1、1,计 算 机 组 成 原 理,第一讲,2018年9月22日,计算机系统概述,2,本讲主要内容,课程简介,计算机系统的层次结构,计算机系统的基本构成,计算机系统结构、组成及其实现,3,将回答:,本课程重要吗？,计算机硬件有哪些基本部件构成？,计算机系统如何构成？,本课程中探讨问题的前提？,4,课程简介,课程性质与地位：专业基础必修课程,承上启下,课程目的与任务：建立计算机硬件系统的完整概念，以单机系统为研究对象，阐述计算机系统的硬件组成以及各部件的工作原理,5,课程主要内容,1、计算机系统概论,2、逻辑电路设计基础,3、信息编码和数据表示,4、计算机算法和算法逻辑实现,5、存储器,6、计算机指
2、令构成和寻址方式,7、处理机设计,8、流水线处理机,9、存储系统,11、输入输出系统,10、输入输出设备,6,主要教学环节,课堂教学：64学时,实验教学：16学时,实验内容：,运算器实验 存储器实验 微控制器实验 基本模型机设计,考试：笔试成绩 + 实验成绩 + 平时成绩,本课程重要吗？,7,教材：,郑纬民 计算机组成和设计-硬件/软件接口（第二版）。清华大学出版社 王爱英.计算机组成与结构.清华大学出版社. 江义鹏.计算机组成原理.人民邮电出版社. 俸远祯.计算机组成原理.电子工业出版社 李亚民.计算机组成与系统结构.清华大学出版社.2000年 袁开榜.计算机组成原理高等教育出版社 白中英、
3、韩兆轩编.计算机组成原理.科学出版社 唐朔飞.电子数字计算机原理.哈尔滨工业大学出版社参考书： 邹海明.计算机组织与结构.电子工业出版社.年.版,Computer organization & design (the hardware/software interface) (second edition) David A. Patterson John L. Hennessy,参考教材：,8,本讲主要内容,课程简介,计算机系统的层次结构,计算机系统的基本构成,计算机系统结构、组成及其实现,9,计算机系统的基本构成,计算机系统,计算机软件,10,计算机系统的基本构成,计算机系统,计算机硬件,操
4、作系统 语言处理程序 诊断程序 各种标准程序库 。,MIS ERP OFFICE OUTLOOK 。,11,计算机软件（Software）：是指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。程序+数据+文档,计算机硬件（Hardware）：是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。,计算机硬件指可触摸得到的物理设备实体,12,（1）系统软件：为用户便于使用和管理计算机而编制的程序，由系统设计者和厂家提供。 面向计算机本身的软件-OS，故障处理程序等 面向计算机维护人员的
5、软件-调试、纠错、测试程序等 面向用户的软件-汇编、编译和解释程序、DBMS等 （2）应用软件：为解决某个应用领域的具体任务而编制的程序,计算机软件（Software）：,13,总线系统：各部件之间传送信息的通路和器件,计算机硬件系统的基本构成,14,输出设备,输入设备,运算器,控制器,存储器,计算结果,程序和数据,计算机的组成部件,计算机硬件系统的基本构成,15,主要部件基本功能,1 输入设备 Input devices：从计算机外部输入信息,2 存储器 Memory Unit：存放数据、指令等,4 控制器 Control Unit (CU)：分析指令，控制指令的执行，协调其它部件工作,3
6、运算器 Arithmetic and Logic Unit (ALU)：执行算术、逻辑运算,5 输出设备 Output devices ：将加工后的信息输出,16,计算机的5大部件中，运算器和控制器是信息处理的中心部件，所以它们合称为“中央处理单元”（CPU：Central Processing Unit）。存储器、运算器和控制器在信息处理操作中起主要作用，是计算机硬件的主体部分，通常被称为“主机”。而输入（Input）设备和输出（Output）设备统称为“外部设备”，简称为外设或I/O设备。,计算机的组成部件,17,计算机硬件系统的一种构成形式,存储器,运算器,控制器,适配器,输入设备,输出
7、设备,系统总线,18,计算机硬件系统的一种构成形式,专用通路结构例子,x4,4,x4,ALU,符号扩展,PC,IR,指令,存储器,数据,存储器,寄存器堆,I,25-0,I,31-28,PC+4,Target,A,Dx,Rx,I,20-16,IRWrite,PCWrite,I,25-21,RegDst,Aluop,MemWrite,MemtoReg,MemRead,Jump,PCSource,ALUSource,RegWrite,Ry,Add,Dy,Rz,I,15-11,Do,B,Dz,Di,I,15-0,控制器,19,计算机硬件有哪些基本部件构成？,计算机系统如何构成？,20,本讲主要内容,课
