计算机组成原理,唐朔飞,第版,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,第章 计算机系统概论,第章 系统总线,第章 存储器,第章 输入输出系统,第章 计算机的运算方法,第章 指令系统,第章 CPU 的结构和功能,第章 控制单元的功能,第10章 控制单元的设计,第章 计算机的发展及应用,第章 计算机系统概论,1.1 计算机系统简介,1.4 本书结构,1.3 计算机硬件的主要技术指标,1.2 计算机的基本组成,1.1 计算机系统简介,由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成,1. 计算机系统,计算机系统,计算机的实体， 如主机、外设等,一、 计算机的软硬件概念,按任务需要编制成的各种程序,用来管理整个计算机系统,语言处理程序,操作系统,服务性程序,数据库管理系统,网络软件,软 件,1.1,1.1,2. 计算机的解题过程,二、计算机系统的层次结构,高级语言,虚拟机器 M3,汇编语言,虚拟机器 M2,机器语言,实际机器 M1,微指令系统,微程序机器 M0,1.1,用编译程序翻译 成汇编语言程序,用汇编程序翻译 成机器语言程序,用机器语言解释操作系统,用微指令解释机器指令,由硬件直接执行微指令,1.1,程序员所见到的计算机系统的属性 概念性的结构与功能特性,实现计算机体系结构所体现的属性,有无乘法指令,如何实现乘法指令,（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）,（具体指令的实现）,1.1,三、计算机体系结构和计算机组成,1.2 计算机的基本组成,1. 计算机由五大部件组成,3. 指令和数据用二进制表示,4. 指令由操作码和地址码组成,6. 以运算器为中心,5. 存储程序,一、冯诺依曼计算机的特点,5. 存储程序,算术运算 逻辑运算,存放数据 和程序,将信息转换成机 器能识别的形式,将结果转换成 人们熟悉的形式,指挥程序 运行,1.2,冯诺依曼计算机硬件框图,1.2,冯诺依曼计算机硬件框图,二、计算机硬件框图,1.2,1. 以存储器为中心的计算机硬件框图,ALU,主存 辅存,CPU,主机,I/O设备,硬件,CU,2.现代计算机硬件框图,1.2,1.上机前的准备,建立数学模型,编制解题程序,确定计算方法,程序 运算的 全部步骤,指令 每 一个步骤,1.2,三、计算机的工作步骤,存储体,大楼,存储单元 存放一串二进制代码,存储字 存储单元中二进制代码的组合,存储字长 存储单元中二进制代码的位数,每个存储单元赋予一个地址号,按地址寻访, 存储单元, 存储元件,（0/1）, 房间, 床位,（无人/ 有人）,(1)存储器的基本组成,1.2,2.计算机的解题过程,MAR,MDR,1.2,存储器地址寄存器 反映存储单元的个数,存储器数据寄存器 反映存储字长,(1)存储器的基本组成,(2)运算器的基本组成及操作过程,1.2,被加数,被减数,被除数,乘数,商,加数,减数,被乘数,除数,加法,减法,乘法,除法,和,差,余数,取指令,分析指令,执行指令,PC,IR,CU,取指,执行,IR 存放当前欲执行的指令,访存,访存,完成 一条 指令,1.2,(3)控制器的基本组成,以取数指令为例,(4)主机完成一条指令的过程,1.2,以存数指令为例,1.2,(4)主机完成一条指令的过程,(5) ax2 + bx + c 程序的运行过程,将程序通过输入设备送至计算机,程序首地址,打印结果,分析指令,取指令,停机,启动程序运行,执行指令,1.2,MAR,M,MDR,IR,PC,CU,OP(IR),Ad(IR),MAR,M,MDR,ACC,PC,1.3 计算机硬件的主要技术指标,1.机器字长,2.