电子科技大学计算机组成原理1计算机组成原理课件

课程内容简介课程内容简介：第一章第一章 概论概论 4学学时时 第二章第二章 计算机中的信息表示计算机中的信息表示 6学时学时 第三章第三章 CPUCPU子系统子系统 24学时学时 第四章第四章 存储子系统存储子系统 8学时学时 第五章第五章 I/OI/O子系统子系统 8学时学时 第六章第六章 输入输入/输出设备及输出设备及I/OI/O接口接口 4学时学时 第七章第七章 计算机硬件系统模型计算机硬件系统模型(自学自学)一、课程主要内容一、课程主要内容讨论计算机单机系统的硬件组成讨论计算机单机系统的硬件组成。即五大功能部件的即五大功能部件的工作原理工作原理、逻辑逻辑实现实现、设计方法设计方法及相互连接及相互连接构成整构成整机的方法机的方法。强调两个层次的整机概念：强调两个层次的整机概念：CPU整机概念整机概念硬件系统整机概念硬件系统整机概念 紧紧抓住各部件之间的信息紧紧抓住各部件之间的信息传送方式传送方式和和传送途径传送途径。二、学习目的二、学习目的 为培养同学们在分析、设计、开为培养同学们在分析、设计、开发计算机系统方面的能力打下坚实的发计算机系统方面的能力打下坚实的基础。基础。三、教学特点三、教学特点1、以、以模型机模型机为背景讨论基本原理，为背景讨论基本原理，适当辐射实用机型。适当辐射实用机型。2、讨论硬件组成时，在、讨论硬件组成时，在寄存器级寄存器级进行分析。进行分析。四、教学安排（四、教学安排（64课时，课时，4节节/周）周）教学思路：教学思路：CPU 主机主机 计算机硬件系统计算机硬件系统 五、成绩分布五、成绩分布出勤、作业出勤、作业半期考试半期考试上机实验上机实验期末考试期末考试20分分80选修课：可编程逻辑设计选修课：可编程逻辑设计 主要内容：主要内容：计算机的基本概念计算机的基本概念 系统硬件组成系统硬件组成（主要部件、系统结构）（主要部件、系统结构）计算机的性能指标计算机的性能指标第一章第一章 概论概论 第一节第一节 计算机的基本概念计算机的基本概念电电子子计计算算机机一一种种能能够够自自动动高高速速精精确确地地对对数数字字信信息息进进行行加加工工处处理理存存储储与与传送的电子设备。传送的电子设备。计算机的分类计算机的分类 计算机从总体上来说分为两大类计算机从总体上来说分为两大类:模拟计算机模拟计算机和和数字计算机数字计算机。各自主要特点各自主要特点：模模拟拟计计算算机机：由由模模拟拟运运算算器器件件构构成成，处处理理在在时时间间和和数数值值上上连连续续的的模模拟拟量量（如如：电电压压、电电流流等）；等）；数数字字计计算算机机：由由逻逻辑辑电电子子器器件件构构成成，处处理理离离散的数字量。散的数字量。计算机的分类计算机分类数字计算机又可分为数字计算机又可分为:专用计算机专用计算机和和通用计算机通用计算机。专用机是以快速、经济和高集成度为主是以快速、经济和高集成度为主要指标的特殊计算机，它是针对某一任务设计要指标的特殊计算机，它是针对某一任务设计的计算机，但是它的适应性较差（如：工控机、的计算机，但是它的适应性较差（如：工控机、IOP等）等）。通用机适应性较高，但是牺牲了效率、适应性较高，但是牺牲了效率、速度和经济性。速度和经济性。计算机分类按照计算机的按照计算机的体积、简易性、功率损耗、体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规性能指标、数据存储容量、指令系统规模、机器价格模、机器价格和和应用范围应用范围等条件，将计等条件，将计算机分为算机分为巨型机、大型机、中型机、小巨型机、大型机、中型机、小型机型机和和微型机微型机等。等。它们的结构规模和性能指标依次递减。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，类随着超大规模集成电路的迅速发展，类型也会发生动态变化。型也会发生动态变化。计算机分类通用计算机类别通用计算机类别：1.1.1 冯冯 诺依曼思想诺依曼思想1.用二进制代码表示程序和数据；用二进制代码表示程序和数据；任何复杂的运算和操作都可转换成一系任何复杂的运算和操作都可转换成一系列用二进制代码表示的简单指令，各种列用二进制代码表示的简单指令，各种数据则可用二进制代码来表示；数据则可用二进制代码来表示；2.计算机采用存储程序的工作方式；计算机采用存储程序的工作方式；3.计算机硬件由存储器、运算器、控制器、计算机硬件由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备组成。输入设备和输出设备组成。