1、计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院学习指南学习指南本课程的性质本课程的性质 计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学是计算机科学与技术专业本科生的核心课程之与技术专业本科生的核心课程之一，是必修的专业基础课。一，是必修的专业基础课。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院本课程的本课程的地位地位 本课程在计算机学科中处于承本课程在计算机学科中处于承上启下的地位，要求先修的课程上启下的地位，要求先修的课程有：有： 计算机科学导论计算机科学导论
2、 数字电路数字电路学习指南学习指南计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院学习指南学习指南本课程的任务本课程的任务 讨论讨论单机系统范围内计算机各单机系统范围内计算机各部件和系统的组成以及内部工作部件和系统的组成以及内部工作机制机制。通过学习，掌握计算机各。通过学习，掌握计算机各大部件的组成原理、逻辑实现、大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成整机系统设计方法及其互连构成整机系统的技术，并为后继课程的学习打的技术，并为后继课程的学习打好基础。好基础。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院学习指南学习指南本课程的重点：五
3、大基本部件的本课程的重点：五大基本部件的原理及实现。原理及实现。本课程的难点：各部件互连构成本课程的难点：各部件互连构成整机系统，即整机概念的建立。整机系统，即整机概念的建立。本课程的深广度：主要讨论计算本课程的深广度：主要讨论计算机组成中具有共性的问题，要处机组成中具有共性的问题，要处理好抽象概念与具体实例的关系。理好抽象概念与具体实例的关系。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院学习指南学习指南计算机学科专业基础综合考试涵盖数据结计算机学科专业基础综合考试涵盖数据结构、构、计算机组成原理计算机组成原理、操作系统和计算机网、操作系统和计算机网络等学科专业基础
4、课程。要求考生比较系统络等学科专业基础课程。要求考生比较系统地掌握上述专业基础课程的概念、基本原理地掌握上述专业基础课程的概念、基本原理和方法，能够运用所学的基本原理和基本方和方法，能够运用所学的基本原理和基本方法分析、判断和解决有关理论问题和实际问法分析、判断和解决有关理论问题和实际问题。题。数据结构数据结构 45分分计算机组成原理计算机组成原理 45分分操作系统操作系统 35分分计算机网络计算机网络 25分分计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院学习指南学习指南考查目标：考查目标：理解单处理器计算机系统中各部件的内部理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作
5、原理、组成结构以及相互连接方式，工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。具有完整的计算机系统的整机概念。理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结件与软件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。构的基本知识和基本实现方法。能够能够综合综合运用计算机组成的基本原理和基运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能对一些和实际问题进行计算、分析，并能对一些基本部件进行简单设计。基本部件进行简单设计。计算机组
6、成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院学习指南学习指南参考书参考书唐朔飞，计算机组成原理（第唐朔飞，计算机组成原理（第2版）高等教育出版社，北京，版）高等教育出版社，北京，2008。蒋本珊，计算机组成原理学习指蒋本珊，计算机组成原理学习指导与习题解析（第导与习题解析（第3版），北京，版），北京，清华大学出版社，清华大学出版社，2014。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第1章章 概论概论计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第1 1章章 在本章中我们将从存储程序的在本章中我们将从存储程序的概念
7、入手，讨论计算机的基本组成概念入手，讨论计算机的基本组成与工作原理，使大家对于计算机系与工作原理，使大家对于计算机系统先有一个简单的整体概念，为今统先有一个简单的整体概念，为今后深入讨论各个部件打下基础。后深入讨论各个部件打下基础。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第1 1章章 1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成1.3 计算机系统计算机系统1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院 电子计算机是
8、一种不需要人工直接干电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确的对各种信息预，能够自动、高速、准确的对各种信息进行处理和存储的电子设备。进行处理和存储的电子设备。 可以有非电子计算机（如：光计算机、可以有非电子计算机（如：光计算机、量子计算机、超导计算机等）。量子计算机、超导计算机等）。 可以有非数字计算机（如：模拟计算可以有非数字计算机（如：模拟计算机）。机）。1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.1.1电子计算机的发展电子计算机的发展 世界上第一台电子数字计算机是世界上第一台电子数字
