計算機組成原理第三版蔣本珊第1章概論課件

計算機組成原理bs.jiang@163.com計算機組成1學習指南本課程的性質

計算機組成原理是計算機科學與技術專業(yè)本科生的核心課程之一，是必修的專業(yè)基礎課。北京理工大學計算機學院學習指南本課程的性質北京理工大學計算機學院2本課程的地位本課程在計算機學科中處于承上啟下的地位，要求先修的課程有：

計算機科學導論數(shù)字電路學習指南北京理工大學計算機學院本課程的地位學習指南北京理工大學計算機學院3學習指南本課程的任務討論單機系統(tǒng)范圍內計算機各部件和系統(tǒng)的組成以及內部工作機制。通過學習，掌握計算機各大部件的組成原理、邏輯實現(xiàn)、設計方法及其互連構成整機系統(tǒng)的技術，并為后繼課程的學習打好基礎。北京理工大學計算機學院學習指南本課程的任務北京理工大學計算機學院4學習指南本課程的重點：五大基本部件的原理及實現(xiàn)。本課程的難點：各部件互連構成整機系統(tǒng)，即整機概念的建立。本課程的深廣度：主要討論計算機組成中具有共性的問題，要處理好抽象概念與具體實例的關系。北京理工大學計算機學院學習指南本課程的重點：五大基本部件的原理及實現(xiàn)。北京理工大學5學習指南

計算機學科專業(yè)基礎綜合考試涵蓋數(shù)據(jù)結構、計算機組成原理、操作系統(tǒng)和計算機網絡等學科專業(yè)基礎課程。要求考生比較系統(tǒng)地掌握上述專業(yè)基礎課程的概念、基本原理和方法，能夠運用所學的基本原理和基本方法分析、判斷和解決有關理論問題和實際問題。 數(shù)據(jù)結構45分 計算機組成原理45分 操作系統(tǒng)35分 計算機網絡25分北京理工大學計算機學院學習指南 計算機學科專業(yè)基礎綜合考試涵蓋數(shù)據(jù)結構、計算機組6學習指南考查目標： 理解單處理器計算機系統(tǒng)中各部件的內部工作原理、組成結構以及相互連接方式，具有完整的計算機系統(tǒng)的整機概念。 理解計算機系統(tǒng)層次化結構概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結構的基本知識和基本實現(xiàn)方法。 能夠綜合運用計算機組成的基本原理和基本方法，對有關計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行計算、分析，并能對一些基本部件進行簡單設計。北京理工大學計算機學院學習指南考查目標：北京理工大學計算機學院7學習指南參考書唐朔飛，計算機組成原理（第2版）高等教育出版社，北京，2008。蔣本珊，計算機組成原理學習指導與習題解析（第3版），北京，清華大學出版社，2014。北京理工大學計算機學院學習指南參考書北京理工大學計算機學院8第1章概論北京理工大學計算機學院第1章北京理工大學計算機學院9第1章

在本章中我們將從存儲程序的概念入手，討論計算機的基本組成與工作原理，使大家對于計算機系統(tǒng)先有一個簡單的整體概念，為今后深入討論各個部件打下基礎。北京理工大學計算機學院第1章在本章中我們將從存儲程序的概念入手，討10第1章1.1電子計算機與存儲程序控制1.2計算機的硬件組成1.3計算機系統(tǒng)1.4計算機的工作過程和主要性能指標北京理工大學計算機學院第1章1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機11

電子計算機是一種不需要人工直接干預，能夠自動、高速、準確的對各種信息進行處理和存儲的電子設備?？梢杂蟹请娮佑嬎銠C（如：光計算機、量子計算機、超導計算機等）?？梢杂蟹菙?shù)字計算機（如：模擬計算機）。1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機學院電子計算機是一種不需要人工直接干預，121.1.1電子計算機的發(fā)展世界上第一臺電子數(shù)字計算機是1946年2月問世的ENIAC。

ENIAC的設計開始于1943年,該機一直使用到1955年。1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機學院1.1.1電子計算機的發(fā)展1.1電子計算機與存儲程序控制北131.1電子計算機與存儲程序控制ENIAC的特點：采用十進制20個10位的累加器用開關手動編程18,000個電子管重30噸占地170平方米耗電170KW5,000次/秒加法運算

北京理工大學計算機學院1.1電子計算機與存儲程序控制ENIAC的特點：北京理工大141.1.2存儲程序概念美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾依曼等人在1945年6月提出存儲程序概念。1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機學院1.1.2存儲程序概念1.1電子計算機與存儲程序控制北京15存儲程序概念：⑴計算機（指硬件）應由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成；⑵計算機內部采用二進制來表示指令和數(shù)據(jù)；⑶將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，然后再啟動計算機工作，這就是存儲程序的基本含義。1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機學院存儲程序概念：1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計161.1電子計算機與存儲程序控制

