1、计算机组成原理 主讲教师：彭玄璋 联系方式： 13826332811 xz_ 计算机组成原理 总学时： 72 学分： 4 理论学时： 60 实验学时： 12 教学安排 第 1章 计算机系统概论 （时间： 2学时） 电动机械式计算机（ 1930） Zuse的继电器式计算机（ 1938） 第 1台真空管计算机 ABC（ 1942） 1-1 计算机发展与组成 1946-1958 第一代电子管计算机 。磁鼓存储器，机器语言、汇编语言编程。世界上第一台数字计算机 ENIAC。 1-1-1 发展概况 1958-1964 第二代晶体管计算机 。 磁芯作主存储器 , 磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。 1
2、964-1971 第三代集成电路计算机 。使用 半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。 1971- 第四代大规模集成电路计算机 。 出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化。 1981- 第五代人工智能计算机 。 模拟人的智能和交流方式。 1946年由美国宾夕法尼亚大学研制 ENIAC（ Electronic Numerical Integrator And calculator），运算速度 5000次 /秒，功耗150kw/h，占地 170m2 ，造价 100万美元。 第一台电子计算机 1946年，冯 诺依曼与同事开始研制 IAS。该机结构被公认为随后发展起来的通用计算机的原型。
3、 第 1章 计算机系统概论 计算机系统是由硬件和软件两大部分组成的 ， 其功能是完成数据的输入 、 传送 、 存储 、 处理和输出 。 本章介绍计算机系统的基本组成 、 层次结构和体系结构 ， 认识计算机体系结构 、 组成和实现三者之间的关系 。 第 1章 计算机系统概论 1.1 计算机系统的基本组成 1.2 计算机系统的层次结构 1.3 硬、软件界面与逻辑上的等价 1.4 计算机的体系结构、组成和实现 1.5 计算机系统中的信息活动 1.6 计算机的过去、现在和未来 1.1 计算机系统的基本组成 1.1.1 硬件组成 1.1.2 软件组成 1.1 计算机系统的基本组成 计算机系统的基本组成可
4、以分为硬件和软件两部分。硬件是其物质基础，是软件的载体；软件则是计算机系统的灵魂。没有硬件，软件就不能运行；没有软件，硬件就发挥不了作用，从而失去存在的价值。因此二者紧密相关，缺一不可。 1.1.1 硬件组成 1 硬件系统 计算机的硬件组成可以用图 1-1来表示 。 对微型机来说 ， 运算器和控制器集成在一块芯片上 ， 称为中央处理部件 (CPU)。 CPU和内存储器统称为主机 。 输入设备和输出设备统称为外围设备 。 所谓输入与输出 ，是相对于主机系统而言的 。 磁盘系统既是输入设备 ，也是输出设备 。 主机和外围设备组成了计算机的硬件系统 。 各部件之间使用三条总线连接 ， 各部件之间就通
5、过这三条总线实现信息传送 。 注意 ， 所有外围设备都是通过接口线路和总线连接的 。 通常 ， CPU只与接口打交道 (传递信息 )， 而不与外围设备直接打交道 。 图 1-1 计算机硬件系统的组成 总线 总线插槽 部件插件板 返回 1.1.1 硬件组成 2 各部件的主要功能 （ 1）主机：存储程序和数据；运行程序，存储、传送和处理数据。 存储器：存储运行中的程序，被处理的数据 运算器：完成数据传送和运算 控制器：根据指令产生控制信号 （ 2）外部设备：完成数据的输入 /输出 输入设备：将人可以识别的信息（如文字、图画、声音）转换为计算机可以识别的二进制信息 输出设备：将计算机可以识别的二进制