将组成程序的指令和数据存储起来（称为存储将组成程序的指令和数据存储起来（称为存储程序），让计算机自动地执行有关指令，就可程序），让计算机自动地执行有关指令，就可以完成各种复杂的运算操作（称为程序控制）。以完成各种复杂的运算操作（称为程序控制）。计算机硬件组成如后图所示计算机硬件组成如后图所示;这些思想已成为现代计算机技术的理论基础。这些思想已成为现代计算机技术的理论基础。图图 计算机组成示意图计算机组成示意图控制器控制器存储器存储器运算器运算器输出设备输出设备输入设备输入设备实心箭头实心箭头代表控制信号流向代表控制信号流向 空心箭头空心箭头代表数据信号流向代表数据信号流向 编写程序编写程序输入程序输入程序存储程序存储程序输出结果输出结果执行指令执行指令将程序转换为将程序转换为指令序列指令序列图图 计算机的工作流程计算机的工作流程1.1.2 信息的数字化表示信息的数字化表示 1.在计算机中用数字代码表示各种信息在计算机中用数字代码表示各种信息 二进制代码二进制代码例例1 用数字代码表示数据用数字代码表示数据 5-5 表示为表示为 0 101 表示为表示为 1 101 例例2 用数字代码表示字符用数字代码表示字符 A B 表示为表示为 1000001 表示为表示为 1000010 例例3 用数字代码表示命令、状态用数字代码表示命令、状态 启动启动 停止停止 正在工作正在工作 工作结束工作结束 表示为表示为 00 表示为表示为 01 表示为表示为 10 表示为表示为 11 2.在物理机制上用数字信号在物理机制上用数字信号 数字型电信号数字型电信号例例1 用电平信号表示数用电平信号表示数字代码字代码 高电平高电平 1 低电平低电平 高电平高电平 0 1 例例2 用脉冲信号表示数用脉冲信号表示数字代码字代码 有脉冲有脉冲无脉冲无脉冲 有脉冲有脉冲101 表示数字代码表示数字代码 实现并行实现并行操作操作实现串行实现串行操作操作 3.数字化方法表示信息的优点数字化方法表示信息的优点（1）物理上易实现信息的表示与存储）物理上易实现信息的表示与存储（2）抗干扰能力强，可靠性高）抗干扰能力强，可靠性高（3）数值的表示范围大，精度高）数值的表示范围大，精度高（4）可表示的信息类型广泛）可表示的信息类型广泛（5）能用数字逻辑技术进行处理）能用数字逻辑技术进行处理1.1.3 存储程序工作方式存储程序工作方式 1.事先编制程序事先编制程序 3.自动、连续地执行程序自动、连续地执行程序 2.事先存储程序事先存储程序 传统诺依曼机串行执行指令。传统诺依曼机串行执行指令。对传统诺依曼机的改造：增加对传统诺依曼机的改造：增加并行并行处理处理功能。功能。第二节第二节 计算机系统的组织计算机系统的组织硬件硬件是指构成计算机系统的实体和是指构成计算机系统的实体和装置之类的有形设备，是组成计算机系装置之类的有形设备，是组成计算机系统的物质基础。统的物质基础。软件软件是指由硬件所表达的各种内在是指由硬件所表达的各种内在信息，包括数据与控制程序。因为它们信息，包括数据与控制程序。因为它们是无形的东西，所以称为软件或软设备。是无形的东西，所以称为软件或软设备。1.2.1 计算机的硬件系统组成计算机的硬件系统组成运运 算算 器器控控 制制 器器主存储器主存储器输入设备输入设备输出设备输出设备总总线线 和和 输输入入输输出出接接口口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟存储器(磁盘设备磁盘设备)（第第3章章）（第第4章章）（第第5章章）（第第6章章）CPU计算机的硬件计算机的一般组成结构为：计算机的一般组成结构为：运算器运算器+存储器存储器+控制器控制器+输入输入/输输出设备。出设备。主要功能部件主要功能部件1.CPU（Central Processing Unit）由运算器、控制器组成。由运算器、控制器组成。（1 1）运算器运算器 1）功能：）功能：加工信息加工信息。2）组成：）组成：v又又 称称 为为 算算 术术 逻逻 辑辑 单单 元元 ALU(Arithmetic Logic Unit)，用用来来进进行行算算术术或或逻逻辑辑运运算算以以及及位移循环等操作，它是位移循环等操作，它是CPU的执行部件。的执行部件。vALU是是一一种种以以全全加加器器为为核核心心的的具具有有多多种种运运算算功能的组合逻辑电路。功能的组合逻辑电路。v在在运运算算中中,当当数数的的位位数数越越多多时时,计计算算的的精精度度就就越越高高,但但是是位位数数越越多多,所所需需的的电电子子器器件件也也越越多多。目目前前计计算算机机的的运运算算器器长长度度一一般般是是8位位、16位位、32位或位或64位位移位器移位器ALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 ALU:ALU:通过加法器实现运算通过加法器实现运算操作（由全加器求和、由进位操作（由全加器求和、由进位链传递进位信号）。