1、计算机组成原理,齐 红 0431-85166479,计算机组成原理,一、课程主要内容,讨论计算机单机系统的硬件组成。,即五大功能部件的工作原理、逻辑实现、设计方法及相互连接构成整机的方法。,计算机组成原理,强调两个层次的整机概念：,CPU整机概念,硬件系统整机概念,紧紧抓住各部件之间的信息传送方式和传送途径。,计算机组成原理,二、学习目的,为培养同学们在分析、设计、开发计算机系统方面的能力打下坚实的基础。,计算机组成原理,三、教学特点,1、以模型机为背景讨论基本原理，适当辐射实用机型。,2、讨论硬件组成时，在寄存器级进行分析。,计算机组成原理,四、教学安排,教学思路： CPU 主机 计算机硬
2、件系统,计算机组成原理,五、学习方法,抓住重点，解决难点： CPU部分：通路结构、指令流程 存储器部分：逻辑设计 I/O系统部分：中断机制及接口设计,主要内容：计算机的基本概念系统硬件组成（主要部件、系统结构）计算机的性能指标,第一章 概论,第一节 计算机的基本概念,1.1.1 冯 诺依曼体制,1. 用二进制代码表示程序和数据；,2. 计算机采用存储程序的工作方式；,3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制,器、输入设备和输出设备组成。,1、第一台计算机 ENIAC Electronic Numerical Integrator And Calculator(电子数字积分器与计算器) 1943/
3、12/31，美国陆军部与宾夕法尼亚大学莫尔（Moore）分校签约 1946/2/15，ENIAC工程正式告成 Mauchly和他的研究生 Eckert,ENIAC,18,000个真空管 耗电140KW 重30吨 可靠运行时间： 20分钟 编程时间：半小时 一整天,6,000多个继电器 占地170m2 1,900次加法/秒,ENIAC,十进制表示 工作存储器：20个单元（存放数据） 编程：外排式，先要人工对面板上6,000多个电子开关进行机械定位， 然后靠转插线插头，通过插入、拔出方式来编制程序 靠穿孔卡输入数据,2、冯诺依曼体制,1946/6，冯诺依曼（John Von Nenmann）的报告
4、电子装置逻辑结构初探 提出：存储程序的计算机EDVAC Electronic Discrete Variable Automatic Calculator （电子离散变量自动计算机）,EDVAC基本设计,程序和数据一起存储在内存中 采用二进制表示 采用以运算器为核心的集中控制 提出指令概念，由操作码和地址码组成，顺序执行，受PC统一控制 由五个基本部分组成：存储器、运算器、控制器以及输入输出设备,EDVAC,存储器：4096个字，每个字40位(0或1)，表示两条20位的指令，或一个40位的有符号数。 指令：8位表示指令类型，12位表示4096个存储单元中的一个地址。 这些理论奠定了现代计算机的
5、基本思想。到目前为止，大多数计算机仍沿用这一体制。称其为冯诺依曼体制。,EDSAC,Electronic Delay Storage Automatic Calculator 第一台存储程序计算机 1949年，英国剑桥大学，M.V.Wilhes1951年，EDVAC研制成功,3、冯诺依曼计算机组成方式,以运算器为中心,以存储器为中心,1.1.2 信息的数字化表示,1. 在计算机中用数字代码表示各种信息,二进制代码,例1 用数字代码表示数据,5,- 5,表示为 0 101,表示为 1 101,例2 用数字代码表示字符,A,B,表示为 1000001,表示为 1000010,例3 用数字代码表示命
6、令、状态,启动,停止,正在工作,工作结束,表示为 00,表示为 01,表示为 10,表示为 11,2. 在物理机制上用数字信号,数字型电信号,例1 用电平信号表示数字代码,高电平,1,低电平,高电平,0,1,例2 用脉冲信号表示数字代码,有脉冲,无脉冲,有脉冲,1,0,1,表示数字代码,实现并行操作,实现串行操作,1.1.3 存储程序工作方式,1.事先编制程序,3.自动、连续地执行程序,2.事先存储程序,传统诺依曼机串行执行指令。,对传统诺依曼机的改造：增加并行处理功能。,第二节 计算机系统的硬件组成,1.2.1 主要功能部件,1. CPU 由运算器、控制器组成。,（1）运算器,运算器是完成算
7、术运算和逻辑运算的装置。 其设置考虑到：任何算术运算（、）都可以通过相加操作来解决。,运算器结构示意图,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,ALU: 通过加法器实现运算操作（由全加器求和、由进位链传递进位信号）。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,通用寄存器组：提供操作数，存放运算结果。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,选择器：选择操作数；选择控制条件，实现各种算法。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,移位器：直接或者移位送出运算结果。,（2）控制器,控制器的功能是根据人们预先确定的算法和操作步骤，控
