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
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(白中英)
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
系统结构
RAID4
I/O系统
❖ 专用奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘， 奇偶校验信息存在一台专用盘上
数据块
校验码 产生器
A0
A1
A2
A3
B0
B1
B2
B3
C0
C1
C2
C3
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
❖ 只写一次光盘
只写一次光盘（Write Once Only）：可以由用户写入 信息，不过只能写一次，写入后不能修改，可以多次读 出，相当于PROM。在盘片上留有空白区，可以把要修 改和重写的的数据追记在空白区内。
❖ 可檫写式光盘
可檫写式光盘（Rewriteable）：利用磁光效应存取信 息，采纳特殊的磁性薄膜作记录介质，用激光束来记录、 再现和删除信息，又称为磁光盘，类似于磁盘，可以重 复读写。
RAID6
I/O系统
❖ 双维奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉方式存于各盘， 检、纠错信息均匀分布在全部磁盘上
系统结构
A0 A1 A2
3校验码 D校验码
B0 B1
2校验码 C校验码
B2
C0
1校验码 B校验码
C1 C2
0校验码 A校验码
D1 D2 D3
校验码 产生器
7.7 光盘存储设备
– 正脉冲电流表示“1”，负脉冲电流表示“0”； – 不论记录“0”或“1”，在记录下一信息前，记录电流
恢复到零电流 – 简洁易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，
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）
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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
上海大学《计算机组成原理》笔记概要总结
计算机组成原理第一章—计算机系统概论1.1计算机系统的简介1. 计算机系统由硬件与软件两大部分组成2. 将高级程序语言翻译成机器语言的程序称为翻译程序，翻译程序有两种，一种是编译程序，一种是解释程序，编译与解释的区别在于，编译程序是将高级语言程序一次性翻译为机器语言程序，而解释程序是翻译一句，执行一句。
3. 高级语言经过编译程序翻译为汇编语言，汇编语言经汇编程序，翻译为机器语言程序1.2计算机的基本组成1.1945年冯诺依曼提出了"存储程序"的概念，冯诺依曼机特点：1. 计算机由存储器，运算器，控制器，输入设备与输出设备组成2. 指令与数据以同等地位存放在存储器内，按地址寻访3. 指令与数据均按二进制数表示4. 指令由操作码与地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置5. 指令在存储器内按顺序存放6. 计算机以运算器为中心，输入设备与输出设备的数据传送通过运算器来完成2.冯诺依曼机是由运算器为中心的，现代计算机是以存储器为中心的3.计算机的工作过程（必考）涉及的元器件：MAR(地址寄存器)，MDR(指令寄存器)，ALU(算数逻辑单元)，ACC(累加器)，MQ(乘商寄存器)，PC(程序计数器)，IR(指令寄存器)（掌握执行指令的全过程）4.机器字长：机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关5.存储容量：存储容量存储单元个数存储字长6.运算速度(可能出计算)：Vm = 1 / Tm 单位MIPS(百万指令每秒)CPI （执行每条指令所需要的时钟周期）= 1 / IPC(CPU每一周期执行指令的条数，一旦CPU设计完成，IPC的值不会变)第三章—系统总线3.1总线的基本概念总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的介质（总线的每条传输线可以传输1位二进制代码）3.2总线的分类总线按照数据传送方式可分为两类：1. 并行传输总线2. 串行传输总线按连接部件的不同可以分为三类（掌握加粗部分）：1. 片内总线(指芯片内部的总线)2. 系统总线3. 通信总线3.2.1片内总线概念：片内总线是指芯片内部的总线3.2.2系统总线系统总线是指CPU,I/O设备，主存各大部件的信息传输线按照系统总线的传输信息不同，可分为三类：1. 数据总线2. 地址总线3. 控制总线1.数据总线：双向传输总线，与机器字长与存储字长有关2.地址总线：单向传输总线，由CPU发出，主存的地址线位数与存储单元的个数有关3.控制总线：从单个来说传输是单向的，从总体来说传输的双向的3.2.3通信总线（了解即可）这类总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他操作系统之间的通信3.3总线特征与性能指标3.3.2总线性能指标1.总线宽度：总线宽度可以数据总线的宽度，用位来表示，例如8位，16位，32位2.总线带宽（要求会计算，且掌握提高总线速率的方式）：总线带宽可以理解为总线的传输速率，即单位时间上的传输数据的位数，通常用每秒传输的字节数来衡量，单位Mbps(兆字节每秒)例子：总线的频率为33Hz，总线宽度为32位，求总线带宽？33*（32/8）=132MBps3.总线复用：一条信号线上传输两种线号，例如，一条总线上即可传输地址信号，又可传输数据信号，此称之为总线复用3.3.3总线标准（掌握PCI,USB）1.PCI总线：为了提升总线性能，由Intel首先提出，PCI中文名称为外围部件互连，其最出名的特性为即插即用，即任何扩展卡插入系统便可直接工作，现在已推出了PCI-ExpressB总线：通用串行总线，真正的即插即用，这里的串行指的是串行通信，即使用一条数据线，将数据1位1位的进行传输，不可同时传输2位数据3.5总线控制1.为何使用总线控制？由于总线上连接着多个部件，什么时候由哪个部件发送信息，如何给信息传送定时，如何防止信息丢失，如何避免多个部件同时发送，如何规定接受信息的部件等一系列问题，都需要由总线控制器统一管理。
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。
计算机组成原理总结
第一章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
7. 解释下列概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。