EDVAC

馮·諾依曼設計的存儲程序計算機1951年誕生。

EDSAC事實上的第一臺存儲程序計算機1949年誕生。目前絕大多數(shù)計算機仍建立在存儲程序概念的基礎上，稱馮·諾依曼型計算機。也出現(xiàn)了一些突破馮·諾依曼結構的計算機，統(tǒng)稱非馮結構計算機，如：數(shù)據(jù)驅動的數(shù)據(jù)流計算機、需求驅動的歸約計算機和模式匹配驅動的智能計算機等。北京理工大學計算機學院1.1電子計算機與存儲程序控制ED17第1章1.1電子計算機與存儲程序控制1.2計算機的硬件組成1.3計算機系統(tǒng)1.4計算機的工作過程和主要性能指標北京理工大學計算機學院第1章1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機18中央處理器（CPU）

CPU=運算器+控制器主機主機=中央處理器+主存儲器外部設備除去主機以外的硬件裝置（如輸入設備、輸出設備、輔助存儲器等）1.2計算機的硬件組成注意北京理工大學計算機學院中央處理器（CPU）1.2計算機的硬件組成注意北京理工大學191.2計算機的硬件組成運算器控制器主存儲器輸入設備輸出設備輔助存儲器CPU控制數(shù)據(jù)地址或指令主機外設存儲器北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成運算器控制器主存儲器輸入設備輸出設備201.2計算機的硬件組成1.2.1計算機的主要部件

1.輸入設備輸入設備的任務是把人們編好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計算機中去，并且將它們轉換成計算機內部所能識別和接受的信息方式。常用的有鍵盤、鼠標、掃描儀等。

2.輸出設備輸出設備的任務是將計算機的處理結果以人或其他設備所能接受的形式送出計算機。常用的有顯示器、打印機、繪圖儀等。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成1.2.1計算機的主要部件北京理工211.2計算機的硬件組成3.存儲器存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，它是一個記憶裝置，也是計算機能夠實現(xiàn)“存儲程序控制”的基礎。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成3.存儲器北京理工大學計算機學院221.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器速度快慢三級存儲系統(tǒng)北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器速度快慢231.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲系統(tǒng)小大容量北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲241.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲系統(tǒng)貴賤價格/位北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲251.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器

主存儲器可由CPU直接訪問，用來存放當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。主存儲器主存儲器主存儲器北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存261.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器設置在主機外部，CPU不能直接訪問，用來存放暫時不參與運行的程序和數(shù)據(jù)，需要時再傳送到主存。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器271.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器CacheCacheCache高速緩沖存儲器（Cache）

CPU可以直接訪問，用來存放當前正在執(zhí)行的程序中的活躍部分（副本），以便快速地向CPU提供指令和數(shù)據(jù)。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器281.2計算機的硬件組成4.運算器運算器是對信息進行處理和運算的部件，經常進行的運算是算術運算和邏輯運算，因此運算器的核心是算術邏輯運算部件ALU。運算器中有若干個寄存器（如累加寄存器、暫存器等）。

5.控制器控制器是整個計算機的指揮中心?？刂破髦兄饕〞r序控制信號形成部件和一些專用的寄存器。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成4.運算器北京理工大學計算機學院291.2計算機的硬件組成1.2.2各大部件之間的連接將各大基本部件，按某種方式連接起來就構成了計算機的硬件系統(tǒng)。1.總線結構（小、微型機的典型結構）目前許多計算機的各大基本部件之間是用總線（Bus）連接起來的。

總線是一組能為多個部件服務的公共信息傳送線路，它能分時地發(fā)送與接收各部件的信息。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成1.2.2各大部件之間的連接北京理301.2計算機的硬件組成

總線特點：

共享分時小型、微型機的設計目標是以較小的硬件代價組成具有較強功能的系統(tǒng)，而總線結構正好能滿足這一要求。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成總線特點：北京理工大學計算機學311.2計算機的硬件組成接口接口外設外設…CPU主存儲器系統(tǒng)總線單總線結構北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成接口接口外設外設…CPU主存儲器系統(tǒng)321.2計算機的硬件組成

單總線并不是指只有一根信號線。系統(tǒng)總線按傳送信息的不同又可以細分為：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線（AddressBus）由單方向的多根信號線組成，用于CPU向主存、外設傳輸?shù)刂沸畔?；?shù)據(jù)總線（DataBus）由雙方向的多根信號線組成，CPU可以沿這些線從主存或外設讀入數(shù)據(jù)，也可以沿這些線向主存或外設送出數(shù)據(jù)；控制總線（ControlBus）上傳輸?shù)氖强刂菩畔?，包括CPU送出的控制命令和主存/外設反饋給CPU的狀態(tài)信號。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成單總線并不是331.2計算機的硬件組成2.大、中型計算機的典型結構大、中型計算機系統(tǒng)的設計目標更著重于系統(tǒng)功能的擴大與效率的提高。通道是承擔I/O操作管理的主要部件，主機可以連接多個通道，每個通道可以接一臺或幾臺設備控制器，每個設備控制器又可接一臺或幾臺外部設備，這樣整個系統(tǒng)就可以連接很多的外部設備。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成2.大、中型計算機的典型結構北京理工34第四級第三級第二級1.2計算機的硬件組成主存CPU通道通道設備控制器設備控制器設備控制器設備控制器外設外設外設外設外設外設外設外設主機…………………第一級北京理工大學計算機學院第四級第三級第二級1.2計算機的硬件組成主存CPU通道通道351.2計算機的硬件組成1.2.3不同對象觀察到的計算機硬件系統(tǒng)