8、制与协调计算机各部件按规定的操作、自动地、有秩序地去执行。,1、按规定的操作去执行,规定的操作在指令中，无非是取指令，分析指令和执行指令的过程。 取出指令放于何处？设一个指令寄存器IR (Instruction Register)，存放现行指令。 分析指令是译码过程，要设操作码译码器OCD（Operation Code Decoder），实现分析操作。 执行指令是根据指令译码器所发出的控制信号，完成其操作。,2、自动地去执行,自动执行，在计算机中设了一个程序计数器PC（Program Counter） 顺序执行时，指令地址在PC中，操作后PC自动加1，形成下一条地址； 转移时，将形成的转移地址
9、送MAR、PC，以便在新地址下顺序执行。,3、有秩序地去执行,有秩序地去执行，意味前一个操作结束后进行下一个操作。 如何知道前一个操作结束了呢？ 靠的是时间，将每个操作设定一段时间，时间到说明该操作结束。 计算机中设置了时钟及产生所需要的节拍和脉冲的节拍脉冲发生器。,控制器基本结构框图,微命令产生方式（指令执行控制方式）,组合逻辑控制方式：,微程序控制方式：,由组合逻辑电 路产生微命令,由微指令产生微命令,2、存储器,存储器是存放程序和数据的装置，并满足计算机在执行过程中能够随机地访问这些程序和数据。 需解决两个问题：存放和访问。,存放,存与取有关系：计算机执行时，指令一条一条取出，数据一个一
10、个地取出。 映射这种存取方式的最好做法是将存储器分成若干个单元，一个单元存放一条指令或一个数据。,访问,人的访问是按地址进行的，存储器的访问也不例外。 将存储体分成若干个单元，给出每个单元的地址，按地址访问存储器。 地址就是存储器单元的编码，从0到2n1。,地址放于何处？ 计算机中设置了主存地址寄存器MAR（Memory Address Register）MAR和存储器之间（给出地址到查找该单元）是否要译码 ？ 地址是通过编码给出还是直接给出。采用编码，就要译码，需设置地址译码器AD（Address Decoder）。,采用编码好，还是不采用编码好？ 举例：地址寄存器字长10位 直接给出：10
11、个内存单元的地址； 采用编码：可给出210=1024个地址。,读出或写入的数据如何存放？ 需设一个主存缓冲器MBR（Memory Buffer Register）如何确定是读操作还是写操作? 需设一个主存操作逻辑，用于选址、读/写控制。,主存储器组成,3、输入输出设备,输入输出设备是计算机和用户之间相互联系的部件，其主要功能是实现人机对话。 输入输出设备种类繁多，很难用一种结构形式加以描述。,输入输出设备的一般结构,只要输入的信息能够被计算机识别和处理的设备统称为输入设备如：键盘、鼠标、触摸屏、光笔、作图板、条形码以及摄像机等。输出设备是将计算机中的信息转化为用户所需要的数据格式的设备 如：C
12、RT显示器、液晶显示器、击打式打印机、非击打式打印机、绘图机以及语音合成器等。,1.2.2 硬件系统结构 1. 以总线为基础的系统结构总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。,总 线,总 线,功能 内总线局部总线系统总线外总线,信息 地址总线数据总线控制总线,时序 同步总线异步总线,格式 并行总线串行总线,方向 单向总线双向总线,（1）以CPU为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,I/O 总线,M 总线,（2）单总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,（3）以M为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,M
13、总线,（4）多级总线结构,CPU,RAM,ROM,公共接口,总线控制逻辑,M扩展板,I/O接口板,局部总线,系统总线,2. 采用通道或IOP的大型系统结构（1）带通道的系统,I/O控制器,主机,I/O,通道,（2）带IOP的系统,CPU,M,接口,I/O,IOP,LM,接口,I/O,系统总线,I/O总线,3. 模型机系统结构,系 统 总 线,CPU,M,公共接口,接口,接口,I/O,I/O,第三节 计算机系统的性能指标,1. 基本字长指操作数的基本位数。它影响计算精度、指令功能。 2. 存储容量（1）主存容量指存储单元个数位数。,决定地址位数,表明编址单位,表示为：字数字长（按字编址）或字节数（按字节编址）,（2）外存容量常表示为字节数。外存容量与地址码位数无关。,3. 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（MHz）,总线位数总线时钟频率8,5. 处理功能（1）指令系统功能（寻址方式、指令类型）（2）系统软件配置,总线带宽 =,4. 数据传输率,（B/S）,