运算速度,CPU 一次能处理数据的位数 与 CPU 中的 寄存器位数 有关,主频,221 = 256 KB,3.存储容量,主存容量,辅存容量,存储单元个数 存储字长,字节数,字节数 80 GB,如 MAR MDR 容量,10 8,16 32,存放二进制信息的总位数,1.3,1 K 8位,64 K 32位,第篇 概论,1.4 本书结构,1.4 本书结构,第篇 计算机系统的硬件结构,1.4 本书结构,第篇 CPU,1.4 本书结构,第篇 CU,第章 计算机的发展及应用,2.3 计算机的展望,2.2 计算机的应用,2.1 计算机的发展史,2.1 计算机的发展史,一、计算机的产生和发展,1946年 美国 ENIAC,1955年退役,用手工搬动开关和拔插电缆来编程,硬件技术对计算机更新换代的影响,2.1,二、微型计算机的出现和发展,微处理器芯片,存储器芯片,1971年,1970年,2.1,三、软件技术的兴起和发展,机器语言 面向机器,汇编语言 面向机器,高级语言 面向问题,FORTRAN 科学计算和工程计算,PASCAL 结构化程序设计,C 面向对象,Java 适应网络环境,1. 各种语言,2.1,2. 系统软件,语言处理程序 汇编程序 编译程序 解释程序,操作系统 DOS UNIX Windows,服务性程序 装配 调试 诊断 排错,数据库管理系统 数据库和数据库管理软件,网络软件,2.1,3. 软件发展的特点, 开发周期长, 制作成本昂贵, 检测软件产品质量的特殊性,2.1,2.2 计算机的应用,一、科学计算和数据处理,二、工业控制和实时控制,三、网络技术,1. 电子商务,2. 网络教育,3. 敏捷制造,四、虚拟现实,五、办公自动化和管理信息系统,六、CAD/CAM/CIMS,七、多媒体技术,八、人工智能,2.2,2.3 计算机的展望,一、计算机具有类似人脑的一些超级 智能功能,要求计算机的速度达1015/秒,二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制,芯片集成度受物理极限的制约,按几何级数递增的制作成本,芯片的功耗、散热、线延迟,三、？替代传统的硅芯片,1. 光计算机,2. DNA生物计算机,3. 量子计算机,利用光子取代电子进行运算和存储,通过控制DNA分子间的生化反应,利用原子所具有的量子特性,2.3,第章 系统总线,3.1 总线的基本概念,3.2 总线的分类,3.3 总线特性及性能指标,3.4 总线结构,3.5 总线控制,3.1 总线的基本概念,一、为什么要用总线,二、什么是总线,三、总线上信息的传送,串行,并行,四、总线结构的计算机举例,1. 面向 CPU 的双总线结构框图,中央处理器 CPU,3.1,2. 单总线结构框图,3.1,3. 以存储器为中心的双总线结构框图,主存,3.1,3.2 总线的分类,1.片内总线,2.系统总线,芯片内部 的总线,双向 与机器字长、存储字长有关,单向 与存储地址、 I/O地址有关,有出 有入,计算机各部件之间 的信息传输线,存储器读、存储器写 总线允许、中断确认,中断请求、总线请求,3.通信总线,串行通信总线,并行通信总线,传输方式,3.2,3.3 总线特性及性能指标,一、总线物理实现,二、总线特性,尺寸、形状、管脚数 及 排列顺序,传输方向 和有效的 电平 范围,每根传输线的 功能,信号的 时序 关系,3.3,地址 数据 控制,三、总线的性能指标,数据线 的根数,每秒传输的最大字节数（MBps）,同步、不同步,地址线 与 数据线 复用,地址线、数据线和控制线的 总和,负载能力,并发、自动、仲裁、逻辑、计数,3.3,ISA EISA VESA(LV-BUS) PCI AGP RS-232 USB,总 线 标 准,四、总线标准,3.3,3.3,四、总线标准,3.4 总线结构,一、单总线结构,1. 