9、计算机是1946年年2月问世的月问世的ENIAC。 ENIAC的的设计开始于设计开始于1943年年, 该机一该机一直使用到直使用到1955年。年。1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制ENIAC的特点：的特点：采用十进制采用十进制20 个个10位的累加器位的累加器用开关手动编程用开关手动编程18,000个电子管个电子管重重30 吨吨占地占地170平方米平方米耗电耗电170 KW5,000次次/秒加法运算秒加法运算 计算机组成原理计算机组成原理北京理工
10、大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.1.2 存储程序概念存储程序概念 美籍匈牙利数美籍匈牙利数学家学家冯冯诺依曼等人诺依曼等人在在1945年年6月提出存月提出存储程序概念。储程序概念。1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院存储程序概念：存储程序概念： 计算机（指硬件）应由运算器、存储计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；基本部件组成； 计算机内部采用二进制来表示指令和计算机内部采用二进制来表示指令和数据；数据； 将编好的程序和
11、原始数据事先存入存将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作储器中，然后再启动计算机工作，这就，这就是存储程序的基本含义。是存储程序的基本含义。1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制 EDVAC 冯冯诺依曼设计的存储程序计诺依曼设计的存储程序计算机算机 1951年诞生。年诞生。 EDSAC 事实上的第一台存储程序计事实上的第一台存储程序计算机算机 1949年诞生。年诞生。 目前绝大多数计算机仍建立在存储程目前绝大多数计算机仍建立在存
12、储程序概念的基础上，称冯序概念的基础上，称冯诺依曼型计算机。诺依曼型计算机。 也出现了一些突破冯也出现了一些突破冯诺依曼结构的计诺依曼结构的计算机，统称非冯结构计算机，如：数据驱算机，统称非冯结构计算机，如：数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。机和模式匹配驱动的智能计算机等。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第1 1章章 1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成1.3 计算机系统计算机系统1.4 计算机的工作过程和主要性能指
13、标计算机的工作过程和主要性能指标计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院中央处理器（中央处理器（CPU） CPU = 运算器运算器 + 控制器控制器主机主机 主机主机 = 中央处理器中央处理器 + 主存储器主存储器外部设备外部设备 除去主机以外的硬件装置（如输入设除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输出设备、辅助存储器等）备、输出设备、辅助存储器等）1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成注意计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成运算器控制器主存储器主存储器输入设备输出设备辅助存储器辅助存
14、储器CPU控制控制数据数据地址或指令地址或指令主机主机外设外设存储器存储器计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成1.2.1 计算机的主要部件计算机的主要部件 1.输入设备输入设备 输入设备的任务是把人们编好的程序输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。常用的有键盘、鼠标、扫描仪等。方式。常用的有键盘、鼠标、扫描仪等。 2.输出设备输出设备 输出设备的任务是将计算机的处理结输出设备的
15、任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。常用的有显示器、打印机、绘图仪算机。常用的有显示器、打印机、绘图仪等。等。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成 3.存储器存储器 存储器是用来存放程序和数据的部件，存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制存储程序控制”的基础。的基础。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组
16、成Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器速度速度快快慢慢三级存储系统三级存储系统计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器三级存储系统三级存储系统小小大大容量容量计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器三级存储系统三级存储系统贵贵贱贱价格价格/位位计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组
17、成Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器 主存储器主存储器 可由可由CPU直接访问，用来存放当前正在直接访问，用来存放当前正在执行的程序和数据。执行的程序和数据。主存储器主存储器主存储器主存储器主存储器主存储器计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器主存储器主存储器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器 设置在主机外部，设置在主机外部，CPU不能直接访问不能直接访问，用来存放暂时不参与运行的程序和数据，需用来存放
