计算机组成原理 1
计 算 机 组 成 原 理
第一讲
2009年 11月 10日
计算机系统概述
计算机组成原理 2
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的层次结构
计算机系统的基本构成
计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理 3
将回答,
本课程重要吗?
计算机硬件有哪些基本部件构成?
计算机系统如何构成?
本课程中探讨问题的前提?
计算机组成原理 4
课程简介
课程性质与地位,
专业基础必修课程,承上启下
课程目的与任务,
建立计算机硬件系统的完整概念,以单
机系统为研究对象,阐述计算机系统的硬
件组成以及各部件的工作原理
计算机组成原理 5
课程主要内容
1、计算机系统概论
2、逻辑电路设计基础
3、信息编码和数据表示
4、计算机算法和算法逻辑实现
5、存储器
6、计算机指令构成和寻址方式
7、处理机设计
8、流水线处理机
9、存储系统
11、输入输出系统
10、输入输出设备
计算机组成原理 6
主要教学环节
课堂教学, 64学时
实验教学, 16学时
实验内容:
运算器实验 存储器实验 微控制器实验 基本模型机设计
考试,笔试成绩 + 实验成绩 + 平时成绩
本课程重要吗?
计算机组成原理 7
教材:
郑纬民, 计算机组成和设计 -硬件 /软件接口 ( 第二版 ), 。 清华大学
出版社
王 爱英,, 计算 机组 成与结 构,, 清华大 学出 版社,1 98 9
江义鹏,, 计 算 机 组 成 原 理,, 人 民 邮 电 出 版 社, 1 9 8 8
俸远祯,,计算机组成原理,,电子工业出版社
李亚民,,计算机组成与系统结构,,清华大学出版社,2000年
袁开榜,,计算机组成原理, 高等教育出版社
白中英, 韩兆轩编,,计算机组成原理,,科学出版社
唐朔飞,,电子数字计算机原理,,哈尔滨工业大学出版社参考书:
邹海明,《计算机组织与结构,.电子工业出版社,1993年,版
Computer organization & design (the hardware/software
interface) (second edition)
David A,Patterson John L,
Hennessy 参考教材:
计算机组成原理 8
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的层次结构
计算机系统的基本构成
计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理 9
计算机系统的基本构成
主存 I/O接口
运算器 控制器 内部寄存器组
CPU 系统总线
主机
辅存 I/O设备
外设
计算机硬件
计算机系统
计算机软件
计算机组成原理 10
计算机系统的基本构成
系统软件 应用软件
计算机软件
计算机系统
计算机硬件
操作系统
语言处理程序
诊断程序
各种标准程序库
。。。
MIS
ERP
OFFICE
OUTLOOK
。。。
计算机组成原理 11
计算机软件 ( Software):
是指能使计算机工作的程序和程序运行时所需
要的数据,以及与这些程序和数据有关的文字说明
和图表资料,其中文字说明和图表资料又称为文档。
程序 +数据 +文档
计算机硬件 ( Hardware):
是指构成计算机的所有实体部件的集合,通常这
些部件由电路(电子元件)、机械等物理部件组成。
计算机硬件指可触摸得到的物理设备实体
计算机组成原理 12
( 1)系统软件:为用户便于使用和管理计算机
而编制的程序,由系统设计者和厂家提供。
?面向计算机本身的软件 --OS,故障处理程序等
?面向计算机维护人员的软件 --调试、纠错、测试程序等
?面向用户的软件 --汇编、编译和解释程序,DBMS等
( 2)应用软件:为解决某个应用领域的具体任
务而编制的程序
计算机软件 ( Software):
计算机组成原理 13
CPU
主存 外设
系统
总 线
计算机组成
内部
总 线
控制器
运算器 寄存
器组
CPU组成
总线系统:各部件之间传送信息的通路和器件
计算机硬件系统的基本构成
计算机组成原理 14
输出设备输入设备
运算器
控制器
存储器
计算结果程序和数据
计算机的组成部件
控制流 CS
数据流 DS
计算机硬件系统的基本构成
计算机组成原理 15
主要部件基本功能
1 输入设备 Input devices,从计算机外部输入信息
2 存储器 Memory Unit,存放数据、指令等
4 控制器 Control Unit (CU):
分析指令,控制指令的执行,协调其它部件工作
3 运算器 Arithmetic and Logic Unit (ALU):
执行算术、逻辑运算
5 输出设备 Output devices, 将加工后的信息输出
计算机组成原理 16
计算机的 5大部件 中,运算器和控制器是
信息处理的中心部件,所以它们合称为, 中
央处理单元, ( CPU,Central Processing
Unit)。 存储器、运算器和控制器在信息处
理操作中起主要作用,是计算机硬件的主体
部分,通常被称为, 主机, 。而输入
( Input) 设备和输出( Output) 设备统称
为, 外部设备,,简称为外设或 I/O设备。
计算机的组成部件
计算机组成原理 17
计算机硬件系统的一种构成形式
存储器
运算器
控制器
适配器
输入设备 输出设备
系
统
总
线
计算机组成原理 18
计算机硬件系统的一种构成形式
专用通路结构例子
x44
x4
ALU
符号扩展
PC IR指令存储器
数据
存储器
寄存器堆
I25-0
I31-28
PC+4
Target
ADxRxI
20-16
IRWrite
PCWrite
I25-21
RegDst
Aluop
MemWrite
MemtoReg
MemRead
Jump
PCSource
ALUSource
RegWrite
Ry
Add
DyRzI
15-11 Do
B
Dz
DiI
15-0
控制器
计算机组成原理 19
计算机硬件有哪些基本部件构成?