6、信息转换为人可以识别的信息，如文字、图画、声音。 1.1.2 软件组成 1 软件 程序和数据合称为软件 。 2程序和数据的表示 在计算机内部 ， 程序和数据都是以二进制数据来表示的 。 为了表示一位二进制数 ， 需要一个信息元素 。 这个信息元素有两个稳定的状态 ， 用其中一个状态表示 1， 则另一个状态就表示 0。 可见 ， 计算机系统中的信息是以硬件的物理状态存在的 。 内存中的一个字节 （ 8个二进制位 ） 究竟表示一个数据 (或数据的一部分 )， 还是表示一条指令 (或指令的一部分 )， 这只能由执行中的程序来识别 。 1.1.2 软件组成 1. 软件系统 系统软件和应用程序构成了软件
7、系统 。 2. 系统软件 操作系统是系统软件中最重要的软件 ， 它具有资源管理和调度功能 ， 是用户与计算机之间的界面 ， 人们通过操作系统来使用计算机 。 3. 应用程序 用户为了解决某些专业问题而编写的软件称为应用程序 ， 如文字处理软件 、 辅助设计软件 、 财务会计软件等 。 应用程序建立在系统软件之上 。 1.2 计算机系统的层次结构 1. 层次结构 如图 1-2所示。上面一层的实现是建立在下面一层基础上的。实现的功能越强大，越接近于人们解决实际问题的思维方式和处理问题的具体过程，对使用人员就越方便，在使用这一层的功能时，不必关心下面一层的实现细节。 下面一层是实现上面一层的基础，更
8、接近计算机硬件实现的细节，尽管实现的功能相对简单，但人们使用这些功能却感到更困难。在实现这一层的功能时，不必理解其更下一层实现中的有关细节问题，只要使用下一层所提供的功能来完成本层次的功能即可。 图 1-2 计算机系统的层次结构 1.2 计算机系统的层次结构 第一个层次：数字逻辑层 。 第二个层次：微体系结构层 。 第三个层次：指令系统层 。 第四个层次：操作系统层 。 第五个层次：汇编语言层 。 第六个层次：高级语言层 。 第七个层次：应用层 。 2. 层次划分中的软件和硬件范围 第一层和第二层应该划分到计算机硬件范围内 指令系统 （ 第三层 ） 则介于硬件与软件之间 第四至第七层则属于虚拟
9、机器层 1.2 计算机系统的层次结构 3.层次结构的另一种表示，如图 1-3 所示。 同心圆方式突出了计算机的逐层功能扩展的层次结构。从图可见，外面的一层都是对其内层的一种功能扩展，内部的一层都是实现其外一层的基础。越靠近内层，其功能越简单，使用却更困难；越靠近外层，其功能越强大，使用却更方便。 应用层 高级语言层 汇编语言层 操作系统层 微体系结构层 指令系统层 数字逻辑层 图 1-3 计算机的逐层功能扩展 1.3 软、硬件界面与逻辑上的等价 1.概念 计算机系统以硬件为基础，通过软件扩充其功能，并以执行程序的方式体现其功能。一般来说，硬件只完成最基本的功能，而复杂的功能则通过软件实现。但是
10、，硬件与软件之间的界面，如功能分配关系常随技术的发展而变化。有许多功能可以直接由硬件实现，也可以在硬件支持下靠软件实现，对用户来说在功能上是等价的，称为软、硬件在功能上的逻辑等价。 2.硬件的基本任务 硬件的基本任务是识别与执行指令代码。因此，指令系统所规定的功能一般可由硬件实现。指令系统是硬件与软件之间的界面。 1.3 软、硬件界面与逻辑上的等价 3.硬件软化 刚出现数字计算机时 ， 人们依靠硬件实现各种基本功能 ， 随后为了降低造价 ， 就只让硬件实现较简单的指令系统 ， 如加 、 减 、 移位与基本逻辑运算功能 ， 依靠软件实现乘 、 除 、 浮点运算等更高级一些的功能 。 4.软件硬化
11、 即将原来依靠软件才能实现的一些功能 ， 改由大规模 、 超大规模集成电路直接实现 ， 如浮点运算 、 存储管理等 。 5.固件化 1.3 软、硬件界面与逻辑上的等价 即采用微程序控制技术使计算机结构和硬 、软件功能分配发生变化 ， 对指令的解释和执行是通过运行微程序来实现的 。 利用程序设计技术和扩大微程序的容量 ， 可以使原来属于软件级的一些功能纳入微程序一级中 。 微程序被固化在只读存储器中 。 从信息形态上讲 ， 微程序类似于软件；从器件形态上讲 ， 它固化在硬件芯片内；从逻辑功能上讲 ， 它属于硬件 CPU的范畴 ， 因而称为固件 。 现在也常采用软件固化的策略 ， 将系统软件的核心
