1、计算机组成原理,理论学时：64实验学时：0开课周数：1-16上课时间：周一5、6节 逸夫楼 十二阶 周三7、8节 逸夫楼 十一阶,刘小华计算智能教研室,任务：以单机系统为对象，阐述计算机系统的硬件组成,目的：建立对计算机系统的整机概念,两种角度：计算机组织、计算机结构,计算机组织：（硬件特性的具体实现）,对于硬件设计者，需要注意计算机硬件系统的具体实现，包括哪些组成部件，它们的工作原理、逻辑实现、设计方法，以及将它们连接成整机的方法,计算机结构：(系统的概念结构与功能特性),指系统程序员与用汇编语言编写程序的用户所看到的硬件系统概念结构与功能特性。,功能特性：(从硬件与软件交界面)硬件能实现哪
2、些功能，能为软件提供哪些硬件支持。,概念结构模型：了解计算机的组织结构，着眼于与功能特性有关的结构，不必着眼于硬件实现。,融为一体：,分别讨论各组成部件原理及整机连接基线,同时注意其软硬件功能分配与届面关系，抽象出有关的概念模型。,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 诺依曼思想,第一台计算机：ENIAC（1946.2.15），宾西法尼亚大学，墨尔本部，电子数字积分与计算器（Electronic Numerical Integrator and Calculator),特点： 1）十进制；2）
3、存储器：20个单元存储数据； 3）编程：由导线控制，面板上6000多个开关，通过设置开关和拔插导线来设置 4）18800多个电子管，1500多个继电器，重30吨，耗电150千瓦，占地150m2，运行时间20分钟，5000次/秒，12天运算一个新题目,编写程序,输入程序,存储程序,转换程序为指令序列,执行指令,输出结果,计算机工作流程,两个问题：,第一：信息如何表示？,第二：什么工作方式？,第一节 计算机的基本概念,1.1.1 冯 诺依曼思想,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。,1.1.2
4、 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（7位ASCII码）,A,B,表示为 1000001,表示为 1000010,例3 用数字代码表示命令、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
5、 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。,输入设备,运算器,存储器,控制器,输出设备,程序、数据,数据,指令,命令、状态,命令、状态,结果,第二节 计算机系统的硬件组成,第二节 计算机系统的硬件组成,1.2.1 主要功能部件,1. CPU,（1） 运算器 1）功能：加工信息。,2）组成：,由运算器、控制器组成。,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,A
6、LU,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。,3）讨论 几种典型的运算器组成 几种主要的运算方法（定、浮）,（2）控制器 1）功能：产生控制命令(微命令)，控制全机操作。 2）组成：,微命令序列,微命令产生方式(指令执行控制方式):,3）讨论,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,两种控制器组成原理与控制机制；模型机的数据通路结构和指令执行
7、过程。,2. 存储器,1）功能: 存储信息。2）组成(主存储器):, 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. 输入/输出设备 1）功能：转换信息。,输入: 原始信息,代码，送入主机,输出: 处理结果,人所能接受的形式, 并输出,（代码）,2）讨论 显示器的工作原理和信息转换过程。,3）讨论 存储单元读/写原理、存储器逻辑设计,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
8、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 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
9、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,4. 讨论 接口： 中断接口、DMA接口 总线：分类、信号组成,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）,