计算机系统如何构成?
计算机组成原理 20
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的层次结构
计算机系统的基本构成
计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理 21
计算机系统的层次结构
应用语言
物理计算机
( 硬件 )
虚拟计算机
( 软件 )
高级语言
汇编语言
系统原语
机器指令系统
机器指令时序
硬操作时序
第 1级
第 0级
第 2级
第 3级
第 4级
第 5级
第 6级
从语言功能层次划分
计算机组成原理 22
第 0级 由硬件实现 。
第 1级 由微程序实现 。
第 2级 是传统指令系统(机器语言)机器。
第 3级 是操作系统机器。 操作系统是运行在第2级上的解释程序
第 4级 是汇编语言机器。
第 5级 是高级语言机器。
第 6级 是应用语言机器。
计算机系统的层次结构
从学科领域来划分, 第 0和第 1级属于计算机组织与结构,第 3
至第 5级是系统软件,第 6级是应用软件。
它们之间仍有交叉,第 0级要求一定的数字逻辑基础;第 2级
涉及汇编语言程序设计的内容;第 3级与计算机系统结构密切
相关。在特殊的计算机系统中,有些级别可能不存在。
计算机组成原理 23
lw $15,0($2)
lw $16,4($2)
sw$16,0($)
sw$15,4($2)
表示 ( Representation)的不同级别
temp = v[k];
v[k] = v[k+1];
v[k+1] = temp;
0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101
1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001
1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101
高级语言程序
汇编语言程序
机器语言程序
控制信号描述
编译器
汇编器
机器解释
同一程序可以在不同复杂度级别进行表示
计算机组成原理 24
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的层次结构
计算机系统的基本构成
计算机系统结构, 组成及其实现
计算机组成原理 25
计算机系统结构, 组成及其实现
计算机系统结构主要研究 软硬件功能分配 和
对软硬件 界面的确定
指令系统体系结构( ISA)
软件
计算机组成原理 26
计算机系统结构 =
指令系统体系结构 + 机器组成 + …
“计算机系统结构 (Computer Architecture)”
计算机组成原理 27
外特性,
—— 指令系统、数据表示、寻址方式、寄存器集
性能成本评价,
—— 运算速度、存储容量,I/O带宽
系统结构的研究范围
新型系统结构设计,
—— 并行性、数据流、推理机、神经网
界面设计,
—— 确定硬件功能
计算机组成原理 28
? 确定数据通路的宽度
? 确定各种操作对功能部件的共享程度
? 确定专用的功能部件
? 确定功能部件的并行度
? 设计缓冲和排队策略
? 设计控制机构
? 确定采用何种可靠性技术
结构、组成和实现
计算机系统的 组成 是指计算机系统结构的 逻
辑实现,主要包括:
计算机组成原理 29
? 处理机、主存储器等部件的物理结构
? 器件的集成度和速度
? 专用器件的设计
? 器件、模块、插件、底版的划分与连接
? 信号传输技术