双总线结构,具有特殊功能的处理器， 由通道对I/O统一管理,二、多总线结构,3.4,2. 三总线结构,3.4,3. 三总线结构的又一形式,3.4,4. 四总线结构,3.4,1. 传统微型机总线结构,三、总线结构举例,3.4,2. VL-BUS局部总线结构,3.4,3. PCI 总线结构,3.4,4. 多层 PCI 总线结构,3.4,3.5 总线控制,一、总线判优控制,总线判优控制,分布式,集中式,1. 基本概念,链式查询,计数器定时查询,独立请求方式,2. 链式查询方式,3.5,I/O接口1,3. 计数器定时查询方式,I/O接口1,3.5,设备地址,4. 独立请求方式,3.5,二、总线通信控制,1. 目的,2. 总线传输周期,主模块申请，总线仲裁决定,主模块向从模块 给出地址 和 命令,主模块和从模块 交换数据,主模块 撤消有关信息,解决通信双方 协调配合 问题,3.5,由 统一时标 控制数据传送,充分 挖掘 系统 总线每个瞬间 的 潜力,3. 总线通信的四种方式,采用 应答方式 ，没有公共时钟标准,同步、异步结合,3.5,(1) 同步式数据输入,3.5,(2) 同步式数据输出,3.5,不互锁,半互锁,全互锁,(3) 异步通信,3.5,(4) 半同步通信,3.5,（同步、异步 结合）,以输入数据为例的半同步通信时序,T1 主模块发地址,T2 主模块发命令,T3 从模块提供数据,T4 从模块撤销数据，主模块撤销命令,3.5,3.5,上述三种通信的共同点,一个总线传输周期（以输入数据为例）,主模块发地址 、命令,从模块准备数据,从模块向主模块发数据,总线空闲,3.5,占用总线,不占用总线,占用总线,(5) 分离式通信,充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力,一个总线传输周期,子周期1,子周期2,3.5,1. 各模块有权申请占用总线,分离式通信特点,充分提高了总线的有效占用,2. 采用同步方式通信，不等对方回答,3. 各模块准备数据时，不占用总线,4. 总线被占用时，无空闲,3.5,第章 存 储 器,4.1 概述,4.2 主存储器,4.3 高速缓冲存储器,4.4 辅助存储器,4.1 概 述,一、存储器分类,1. 按存储介质分类,(1) 半导体存储器,(2) 磁表面存储器,(3) 磁芯存储器,(4) 光盘存储器,易失,TTL 、MOS,磁头、载磁体,硬磁材料、环状元件,激光、磁光材料,(1) 存取时间与物理地址无关（随机访问）,顺序存取存储器 磁带,4.1,2. 按存取方式分类,(2) 存取时间与物理地址有关（串行访问）,随机存储器,只读存储器,直接存取存储器 磁盘,在程序的执行过程中 可 读 可 写,在程序的执行过程中 只 读,磁盘、磁带、光盘,高速缓冲存储器（Cache）,Flash Memory,存 储 器,3. 按在计算机中的作用分类,4.1,高,小,快,1. 存储器三个主要特性的关系,二、存储器的层次结构,4.1,虚拟存储器,虚地址,逻辑地址,实地址,物理地址,主存储器,4.1,（速度）,（容量）,4.2 主存储器,一、概述,1. 主存的基本组成,2. 主存和 CPU 的联系,4.2,高位字节 地址为字地址,低位字节 地址为字地址,设地址线 24 根,按 字节 寻址,按 字 寻址,若字长为 16 位,按 字 寻址,若字长为 32 位,3. 主存中存储单元地址的分配,4.2,224 = 16 M,8 M,4 M,(2) 存储速度,4. 主存的技术指标,(1) 存储容量,(3) 存储器的带宽,主存 存放二进制代码的总位数,读出时间 写入时间,存储器的 访问时间,读周期 写周期,位/秒,4.2,芯片容量,二、半导体存储芯片简介,1. 半导体存储芯片的基本结构,1K4位,16K1位,8K8位,10,4,14