一般用戶觀察到的計算機硬件系統(tǒng)北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成1.2.3不同對象觀察到的計算機361.2計算機的硬件組成

專業(yè)用戶觀察到的計算機硬件系統(tǒng)

北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成專業(yè)用戶觀察到371.2計算機的硬件組成

計算機設計者觀察到的計算機硬件系統(tǒng)

北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成計算機設計者觀381.2.4馮·諾依曼結構和哈佛結構的存儲器設計思想1.馮·諾伊曼結構馮·諾依曼結構也稱普林斯頓結構，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結構。指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置。使用馮·諾伊曼結構的中央處理器有很多。如Intel公司的80X86、ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS等都采用了馮·諾伊曼結構。1.2計算機的硬件組成北京理工大學計算機學院1.2.4馮·諾依曼結構和哈佛結構的存儲器設計思想1.2391.2計算機的硬件組成馮·諾依曼結構的存儲器設計北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成馮·諾依曼結構的存儲器設計北京理工402.哈佛結構哈佛結構是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結構。CPU首先到指令存儲器中讀取指令內容，譯碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。1.2計算機的硬件組成北京理工大學計算機學院2.哈佛結構1.2計算機的硬件組成北京理工大學計算機學院41哈佛結構的處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其指令和數(shù)據(jù)分開組織和存儲的，執(zhí)行時可以預先讀取下一條指令。目前使用哈佛結構的中央處理器也有很多，如MOTOROLA公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。微機中的L1Cache采用的是哈佛結構，即分為指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。1.2計算機的硬件組成北京理工大學計算機學院哈佛結構的處理器通常具有較高的執(zhí)行效42哈佛結構的存儲器設計1.2計算機的硬件組成北京理工大學計算機學院哈佛結構的存儲器設計1.2計算機的硬件組成北京理工大學計43第1章1.1電子計算機與存儲程序控制1.2計算機的硬件組成1.3計算機系統(tǒng)1.4計算機的工作過程和主要性能指標北京理工大學計算機學院第1章1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機441.3計算機系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)=硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng)硬件通常是指一切看得見，摸得到的設備實體；軟件通常是泛指各類程序和文件，它們實際上是由一些算法以及其在計算機中的表示所構成的。

注意北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)=硬件系451.3計算機系統(tǒng)1.3.1硬件與軟件的關系硬件是計算機系統(tǒng)的物質基礎，軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂。硬件和軟件是相輔相成的，不可分割的整體。當前計算機的硬件和軟件正朝著互相滲透，互相融合的方向發(fā)展，在計算機系統(tǒng)中沒有一條明確的硬件與軟件的分界線。硬件和軟件之間的界面是浮動的，對于程序設計人員來說，硬件和軟件在邏輯上是等價的。北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)1.3.1硬件與軟件的關系北京理工大學計461.3計算機系統(tǒng)

硬件軟化：原來由硬件實現(xiàn)的操作改由軟件來實現(xiàn)。它可以增強系統(tǒng)的功能和適應性。軟件硬化：原來由軟件實現(xiàn)的操作改由硬件來實現(xiàn)。它可以顯著降低軟件在時間上的開銷。北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)硬件軟化：原來由硬471.3計算機系統(tǒng)