? 电源、冷却及装配技术,相关制造工艺
及技术等
计算机 实现 是指计算机组成的 物理
实现,包括:
计算机组成原理 30
相互关系
应用程序
操作系统
指 令 系 统
组 成
实 现
编译
外特性
设计
逻辑
设计
器件,封
装、机箱、
电源、冷
却设计
计算机组成原理 31
③ 实现指令集中所有指令功能的具体电路
、器件的设计、装配技术等属于 计算机实现 。
系统结构、组成、实现三者之间的区别
② 指令的实现,如取指令、取操作数、运
算、送结果等具体操作及其排序方式属 于 计
算机组成。
例 ① 机器指令集 的确定属于计算机 系统结
构 。
计算机组成原理 32
③主存系统的物理实现,如存储器器件的选
定、逻辑电路的设计、微组装技术的选定属于
计算机实现 。
例,① 主存容量 与 编址方式 (按位、按字节、
按字访问等 )的确定属于 计算机系统结构 。
②为达到所定性能价格比,主存速度应多快
,在逻辑结构上需采用什么措施 (如多体交叉
存储等 )属于 计算机组成 。
计算机组成原理 33
②乘法指令是用专门的乘法器实现,还是经
加法器用重复的相加和右移操作来实现,属于计
算机组成。
例,①确定是否有 乘法指令 属于计算机系统
结构。
③乘法器、加法器的物理实现,如器件的选定
(器件集成度、类型、数量、价格 )及所用微组
装技术等,属于计算机实现。
计算机组成原理 34
计算机系统 结构,计算机 组成 和计算机 实
现 是三个不同的概念,但随着技术、器件和应
用的发展,三者之间的界限越来越模糊。
?计算机系统由软件、硬件和固件组成,在功能上是同等的
。
?同一种功能可以用硬件实现,也可以用软件或固件实现。
?不同的组成只是性能和价格不同 。
本课程中探讨问题的前提?
计算机组成原理 35
小结
计算机系统
硬件系统
软件系统
系统软件
应用软件
运算器
控制器
寄存器
存储器
输入 /输出接口
I/O设备
CPU
系统总线
主机 RAM
ROM
计算机组成原理 36
小结
计算机组织 (organization)是指计算机
的各个操作部件 工作原理 以及它们之间的 相
互联系,这些操作部件用来具体 实现 计算机
结构的属性,如计算机内部的控制信号,存
储技术,与外部设备的接口等。
计 算 机 组 成 原 理
第一讲
2009年 11月 10日
计算机系统概述
计算机组成原理 2
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的层次结构
计算机系统的基本构成
计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理 3
将回答,
本课程重要吗?
计算机硬件有哪些基本部件构成?
计算机系统如何构成?
本课程中探讨问题的前提?
计算机组成原理 4
课程简介
课程性质与地位,
专业基础必修课程,承上启下
课程目的与任务,
建立计算机硬件系统的完整概念,以单
机系统为研究对象,阐述计算机系统的硬
件组成以及各部件的工作原理
计算机组成原理 5
课程主要内容
1、计算机系统概论
2、逻辑电路设计基础
3、信息编码和数据表示
4、计算机算法和算法逻辑实现
5、存储器
6、计算机指令构成和寻址方式
7、处理机设计
8、流水线处理机
9、存储系统
11、输入输出系统
10、输入输出设备
计算机组成原理 6
主要教学环节
课堂教学, 64学时
实验教学, 16学时
实验内容:
运算器实验 存储器实验 微控制器实验 基本模型机设计
考试,笔试成绩 + 实验成绩 + 平时成绩
本课程重要吗?
