计算机组成原理第1章_计算机系统概论
计算机组成原理第1章PPT课件
3.数据传输率与数据通路宽度 （1）数据通路宽度: 数据总线一次能并行 传输的数据位数。 （2）数据传输率（带宽）：数据总线每秒 传输的数据量。
总线位数×总线时钟频率
总线带宽 =
8
（B/S）
主存带宽 =？
4.存储容量
1）主存容量
K、M、G、T
1024
指存储单元个数 × 位数。
决定地址位数
存储体
控制线路
数据寄存器 读/写线路
译码器
…………
地址寄存器
…………
存储体: 存放信息的实体。 寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。 读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂 存读/写数据。 控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作。 3）讨论 存储单元读/写原理、存储器逻辑设计
（3） 输入/输出设备 1）功能：转换信息。
换、逻辑控制等功能。
2.典型的硬件系统结构 （1）以总线为基础的系统结构 特点：结构简单、控制方便、扩展容易。
总线
部件 部件 部件
单总线结构 系统总线
CPU
M
接口
I/O
接口 I/O
（2）采用通道或IOP的系统结构 带通道的系统（图1-6）
主机
通道
I/O控制器
I/O
• 规模较小的系统可将通道部件设置在 CPU内部。
1.3.2 计算机的主要性能指标
1.基本字长 指操作数的基本位数。 和运算器、寄存器、总线有关，它影响
计算精度、指令功能。 8 — 16 — 32 — 64位
2. 运算速度 （1）定点/浮点四则运算时间
（2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（Hz）
5M 100M 1G 2.0G 3.2G （4）典型程序执行时间 （5）每条指令平均执行周期.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序
第1章 计算机系统概论-计算机组成原理-刘超-清华大学出版社
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
1 计算模型及其基本内容 计算模型是完成计算任务所必需遵循的基于形式化 描述的基本规则。工作单元(对计算机来说即是指令)之 间存在处理次序与数据依赖等两种关联性，用于控制处 理次序的工作驱动与数据依赖机制的数据传递是计算模 型的基本内容。工作驱动方式是计算模型的核心。
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
3 计算机工作过程 程序控制计算机完成计算任务过程可分为人工编制 程序和机器运行程序两个阶段。
存储器存储单 元地址
00000000 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 00001000 00001001 00001010 00001011 00001100 00001101 00001110 00001111 00010000
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
输入设备
辅助存储器 存储 系统
主存储器
输出设备 外设
运算器
控制器
具有存储层次计算机的体系结构框架
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
主存 储器
主机 CPU
算术逻辑运算 单元ALU
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
1 计算机体系结构及其范畴 计算机体系结构的一般定义是：机器语言程序员所 必须了解的计算机概念性结构和功能特性。 计算机体系结构作为一门学科，其研究内容主要有 两个方面：一是软件与硬件功能分配；二是如何最佳最 合理地实分配给硬件的功能。 计算机体系结构(或属性)的范畴有：数据表示、指 令系统、寻址方式、寄存器组织、存储组织、中断机构、 机器状态、输入输出结构、信息保护等。
计算机组成原理第一章
被减数 减法 差
乘数
乘法 乘积高位 乘积低位
被除数
除法 余数
商
X
加数
减数
被乘数 除数
第23页，共63页。
① 加法操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
加
初态 ACC [M]
[ACC]+[X]
M
被加数 X ACC
第24页，共63页。
② 减法操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