解：P9-10主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。
CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。
主存：计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。
存储单元：可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。
存储元件：存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取。
存储字：一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。
存储字长：一个存储单元所存二进制代码的位数。
存储容量：存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）。
机器字长：指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
指令字长：一条指令的二进制代码位数。
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代表性系统有由John von Neumann，AnhurBurks和 HermanGoldstine于1946年在普林斯顿大学研制成功的IAS 计算机、由宾夕法尼亚大学莫尔学院于1950年制成的 ENIAC、由IBM于1953年制造的IBM701计算机。
电子计算机的发展，如果从第一台计算机的问世 算起，到现在半个多世纪，在人类科技史上还没有 一种学科的发展速度可以与电子计算机的发展速度 相提并论。
20世纪40年代，无线电技术和无线电工业的发 展为电子计算机的研制准备了物质基础，1943年～ 1946年美国宾夕法尼亚大学研制的电子数字积分和 计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)是世界上第一台电子计算机。ENIAC 计算机共用18000多个电子管，1500个继电器，重达 30吨，占地170平方米，耗电140千瓦，每秒钟能计 算 5000次加法，研制人是埃克特(J．P．Eckert)和
1-1 计算机的发展简史
电子计算机是一个统称，实际上它被明确 地分两大类：“电子模拟计算机”和“电子数 字计算机”。前者是使用连续变化的物理量(例 如电流、电压等)来表示数值的大小并参加机内 运算，其运算结果自然也是连续变化的物理量 ；后者是将运算对象数字化成为离散的数字量 ，用数码进行运算，其运算结果也是离散的数 字信息，它运算速度快、运算精度高，现代人 们所说的“电子计算机”或“计算机”，都是 指“电子数字计算机”，也是本书讨论的对象 。
第二代：晶体管计算机时代(1955～1964)，采用分立 式晶体三极管、二极管和铁氧体的磁芯，用印刷电路将它 们互连起来。采用了变址寄存器、浮点运算、多路存储器 和I／O处理机。采用有编译程序的高级语言子管 改为晶体管，因而缩小了体积，降低了功耗，提高了速度 和可靠性。而且价格不断下降。后来又采用了磁心存储器 ，使速度得到进一步提高。代表性系统有1959年制成的 UnivacI。ARC、60年代的CDCl604和1962年制成的IBM7030 。1969年1月制成的超大型计算机CDC 7600，速度达到每 秒千万次浮点运算，是这一时期设计最成功的产品。
标准化：采用标准的输入／输出接口，因而各个 机型的外部设备是通用的。采用积木式结构设计， 除了各个型号的CPU独立设计以外，存储器、外部设 备都采用标准部件组装。
第四代：大规模集成电路计算机时代(1974— 1991)，采用大规模或超大规模集成电路和半导体存 储器，出现了用共享存储器、分布存储器或向量硬 件选择的不同结构的并行计算机，开发了用于并行 处理的多处理操作系统、专用语言和编译器，同时 产生了用于并行处理或分布处理的软件工具和环境。 七十年代初，半导体存储器问世，迅速取代了磁心 存储器，并不断向大容量、高速度发展，此后，大 体上集成度每三年翻两番(1971年每片1K位，到1984 年达到每片256K位)，价格平均每年下降30％。逻辑 电路也得到相应的发展。
第三代：集成电路计算机时代(1965—1974)， 采用小规模或中规模集成电路和多层印刷电路。采 用了流水线、高速缓存和并行处理机。软件方面采 用多道程序设计和分时操作系统。这时期的计算机 采用集成电路作为基本器件，因此功耗，体积，价 格等进一步下降，而速度及可靠性相应地提高，这 就促使了计算机的应用范围进一步扩大。正是由于 集成电路成本的迅速下降，产生了成本低而功能不 是太强的小型计算机供应市场，占领了许多数据处 理的应用领域。代表性系统有IBM／360—370系列、 CDC6600／7600系列、Texas仪表公司的ASC和 Digital Equipment公司的PDP—8系列。IBM360系统 是最早采用集成电路的通用计算机，也是影响最大 的第三代计算机。它的主要特点是通用化，系列化、 标准化。
通用化：指令系统丰富，兼顾科学计算、数据处 理、实时控制三个方面。
系列化：IBM360各档机器采用相同的系统结构， 即在指令系统、数据格式，字符编码、中断系统、 控制方式、输入／输出操作方式等方面保持统一， 从而保证了程序兼容，当用户更新机器时原来在低 档机上编写的程序可以不作修改就使用在高档机上。 IBM360系统后来陆续增加的几种型号仍保持与前面 的产品兼容。后来，西欧与日本的一些通用计算机 也保持与IBM360系统兼容。苏联和东欧国家联合制 造的“统一系统”也是与IBM360系统兼容的。
莫克利(J．W．Mauchly)。ENIAC计算机存在两个主 要缺点，一是存储容量太小，只能存20个字长为10 位的十进制数，二是用线路连接的方法来编排程序，
因此每次解题都要依靠人工改接连线，准备时间 大大超过实际计算时间。
在ENIAC计算机研制的同时，冯·诺依曼(Von Neumann)与莫克利、埃克特小组合作研制EDVAC计算 机，在这台计算机中确立了计算机的五个基本部件： 输入器、输出器、运算器、存储器、控制器。程序 和数据存放在存储器中，并采用了二进制，确立了 存储程序的原则。现代的一般计算机被称作冯·诺依 曼结构计算机。
随着大规模集成电路的迅速发展，计算机进入 大发展时期，通用机、巨型机，小型机、微型机都 得到了发展。
目录
第1章：计算机系统概论 第2章：运算方法和运算器 第3章：存储系统 第4章：指令系统 第5章：中央处理器 第6章：总线系统 第7章：外围设备 第8章：输入输出系统 参考文献
第一章 计算机系统概论
1-1 计算机的发展简史 1-2 计算机的分类和应用 1-3 计算机的硬件和软件 1-4 计算机系统的层次结构