计算机组成原理 7
教材:
郑纬民, 计算机组成和设计 -硬件 /软件接口 ( 第二版 ), 。 清华大学
出版社
王 爱英,, 计算 机组 成与结 构,, 清华大 学出 版社,1 98 9
江义鹏,, 计 算 机 组 成 原 理,, 人 民 邮 电 出 版 社, 1 9 8 8
俸远祯,,计算机组成原理,,电子工业出版社
李亚民,,计算机组成与系统结构,,清华大学出版社,2000年
袁开榜,,计算机组成原理, 高等教育出版社
白中英, 韩兆轩编,,计算机组成原理,,科学出版社
唐朔飞,,电子数字计算机原理,,哈尔滨工业大学出版社参考书:
邹海明,《计算机组织与结构,.电子工业出版社,1993年,版
Computer organization & design (the hardware/software
interface) (second edition)
David A,Patterson John L,
Hennessy 参考教材:
计算机组成原理 8
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的层次结构
计算机系统的基本构成
计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理 9
计算机系统的基本构成
主存 I/O接口
运算器 控制器 内部寄存器组
CPU 系统总线
主机
辅存 I/O设备
外设
计算机硬件
计算机系统
计算机软件
计算机组成原理 10
计算机系统的基本构成
系统软件 应用软件
计算机软件
计算机系统
计算机硬件
操作系统
语言处理程序
诊断程序
各种标准程序库
。。。
MIS
ERP
OFFICE
OUTLOOK
。。。
计算机组成原理 11
计算机软件 ( Software):
是指能使计算机工作的程序和程序运行时所需
要的数据,以及与这些程序和数据有关的文字说明
和图表资料,其中文字说明和图表资料又称为文档。
程序 +数据 +文档
计算机硬件 ( Hardware):
是指构成计算机的所有实体部件的集合,通常这
些部件由电路(电子元件)、机械等物理部件组成。
计算机硬件指可触摸得到的物理设备实体
计算机组成原理 12
( 1)系统软件:为用户便于使用和管理计算机
而编制的程序,由系统设计者和厂家提供。
?面向计算机本身的软件 --OS,故障处理程序等
?面向计算机维护人员的软件 --调试、纠错、测试程序等
?面向用户的软件 --汇编、编译和解释程序,DBMS等
( 2)应用软件:为解决某个应用领域的具体任
务而编制的程序
计算机软件 ( Software):
计算机组成原理 13
CPU
主存 外设
系统
总 线
计算机组成
内部
总 线
控制器
运算器 寄存
器组
CPU组成
总线系统:各部件之间传送信息的通路和器件
计算机硬件系统的基本构成
计算机组成原理 14
输出设备输入设备
运算器
控制器
存储器
计算结果程序和数据
计算机的组成部件
控制流 CS
数据流 DS
计算机硬件系统的基本构成
计算机组成原理 15
主要部件基本功能
1 输入设备 Input devices,从计算机外部输入信息
2 存储器 Memory Unit,存放数据、指令等
4 控制器 Control Unit (CU):
分析指令,控制指令的执行,协调其它部件工作
3 运算器 Arithmetic and Logic Unit (ALU):
执行算术、逻辑运算
5 输出设备 Output devices, 将加工后的信息输出
计算机组成原理 16
计算机的 5大部件 中,运算器和控制器是
信息处理的中心部件,所以它们合称为, 中
央处理单元, ( CPU,Central Processing
Unit)。 存储器、运算器和控制器在信息处
理操作中起主要作用,是计算机硬件的主体
部分,通常被称为, 主机, 。而输入
( Input) 设备和输出( Output) 设备统称
为, 外部设备,,简称为外设或 I/O设备。
计算机的组成部件
计算机组成原理 17
计算机硬件系统的一种构成形式
存储器
运算器
控制器
适配器
输入设备 输出设备
系
统
总
线
计算机组成原理 18
计算机硬件系统的一种构成形式
专用通路结构例子
x44
x4
ALU
符号扩展
PC IR指令存储器
数据
存储器
寄存器堆
I25-0
I31-28
PC+4
Target
ADxRxI
20-16
IRWrite
PCWrite
I25-21
RegDst
Aluop
MemWrite
MemtoReg
MemRead
Jump
PCSource
ALUSource
RegWrite
Ry
Add
DyRzI
15-11 Do
B
Dz
DiI
15-0
控制器
计算机组成原理 19
计算机硬件有哪些基本部件构成?
计算机系统如何构成?