减
初态 ACC [M]
[ACC]-[X]
M
被减数 X ACC
第25页，共63页。
③ 乘法操作过程
AC0 C MQ
AALUU
X
运算器
指令
乘
M
初态 ACC [M]
[ACC]
0
[X]×[MQ]
第26页，共63页。
被乘数 MQ X
ACC
ACC∥MQ
④ 除法操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
除
M
初态 ACC
被除数
[M] X
同组成和实现的一系列（Family）不同档次、不同
型号的机器
兼容机
系列机和兼容机需要保证向后兼容
不同厂家生产的具有相同计算机结构（不同的组成 和实现）的计算机
第39页，共63页。
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.机器字长 CPU 一次能处理数据的位数
与 CPU 中的 寄存器位数 有关
2.运算速度
第43页，共63页。
用脑电波控制的电脑：附着在人头皮的传感器把 脑电波传给电脑，也可用无线电传递，在数千米 之外就能轻而易举的控制电脑。
计算机组成原理第一章总结
第一章计算机系统概述1.电子（电子线路）数字（电子线路是数学式）通用（计算机本身功能多样）计算机系统。
2.计算机系统由计算机硬件（构成计算机的所有实体部件的组合）和计算机软件（一系列按照待定顺序组织的计算机数据和指令的集合）组成。
3.硬件指由中央处理器，存储器以及外围设备等组成的实际装置，硬件的作用是完成每条指令规定的功能。
指令是计算机运行的最小的功能单位，指令是指示计算机硬件执行某种运算，处理功能的命令。
4.软件是为了使用计算机而编写的各种系统的和用户的程序，程序由一个序列的计算机指令组成。
指令是用于设计的一种计算机语言。
5.计算机系统的层次结构：数字逻辑层，微体系结构层（这两层是硬件部分），指令系统层（处在硬件和软件系统），操作系统层，汇编语言层，高级语言层（这三层是软件部分）。
6.运算器（ALU，算术逻辑单元）（1）算术运算和逻辑运算（2）在计算机中参与运算的数是二进制的（3）运算器的长度一般是8，16，32或64位。
7.存储器（1）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。
（2）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。
（3）内存储器（ROM,RAM）8.信息单位（1）位（bit，简写b）数字计算机信息单位；包含1位二进制（0或1）（2）字节（Byte,简写B）由8位二进制信息组成（3）字（Word）计算机一次所能处理的二进制位数，至少一个字节，通常把组成一个字的二进制位数称为字长9.存储器的分类（1）按照在计算机中的作用（主存储器，寄存器，闪速存储器，高速缓冲存储器，辅助存储器等）10.主存储器（主存）通常采用半导体存储器（1）随机存取存储器（RAM）CPU可读写，断电时内容被消除（2）只读存储器（ROM）CPU只能读写，断电后可保留其数据，存储在ROM中的软件常被称为固件。
11.寄存器（CPU内部的一组特殊存储单元）（1）读写速度比主存快的多，通常被用于使用最为频繁的数据项，以避免多次访问主存，减少主存访问可大大加快计算机速度。
北京化工大学-裴颂伟计算机组成原理-第1章计算机系统概论
1.2计算机发展简史
三、微处理器的发展 1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的
所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞 生了。 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。 1974年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而 4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而 设计的中央处理器。 20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便 是其中之一。 这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP 公司开发出了32位单片微处理器。 Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。 到现在的64
裴颂伟-2021年8月20日星期五
计算机组成原理
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1.2计算机发展简史
