初識計算機組成原理及簡介

COMPUTERORGANIZATION計算機組成原理北京科技大學信息學院

胡玥

計算機學院譚樂婷

《萬物簡史》

比爾.布萊森

“一個星球，一次試驗”。對待生命的最好方式，一是珍惜她的美好，二是要為她創(chuàng)造更多的價值。

《計算機組成原理》是計算機類學科本科教學中的一門重要專業(yè)基礎課。在專業(yè)教學計劃中占有重要地位和作用。它主要闡述構成一臺計算機的基本原理，包括計算機的結構組成、各個功能部件的作用、工作原理及設計方法。學習本課程旨在建立計算機系統(tǒng)的整體概念，對培養(yǎng)設計開發(fā)計算機系統(tǒng)的能力有重要作用。

《計算機組成原理》的先修課程為計算機導論、數(shù)字電路、匯編語言；后繼課程為操作系統(tǒng)、編譯原理等系列課程。

我們聊一聊為什么要學習計算機組成原理這門課程?課程有多難，能不能學好課程教學定位和教學要求教學大綱規(guī)定：講解單臺計算機的完整硬件系統(tǒng)的基本組成原理與內(nèi)部運行機制。單臺：非多機系統(tǒng)，亦非多處理機系統(tǒng)。完整：計算機整機、全部的功能部件?；荆翰灰欢ㄊ亲罡咝阅埽詈侠淼慕M成，而是最基礎、最必要的組成部分。概論知識結構計算機計算機系統(tǒng)的硬件結構計算機I/O系統(tǒng)總線存儲器運算器控制器知識結構數(shù)據(jù)運算部件計算機控制部件數(shù)據(jù)存儲部件接口線路數(shù)據(jù)輸入設備接口線路結果輸出設備數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線計算機主機計算機外圍設備計算機的CPU硬件系統(tǒng)由5個功能部件組成，是課程的核心內(nèi)容8計算機中的基本硬件系統(tǒng)組成原理的主要內(nèi)容計算機信息表示（指令、數(shù)據(jù)）運算器的算法、結構存儲器的結構及設計控制器的原理及設計I/O設備原理總線的原理與設計第１章概論1.1計算機的發(fā)展歷史1.4計算機系統(tǒng)的組織結構1.3計算機的軟件系統(tǒng)1.2計算機系統(tǒng)的硬件組成1.5

計算機的特點和性能指標約翰·馮·諾依曼JohnVonNeuman（1903－1957）美藉匈牙利人

開創(chuàng)了現(xiàn)代計算機理論，他的精髓貢獻是：2進制思想與程序內(nèi)存思想。他的主要著作收集在六卷《馮·諾依曼全集》中，1961年出版。

阿蘭·麥席森·圖靈AlanMathisonTuring（1912.6.23—1954.6.7）英國人“圖靈機”與“馮·諾伊曼機”齊名，被永遠載入計算機的發(fā)展史中。為表彰他的貢獻，專門設有一年一度的“圖靈獎”，頒發(fā)給最優(yōu)秀的電腦科學家。1.1計算機的發(fā)展史一、計算機的產(chǎn)生和發(fā)展1946年美國ENIAC1955年退役十進制運算180001500150301500多個電子管多個繼電器千瓦噸平方英尺(170平方米)5000次加法／秒（1）沒有存儲器；（2）它用布線接板進行控制，用手工搬動開關和拔插電纜來編程世界上第一臺電子計算機ENIAC(1946)ElectronicNumericalIntegratorAndComputer100000000