链传递进位信号）。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 通用寄存器组：提供操作数，通用寄存器组：提供操作数，存放运算结果。存放运算结果。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 选择器：选择操作数；选择控选择器：选择操作数；选择控制条件，实现各种算法。制条件，实现各种算法。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 移位器：直接或者移位送移位器：直接或者移位送出运算结果。出运算结果。3）讨论）讨论 几种典型的运算器组成几种典型的运算器组成 几种主要的运算方法（定、浮）几种主要的运算方法（定、浮）（2）控制器）控制器 1）功能：）功能：产生控制命令产生控制命令(微命令微命令)，控制全机操作控制全机操作。2）组成：）组成：微命令发生器微命令发生器指指令令信信息息状状态态信信息息时时序序信信号号微命令序列微命令序列微命令产生方式（指令执行控制方式）：微命令产生方式（指令执行控制方式）：3）讨论）讨论 两种控制器组成原理与控制机制；两种控制器组成原理与控制机制；模型机的模型机的数据通路结构数据通路结构和和指令执行指令执行过程过程。组合逻辑控制方式：组合逻辑控制方式：微程序控制方式：微程序控制方式：由组合逻辑电由组合逻辑电 路产生微命令路产生微命令由微指令产生由微指令产生微命令微命令2.存储器存储器1）功能）功能:存储数据和存储数据和数字化后数字化后的程序的程序。注意到：不论是数据不论是数据,还是程序还是程序,存储器存储的全是用存储器存储的全是用0或或1 1表示的表示的二进制代码二进制代码。存储器包括如下存储器包括如下名词概念名词概念：存储单元存储单元:在存储器中保存一个在存储器中保存一个n位二进制数的位二进制数的n个个触发器触发器,组成一个存储单元。组成一个存储单元。地址地址:存储器是由许多存储单元组成存储器是由许多存储单元组成,每个存储单每个存储单元的编号元的编号,称为地址。称为地址。存储容量存储容量:存储器所有存储单元的总数。存储器所有存储单元的总数。存储容量越大存储容量越大,表示计算机记忆储存的信息就越表示计算机记忆储存的信息就越多。通常用单位多。通常用单位“KB、MB、GB”等表示。等表示。内存储器内存储器（主存）：（主存）：存放直接为存放直接为CPU提供服务的数提供服务的数据与程序的存储器。据与程序的存储器。目前主要采用半导体型内存储器芯片。其特点为：目前主要采用半导体型内存储器芯片。其特点为：工作速度较快，存储容量比外存小。工作速度较快，存储容量比外存小。外存储器外存储器(辅存）辅存）:为计算机配备的存储容量很大的为计算机配备的存储容量很大的辅助存储器。辅助存储器。如：磁盘存储器、光盘存储器等，其主要特点是如：磁盘存储器、光盘存储器等，其主要特点是存储容量大，价格便宜，工作速度较慢。存储容量大，价格便宜，工作速度较慢。存储体存储体地地址址寄寄存存器器译译码码器器读读/写写线线路路数数据据寄寄存存器器控制线路控制线路 讨论讨论 存储单元读存储单元读/写原理、写原理、存储器逻辑设计存储器逻辑设计 存储体存储体地地址址寄寄存存器器译译码码器器读读/写写线线路路数数据据寄寄存存器器控制线路控制线路 存储体存储体:存放信息的实体。存放信息的实体。寻址系统寻址系统：对地址码译码，：对地址码译码，选择存储单元。选择存储单元。读读/写线路和数据寄存器写线路和数据寄存器：完成读：完成读/写操作，暂存读写操作，暂存读/写数据。写数据。存储体存储体地地址址寄寄存存器器译译码码器器读读/写写线线路路数数据据寄寄存存器器控制线路控制线路 控制线路控制线路：产生读：产生读/写时序，控制读写时序，控制读/写操作。写操作。3.输入输入/输出设备输出设备 1）功能：）功能：转换信息转换信息。输入输入：原始信息：原始信息 代码，送入主机代码，送入主机输出输出：处理结果：处理结果 人所能接受的形式，人所能接受的形式，并输出并输出（代码）（代码）2）讨论）讨论 显示器的工作原理和显示器的工作原理和信息转换过程信息转换过程。4.总线（总线（Bus）5.接口接口能为多个部件分时共享的一组信息传送线能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。路。外设不标准，种类数量可变，为将系统总外设不标准，种类数量可变，为将系统总线与各类外设连接，须在两者之间设置一线与各类外设连接，须在两者之间设置一些部件，具有缓冲、转换、连接等功能，些部件，具有缓冲、转换、连接等功能，这些部件就是接口。