第一代：电子真空管（Vacuum Tube ）1946～57年
46年诞生第1台电子计算机 ENIAC（埃尼阿克）
裴颂伟-2021年8月20日星期五
计算机组成原理
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ENIAC（埃尼阿克）
体积大，重30吨，有18000多个真空管，每个电子管大约有 一个普通家用25瓦灯泡那么大！这样ENIAC就有了8英尺高 （约2．44米）、3英尺宽、100英尺长的身躯，重达30吨， 耗电140千瓦。每秒能进行5000次加法运算（据测算，人 最快的运算速度每秒仅 5次加法运算。
一、计算机的五代变化
第一代为1946—1957年，电子管计算机：数据 处理
第二代为1958—1964年，晶体管计算机：工业 控制
第三代为1965—1971年，中小规模集成电路计 算机：小型计算机
计算机组成原理
2、总线规范
每个总线标准都有详细的规范说明，一般包括以下几个部分 1）机械性能规范：模板尺寸、插头、连接器的规格及位置 等。 2）功能规范：信号线的序号、名称及功能等。 3）电气特性的规范：信号线的电平种类、动态转换时间、 负载能力等。
五、总线的性能指标
评价总线性能的优劣 1、总线宽度：主要是指数据总线的数目。如4/8/16/32/64 直接影响总线的传输率（吞吐量） 2、标准传输率（总线带宽） 单位时间内总线上传输数据的位数。以MB/S表示。 例如：某总线工作频率为8.33MHZ，总线宽度为16位，则 标准传输率为 8.33M×2B/s=16.66MB/s 3、总线定时协议（握手机制） 数据传输采用何种时钟控制。分为同步、异步、半同步、 分离式几种 4、总线控制方式：如仲裁机制、自动配置等。 5、总线复用 两种不同时出现的信号共用一组物理线路，即分时使用同 一组总线，称为总线的多路分时复用。其目的在于减少芯 片的引脚数。 6、信号线数：总线所包含的全部信号线的总数。 7、其它指标：如负载能力、电源电压、能否扩展等。
第三章 系统总线
3.1 总线概述 3.2 常用的总线标准 3.3 总线结构
3.4 总线控制
3.1 总线概述
一、为什么要用总线
机内部件间互连方式：
早期：分散连接 以运算器为核心，内部连线复杂，尤其是当I/O 与存储器交换信息时，都需要经过运算器，严重影 响CPU的工作效率。
采用存储器为核心的分散连接结构，虽采用中断、 DMA等技术，仍无法解决I/0设备与主机之间连接的 灵活性。 目前：总线连接
MAR MDR 容量 10 8 1 K × 8位 16 32 64 K × 32位
1K = 210
2 b = 1 KB 1B = 23b 221b = 256 KB 80 GB
计算机组成原理：第一章-计算机系统体系结构
一计算机系统体系结构1.1 什么是计算机体系结构本章的第一个概念是计算机系统(computer system)。
计算机系统包括读取并执行程序的中央处理单元(CPU，保存程序和数据的存储器以及将芯片转换为实用系统的其他子系统。
这些子系统会使CPU与显示器、打印机、Internet等外部设备之间的通信变得更加容易。
•cpu(处理器): 计算机实际执行程序的部分•微处理器: 在单个硅片上实现的CPU•微机: 围绕微处理器构建的计算机计算机的性能既取决于CPU；也取决于其他子系统。
如果不能高效进行数据传输，仅仅提高CPU的性能是毫无意义的。
Figure 1:•信息(程序和数据): 保存在存储器中；计算机会使用不同类型的存储器，达到不同的目的。
–如果不能叫信息保存在正确的存储器，那么CPU的速度再快也将毫无意义–Cache: 保存常用的数据是高速专用的存储器。
–主存: 存放大量的工作数据，断电消失–辅存: 指磁盘等，用于存储海量的数据。
永久存储•组成计算机的各个子系统通过总线连接在一起，数据通过总线从计算机中的一个位置传递到另一个位置。
什么是计算机Figure 2:•输入: 指用户交给计算机的信息•输出: 指计算机返回给用户的信息可编程计算机接收两种类型的输入: 它将要处理的数据，以及准确描述要如何处理输入数据的程序。
程序不过是计算机所执行的完成给定任务的操作序列。
Figure 3:•CPU读程序并完成程序指定的操作。
内部使用寄存器来保存数据•存储器系统保存两类信息:程序，程序处理或产生的数据计算机从存储器中读出指令并执行这些指令(即完成或执行指令定义的动作)。
执行指令时，可能要从存储器中读出数据，对数据进行操作，将数据写回存储器。
寄存器是CPU内部用来存放数据的存储单元。
时钟提供了脉冲流,所有内部操作都在时钟脉冲的触发下进行。
