计算机组成原理_白中英_第一章_计算机系统结构课件

*计算机组成原理计算机组成原理主讲：邓绍伟主讲：邓绍伟计算机核心专业课程计算机组成原理主讲：邓绍伟计算机核心专业课程*输入设备输入设备输出设备输出设备外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构这些部件和设备通过总线和接口连接在这些部件和设备通过总线和接口连接在一起一起,构成计算机整机系统构成计算机整机系统,协同运行协同运行.*输入设备输出设备外存设备主存储器高速缓存控 制 器运*目目 录录 第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 第二章第二章 运算方法和运算器运算方法和运算器 第三章第三章 存储系统存储系统 第四章第四章 指令系统指令系统 第五章第五章 中央处理器中央处理器 第六章第六章 总线系统总线系统 第七章第七章 外围设备外围设备 第八章第八章 输入输出系统输入输出系统*目 录 第一章 计算机系统概论*主要参考书主要参考书主教材：主教材：计算机组成原理白中英计算机组成原理白中英 主编科学出版社主编科学出版社参考教材：参考教材：1计算机组成原理计算机组成原理（第（第2版）版）唐朔飞唐朔飞 高等教育出版社高等教育出版社2计算机组成与结构王爱英清华大学出版社计算机组成与结构王爱英清华大学出版社3.计算机组成原理计算机组成原理 薛胜军薛胜军 华中科技大学出版社华中科技大学出版社*主要参考书主教材：本门课的考核要求本门课的考核要求一、平时成绩（出勤+作业）40%二、期末笔试 60%三、课堂表现积极,平时成绩有额外加分本门课的考核要求一、平时成绩（出勤+作业）40%*第一章第一章 计算机系统结构计算机系统结构q简介简介简介简介q计算机的发展计算机的发展计算机的发展计算机的发展q计算机体系结构和组织计算机体系结构和组织计算机体系结构和组织计算机体系结构和组织q计算机的硬件结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构q计算机软件计算机软件计算机软件计算机软件q计算机的层次结构计算机的层次结构计算机的层次结构计算机的层次结构q计算机的功能计算机的功能计算机的功能计算机的功能q计算机的技术指标计算机的技术指标计算机的技术指标计算机的技术指标*第一章 计算机系统结构简介*概概 述述计算机分类：计算机分类：机械机械计算机计算机 电子电子模拟模拟计算机计算机：数值由连续的量来表示。：数值由连续的量来表示。电子数字计算机电子数字计算机：计算机中的数值由不连续的数字来表示。：计算机中的数值由不连续的数字来表示。专用机：经济，有效，快速，适应性差专用机：经济，有效，快速，适应性差 通用机：适应性强通用机：适应性强 巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 单片机 低低 简易性简易性 高高 高高 体积，功耗，性能，价格体积，功耗，性能，价格 低低*概 述*按用途分类通用机：通用性强，综合能力强，解决各种问题 专用机：特殊配置，功能单一，解决特定问题 按综合性能指标分类巨型机：速度最快、处理能力最强 已达十几万亿次浮点运算 “银河”达每秒130亿次 大型机：大型、通用、较快、较强 作“客户机/服务器”的服务器 作“终端/主机”的主机 小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短 工艺先进、使用维护简单 工作站：介于PC与小型机之间 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强微型计算机：小、巧、轻、使用方便、价格便宜中央处理器：一个芯片网络计算机：基于Java技术的瘦客户机系统*按用途分类通用机：通用性强，综合能力强，解决各种问题 专*计算机的发展计算机的发展1642 Blaise Pascal加法器加法器加法器加法器Charles BabbageCharles Babbage1822 1822 差分机差分机1833 1833 分析机分析机MARK IMARK IENIACENIAC计算机发展史计算机发展史*计算机的发展1642 Blaise Pascal加法器Ch*简简 介介电子数字计算机是一种能够自动、快捷，准确地电子数字计算机是一种能够自动、快捷，准确地实现信息存放数值计算、数据处理过程控制等多实现信息存放数值计算、数据处理过程控制等多种功能的电子机器，其基本功能是进行数字化信种功能的电子机器，其基本功能是进行数字化信息处理。息处理。世界上第一台计算机世界上第一台计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）诞生于）诞生于1946年年2月月15日，是美国宾夕法尼亚大学摩尔理日，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。工学院的摩切利和埃卡特发明的。