这些部件就是接口。典型的硬件系统结构典型的硬件系统结构1.以总线为基础的系统结构以总线为基础的系统结构 总线：能为多个部件总线：能为多个部件分时共享分时共享的一组的一组信息传送线路。信息传送线路。CPU总线控制总线控制 逻辑逻辑接接 口口接接 口口存储器存储器存储器存储器大容量大容量存储器存储器I/O设备设备I/O子系统子系统系系统统总总线线1.总线结构总线结构优点：优点：减少机器中信息传送线的根数，简化了减少机器中信息传送线的根数，简化了系统结构，提高了机器的可靠性。系统结构，提高了机器的可靠性。可以方便对系统进行扩充。可以方便对系统进行扩充。分为三类：分为三类：传送信息的传送信息的数据总线数据总线DB(Data Bus)；指示欲传信息的来源或目的地址的指示欲传信息的来源或目的地址的地址地址总线总线AB(Address Bus)；管理总线上活动的管理总线上活动的控制总线控制总线CB(Control Bus)。系统总线系统总线存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU总总 线线功能功能 内总线内总线 局部总线局部总线 系统总线系统总线 外总线外总线信息信息 地址总线地址总线 数据总线数据总线 控制总线控制总线时序时序 同步总线同步总线 异步总线异步总线格式格式 并行总线并行总线 串行总线串行总线方向方向 单向总线单向总线 双向总线双向总线（1）以）以CPU为中心的双总线结构为中心的双总线结构CPUCPUM M接口接口接口接口I/OI/OI/OI/OI/OI/O 总线总线M总线总线 （2）单总线结构）单总线结构CPUCPUM接口接口接口接口I/OI/OI/OI/O系系 统统 总总 线线（3）以）以M为中心的双总线结构为中心的双总线结构CPUCPUM接口接口接口接口I/OI/OI/OI/O系系 统统 总总 线线 M总线总线 （4）多级总线结构）多级总线结构CPUCPURAMRAMROMROM公共接口公共接口总线控制逻辑总线控制逻辑M M扩展板扩展板I/OI/O接口板接口板局部总线局部总线系统总线系统总线2.采用通道或采用通道或IOP的大型系统结构的大型系统结构 （1）带通道的系统）带通道的系统I/OI/O控制器控制器主机主机I/O通道通道（2）带）带IOP的系统的系统CPUM接口接口I/OI/OIOPLMLM接口接口I/OI/O系统总线系统总线I/O总线总线3.模型机系统结构模型机系统结构系系 统统 总总 线线CPUCPUM M公共接口公共接口接口接口接口接口I/OI/OI/OI/O4.讨论讨论 接口：接口：中断接口中断接口、DMA接口接口 总线：分类、信号组成总线：分类、信号组成1.2.2 软件系统软件系统 软件类别：软件类别：系统程序系统程序和和应用程序应用程序。系统程序系统程序：用来简化程序设计用来简化程序设计,简化使用方法简化使用方法,提高提高计算机的使用效率计算机的使用效率,发挥和扩大计算机的功能及用途发挥和扩大计算机的功能及用途的软件。它包括以下四类的软件。它包括以下四类:各种服务性程序各种服务性程序,如诊断程序、排错程序、练习程序如诊断程序、排错程序、练习程序等；等；语言程序语言程序,如汇编程序、编译程序、解释程序等；如汇编程序、编译程序、解释程序等；软件的组成和分类操作系统；操作系统；数据库管理系统数据库管理系统应用程序应用程序：用户利用计算机来解决某些问题用户利用计算机来解决某些问题所编制的程序所编制的程序,如工程设计程序、数据处理程如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等等。索程序、科学计算程序等等。1.2.3 1.2.3 系统组成的层次结构系统组成的层次结构 计算机系统是一个由多层次结构组成的系计算机系统是一个由多层次结构组成的系统，其层次结构示意图，见书统，其层次结构示意图，见书P13图图1-9。多级组成的计算机系统系统的多级结构各级结构的基本特点各级结构的基本特点：1.微程序设计级微程序设计级这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微命令。如果某一个应用程序直接用接执行微命令。如果某一个应用程序直接用微命令来编写，那么可在这一级上运行该应微命令来编写，那么可在这一级上运行该应用程序。用程序。2.传统机器级传统机器级也称为机器语言级，由微程序解释机器指也称为机器语言级，由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。令系统。这一级也是硬件级。3.