时钟频率是决定计算机速度的一个因素程序执行过程Figure 4:CPU先读取一条指令；在CPU分析或解码指令；从存储器中读出这条指令所需的所有数据。
计算机组成原理·第六版(课后习题)第一章
计算机组成原理·第六版（课后习题）第⼀章第⼀章计算机系统概论1. ⽐较电⼦数字计算机和电⼦模拟计算机的特点电⼦数字计算机中处理的信息是在时间上离散的数字量，运算过程是不连续的；电⼦模拟计算机中处理的信息是连续的变化的物理量，运算过程是连续的。
2. 数字计算机如何分类？分类的依据是什么？分为专⽤计算机和通⽤计算机分类依据是计算机性能、速度、价格、运⾏的经济性3. 数字计算机有哪些应⽤ ？科学计算、⼈⼯智能、家⽤电器、测量等4. 冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些组成部分？主要设计思想：1）采⽤存储程序的⽅式编织好的程序和数据都存放在同⼀存储器中，2）计算机可以在⽆⼈⼲预的请扩下⾃动完成逐条指令的取出和执⾏指令的任务3）指令和数据均以⼆进制码的形式存储在计算机中组成部分：运算器、存储器、I/O设备、逻辑器、5. 什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据⾃？什么是指令字？存储容量：存储器中所有存储单元的总数单元地址：每个存储单元的编号数据字：某字代表要处理的数据指令字：某字为⼀条指令6. 什么是指令？什么是程序？指令：计算机硬件可以直接执⾏的每⼀个基本的算术运算或逻辑运算的操作程序：解算某⼀问题的⼀串指令寻列7. 指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分他们是指令还是数据？指令：取指周期中从内存读出的信息流数据：执⾏器周期中内存读取的信息流8. 计算机的系统软件包括哪⼏部分？说明他们的⽤途。
半导体存储器称为内存存储容量更⼤的磁盘存储器和光盘存储器称为外存内存和外存共同来保存⼆进制数据运算器和控制器合称中央处理器，简称CPU ⽤来控制计算机以及进⾏算术逻辑运算配适器是外围设备与主机联系的桥梁，相当于转换器，使主机和外围设备并⾏协调⼯作9. 计算计的系统软件包括哪⼏类？说明他们的⽤途包括系统程序和应⽤程序。
系统程序⽤于简化程序设计，提⾼计算机使⽤效率应⽤程序是⽤户利⽤计算机来解决某些问题⽽编制的程序10. 现代计算机系统如何进⾏多级划分？这种分级观点对计算机设计会产⽣什么影响？微程序设计级机器语⾔级操作系统级汇编语⾔级⾼级语⾔级⽤⼀系列的级来组成计算机的借⼝对于掌握计算机是如何组成的提供了良好的结构和体制分级的挂念来设计计算机保证产⽣⼀个良好的系统结构也是很有帮助的11. 为什么软件能够转化为硬件？硬件能转化为软件？实现这种转化的媒介是什么？应为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执⾏可以由软件完成，也可以由硬件完成，实现这种转化的媒介是软件与硬件的逻辑等价性。
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存储器
ALU
Func
寄存器 组(堆)
ALU
Func
累加器型运算器
寄存器型运算器 存储器 TEMP AC
*(AC)+[Y]→AC的运算过程： (0) (AC)为被加数 (1) (2) (3) 加数[Y]→TEMP (AC)＋(TEMP) ALU结果→AC
2
*计算机系统功能的实现方式：
解题过程—
用 户 ①编辑 ②编译 ③运行 ③ 解题结果
①
输入设备 输出设备 存储设备 处理设备 ②
源程序 (高级语言) 目标程序 (机器语言)
功能的实现方式—
①硬件具备数据的存储、传送及处理和过程控制功能 ②软件表示应用的数据处理及过程控制需求 └→程序(指令序列，硬件用不同指令表示不同功能) ③执行软件实现应用的数据处理及过程控制功能
指令系统、数据表示、寻址方式, 存储系统，I/O系统、信息保护等
指令功能逻辑实现、部件组成、 控制机构、排队及缓冲技术等 器件技术、组装技术等
*计算机组成：实现计算机系统结构时所体现的计算机属性 *计算机实现：实现计算机组成时所体现的计算机属性
5
*相互关系：
计算机系统结构—确定软硬件功能分配及其界面特性； 计算机组成—逻辑实现系统结构的内容； 计算机实现—物理实现计算机组成的内容
虚 拟 机 器
用机器语言编程
机器语言级机器 M1
用微程序解释
使用微指令系统
微程序级机器 M0
实 直接执行机器指令 际 机 机器指令 器 直接执行微指令
4
三、计算机结构与组成
*计算机系统结构：机器语言程序员所看到的计算机属性 概念性结构和功能特性←┘
高级语言级机器 M4 软件 软硬件 交界面 硬件 汇编语言级机器 M3 操作系统级机器 M2 机器语言级机器 M1 微程序级机器 M0 数字电路级机器
