1952EDVAC1952年研制成功年研制成功年研制成功年研制成功(Electronic(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)Discrete Variable Automatic Computer)（冯（冯（冯（冯.诺依曼体系结构）诺依曼体系结构）诺依曼体系结构）诺依曼体系结构）第一台商用计算机第一台商用计算机第一台商用计算机第一台商用计算机:IBM 701(1952:IBM 701(1952:IBM 701(1952:IBM 701(1952年年年年)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机与诺依曼体制计算机与诺依曼体制计算机软、硬件计算机软、硬件由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序）组成计算机的实体计算机的实体如主机、外设等如主机、外设等硬件：硬件：软件：软件：计计算算机机系系统统计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机与诺依曼体制计算机与诺依曼体制 输入设输入设备备 控制器控制器 输出设输出设备备状态状态命令命令请求请求命令命令命令命令请求请求数据数据结果结果地址地址指令指令 存储器存储器 运算器运算器计算机组成示意图计算机组成示意图计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机与诺依曼体制计算机与诺依曼体制工作过程如下工作过程如下:(1)(1)编程、并组织相应数据编程、并组织相应数据存储器存储器(3)(3)执行程序执行程序(2)(2)程序和数据输入程序和数据输入 按地址取第一条指令按地址取第一条指令u指令译码指令译码u发出操作命令发出操作命令u根据操作结果设置状态位根据操作结果设置状态位,如：如：计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU为为0 0 1 Z为为1 1 0 Z为正为正 0 S为负为负 1 S标志位标志位(4)(4)取下一条指令取下一条指令,重复上述过程重复上述过程操作结果操作结果 指令指令i结果为结果为0 指令指令knoyes 指令指令m计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU结合框图和工作过程结合框图和工作过程 结论结论:从体系结构从体系结构从体系结构从体系结构的角度的角度的角度的角度:以存储器为中心的结构以存储器为中心的结构以存储器为中心的结构以存储器为中心的结构(符合符合符合符合冯冯冯冯 诺依曼体系结构思想诺依曼体系结构思想诺依曼体系结构思想诺依曼体系结构思想)从从从从控制的角度控制的角度控制的角度控制的角度:以控制器为中心的结构以控制器为中心的结构以控制器为中心的结构以控制器为中心的结构(操作性质和时间关系操作性质和时间关系操作性质和时间关系操作性质和时间关系)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU计算机工作原理的实质：计算机工作原理的实质：信息以电信号形式流动信息以电信号形式流动信息以电信号形式流动信息以电信号形式流动流动过程是受控的流动过程是受控的流动过程是受控的流动过程是受控的受控的表现是受控的表现是受控的表现是受控的表现是:流动方向流动方向流动方向流动方向 流动时机流动时机流动时机流动时机 流动时间流动时间流动时间流动时间控制过程的实现控制过程的实现控制过程的实现控制过程的实现:电子开关器件电子开关器件电子开关器件电子开关器件控制的依据：程序中的指令控制的依据：程序中的指令控制的依据：程序中的指令控制的依据：程序中的指令计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPUIntel 8086Intel 8086系统的典型结构系统的典型结构Intel 8086处理器处理器Intel 8087浮点数处理器浮点数处理器地址锁地址锁存器存器数据收数据收发器发器总线控总线控制器器制器器 RAM存储器存储器 输入输出接口输入输出接口 输入输出设备输入输出设备 ROM存储器存储器计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU诺依曼体制主要思想：诺依曼体制主要思想：采用二进制代码形式表示信息（数据、指令）采用二进制代码形式表示信息（数据、指令）采用二进制代码形式表示信息（数据、指令）采用二进制代码形式表示信息（数据、指令）；采用存储程序工作方式（这是诺依曼思想最采用存储程序工作方式（这是诺依曼思想最采用存储程序工作方式（这是诺依曼思想最采用存储程序工作方式（这是诺依曼思想最核心的概念）；核心的概念）；核心的概念）；核心的概念）；计算机硬件系统由五大部件（存储器、运算计算机硬件系统由五大部件（存储器、运算计算机硬件系统由五大部件（存储器、运算计算机硬件系统由五大部件（存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备器、控制器、输入设备、输出设备器、控制器、输入设备、输出设备器、控制器、输入设备、输出设备）组成。）组成。）组成。）组成。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU信息的数字化表示信息的数字化表示计算机是通过执行程序（指令序列）来计算机是通过执行程序（指令序列）来实现对数据的加工处理的。实现对数据的加工处理的。计算机中的各种信息可分为两大类计算机中的各种信息可分为两大类:控制控制信息信息,数据信息数据信息控控控控制制制制信信信信息息息息：指指指指令令令令代代代代码码码码序序序序列列列列以以以以此此此此为为为为基基基基础础础础产产产产生生生生的的的的控制信号控制信号控制信号控制信号(微命令微命令微命令微命令)序列序列序列序列，控制计算机的工作。，控制计算机的工作。，控制计算机的工作。，控制计算机的工作。数数数数据据据据信信信信息息息息:计计计计算算算算机机机机加加加加工工工工处处处处理理理理的的的的对对对对象象象象,分分分分为为为为数数数数值值值值型型型型和和和和非非非非数数数数值值值值型型型型(字字字字符符符符,文文文文字字字字,图图图图像像像像,声声声声音音音音,逻逻逻逻辑信息等辑信息等辑信息等辑信息等)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU信息的数字化表示包含两层含义：信息的数字化表示包含两层含义：用数字代码表示各种信息用数字代码表示各种信息用数字代码表示各种信息用数字代码表示各种信息用数字信号表示数字代码用数字信号表示数字代码用数字信号表示数字代码用数字信号表示数字代码用数字代码表示各种信息：用数字代码表示各种信息：数值型数据、数值型数据、字符、图像、声音和指令等。字符、图像、声音和指令等。在物理机制上用数字信号表示数字代码在物理机制上用数字信号表示数字代码 电平的高低，脉冲的有无等电平的高低，脉冲的有无等计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU用数字化表示信息的优点：用数字化表示信息的优点：在物理上容易实现信息的表示与存储在物理上容易实现信息的表示与存储在物理上容易实现信息的表示与存储在物理上容易实现信息的表示与存储抗干扰能力强，可靠性高抗干扰能力强，可靠性高抗干扰能力强，可靠性高抗干扰能力强，可靠性高数值的表示范围大，表示精度高数值的表示范围大，表示精度高数值的表示范围大，表示精度高数值的表示范围大，表示精度高表示的信息类型广泛表示的信息类型广泛表示的信息类型广泛表示的信息类型广泛能用数字逻辑技术进行信息处理能用数字逻辑技术进行信息处理能用数字逻辑技术进行信息处理能用数字逻辑技术进行信息处理计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science,SWPU存储程序工作方式存储程序工作方式存储程序是诺依曼思想的核心内容，主存储程序是诺依曼思想的核心内容，主要包含要包含3 3个要点：个要点：事先编制程序；事先编制程序；事先编制程序；事先编制程序；事先存储程序；事先存储程序；事先存储程序；事先存储程序；自动、连续地执行程序。自动、连续地执行程序。自动、连续地执行程序。自动、连续地执行程序。