计算机应用于科学计算、数据处理、工业控制、计算机应用于科学计算、数据处理、工业控制、实时控制、人工智能、虚拟现实、远程教育、电实时控制、人工智能、虚拟现实、远程教育、电子商务等多种领域。子商务等多种领域。*简 介电子数字计算机是一种能够自动、快捷，准确地实现*计算机的发展计算机的发展第一台电子计算机（第一台电子计算机（ENIAC）计算机发展史计算机发展史5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170M218800只电子管只电子管1500个继电器个继电器7000个电阻个电阻10000个电容个电容耗电耗电150KW*计算机的发展第一台电子计算机（ENIAC）计算机发展*计算机的发展计算机的发展类型时期主要器件 重 要 特 征第一代1946-1957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。第二代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扩大到数据处理。第三代1965-1971中、小规模集成电路体积小，可靠性大大提高，速度达几百万IPS，软件技术和外设发展迅速应用领域不断扩大。第四代1972-中、大及超大规模集成电路速度提高至GIPS乃至TIPS水平多机并行处理和计算机网络迅速发展。*计算机的发展类型时期主要器件 重 要 *各时代各时代代表机型代表机型时代时代机型机型产地产地一一ENIAC 1946EDSAC 1949103 1953美美.宾州大学宾州大学英英.剑桥大学剑桥大学二二IBM 7090 1958DJS-21,108,X-2,441B IBM中国中国三三IBM360/370系列系列CDC6000/7600,STAR-100,NOVA,PDP-11DJS-130/200IBMCDC中国中国四四微型机微型机 APPLE,IBM-PCVAX系列系列长城长城0520,.*各时代时代机型产地一ENIAC 1946美.宾州*计算机总体发展计算机总体发展 年 代 逻辑元件 主 存 辅 存 语言处理 速 度 代表机种 第一代 1946-1957 电子管 磁芯、磁鼓 磁带 机器语言 汇编语言 1万次/秒 ENICA、IBM650 IBM709 第二代 1958-1964 晶体管 磁芯、磁鼓 磁带、磁盘 高级语言 编译语言 操作系统 几万次 几百万次/秒 IBM7094 DTS-121 X-2 第三代 1965-1971 集成电路和大规模集成电路 半导体存储器 磁带、磁盘 多道程序实时处理 百万次千万次 IBM360 DJS-100 第四代 1972-超大规模集成电路 半导体存储器 高速磁盘 数据库系统 网络结构 千万次 1亿次/秒 VAX-11 INTEL系列 *计算机总体发展 年 代 逻辑元件 主 存 辅 *微电子与计算机年 份型 号管 数年 份型 号管 数1971400423001993PENTIUM310万1972800835001995P-PRO550万1974808060001997P-MMX450万19788086290001997P-II750万19828028613万1998 Celeron750万1985386DX27.5万1999P-III950万1989486DX120万1999.10P-III-COP2800万*微电子与计算机年 份型 号管 数年 份型 *计算机的应用计算机的应用 计算机的应用类型计算机的应用类型1.科学计算2.过程控制3.CAD/CAM/CAT4.数据处理5.电子商务6.多媒体技术 7.人工智能 计算机的主要应用领域计算机的主要应用领域1.工商：电子商务、CAD/CAM2.教育：多媒体教育、远程教育3.医药：CAT、MRI、远程医疗4.政府：电子政府5.娱乐：虚拟现实、电影特技 6.科研：数据采集、计算分析7.家庭：家庭信息化*计算机的应用 计算机的应用类型 计算机的主要应*计算机的技术指标计算机的技术指标字长：字长：参与运算的基本位数，它决定了寄存器、加参与运算的基本位数，它决定了寄存器、加法器、存储单元和数据总线的位数。它标志着计算法器、存储单元和数据总线的位数。它标志着计算精度。精度。主存容量：主存容量：存储器可以容纳的二进制信息量。存储器可以容纳的二进制信息量。运算速度：运算速度：单位时间内执行指令的平均条数。单位时间内执行指令的平均条数。软、硬件配置：软、硬件配置：外部设备的配备和功能强大的操作外部设备的配备和功能强大的操作系统和程序设计语言。系统和程序设计语言。性能价格比：性能价格比：性能和价格之比是衡量计算机的综合性能和价格之比是衡量计算机的综合指标。指标。*计算机的技术指标字长：参与运算的基本位数，它决定了寄存器、*计算机的技术指标计算机的技术指标以性能以性能/价格比为核心价格比为核心性能的衡量标准性能的衡量标准时间、基准程序、硬件测量工具时间、基准程序、硬件测量工具价格的因素价格的因素集成电路的工艺、产品的生产过程、销售过程集成电路的工艺、产品的生产过程、销售过程性能价格设计的一些原则性能价格设计的一些原则*计算机的技术指标以性能/价格比为核心*计算机体系结构和组织计算机体系结构和组织 计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。