固件是指那些存儲在能永久保存信息的器件（如ROM）中的程序，是具有軟件功能的硬件。固件的性能指標介于硬件與軟件之間，吸收了軟、硬件各自的優(yōu)點，其執(zhí)行速度快于軟件，靈活性優(yōu)于硬件，是軟、硬件結合的產物，計算機功能的固件化將成為計算機發(fā)展中的一個趨勢。北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)固件是指那些存儲在481.3計算機系統(tǒng)1.3.2系列機和軟件兼容系列機是指一個廠家生產的，具有相同的系統(tǒng)結構，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。系列機應在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、字符編碼、中斷系統(tǒng)、控制方式、輸入/輸出操作方式等方面保持統(tǒng)一，從而保證軟件的兼容性。軟件兼容：向上兼容 向下兼容 向前兼容 向后兼容√√北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)1.3.2系列機和軟件兼容√√北京理工大491.3計算機系統(tǒng)北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)北京理工大學計算機學院501.3計算機系統(tǒng)1.3.3計算機系統(tǒng)的多層次結構現(xiàn)代計算機系統(tǒng)是一個硬件與軟件組成的綜合體，我們可以把它看成是按功能劃分的多級層次結構。微程序級（實際機器）機器語言級（實際機器）匯編語言級（虛擬機器）應用語言級（虛擬機器）高級語言級（虛擬機器）操作系統(tǒng)級（虛擬機器）硬操作時序（實際機器）第0級第1級第2級第3級第4級第5級第6級硬聯(lián)邏輯（實際機器）微程序級（實際機器）機器語言級（實際機器）操作系統(tǒng)級（虛擬機器）匯編語言級（虛擬機器）高級語言級（虛擬機器）應用語言級（虛擬機器）硬聯(lián)邏輯微程序操作系統(tǒng)匯編程序編譯程序應用程序北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)1.3.3計算機系統(tǒng)的多層次結構微程序級511.3計算機系統(tǒng)1.3.4實際機器和虛擬機器對每一個機器級的用戶來說，都可以將此機器級看成是一臺獨立的使用自己特有的“機器語言”的機器。在計算機系統(tǒng)的多層次結構中，除第0、1、2級外，上面四級均為虛擬機。虛擬計算機是指這個計算機只對該級的觀察者存在。對某一層次的觀察者來說，他只能是通過該層次的語言來了解和使用計算機，至于下層是如何工作和實現(xiàn)的就不必關心了。簡而言之，虛擬計算機是指以軟件或以軟件為主實現(xiàn)的機器。北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)1.3.4實際機器和虛擬機器北京理工大學52第1章1.1電子計算機與存儲程序控制1.2計算機的硬件組成1.3計算機系統(tǒng)1.4計算機的工作過程和主要性能指標北京理工大學計算機學院第1章1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機531.4計算機的工作過程和主要性能指標1.4.1計算機的工作過程

將編制好的程序放在主存中，由控制器控制逐條取出指令執(zhí)行，以計算a+b-c=?為例加以說明。設a、b、c為已知的3個數(shù)，分別存放在主存的5～7號單元中，結果將存放在主存的8號單元。北京理工大學計算機學院1.4計算機的工作過程和主要性能指標1.4.1計算機的工54000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計算機的工作過程和主要性能指標北京理工大學計算機學院000001002003005006007008004主存b55000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計算機的工作過程和主要性能指標LOAD005aaa取數(shù)指令北京理工大學計算機學院000001002003005006007008004主存b56000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計算機的工作過程和主要性能指標LOAD005ADD006abaa+b加法指令ab北京理工大學計算機學院000001002003005006007008004主存b57000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bb1.4計算機的工作過程和主要性能指標SUB007cca+b-c減法指令北京理工大學計算機學院000001002003005006007008004主存b58000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-c1.4計算機的工作過程和主要性能指標STORE008a+b-ca+b-ca+b-c存數(shù)指令北京理工大學計算機學院000001002003005006007008004主存b59000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-cSTORE008a+b-ca+b-ca+b-c1.4計算機的工作過程和主要性能指標HALT停機指令北京理工大學計算機學院000001002003005006007008004主存b601.4計算機的工作過程和主要性能指標1.4.2計算機的主要性能指標

1.機器字長

機器字長是指參與運算的數(shù)的基本位數(shù)，它是由加法器、寄存器、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)決定的。在計算機中為了更靈活地表達和處理信息，許多計算機又以字節(jié)（Byte）為基本單位，一個字節(jié)等于8位二進制位（bit）。不同的計算機，字（Word）可以不相同，但對于系列機來說，在同一系列中，字卻是固定的，如80X86系列中，一個字等于16位；IBM303X系列中，一個字等于32位。北京理工大學計算機學院1.4計算機的工作過程和主要性能指標1.4.2計算機的主611.4計算機的工作過程和主要性能指標2.數(shù)據(jù)通路寬度

數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送信息的位數(shù)，稱為數(shù)據(jù)通路寬度。它影響到信息的傳送能力，從而影響計算機的有效處理速度。這里所說的數(shù)據(jù)通路寬度是指外部數(shù)據(jù)總線的寬度，它與CPU內部的數(shù)據(jù)總線寬度（內部寄存器的大?。┯锌赡懿煌?、外數(shù)據(jù)通路寬度相等的CPU有：Intel8086、80286、80486等；外部＜內部的CPU有：8088、80386SX等；外部＞內部的CPU有：Pentium等。北京理工大學計算機學院1.4計算機的工作過程和主要性能指標2.數(shù)據(jù)通路寬度北621.4計算機的工作過程和主要性能指標3.主存容量