18、暂时不参与运行的程序和数据，需要时再传送到主存。要时再传送到主存。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器主存储器主存储器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器CacheCacheCache高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache） CPU可以直接访问，用来存放当前正在可以直接访问，用来存放当前正在执行的程序中的执行的程序中的活跃部分（副本）活跃部分（副本），以便快，以便快速地向速地向CPU提供指令和数据。提供指令和数据。计算机组成原理计
19、算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成 4.运算器运算器 运算器是对信息进行处理和运算的部运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算是算术运算和逻辑运件，经常进行的运算是算术运算和逻辑运算，因此运算器的核心是算，因此运算器的核心是算术逻辑运算部算术逻辑运算部件件ALU。 运算器中有若干个寄存器（如累加寄运算器中有若干个寄存器（如累加寄存器、暂存器等）。存器、暂存器等）。 5.控制器控制器 控制器是整个计算机的指挥中心。控制器是整个计算机的指挥中心。 控制器中主要包括时序控制信号形成控制器中主要包括时序控制信号形成部件和一些专用的
20、寄存器。部件和一些专用的寄存器。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成1.2.2 各大部件之间的连接各大部件之间的连接 将各大基本部件，按某种方式连接起将各大基本部件，按某种方式连接起来就构成了计算机的硬件系统。来就构成了计算机的硬件系统。1.总线结构（小、微型机的典型结构）总线结构（小、微型机的典型结构） 目前许多计算机的各大基本部件之间目前许多计算机的各大基本部件之间是用总线（是用总线（Bus）连接起来的。）连接起来的。 总线是一组能为多个部件服务的公共总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接
21、收各部信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息。件的信息。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成 总线特点：总线特点： 共享共享 分时分时 小型、微型机的设计目标是以较小的硬小型、微型机的设计目标是以较小的硬件代价组成具有较强功能的系统，而总线结件代价组成具有较强功能的系统，而总线结构正好能满足这一要求。构正好能满足这一要求。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成接口接口接口接口外设外设外设外设CPU主存储器主存储器系统总线系统总线单总线结构
22、单总线结构计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成 单总线并不是指只有一根信号线。系单总线并不是指只有一根信号线。系统总线按传送信息的不同又可以细分为：统总线按传送信息的不同又可以细分为：地址总线、数据总线和控制总线地址总线、数据总线和控制总线。地址总。地址总线（线（Address Bus）由单方向的多根信号线）由单方向的多根信号线组成，用于组成，用于CPU向主存、外设传输地址信向主存、外设传输地址信息；数据总线（息；数据总线（Data Bus）由双方向的多）由双方向的多根信号线组成，根信号线组成，CPU可以沿这些线从主存
23、可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据；控制总线（或外设送出数据；控制总线（Control Bus）上传输的是控制信息，包括上传输的是控制信息，包括CPU送出的控送出的控制命令和主存制命令和主存/外设反馈给外设反馈给CPU的状态信号。的状态信号。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成2.大、中型计算机的典型结构大、中型计算机的典型结构 大、中型计算机系统的设计目标更着大、中型计算机系统的设计目标更着重于系统功能的扩大与效率的提高。重于系统功能的扩大与效率的
24、提高。 通道是承担通道是承担I/O操作管理的主要部件，操作管理的主要部件，主机可以连接多个通道，每个通道可以接主机可以连接多个通道，每个通道可以接一台或几台设备控制器，每个设备控制器一台或几台设备控制器，每个设备控制器又可接一台或几台外部设备，这样整个系又可接一台或几台外部设备，这样整个系统就可以连接很多的外部设备。统就可以连接很多的外部设备。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第四级第四级第三级第三级第二级第二级1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成主存主存CPU通道通道通道通道设备设备控制器控制器设备设备控制器控制器设备设备控制器控制器设备设备控制器控
25、制器外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设主机主机第一级第一级计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成1.2.3 不同对象观察到的计算机硬件系统不同对象观察到的计算机硬件系统 一般用一般用户观察到的户观察到的计算机硬件计算机硬件系统系统计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成 专业用专业用户观察到的户观察到的计算机硬件计算机硬件系统系统 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2 计算机的硬