指令集（instruction set）软件硬件*计算机体系结构和组织 计算机体系结构概念的实*电子计算机的设计思想电子计算机的设计思想存储程序控制存储程序控制“存储程序存储程序”是把指令以代码的形式事先输入是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同 一一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的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；规则组成程序；“程序控制程序控制”是当计算机启动后，程序就会控是当计算机启动后，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。成预定的信息处理任务。冯冯 诺依曼型计算机的设计思想：诺依曼型计算机的设计思想：存储程序并存储程序并按地址顺序执行。按地址顺序执行。*电子计算机的设计思想存储程序控制*一一.硬件系统硬件系统 存储器存储器 运算器运算器 控制器控制器 输入设备输入设备 输出设备输出设备 二二.软件系统软件系统 系统软件：系统软件：OS，语言处理，服务程序，数据库管理系统，语言处理，服务程序，数据库管理系统 用来提高使用效率，发挥和扩大计算机功能和用途的用来提高使用效率，发挥和扩大计算机功能和用途的程序程序。应用软件：工程设计，数据处理，自动控制，企业管理应用软件：工程设计，数据处理，自动控制，企业管理 用户用来解决某些问题而编制的程序。用户用来解决某些问题而编制的程序。运算器控制器内存系统总线*一.硬件系统接口接口设备设备运内系统总线*运算器：运算器：计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件。计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件。存储器：存储器：存放程序和数据的部件（存放程序和数据的部件（R/W）。）。控制器：控制器：控制计算机有条不紊地执行程序的部件。控制计算机有条不紊地执行程序的部件。程序控制程序控制输入设备：输入设备：能将人们所熟悉的信息形式变换为计算机内能将人们所熟悉的信息形式变换为计算机内部能接收和识别的二进制信息的设备。部能接收和识别的二进制信息的设备。输出设备：输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其它设备所把计算机处理的结果变换为人或其它设备所能接收和识别的信息形式的设备。能接收和识别的信息形式的设备。*运算器：计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件。*输入设备输入设备输出设备输出设备输入输出接口和总线输入输出接口和总线外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器第三单元第三单元第四单元第四单元第二单元第二单元第一单元第一单元计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构*输入设备输出设备输入输出接口和总线外存设备主存储器高速缓存*运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构*运 算 器计算机系统结构计算机的硬件结构*运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构 运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，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：其主要功能包括：1.执行数值数据的算术加减乘除等运算，执行数值数据的算术加减乘除等运算，执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，由一个被称为由一个被称为 ALU 的线路完成。的线路完成。2.暂时存放参加运算的数据和中间结果，暂时存放参加运算的数据和中间结果，由多个通用寄存器来承担。由多个通用寄存器来承担。3.运算器通常也是数据传输的通路运算器通常也是数据传输的通路。*运 算 器计算机系统结构计算机的硬件结构 *控控 制制 器器运运 算算 器器计算机硬件系统计算机硬件系统 *控 制 器运 算 器计算机硬件系统 *控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构 控制器是计算机中控制执行指令的部件：控制器是计算机中控制执行指令的部件：一、一、正确执行每条指令正确执行每条指令 1.首先是取来一条指令，首先是取来一条指令，2.接着分析这条指令，接着分析这条指令，3.