8、程简介,计算机系统的层次结构,计算机系统的基本构成,计算机系统结构、组成及其实现,21,计算机系统的层次结构,应用语言,物理计算机（硬件）,虚拟计算机（软件）,高级语言,汇编语言,系统原语,机器指令系统,机器指令时序,硬操作时序,第1级,第0级,第2级,第3级,第4级,第5级,第6级,从语言功能层次划分,22,第0级由硬件实现。 第1级由微程序实现。 第2级是传统指令系统（机器语言）机器。 第3级是操作系统机器。操作系统是运行在第级上的解释程序 第4级是汇编语言机器。 第5级是高级语言机器。 第6级是应用语言机器。,计算机系统的层次结构,从学科领域来划分：第0和第1级属于计算机组织与结构，第3
9、至第5级是系统软件，第6级是应用软件。,它们之间仍有交叉：第0级要求一定的数字逻辑基础；第2级涉及汇编语言程序设计的内容；第3级与计算机系统结构密切相关。在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在。,23,lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw$16, 0($) sw$15, 4($2),表示( Representation)的不同级别,temp = vk; vk = vk+1; vk+1 = temp;,0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100
10、0110 1010 1111 0101,高级语言程序,汇编语言程序,机器语言程序,控制信号描述,同一程序可以在不同复杂度级别进行表示,24,本讲主要内容,课程简介,计算机系统的层次结构,计算机系统的基本构成,计算机系统结构、组成及其实现,25,计算机系统结构、组成及其实现,计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定,指令系统体系结构（ISA）,硬件,软件,26,计算机系统结构=指令系统体系结构 + 机器组成 + “计算机系统结构(Computer Architecture)”,27,外特性:指令系统、数据表示、寻址方式、寄存器集,性能成本评价:运算速度、存储容量、I/O带宽,系统
11、结构的研究范围,新型系统结构设计:并行性、数据流、推理机、神经网,界面设计:确定硬件功能,28, 确定数据通路的宽度 确定各种操作对功能部件的共享程度 确定专用的功能部件 确定功能部件的并行度 设计缓冲和排队策略 设计控制机构 确定采用何种可靠性技术,结构、组成和实现,计算机系统的组成是指计算机系统结构的逻辑实现，主要包括：,29, 处理机、主存储器等部件的物理结构 器件的集成度和速度 专用器件的设计 器件、模块、插件、底版的划分与连接 信号传输技术 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等,计算机实现是指计算机组成的物理实现，包括：,30,相互关系,应用程序,操作系统,指 令 系 统,组
12、成,实 现,编译,外特性设计,逻辑设计,器件，封装、机箱、电源、冷却设计,31, 实现指令集中所有指令功能的具体电路、器件的设计、装配技术等属于计算机实现。,系统结构、组成、实现三者之间的区别, 指令的实现，如取指令、取操作数、运算、送结果等具体操作及其排序方式属 于计算机组成。,例 机器指令集的确定属于计算机系统结构。,32,主存系统的物理实现，如存储器器件的选定、逻辑电路的设计、微组装技术的选定属于计算机实现。,例: 主存容量与编址方式(按位、按字节、按字访问等)的确定属于计算机系统结构。,为达到所定性能价格比，主存速度应多快，在逻辑结构上需采用什么措施(如多体交叉存储等)属于计算机组成。
13、,33,乘法指令是用专门的乘法器实现，还是经加法器用重复的相加和右移操作来实现，属于计算机组成。,例:确定是否有乘法指令属于计算机系统结构。,乘法器、加法器的物理实现，如器件的选定(器件集成度、类型、数量、价格)及所用微组装技术等，属于计算机实现。,34,计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，但随着技术、器件和应用的发展，三者之间的界限越来越模糊。,计算机系统由软件、硬件和固件组成，在功能上是同等的。 同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。 不同的组成只是性能和价格不同。,本课程中探讨问题的前提？,35,小结,计算机系统,硬件系统,软件系统,系统软件,应用软件,运算器,控制器,寄存器,存储器,输入/输出接口,I/O设备,CPU,系统总线,主机,RAM,ROM,36,小结,计算机组织(organization)是指计算机的各个操作部件工作原理以及它们之间的相互联系，这些操作部件用来具体实现计算机结构的属性，如计算机内部的控制信号，存储技术，与外部设备的接口等。,