一個主存儲器所能存儲的全部信息量稱為主存容量。衡量主存容量單位有兩種：①字節(jié)數(shù)。這類計算機稱為字節(jié)編址的計算機。每1024個字節(jié)稱為1K字節(jié)（210=1K），每1024K字節(jié)稱為1M字節(jié)（220=1M），每1024M字節(jié)稱為1G字節(jié)（230=1G），每1024G字節(jié)稱為1T字節(jié)（240=1T）。②字數(shù)×字長。這類計算機稱為字編址的計算機。如：4096×16表示存儲器有4096個存儲單元，每個存儲單元字長為16位。北京理工大學計算機學院1.4計算機的工作過程和主要性能指標3.主存容量北京理631.4計算機的工作過程和主要性能指標4.運算速度(1)吞吐量和響應時間 吞吐量是指系統(tǒng)在單位時間內處理請求的數(shù)量。響應時間是指系統(tǒng)對請求作出響應的時間，響應時間包括CPU時間（運行一個程序所花費的時間）與等待時間（用于磁盤訪問、存儲器訪問、I/O操作、操作系統(tǒng)開銷等時間）的總和。北京理工大學計算機學院1.4計算機的工作過程和主要性能指標4.運算速度北京理64(2)主頻和CPU時鐘周期

CPU的主頻又稱為時鐘頻率，表示在CPU內數(shù)字脈沖信號振蕩的速度。主頻的倒數(shù)就是CPU時鐘周期，這是CPU中最小的時間元素。(3)CPI CPI（CyclesperInstruction）就是每條指令執(zhí)行所用的時鐘周期數(shù)。1.4計算機的工作過程和主要性能指標北京理工大學計算機學院(2)主頻和CPU時鐘周期1.4計算機的工作過程和主要性能651.4計算機的工作過程和主要性能指標(4)MIPS和MFLOPS MIPS表示每秒百萬條指令。

MFLOPS每秒表示百萬次浮點運算。

MIPS==

MFLOPS=

北京理工大學計算機學院1.4計算機的工作過程和主要性能指標(4)MIPS和M66第1章小結1.1電子計算機與存儲程序控制存儲程序概念主機1.2計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機的五大基本部件總線結構大、中型機的典型結構馮·諾依曼結構和哈佛結構

北京理工大學計算機學院第1章小結1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算67第1章小結1.3計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)硬件和軟件的關系系列機概念軟件兼容固件的概念虛擬機概念1.4計算機的工作過程和主要性能指標主要性能指標機器字長、數(shù)據(jù)通路寬度、主存容量北京理工大學計算機學院第1章小結1.3計算機系統(tǒng)北京理工大學計算機學院68計算機組成原理bs.jiang@163.com計算機組成69學習指南本課程的性質

計算機組成原理是計算機科學與技術專業(yè)本科生的核心課程之一，是必修的專業(yè)基礎課。北京理工大學計算機學院學習指南本課程的性質北京理工大學計算機學院70本課程的地位本課程在計算機學科中處于承上啟下的地位，要求先修的課程有：

計算機科學導論數(shù)字電路學習指南北京理工大學計算機學院本課程的地位學習指南北京理工大學計算機學院71學習指南本課程的任務討論單機系統(tǒng)范圍內計算機各部件和系統(tǒng)的組成以及內部工作機制。通過學習，掌握計算機各大部件的組成原理、邏輯實現(xiàn)、設計方法及其互連構成整機系統(tǒng)的技術，并為后繼課程的學習打好基礎。北京理工大學計算機學院學習指南本課程的任務北京理工大學計算機學院72學習指南本課程的重點：五大基本部件的原理及實現(xiàn)。本課程的難點：各部件互連構成整機系統(tǒng)，即整機概念的建立。本課程的深廣度：主要討論計算機組成中具有共性的問題，要處理好抽象概念與具體實例的關系。北京理工大學計算機學院學習指南本課程的重點：五大基本部件的原理及實現(xiàn)。北京理工大學73學習指南

計算機學科專業(yè)基礎綜合考試涵蓋數(shù)據(jù)結構、計算機組成原理、操作系統(tǒng)和計算機網絡等學科專業(yè)基礎課程。要求考生比較系統(tǒng)地掌握上述專業(yè)基礎課程的概念、基本原理和方法，能夠運用所學的基本原理和基本方法分析、判斷和解決有關理論問題和實際問題。 數(shù)據(jù)結構45分 計算機組成原理45分 操作系統(tǒng)35分 計算機網絡25分北京理工大學計算機學院學習指南 計算機學科專業(yè)基礎綜合考試涵蓋數(shù)據(jù)結構、計算機組74學習指南考查目標： 理解單處理器計算機系統(tǒng)中各部件的內部工作原理、組成結構以及相互連接方式，具有完整的計算機系統(tǒng)的整機概念。 理解計算機系統(tǒng)層次化結構概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結構的基本知識和基本實現(xiàn)方法。 能夠綜合運用計算機組成的基本原理和基本方法，對有關計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行計算、分析，并能對一些基本部件進行簡單設計。北京理工大學計算機學院學習指南考查目標：北京理工大學計算機學院75學習指南參考書唐朔飛，計算機組成原理（第2版）高等教育出版社，北京，2008。蔣本珊，計算機組成原理學習指導與習題解析（第3版），北京，清華大學出版社，2014。北京理工大學計算機學院學習指南參考書北京理工大學計算機學院76第1章概論北京理工大學計算機學院第1章北京理工大學計算機學院77第1章