再按指令格式和功能执行这条指令再按指令格式和功能执行这条指令二、二、保证指令按规定序列自动连续地执行。保证指令按规定序列自动连续地执行。三、三、对各种异常情况和请求及时响应和处理。对各种异常情况和请求及时响应和处理。说到底，说到底，控制器要向计算机各功能部件提供控制器要向计算机各功能部件提供 每一时刻协同运行所需要的控制信号每一时刻协同运行所需要的控制信号*控 制 器运 算 器计算机系统结构计算机的硬件结*外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构 *外存设备主存储器高速缓存控 制 器运 算 器计算机*外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构 由高速缓冲存储器，主存储器，由高速缓冲存储器，主存储器，外存储器所组成的多级（层）存储器外存储器所组成的多级（层）存储器系统，是计算机中用于存储程序和数系统，是计算机中用于存储程序和数据的子系统。据的子系统。这三级存储器所用的这三级存储器所用的存储介质的工作原理和特性各不相同。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将作为三个部分分别讲解。*外存设备主存储器高速缓存控 制 器运 算 器计算机*输入设备输入设备外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构*输入设备外存设备主存储器高速缓存控 制 器运 算 *输入设备是向计算机中送入程序和数输入设备是向计算机中送入程序和数据的有一定独立功能的设备，通过接据的有一定独立功能的设备，通过接口和总线与计算机主机连通，用于人口和总线与计算机主机连通，用于人机交互联系机交互联系,如计算机键盘和鼠标等如计算机键盘和鼠标等。输入设备输入设备外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构*输入设备是向计算机中送入程序和数据的有一定独立功能的设备，*输入设备输入设备输出设备输出设备外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构*输入设备输出设备外存设备主存储器高速缓存控 制 器运*输入设备输入设备输出设备输出设备外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构 输出设备是计算机中用于送出计算机输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息的设备内部信息的设备,例如打印机例如打印机,显示器等。显示器等。*输入设备输出设备外存设备主存储器高速缓存控 制 器运*输入设备输入设备输出设备输出设备外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器计算机系统结构计算机系统结构计算机的硬件结构计算机的硬件结构这些部件和设备通过总线和接口连接在这些部件和设备通过总线和接口连接在一起一起,构成计算机整机系统构成计算机整机系统,协同运行协同运行.*输入设备输出设备外存设备主存储器高速缓存控 制 器运*输入设备输入设备输出设备输出设备输入出接口和总线输入出接口和总线外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器第三单元第三单元第四单元第四单元第二单元第二单元第一单元第一单元计算机的硬件结构计算机的硬件结构*输入设备输出设备输入出接口和总线外存设备主存储器高速缓存控*计算机基本工作原理计算机基本工作原理 1.指令指令:让计算机完成某个操作发出的命令。（用二进制让计算机完成某个操作发出的命令。（用二进制代码来表示）代码来表示）3.指令的执行指令的执行有序的指令集合。有序的指令集合。2.程序程序内存内存指令指令取指周期：取指周期：执行周期：执行周期：控制信号控制信号有关部件动作有关部件动作CPU译码译码CPU4.程序的执行程序的执行CPU不断地取指令，执行指令。不断地取指令，执行指令。操作码操作码操作数操作数*计算机基本工作原理 1.指令:让计算机完成某个操作*2、计算机软件、计算机软件软件软件=程序程序+数据数据+文档文档软件分类软件分类系统软件系统软件操作系统操作系统 语言处理程序语言处理程序实用程序实用程序应用软件应用软件办公软件包办公软件包数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件实时控制软件实时控制软件诊断程序诊断程序反病毒程序反病毒程序备份程序备份程序文件压缩程序文件压缩程序卸载程序卸载程序图形图像处理软件图形图像处理软件其它应用软件其它应用软件*2、计算机软件软件分类系统软件操作系统 语言处理程序*(1)操作系统操作系统 管理和控制计算机系统的所有资源管理和控制计算机系统的所有资源(包包括硬件和软件括硬件和软件)裸机裸机+操作系统操作系统=虚拟机虚拟机统统一一管管理理和和调调度度资资源源，提提高高使使用用效效率和经济效益率和经济效益 