初识计算机组成原理及介绍课件

西华师范大学西华师范大学COMPUTER ORGANIZATION计算机组成原理计算机组成原理北京科技大学信息学院胡玥计算机学院计算机学院谭乐婷谭乐婷西华师范大学西华师范大学万物简史比尔.布莱森 “一个星球，一次试验一个星球，一次试验”。对待生命的最好方式，一是珍惜她的对待生命的最好方式，一是珍惜她的美好，二是要为她创造更多的价值。美好，二是要为她创造更多的价值。西华师范大学西华师范大学 计计算算机机组组成成原原理理是是计计算算机机类类学学科科本本科科教教学学中中的的一一门门重重要要专专业业基基础础课课。在在专专业业教教学学计计划划中中占占有有重重要要地地位位和和作作用用。它它主主要要阐阐述述构构成成一一台台计计算算机机的的基基本本原原理理，包包括括计计算算机机的的结结构构组组成成、各各个个功功能能部部件件的的作作用用、工工作作原原理理及及设设计计方方法法。学学习习本本课课程程旨旨在在建建立立计计算算机机系系统统的的整整体体概概念念，对对培培养养设设计计开开发计算机系统的能力有重要作用。发计算机系统的能力有重要作用。计计算算机机组组成成原原理理的的先先修修课课程程为为计计算算机机导导论论、数数字字电电路路、汇汇编编语语言言；后后继继课课程程为为操操作作系系统统、编编译译原原理理等等系系列列课课程。程。西华师范大学西华师范大学我们聊一聊为什么要学习计算机组成原理这门课程为什么要学习计算机组成原理这门课程?课程有多难，能不能学好课程有多难，能不能学好课程教学定位和教学要求课程教学定位和教学要求西华师范大学西华师范大学教学大纲规定：教学大纲规定：讲解讲解单台单台计算机的计算机的完整完整硬件系统的硬件系统的基本组成基本组成原理与内部运行机制。原理与内部运行机制。单台：非多机系统，亦非多处理机系统。单台：非多机系统，亦非多处理机系统。完整：计算机整机、全部的功能部件。完整：计算机整机、全部的功能部件。基本：不一定是最高性能，最合理的组成，基本：不一定是最高性能，最合理的组成，而是最基础、最必要的组成部分。而是最基础、最必要的组成部分。西华师范大学西华师范大学概论概论知识结构知识结构计算机计算机西华师范大学西华师范大学计算机系统的硬件结构计算机系统的硬件结构计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器运算器运算器控制器控制器知识结构知识结构西华师范大学西华师范大学数据运算数据运算部件部件计算机控制算机控制部件部件数据存数据存储部件部件接口接口线路路数据数据输入入设备接口接口线路路结果果输出出设备数据数据总线地址地址总线控制控制总线计算机主机算机主机计算机算机外外围设备计算机的算机的 CPU硬件系统由硬件系统由 5 5 个功能部件组成，是课程的核心内容个功能部件组成，是课程的核心内容8 计算机中的基本硬件系统计算机中的基本硬件系统西华师范大学西华师范大学组成原理的主要内容组成原理的主要内容计算机信息表示（指令、数据）计算机信息表示（指令、数据）运算器的算法、结构运算器的算法、结构存储器的结构及设计存储器的结构及设计控制器的原理及设计控制器的原理及设计I/OI/O设备原理设备原理总线的原理与设计总线的原理与设计西华师范大学西华师范大学第第章章 概论概论1.1 计算机的发展历史计算机的发展历史1.4 计算机系统的组织结构计算机系统的组织结构1.3 计算机的软件系统计算机的软件系统1.2 计算机系统的硬件组成计算机系统的硬件组成1.5 计算机的特点和性能指标西华师范大学西华师范大学 约翰冯诺依曼John Von Neuman （19031957）美藉匈牙利人 开创了现代计算机理论，他的精髓开创了现代计算机理论，他的精髓贡献是：贡献是：2 2进制思想与程序内存思进制思想与程序内存思想。想。他的主要著作收集在六卷他的主要著作收集在六卷冯冯诺诺依曼全集依曼全集中，中，19611961年出版。年出版。西华师范大学西华师范大学阿兰阿兰麦席森麦席森图灵图灵Alan Mathison TuringAlan Mathison Turing（1912.6.231912.6.231954.6.71954.6.7）英国人）英国人“图灵机图灵机”与与“冯冯诺伊曼机诺伊曼机”齐齐名，被永远载入计算机的发展史中。名，被永远载入计算机的发展史中。为表彰他的贡献，专门设有一年一为表彰他的贡献，专门设有一年一度的度的“图灵奖图灵奖”，颁发给最优秀的，颁发给最优秀的电脑科学家。电脑科学家。西华师范大学西华师范大学1.1 计算机的发展史计算机的发展史一、计算机的产生和发展一、计算机的产生和发展1946年年 美国美国 ENIAC1955年退役年退役十进制运算十进制运算18 0001 500150301 500多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺(170平方米平方米)5 000次加法秒次加法秒（1）没有）没有存储器存储器；（；（2）它用布线接板进行控制，）它用布线接板进行控制，用手工搬动用手工搬动开关和拔插电缆来编程开关和拔插电缆来编程西华师范大学西华师范大学世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)Electronic Numerical Integrator And Computer西华师范大学西华师范大学 100 000 000 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在五五 10 000 000 大规模大规模 集成电路集成电路 19721977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 200 000 晶体管晶体管 19581964 40 000 电子管电子管 19461957 速度速度 /（次（次/秒）秒）硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响西华师范大学西华师范大学 电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路西华师范大学西华师范大学IBM:BlueGene/L-eServer Blue Gene Solution212 992 个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 478 200 GFLOPS超级计算机超级计算机西华师范大学西华师范大学最权威的超级计算机排名的参考网址最权威的超级计算机排名的参考网址 http:/www.top500.org西华师范大学西华师范大学微处理器芯片微处理器芯片存储器芯片存储器芯片1971年年 8位位16位位32位位64位位4位（位（intel4004）1970年年256位位 1K位位16K位位64K位位256K位位1M位位16M位位64M位位4K位位4M位位1.1二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展西华师范大学西华师范大学Intel 公司的缔造者之一公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出：提出：微芯片上集成的晶体管数目每三年微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番。