在本章中我們將從存儲程序的概念入手，討論計算機的基本組成與工作原理，使大家對于計算機系統(tǒng)先有一個簡單的整體概念，為今后深入討論各個部件打下基礎。北京理工大學計算機學院第1章在本章中我們將從存儲程序的概念入手，討78第1章1.1電子計算機與存儲程序控制1.2計算機的硬件組成1.3計算機系統(tǒng)1.4計算機的工作過程和主要性能指標北京理工大學計算機學院第1章1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機79

電子計算機是一種不需要人工直接干預，能夠自動、高速、準確的對各種信息進行處理和存儲的電子設備?？梢杂蟹请娮佑嬎銠C（如：光計算機、量子計算機、超導計算機等）?？梢杂蟹菙?shù)字計算機（如：模擬計算機）。1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機學院電子計算機是一種不需要人工直接干預，801.1.1電子計算機的發(fā)展世界上第一臺電子數(shù)字計算機是1946年2月問世的ENIAC。

ENIAC的設計開始于1943年,該機一直使用到1955年。1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機學院1.1.1電子計算機的發(fā)展1.1電子計算機與存儲程序控制北811.1電子計算機與存儲程序控制ENIAC的特點：采用十進制20個10位的累加器用開關手動編程18,000個電子管重30噸占地170平方米耗電170KW5,000次/秒加法運算

北京理工大學計算機學院1.1電子計算機與存儲程序控制ENIAC的特點：北京理工大821.1.2存儲程序概念美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾依曼等人在1945年6月提出存儲程序概念。1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機學院1.1.2存儲程序概念1.1電子計算機與存儲程序控制北京83存儲程序概念：⑴計算機（指硬件）應由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成；⑵計算機內部采用二進制來表示指令和數(shù)據(jù)；⑶將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，然后再啟動計算機工作，這就是存儲程序的基本含義。1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機學院存儲程序概念：1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計841.1電子計算機與存儲程序控制

EDVAC

馮·諾依曼設計的存儲程序計算機1951年誕生。

EDSAC事實上的第一臺存儲程序計算機1949年誕生。目前絕大多數(shù)計算機仍建立在存儲程序概念的基礎上，稱馮·諾依曼型計算機。也出現(xiàn)了一些突破馮·諾依曼結構的計算機，統(tǒng)稱非馮結構計算機，如：數(shù)據(jù)驅動的數(shù)據(jù)流計算機、需求驅動的歸約計算機和模式匹配驅動的智能計算機等。北京理工大學計算機學院1.1電子計算機與存儲程序控制ED85第1章1.1電子計算機與存儲程序控制1.2計算機的硬件組成1.3計算機系統(tǒng)1.4計算機的工作過程和主要性能指標北京理工大學計算機學院第1章1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機86中央處理器（CPU）

CPU=運算器+控制器主機主機=中央處理器+主存儲器外部設備除去主機以外的硬件裝置（如輸入設備、輸出設備、輔助存儲器等）1.2計算機的硬件組成注意北京理工大學計算機學院中央處理器（CPU）1.2計算機的硬件組成注意北京理工大學871.2計算機的硬件組成運算器控制器主存儲器輸入設備輸出設備輔助存儲器CPU控制數(shù)據(jù)地址或指令主機外設存儲器北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成運算器控制器主存儲器輸入設備輸出設備881.2計算機的硬件組成1.2.1計算機的主要部件

1.輸入設備輸入設備的任務是把人們編好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計算機中去，并且將它們轉換成計算機內部所能識別和接受的信息方式。常用的有鍵盤、鼠標、掃描儀等。

2.輸出設備輸出設備的任務是將計算機的處理結果以人或其他設備所能接受的形式送出計算機。常用的有顯示器、打印機、繪圖儀等。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成1.2.1計算機的主要部件北京理工891.2計算機的硬件組成3.存儲器存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，它是一個記憶裝置，也是計算機能夠實現(xiàn)“存儲程序控制”的基礎。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成3.存儲器北京理工大學計算機學院901.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器速度快慢三級存儲系統(tǒng)北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器速度快慢911.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲系統(tǒng)小大容量北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲921.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲系統(tǒng)貴賤價格/位北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲931.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器

主存儲器可由CPU直接訪問，用來存放當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。主存儲器主存儲器主存儲器北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存941.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器設置在主機外部，CPU不能直接訪問，用來存放暫時不參與運行的程序和數(shù)據(jù)，需要時再傳送到主存。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器951.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器CacheCacheCache高速緩沖存儲器（Cache）

CPU可以直接訪問，用來存放當前正在執(zhí)行的程序中的活躍部分（副本），以便快速地向CPU提供指令和數(shù)據(jù)。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器961.2計算機的硬件組成4.運算器運算器是對信息進行處理和運算的部件，經常進行的運算是算術運算和邏輯運算，因此運算器的核心是算術邏輯運算部件ALU。運算器中有若干個寄存器（如累加寄存器、暫存器等）。