不需了解软硬件细节，提高工作效率不需了解软硬件细节，提高工作效率目的目的*(1)操作系统裸机+操作系统=虚拟机统一管理和调度资*(2)实用程序实用程序诊断程序：诊断程序：SCANDISKSCANDISK反病毒程序：反病毒程序：KV 300KV 300、金山毒霸、金山毒霸 备份程序：备份程序：Windows 2000Windows 2000中的备份程序中的备份程序文件压缩程序文件压缩程序:ARJ WinZip:ARJ WinZip卸载程序：卸载程序：WindowsWindows中的添加中的添加/删除程序删除程序 操作系统自己带一些操作系统自己带一些第三方开发第三方开发*(2)实用程序诊断程序：SCANDISK反病毒*(3)语言处理程序语言处理程序源程序源程序可执行程可执行程序序目标程序目标程序编辑程序编辑程序汇编或编译程序汇编或编译程序联接程序联接程序机器语言机器语言高级语言高级语言汇编语言汇编语言面向过程：面向过程：BASIC、Pascal、FORTRAN、C等等面向对象：面向对象：C+、Java、Visual Basic等等面向问题的语言面向问题的语言*(3)语言处理程序源程序可执行程序目标程序编辑程序*计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构第第1层层 微程序设计层微程序设计层第第2层层 一般机器层一般机器层第第3层层 操作系统层操作系统层第第4层层 汇编语言层汇编语言层第第5层层 高级语言层高级语言层高级语言级高级语言级汇编语言级汇编语言级操作系统级操作系统级一般机器级一般机器级微程序设计级微程序设计级*计算机系统的层次结构第1层 微程序设计层高级语言级汇编语*计算机的层次结构计算机的层次结构第一层：微程序设计级第一层：微程序设计级硬件级，由机器硬件直接执行微指令。硬件级，由机器硬件直接执行微指令。它由机器硬件直接执行微指令。如果某它由机器硬件直接执行微指令。如果某一应用程序直接用微指令来编写，那么一应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。可在这一级上运行应用程序。*计算机的层次结构第一层：微程序设计级*计算机的层次结构计算机的层次结构第二层：一般机器级，也称机器语言级，第二层：一般机器级，也称机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。这一级也是硬件级。*计算机的层次结构第二层：一般机器级，也称机器语言级，它由微*计算机的层次结构计算机的层次结构第三层：第三层：操作系统级，也称为机器语言级，由操操作系统级，也称为机器语言级，由操作系统程序实现。操作系统是由机器指作系统程序实现。操作系统是由机器指令和广义的指令组成。令和广义的指令组成。广义指令是操作系统定义和解释的软件广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。指令，所以这一级也称为混合级。*计算机的层次结构第三层：*计算机的层次结构计算机的层次结构第四层：汇编语言层，它由汇编程序支第四层：汇编语言层，它由汇编程序支持和执行。持和执行。它给程序人员提供一种符号形式语言，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。编程序支持和执行。如果应用程序采用如果应用程序采用汇编语言编写时，则机器必须要有这一汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的功能；级的功能；如果应用程序不采用汇编语如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。言编写，则这一级可以不要。*计算机的层次结构第四层：汇编语言层，它由汇编程序支持和执行*计算机的层次结构计算机的层次结构第五层：面向用户的，由各种高级语言第五层：面向用户的，由各种高级语言程序支持和执行。程序支持和执行。它是面向用户的，为方便用户编写应用它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的，这一级由各种高级语言程序而设置的，这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。编译程序支持和执行。*计算机的层次结构第五层：面向用户的，由各种高级语言程序支持*应用程序级汇编语言处理级操作系统级一般机器级微程序设计级12345应用程序汇编/编译程序 操作系统机器指令硬件*应用程序级汇编语言处理级操作系统级一般机器级微程序设计级*软件与硬件的逻辑等价性软件与硬件的逻辑等价性大规模集成电路的出现和发展。大规模集成电路的出现和发展。操作可以用软件实现，也可以用硬件实现。操作可以用软件实现，也可以用硬件实现。固件固件:介于传统的软件和硬件间的实体。介于传统的软件和硬件间的实体。功能功能-软件软件 形态形态-硬件硬件 实现实现-软件写入软件写入ROM-固化固化 BIOS*软件与硬件的逻辑等价性大规模集成电路的出现和发展。