翻两番。Moore 定律定律西华师范大学西华师范大学8080 8位位 1974年年8086 16位位 1979年年 2.9 万个晶体管万个晶体管80286 16位位 1982年年 13.4 万个晶体管万个晶体管80386 32位位 1985年年 27.5 万个晶体管万个晶体管80486 32位位 1989年年 120.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1993年年 310.0 万个晶体管万个晶体管Pentium Pro 64位（准）位（准）1995年年 550.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1997年年 750.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1999年年 950.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 万个晶体管万个晶体管Intel 公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品西华师范大学西华师范大学2007 年英特尔采用45nm工艺技术，芯片上可集成 23 亿个晶体管。你可以在一根人类的头发宽度上摆放你可以在一根人类的头发宽度上摆放2000多个多个45纳米晶纳米晶体管。体管。你可以在一个针头上摆放你可以在一个针头上摆放3万多个万多个45纳米晶体管，加起来纳米晶体管，加起来约合约合150万纳米。万纳米。一个小数点一个小数点(直径约为直径约为0.1毫米或毫米或10万纳米万纳米)可填入可填入2千多个千多个45纳米晶体管。纳米晶体管。一个一个45纳米晶体管可在纳米晶体管可在1秒钟内切换约秒钟内切换约3千亿次。一个千亿次。一个45纳米晶体管开关一次所需时间，仅相当于以光速纳米晶体管开关一次所需时间，仅相当于以光速(每秒每秒30万公里万公里)穿行穿行0.1英寸所需的时间。英寸所需的时间。西华师范大学西华师范大学例：已知例：已知X=5,Y=3,求求X+Y=？用计算机求解，需要解决：用计算机求解，需要解决：如何表示数据如何表示数据如何对数据进行运算处理如何对数据进行运算处理需设置哪些部件来实现运算需设置哪些部件来实现运算冯冯.诺依曼思想诺依曼思想西华师范大学西华师范大学 计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成 指令和数据用二进制形式表示指令和数据用二进制形式表示 采用采用存储程序存储程序方式方式冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点西华师范大学西华师范大学算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成西华师范大学西华师范大学西华师范大学西华师范大学计算机部件间连接方法计算机部件间连接方法计算机部件间连接方法计算机部件间连接方法 在所有需要传送数据的部件之间创建一条在所有需要传送数据的部件之间创建一条在所有需要传送数据的部件之间创建一条在所有需要传送数据的部件之间创建一条直接通路。直接通路。直接通路。直接通路。（专用数据通路）（专用数据通路）（专用数据通路）（专用数据通路）将所有需要传送数据的各部件之间通过将所有需要传送数据的各部件之间通过将所有需要传送数据的各部件之间通过将所有需要传送数据的各部件之间通过公公共信息传送线路连接共信息传送线路连接（总线方式数据通路）（总线方式数据通路）（总线方式数据通路）（总线方式数据通路）计算机各大部件之间连接计算机各大部件之间连接西华师范大学西华师范大学 计算机的总线结构（小、微型机典型结构）：计算机的总线结构（小、微型机典型结构）：目前许多计算机（主要指小、微型计算机）的各大基目前许多计算机（主要指小、微型计算机）的各大基本部件之间是用总线（本部件之间是用总线（BusBus）连接起来的。）连接起来的。总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，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。它能分时地发送与接收各部件的信息。总线特点：总线特点：共享，分时共享，分时 小型、微型机的设计目标是以较小的硬件代价组成具小型、微型机的设计目标是以较小的硬件代价组成具有较强功能的系统，而总线结构正好能满足这一要求。有较强功能的系统，而总线结构正好能满足这一要求。总线方式总线方式西华师范大学西华师范大学 单总线并不是指只有一根信号线。系统总线按传送信息的不同又单总线并不是指只有一根信号线。系统总线按传送信息的不同又可以细分为：地址总线、数据总线和控制总线。可以细分为：地址总线、数据总线和控制总线。地址总线地址总线（Address BusAddress Bus）由单方向的多根信号线组成，用于）由单方向的多根信号线组成，用于CPUCPU向主向主存、外设传输地址信息；存、外设传输地址信息；数据总线数据总线（Data BusData Bus）由双方向的多根信号线组成，）由双方向的多根信号线组成，CPUCPU可以沿这些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；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；控制总线控制总线（Control BusControl Bus）上传输的是控制信息，包括）上传输的是控制信息，包括CPUCPU送出的控制送出的控制命令和主存命令和主存/外设反馈给外设反馈给CPUCPU的状态信号的状态信号。总线结构总线结构西华师范大学西华师范大学大、中型计算机系统的设计目标更着重于系统功能的扩大与效率的提高。大、中型计算机系统的设计目标更着重于系统功能的扩大与效率的提高。