5.控制器控制器是整個計算機的指揮中心?？刂破髦兄饕〞r序控制信號形成部件和一些專用的寄存器。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成4.運算器北京理工大學計算機學院971.2計算機的硬件組成1.2.2各大部件之間的連接將各大基本部件，按某種方式連接起來就構成了計算機的硬件系統(tǒng)。1.總線結構（小、微型機的典型結構）目前許多計算機的各大基本部件之間是用總線（Bus）連接起來的。

總線是一組能為多個部件服務的公共信息傳送線路，它能分時地發(fā)送與接收各部件的信息。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成1.2.2各大部件之間的連接北京理981.2計算機的硬件組成

總線特點：

共享分時小型、微型機的設計目標是以較小的硬件代價組成具有較強功能的系統(tǒng)，而總線結構正好能滿足這一要求。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成總線特點：北京理工大學計算機學991.2計算機的硬件組成接口接口外設外設…CPU主存儲器系統(tǒng)總線單總線結構北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成接口接口外設外設…CPU主存儲器系統(tǒng)1001.2計算機的硬件組成

單總線并不是指只有一根信號線。系統(tǒng)總線按傳送信息的不同又可以細分為：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線（AddressBus）由單方向的多根信號線組成，用于CPU向主存、外設傳輸?shù)刂沸畔?；?shù)據(jù)總線（DataBus）由雙方向的多根信號線組成，CPU可以沿這些線從主存或外設讀入數(shù)據(jù)，也可以沿這些線向主存或外設送出數(shù)據(jù)；控制總線（ControlBus）上傳輸?shù)氖强刂菩畔?，包括CPU送出的控制命令和主存/外設反饋給CPU的狀態(tài)信號。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成單總線并不是1011.2計算機的硬件組成2.大、中型計算機的典型結構大、中型計算機系統(tǒng)的設計目標更著重于系統(tǒng)功能的擴大與效率的提高。通道是承擔I/O操作管理的主要部件，主機可以連接多個通道，每個通道可以接一臺或幾臺設備控制器，每個設備控制器又可接一臺或幾臺外部設備，這樣整個系統(tǒng)就可以連接很多的外部設備。北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成2.大、中型計算機的典型結構北京理工102第四級第三級第二級1.2計算機的硬件組成主存CPU通道通道設備控制器設備控制器設備控制器設備控制器外設外設外設外設外設外設外設外設主機…………………第一級北京理工大學計算機學院第四級第三級第二級1.2計算機的硬件組成主存CPU通道通道1031.2計算機的硬件組成1.2.3不同對象觀察到的計算機硬件系統(tǒng)

一般用戶觀察到的計算機硬件系統(tǒng)北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成1.2.3不同對象觀察到的計算機1041.2計算機的硬件組成

專業(yè)用戶觀察到的計算機硬件系統(tǒng)

北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成專業(yè)用戶觀察到1051.2計算機的硬件組成

計算機設計者觀察到的計算機硬件系統(tǒng)

北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成計算機設計者觀1061.2.4馮·諾依曼結構和哈佛結構的存儲器設計思想1.馮·諾伊曼結構馮·諾依曼結構也稱普林斯頓結構，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結構。指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置。使用馮·諾伊曼結構的中央處理器有很多。如Intel公司的80X86、ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS等都采用了馮·諾伊曼結構。1.2計算機的硬件組成北京理工大學計算機學院1.2.4馮·諾依曼結構和哈佛結構的存儲器設計思想1.21071.2計算機的硬件組成馮·諾依曼結構的存儲器設計北京理工大學計算機學院1.2計算機的硬件組成馮·諾依曼結構的存儲器設計北京理工1082.哈佛結構哈佛結構是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結構。CPU首先到指令存儲器中讀取指令內容，譯碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。1.2計算機的硬件組成北京理工大學計算機學院2.哈佛結構1.2計算機的硬件組成北京理工大學計算機學院109哈佛結構的處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其指令和數(shù)據(jù)分開組織和存儲的，執(zhí)行時可以預先讀取下一條指令。目前使用哈佛結構的中央處理器也有很多，如MOTOROLA公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。微機中的L1Cache采用的是哈佛結構，即分為指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。1.2計算機的硬件組成北京理工大學計算機學院哈佛結構的處理器通常具有較高的執(zhí)行效110哈佛結構的存儲器設計1.2計算機的硬件組成北京理工大學計算機學院哈佛結構的存儲器設計1.2計算機的硬件組成北京理工大學計111第1章1.1電子計算機與存儲程序控制1.2計算機的硬件組成1.3計算機系統(tǒng)1.4計算機的工作過程和主要性能指標北京理工大學計算機學院第1章1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機1121.3計算機系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)=硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng)硬件通常是指一切看得見，摸得到的設備實體；軟件通常是泛指各類程序和文件，它們實際上是由一些算法以及其在計算機中的表示所構成的。