12、部分 (如操作系统的内核 、 常用软件中可固定不变部分 )固化在存储芯片之中 。 从用户看 ，它们是系统硬件 (如系统板 )的一部分 。 1.4 计算机的体系结构、组成和实现 1.计算机的体系结构 主要是研究硬件和软件功能的划分，确定硬件和软件的界面，即哪些功能应由硬件子系统完成，哪些功能应由软件子系统完成。 2.计算机组成 依据计算机体系结构，在确定并分配了硬件子系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成及它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。从这个意义上说，计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。 3.计算机实现 1.4 计算机的体系结构、组成和实现 是计算机
13、组成的物理实现 。 包括中央处理机 、 主存储器 、 输入 /输出接口和设备的物理结构 ， 所选用的半导体器件的集成度和速度 ， 器件 、 模块 、 插件 、 底板的划分 ， 电源 、 冷却 、 装配等技术 ， 生产工业和系统调试等各种问题 。 总之 ， 就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换成真实的计算机 ， 也就是把满足设计和运行 、 价格等各项要求的计算机系统真正地制作并调试出来 。 1.5 计算机系统中的信息活动 本节介绍程序和数据进入计算机系统，在计算机系统中被传送、存储和加工，以及将信息通过输出设备输出的过程。信息的输入、输出，以及信息在计算机内的传送、存储和被加工，这些就是信息在
14、计算机系统中的主要活动。 1.5 计算机系统中的信息活动 1.5.1 硬信息和软信息 1.5.2 信息进出计算机系统 1.5.3 信息在主机系统中的活动 1.5.4 计算机系统中信息传送的通路 1.5.5 CPU对三类信息的加工 1.5.1 硬信息和软信息 计算机系统所包含的信息 ， 按其来源和产生信息的方法可分为两类 ， 即硬信息和软信息 。 1.硬信息 当打开主机电源后 ， 计算机硬件自己产生的信息；或在计算机运行过程中 ， 按下 Reset键后计算机硬件产生的信息；或在计算机运行过程中 ， 不是根据程序 ， 而是根据外设请求而进入相应的状态周期 (DMA周期或中断周期 )， 在此状态周期
15、内计算机硬件所产生的信息 。 2.软信息 就是程序和数据 ， 以及 CPU根据程序产生的控制信息 。 1.5.2 信息进出计算机系统 1.输入设备 完成将人能识别的信息转换为计算机能识别的二进制信息。 2.输出设备 完成将二进制信息转换为人能识别的信息。 3.信息转换的位置 输入设备和输出设备各有自己的控制系统，它们依靠自己的控制系统来实现计算机内的二进制信息和相应设备产生 (输入设备 )或需要的信息 (输出设备 )之间的转换。 1.5.2 信息进出计算机系统 4.接口 外围设备完成这种信息转换是需要时间的，计算机主机要确认它是否已经完成了这一转换，就需要在外围设备与主机之间增加一个接口电路。 不同外围设备的接口一般是不同的，甚至差别很大，因为不同的外围设备需要进行不同的信息转换，并且完成这种信息转换的时间也不相同。 接口中至少包含两类寄存器，即数据寄存器和状态寄存器。计算机主机是通过接口状态寄存器中的完成标志位来了解外围设备目前的工作状况的，而主机与外围设备之间的数据交换又是通过接口中的数据寄存器来完成的。