通道是承担通道是承担I/OI/O操作管理的主要部件，主机可以连接多个通道，每操作管理的主要部件，主机可以连接多个通道，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台或几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台或几台外部设备，这样整个系统就可以连接很多的外部设备。台外部设备，这样整个系统就可以连接很多的外部设备。大、中型机的典型结构大、中型机的典型结构西华师范大学西华师范大学不同对象观察到的计算机硬件系统不同对象观察到的计算机硬件系统 一般用户观察到的一般用户观察到的计算机硬件系统计算机硬件系统What is a Computer System西华师范大学西华师范大学 专业用户观察到专业用户观察到 的计算机硬件系统的计算机硬件系统 What is a Computer System西华师范大学西华师范大学存储器设计思想存储器设计思想冯冯诺依曼结构的存储器设计诺依曼结构的存储器设计哈佛结构的存储器设计哈佛结构的存储器设计 西华师范大学西华师范大学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1.计算机系统计算机系统计计算算机机系系统统计算机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等一、一、计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件1.3 计算机系统计算机系统西华师范大学西华师范大学1.4.1计算机的工作过程计算机的工作过程1.4 计算机的工作过程与主要性能指标计算机的工作过程与主要性能指标例如：将编制好的程序放在主存中，由控制器控制例如：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，以计算逐条取出指令执行，以计算a+b-c=?a+b-c=?为例加以说为例加以说明。明。设设a a、b b、c c为已知的为已知的3 3个数，分别存放在主存个数，分别存放在主存的的5 57 7号单元中，结果将存放在主存的号单元中，结果将存放在主存的8 8号单元号单元西华师范大学西华师范大学000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存储器数据寄存器存储器数据寄存器数据总线数据总线累加器累加器ALU 计算机工作过程计算机工作过程a+b-c=?a+b-c=?西华师范大学西华师范大学000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存储器数据寄存器存储器数据寄存器数据总线数据总线累加器累加器ALULOAD 005LOAD 005a aa aa a取数指令取数指令 计算机工作过程计算机工作过程西华师范大学西华师范大学000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存储器数据寄存器存储器数据寄存器数据总线数据总线累加器累加器ALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba aa+ba+b加法指令加法指令a a b b 计算机工作过程计算机工作过程西华师范大学西华师范大学000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存储器数据寄存器存储器数据寄存器数据总线数据总线累加器累加器ALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba+ba+bb bSUB 007SUB 007c cc ca+b-ca+b-c减法指令减法指令 计算机工作过程计算机工作过程西华师范大学西华师范大学000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存储器数据寄存器存储器数据寄存器数据总线数据总线累加器累加器ALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba+ba+bb bSUB 007SUB 007c cc ca+b-ca+b-cSTORE 008STORE 008a+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-c存数指令存数指令 计算机工作过程计算机工作过程西华师范大学西华师范大学000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存储器数据寄存器存储器数据寄存器数据总线数据总线累加器累加器ALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba+ba+bb bSUB 007SUB 007c cc ca+b-ca+b-cSTORE 008STORE 008a+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-cHALTHALT停机指令停机指令 计算机工作过程计算机工作过程a+b-c=?a+b-c=?西华师范大学西华师范大学1.4.2计算机的主要性能指标计算机的主要性能指标基本字长基本字长数据通路宽度数据通路宽度主存储器容量主存储器容量运算速度运算速度西华师范大学西华师范大学1.机器字长机器字长CPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与 CPU 中的中的 寄存器位数寄存器位数 有关。有关。2.2.数据通路宽度数据通路宽度（外部）数据总线一次能并行传送信息的（外部）数据总线一次能并行传送信息的位数位数西华师范大学西华师范大学221 =256 KB213 =1 KB如如3.存储容量存储容量主存容量主存容量辅存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长字节数字节数字节数字节数 80 GB如如 MAR MDR 容量容量 10 8 16 32存放二进制信息的总位数存放二进制信息的总位数1K=210 1B=23b1GB=230b1 K 8位位64 K 32位位西华师范大学西华师范大学4.运算速度运算速度主频主频每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPS执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPS吞吐量和响应时间吞吐量和响应时间THANKS!