注意北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)=硬件系1131.3計算機系統(tǒng)1.3.1硬件與軟件的關系硬件是計算機系統(tǒng)的物質基礎，軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂。硬件和軟件是相輔相成的，不可分割的整體。當前計算機的硬件和軟件正朝著互相滲透，互相融合的方向發(fā)展，在計算機系統(tǒng)中沒有一條明確的硬件與軟件的分界線。硬件和軟件之間的界面是浮動的，對于程序設計人員來說，硬件和軟件在邏輯上是等價的。北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)1.3.1硬件與軟件的關系北京理工大學計1141.3計算機系統(tǒng)

硬件軟化：原來由硬件實現(xiàn)的操作改由軟件來實現(xiàn)。它可以增強系統(tǒng)的功能和適應性。軟件硬化：原來由軟件實現(xiàn)的操作改由硬件來實現(xiàn)。它可以顯著降低軟件在時間上的開銷。北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)硬件軟化：原來由硬1151.3計算機系統(tǒng)

固件是指那些存儲在能永久保存信息的器件（如ROM）中的程序，是具有軟件功能的硬件。固件的性能指標介于硬件與軟件之間，吸收了軟、硬件各自的優(yōu)點，其執(zhí)行速度快于軟件，靈活性優(yōu)于硬件，是軟、硬件結合的產物，計算機功能的固件化將成為計算機發(fā)展中的一個趨勢。北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)固件是指那些存儲在1161.3計算機系統(tǒng)1.3.2系列機和軟件兼容系列機是指一個廠家生產的，具有相同的系統(tǒng)結構，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。系列機應在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、字符編碼、中斷系統(tǒng)、控制方式、輸入/輸出操作方式等方面保持統(tǒng)一，從而保證軟件的兼容性。軟件兼容：向上兼容 向下兼容 向前兼容 向后兼容√√北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)1.3.2系列機和軟件兼容√√北京理工大1171.3計算機系統(tǒng)北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)北京理工大學計算機學院1181.3計算機系統(tǒng)1.3.3計算機系統(tǒng)的多層次結構現(xiàn)代計算機系統(tǒng)是一個硬件與軟件組成的綜合體，我們可以把它看成是按功能劃分的多級層次結構。微程序級（實際機器）機器語言級（實際機器）匯編語言級（虛擬機器）應用語言級（虛擬機器）高級語言級（虛擬機器）操作系統(tǒng)級（虛擬機器）硬操作時序（實際機器）第0級第1級第2級第3級第4級第5級第6級硬聯(lián)邏輯（實際機器）微程序級（實際機器）機器語言級（實際機器）操作系統(tǒng)級（虛擬機器）匯編語言級（虛擬機器）高級語言級（虛擬機器）應用語言級（虛擬機器）硬聯(lián)邏輯微程序操作系統(tǒng)匯編程序編譯程序應用程序北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)1.3.3計算機系統(tǒng)的多層次結構微程序級1191.3計算機系統(tǒng)1.3.4實際機器和虛擬機器對每一個機器級的用戶來說，都可以將此機器級看成是一臺獨立的使用自己特有的“機器語言”的機器。在計算機系統(tǒng)的多層次結構中，除第0、1、2級外，上面四級均為虛擬機。虛擬計算機是指這個計算機只對該級的觀察者存在。對某一層次的觀察者來說，他只能是通過該層次的語言來了解和使用計算機，至于下層是如何工作和實現(xiàn)的就不必關心了。簡而言之，虛擬計算機是指以軟件或以軟件為主實現(xiàn)的機器。北京理工大學計算機學院1.3計算機系統(tǒng)1.3.4實際機器和虛擬機器北京理工大學120第1章1.1電子計算機與存儲程序控制1.2計算機的硬件組成1.3計算機系統(tǒng)1.4計算機的工作過程和主要性能指標北京理工大學計算機學院第1章1.1電子計算機與存儲程序控制北京理工大學計算機1211.4計算機的工作過程和主要性能指標1.4.1計算機的工作過程

將編制好的程序放在主存中，由控制器控制逐條取出指令執(zhí)行，以計算a+b-c=?為例加以說明。設a、b、c為已知的3個數(shù)，分別存放在主存的5～7號單元中，結果將存放在主存的8號單元。北京理工大學計算機學院1.4計算機的工作過程和主要性能指標1.4.1計算機的工122000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計算機的工作過程和主要性能指標北京理工大學計算機學院000001002003005006007008004主存b123000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計算機的工作過程和主要性能指標LOAD005aaa取數(shù)指令北京理工大學計算機學院000001002003005006007008004主存b124000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計算機的工作過程和主要性能指標LOAD005ADD006abaa+b加法指令ab北京理工大學計算機學院000001002003005006007008004主存b125000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bb1.4計算機的工作過程和主要性能指標SUB007cca+b-c減法指令北京理工大學計算機學院000001002003005006007008004主存b126000001002003005006