超大規(guī)模集成電路1978－現(xiàn)在五10000000

大規(guī)模集成電路1972－19771000000

中小規(guī)模集成電路1965－1971

200000

晶體管1958－1964

40000

電子管1946－1957

速度

/（次/秒）

硬件技術

時間

代三四二一硬件技術對計算機更新?lián)Q代的影響

電子管晶體管集成電路

IBM:BlueGene/L-eServerBlueGene

Solution212992個CPU最大平均速度478200GFLOPS超級計算機最權威的超級計算機排名的參考網(wǎng)址

微處理器芯片存儲器芯片1971年8位16位32位64位4位（intel4004）1970年256位1K位16K位64K位256K位1M位16M位64M位4K位4M位1.1二、微型計算機的出現(xiàn)和發(fā)展Intel公司的締造者之一GordonMoore提出：微芯片上集成的晶體管數(shù)目每三年翻兩番。Moore定律80808位1974年808616位1979年2.9萬個晶體管8028616位1982年13.4萬個晶體管8038632位1985年27.5萬個晶體管8048632位1989年120.0萬個晶體管Pentium64位（準）1993年310.0萬個晶體管PentiumPro64位（準）1995年550.0萬個晶體管PentiumⅡ64位（準）1997年750.0萬個晶體管PentiumⅢ64位（準）1999年950.0萬個晶體管PentiumⅣ64位2000年4200.0萬個晶體管Intel公司的典型微處理器產(chǎn)品2007年英特爾采用45nm工藝技術，芯片上可集成23億個晶體管。你可以在一根人類的頭發(fā)寬度上擺放2000多個45納米晶體管。你可以在一個針頭上擺放3萬多個45納米晶體管，加起來約合150萬納米。一個小數(shù)點(直徑約為0.1毫米或10萬納米)可填入2千多個45納米晶體管。一個45納米晶體管可在1秒鐘內(nèi)切換約3千億次。一個45納米晶體管開關一次所需時間，僅相當于以光速(每秒30萬公里)穿行0.1英寸所需的時間。例：已知X=5,Y=3,

求X+Y=？用計算機求解，需要解決：如何表示數(shù)據(jù)如何對數(shù)據(jù)進行運算處理需設置哪些部件來實現(xiàn)運算馮.諾依曼思想?計算機由五大部件組成?指令和數(shù)據(jù)用二進制形式表示?采用存儲程序方式馮·諾依曼計算機的特點算術運算邏輯運算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機器能識別的形式將結果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運行存儲器輸入設備運算器控制器輸出設備1.2計算機的硬件組成計算機部件間連接方法

☆在所有需要傳送數(shù)據(jù)的部件之間創(chuàng)建一條直接通路。（專用數(shù)據(jù)通路）

☆將所有需要傳送數(shù)據(jù)的各部件之間通過公共信息傳送線路連接．（總線方式數(shù)據(jù)通路）計算機各大部件之間連接

計算機的總線結構（小、微型機典型結構）：

目前許多計算機（主要指小、微型計算機）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。

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?？偩€方式

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ⅲ?/p>

數(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?？偩€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。大、中型機的典型結構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)WhatisaComputerSystem

專業(yè)用戶觀察到

的計算機硬件系統(tǒng)WhatisaComputerSystem存儲器設計思想馮·諾依曼結構的存儲器設計哈佛結構的存儲器設計由具有各類特殊功能的信息（程序）組成1.計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機的實體，如主機、外設等一、計算機的軟硬件概念硬件軟件1.3計算機系統(tǒng)1.4.1計算機的工作過程1.4計算機的工作過程與主要性能指標例如：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000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU

計算機工作過程a+b-c=?000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005aaa取數(shù)指令

計算機工作過程000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006abaa+b加法指令ab

計算機工作過程000001002003005006007008004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-c減法指令

計算機工作過程000001002003005006007008004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-c存數(shù)指令

計算機工作過程000001002003005006007008004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-cHALT停機指令

計算機工作過程a+b-c=?1.4.2計算機的主要性能指標基本字長數(shù)據(jù)通路寬度主存儲器容量運算速度1.機器字長CPU

一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)與CPU

中的寄存器位數(shù)有關。2.數(shù)據(jù)通路寬度（外部）數(shù)據(jù)總線一次能并行傳送信息的位數(shù)221

=

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