输 入 设 备 存储器 输 出 设 备
注： 数据信息 指令信息 控制信息 状态信息
运算器
控制器
*数据表示与运算： 指令及数据均用二进制方式表示，运算亦采用二进制方式
7
*存储程序原理—程序存储方式：
指令及数据预先存放(以等同地位)在存储器中；
*存储器结构： 由定长单元构成的一维空间，存储器按地址访问； *指令组成： 由操作码及地址码组成；
第1章 计算机系统概论
1
பைடு நூலகம்
§1.1 计算机系统简介
一、计算机系统的软硬件
*电子计算机： 是采用按位及跳动式计算、能够根据逻辑判断结果控制计 算过程的电子式机器 *计算机的功能： 数据存储、数据传送、数据处理，过程控制 *计算机系统的组成： 计算机 系统 计算机硬件— 计算机的物理实体； 如主机、外设等 表示应用需求 计算机软件— 具有特定功能的信息(程序)。 如系统程序、应用程序
12
2、计算机部件的基本组成
(1)存储器 *功能：存储程序和数据、通过读/写操作接收/提供信息
*组成：
地址 命令 数据 地 址 译 码 器 存储阵列 …… I/O电路
0 1 n-1
0 1 … w-1 … … … … … …
存储字长W
0 1
…
…
*术语：存储元件(存储元)—可存储一个二进制位的元件；
存储单元—可同时存储一串二进制位的元件； 存储字—存储单元内存储的二进制编码； 存储阵列—所有存储单元的集合 存储单元地址—每个存储单元被赋予的惟一编号 存储容量—存储阵列可存储的二进制位数
循环的 指令执行过程
取指令 过程
执行指令 过程
+ “1 ” 指令发生 转移时
指令地址
下条指令地址 由当前指令产生
9
二、计算机硬件的基本组成
1、计算机硬件的结构 现代计算机均在冯·诺依曼模型基础上进行改进
*采用以存储器为中心的结构： 使数据传送与数据处理并行，有利于提高系统性能
控制器
缓冲器
运算器
缓冲器
操作码 地址码1
表示操作的性质
地址码2
表示操作数在存储器中的位置
例：若加法运算的操作码用010表示，第01000号与第10000
号两个存储单元内容相加的操作可表示为：
010 01000 10000
8
*存储程序原理—程序控制机制：
按程序逻辑顺序、自动地、逐条地取出指令并执行。
物理顺序 指令内容 (指令地址) A+0 int nCount=0； A+1 int nSum=0； A+2 LP: nSum+=nCount； A+3 nCount++； A+4 if (nCount<4) goto LP； A+5 COUT>>nSum； 程序 逻辑顺序 ⑴ ⑵ ⑶ ⑹ ⑼ ⑷ ⑺ ⑽ ⑸ ⑻ ⑾ ⑿
举例 系统结构 计算机组成 乘法器还是加法+移位 器件、电路 信号线数、时钟、传输方式 计算机实现
乘法功能 是否有乘法指令 MEM总线 带宽
主存系统 最大容量、编址方式 速度保证、单体/多体
6
§1.2 计算机系统基本组成
一、冯· 诺依曼模型计算机
*结构与组成： 由运算器、存储器、控制器、输入及输出设备组成， 以运算器为中心；
*计算机系统组成的特性： 软件功能靠硬件实现，硬件性能靠软件反映
3
二、计算机系统的层次结构
用高级语言编程
高级语言级机器 M4
汇编语言级机器 M3
用编译程序翻译 成汇编语言程序 或机器语言程序
用汇编语言编程
用汇编程序翻译 成机器语言程序
使用操作系统命令
操作系统级机器 M2
用机器语言解释 操作系统命令
……
…
存储字
…
13
n-1
*完成操作的过程：
读操作—①接收地址及命令，内部操作； ②输出数据
①0…01 地 址 译 码 器
… …
…
…
…
①Read I/O电路
②1#的存储字
写操作—①接收地址及命令； ②接收数据，内部操作
14
(2)运算器 *功能：实现算术运算及逻辑运算，并暂存运算结果 *组成：
存储器
主 存 储 器 MM
包含辅存 (如DISK等)
I/O 设备
11
*采用总线互连形式：
实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性
标准格式 按地址访问
CPU
MEM总线
主存 …
总线桥
I/O总线
I/O接口1 I/O设备1
I/O接口n
I/O设备n
I/O接口 I/O设备
…
I/O接口 I/O设备
非标准格式
min{所连I/O设备速度}
缓冲技术
存储器 程序 数据
直接存储器访 问(DMA)技术 结果
输入设备
输出设备
10
8
*由多种存储器构成存储系统：
解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能/价格
运算器 控制器 计算机 硬件
CPU 主存(内存) 辅存(外存)
主机 I/O设备(外设)
存储器
输入设备 输出设备
主机
CPU
算术逻辑单元ALU 控制单元CU