计算机组成原理 20
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的层次结构
计算机系统的基本构成
计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理 21
计算机系统的层次结构
应用语言
物理计算机
( 硬件 )
虚拟计算机
( 软件 )
高级语言
汇编语言
系统原语
机器指令系统
机器指令时序
硬操作时序
第 1级
第 0级
第 2级
第 3级
第 4级
第 5级
第 6级
从语言功能层次划分
计算机组成原理 22
第 0级 由硬件实现 。
第 1级 由微程序实现 。
第 2级 是传统指令系统(机器语言)机器。
第 3级 是操作系统机器。 操作系统是运行在第2级上的解释程序
第 4级 是汇编语言机器。
第 5级 是高级语言机器。
第 6级 是应用语言机器。
计算机系统的层次结构
从学科领域来划分, 第 0和第 1级属于计算机组织与结构,第 3
至第 5级是系统软件,第 6级是应用软件。
它们之间仍有交叉,第 0级要求一定的数字逻辑基础;第 2级
涉及汇编语言程序设计的内容;第 3级与计算机系统结构密切
相关。在特殊的计算机系统中,有些级别可能不存在。
计算机组成原理 23
lw $15,0($2)
lw $16,4($2)
sw$16,0($)
sw$15,4($2)
表示 ( Representation)的不同级别
temp = v[k];
v[k] = v[k+1];
v[k+1] = temp;
0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101
1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001
1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101
高级语言程序
汇编语言程序
机器语言程序
控制信号描述
编译器
汇编器
机器解释
同一程序可以在不同复杂度级别进行表示
计算机组成原理 24
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的层次结构
计算机系统的基本构成
计算机系统结构, 组成及其实现
计算机组成原理 25
计算机系统结构, 组成及其实现
计算机系统结构主要研究 软硬件功能分配 和
对软硬件 界面的确定
指令系统体系结构( ISA)
软件
计算机组成原理 26
计算机系统结构 =
指令系统体系结构 + 机器组成 + …
“计算机系统结构 (Computer Architecture)”
计算机组成原理 27
外特性,
—— 指令系统、数据表示、寻址方式、寄存器集
性能成本评价,
—— 运算速度、存储容量,I/O带宽
系统结构的研究范围
新型系统结构设计,
—— 并行性、数据流、推理机、神经网
界面设计,
—— 确定硬件功能
计算机组成原理 28
? 确定数据通路的宽度
? 确定各种操作对功能部件的共享程度
? 确定专用的功能部件
? 确定功能部件的并行度
? 设计缓冲和排队策略
? 设计控制机构
? 确定采用何种可靠性技术
结构、组成和实现
计算机系统的 组成 是指计算机系统结构的 逻
辑实现,主要包括:
计算机组成原理 29
? 处理机、主存储器等部件的物理结构
? 器件的集成度和速度
? 专用器件的设计
? 器件、模块、插件、底版的划分与连接
? 信号传输技术
? 电源、冷却及装配技术,相关制造工艺
及技术等
计算机 实现 是指计算机组成的 物理
实现,包括:
计算机组成原理 30
相互关系
应用程序
操作系统
指 令 系 统
组 成
实 现
编译
外特性
设计
逻辑
设计
器件,封
装、机箱、
电源、冷
却设计
计算机组成原理 31
③ 实现指令集中所有指令功能的具体电路
、器件的设计、装配技术等属于 计算机实现 。
系统结构、组成、实现三者之间的区别
② 指令的实现,如取指令、取操作数、运
算、送结果等具体操作及其排序方式属 于 计
算机组成。
例 ① 机器指令集 的确定属于计算机 系统结
构 。
计算机组成原理 32
③主存系统的物理实现,如存储器器件的选
定、逻辑电路的设计、微组装技术的选定属于
计算机实现 。
例,① 主存容量 与 编址方式 (按位、按字节、
按字访问等 )的确定属于 计算机系统结构 。
②为达到所定性能价格比,主存速度应多快
,在逻辑结构上需采用什么措施 (如多体交叉
存储等 )属于 计算机组成 。
计算机组成原理 33
②乘法指令是用专门的乘法器实现,还是经
加法器用重复的相加和右移操作来实现,属于计
算机组成。
例,①确定是否有 乘法指令 属于计算机系统
结构。
③乘法器、加法器的物理实现,如器件的选定
(器件集成度、类型、数量、价格 )及所用微组
装技术等,属于计算机实现。
计算机组成原理 34
计算机系统 结构,计算机 组成 和计算机 实
现 是三个不同的概念,但随着技术、器件和应
用的发展,三者之间的界限越来越模糊。
?计算机系统由软件、硬件和固件组成,在功能上是同等的
。
?同一种功能可以用硬件实现,也可以用软件或固件实现。
?不同的组成只是性能和价格不同 。
本课程中探讨问题的前提?
计算机组成原理 35
小结
计算机系统
硬件系统
软件系统
系统软件
应用软件
运算器
控制器
寄存器
存储器
输入 /输出接口
I/O设备
CPU
系统总线
主机 RAM
ROM
计算机组成原理 36
小结
计算机组织 (organization)是指计算机
的各个操作部件 工作原理 以及它们之间的 相
互联系,这些操作部件用来具体 实现 计算机
结构的属性,如计算机内部的控制信号,存
储技术,与外部设备的接口等。