操作系统级操作系统级由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，这些广义指令是操作系统定义和和广义指令组成，这些广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为软硬件混合级。解释的软件指令，所以这一级也称为软硬件混合级。4.语言处理程序级语言处理程序级给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程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。这一级由汇编程序支持和执行。序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写，则机器必须要有如果应用程序采用汇编语言编写，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。则这一级可以不要。1.2.4 软件与硬件的逻辑等价性软件与硬件的逻辑等价性 软件的特点软件的特点 易于实现各种逻辑和运算功能，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；但是常受到速度指标和软件容量的制约；硬件的特点硬件的特点 可以高速实现逻辑和运算功能，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。杂性指标的制约。传统的软件部分，今后完全有可能传统的软件部分，今后完全有可能“固化固化”甚至甚至“硬化硬化”。软件与硬件的逻辑等价性第三节第三节 计算机系统的性能指标计算机系统的性能指标1.基本字长基本字长 指操作数的基本位数。指操作数的基本位数。它影响计算精度、指令功能。它影响计算精度、指令功能。2.存储容量存储容量 （1）主存容量）主存容量 指存储单元个数指存储单元个数位数。位数。决定地址位数决定地址位数表明编址单位表明编址单位表示为：表示为：字数字数字长字长（按字编址）（按字编址）或或 字节数字节数（按字节编址）（按字节编址）（2）外存容量）外存容量 常表示为常表示为字节数字节数。外存容量与地址码位数无关外存容量与地址码位数无关。3.运算速度运算速度（1）定点）定点/浮点四则运算时间浮点四则运算时间（2）每秒平均执行的指令条数（）每秒平均执行的指令条数（MIPS）（3）CPU时钟频率（时钟频率（MHz）总线位数总线位数总线时钟频率总线时钟频率 8 5.外围配置外围配置（1）硬件设备的配置）硬件设备的配置（2）系统软件配置）系统软件配置总线带宽总线带宽=4.数据传输率数据传输率（B/S）第一章小结1.1.计算机主要指数字计算机，通常分为专用计算机和计算机主要指数字计算机，通常分为专用计算机和通用计算机两大类。专用和通用是根据计算机的效通用计算机两大类。专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。2.2.计算机的硬件计算机的硬件是指构成计算机的各类是指构成计算机的各类有形的电子器有形的电子器件，它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输件，它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备入输出设备等等。传统上将。传统上将运算器运算器+控制器控制器称为称为，而将，而将+存储器存储器称为称为主机主机。本章小结本章小结 3.3.目前大多数计算机为目前大多数计算机为冯冯诺依曼型诺依曼型结构，其特点为：结构，其特点为：根据根据存储程序存储程序、按地址顺序执行按地址顺序执行程序（指令），程序（指令），直至完成任务直至完成任务。4.计算机系统是一个由硬件、软件组成的计算机系统是一个由硬件、软件组成的多级层次结多级层次结构系统构系统，它通常由微程序级、一般机器级、操作，它通常由微程序级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级组成，每一级系统级、汇编语言级、高级语言级组成，每一级上都能进行程序设计，并且可得到下面各级的支上都能进行程序设计，并且可得到下面各级的支持。持。第一章小结5.计算机软件一般分为计算机软件一般分为系统程序系统程序和和应用程序应用程序两大类。两大类。它包括：它包括：(1)各种服务程序，各种服务程序，(2)语言类程序，语言类程序，(3)操作系统，操作系统，(4)数据库管理系统。而应用程序则是数据库管理系统。而应用程序则是针对某一应用需求所开发的软件。针对某一应用需求所开发的软件。