26、件组成计算机的硬件组成 计算机计算机设计者观察设计者观察到的计算机到的计算机硬件系统硬件系统 计算机控制器TTLMOS晶体管1门1寄存器1晶体管2外设存储器ALU寄存器2寄存器N门K门2晶体管T. . . . . . . . .系统级寄存器级门级晶体管级物理级计算机控制器TTLMOS晶体管1门1寄存器1晶体管2存储器ALU寄存器2寄存器N门K门2晶体管T系统级寄存器级门级晶体管级物理级计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.2.4 冯冯诺依曼结构和哈佛结构的存储器设计诺依曼结构和哈佛结构的存储器设计思想思想1.冯冯诺伊曼结构诺伊曼结构 冯冯诺依曼结构也称普林
27、斯顿结构，是诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。指令存储地址和数在一起的存储器结构。指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。位置。 使用冯使用冯诺伊曼结构的中央处理器有很多。诺伊曼结构的中央处理器有很多。如如Intel公司的公司的80X86、ARM公司的公司的ARM7、MIPS公司的公司的MIPS等都采用了冯等都采用了冯诺伊曼结诺伊曼结构。构。1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1
28、.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成冯冯诺依曼结构的存储器设计诺依曼结构的存储器设计 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院 2.哈佛结构哈佛结构 哈佛结构是一种将程序指令存储和数哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。据存储分开的存储器结构。CPU首先到指首先到指令存储器中读取指令内容，译码后得到数令存储器中读取指令内容，译码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。据，并进行下一步的操作（通常是执行）。 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成计算机组成原理计算机
29、组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院 哈佛结构的处理器通常具有较高的执哈佛结构的处理器通常具有较高的执行效率。其指令和数据分开组织和存储的，行效率。其指令和数据分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。执行时可以预先读取下一条指令。 目前使用哈佛结构的中央处理器也有目前使用哈佛结构的中央处理器也有很多，如很多，如MOTOROLA公司的公司的MC68系列、系列、Zilog公司的公司的Z8系列和系列和ARM公司的公司的ARM9、ARM10和和ARM11等。等。 微机中的微机中的L1 Cache采用的是哈佛结构，采用的是哈佛结构，即分为指令即分为指令Cache和数据和数据Cac
30、he。1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院哈佛结构的存储器设计哈佛结构的存储器设计 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第1 1章章 1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成1.3 计算机系统计算机系统1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.3 计算机系统计算机系统 计算机系统计算机系
31、统=硬件系统硬件系统+软件系统软件系统 硬件通常是指一切看得见，摸得到的硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体；软件通常是泛指各类程序和文设备实体；软件通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是由一些算法以及其在计件，它们实际上是由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。算机中的表示所构成的。 注意计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.3 计算机系统计算机系统1.3.1 硬件与软件的关系硬件与软件的关系 硬件是计算机系统的物质基础，软件硬件是计算机系统的物质基础，软件是计算机系统的灵魂。硬件和软件是相辅是计算机系统的灵魂。硬件和软件是相辅相成的，不可分割的整
32、体。相成的，不可分割的整体。 当前计算机的硬件和软件正朝着互相当前计算机的硬件和软件正朝着互相渗透，互相融合的方向发展，在计算机系渗透，互相融合的方向发展，在计算机系统中没有一条明确的硬件与软件的分界线。统中没有一条明确的硬件与软件的分界线。硬件和软件之间的界面是浮动的，对于程硬件和软件之间的界面是浮动的，对于程序设计人员来说，序设计人员来说，硬件和软件在逻辑上是硬件和软件在逻辑上是等价的等价的。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.3 计算机系统计算机系统 硬件软化：原来由硬件实现的操作改硬件软化：原来由硬件实现的操作改由软件来实现。它可以增强系统的功能
33、和由软件来实现。它可以增强系统的功能和适应性。适应性。 软件硬化：原来由软件实现的操作改软件硬化：原来由软件实现的操作改由硬件来实现。它可以显著降低软件在时由硬件来实现。它可以显著降低软件在时间上的开销。间上的开销。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.3 计算机系统计算机系统 固件固件是指那些存储在能永久保存信息是指那些存储在能永久保存信息的器件（如的器件（如ROM）中的程序，是）中的程序，是具有软件具有软件功能的硬件功能的硬件。固件的性能指标介于硬件与。固件的性能指标介于硬件与软件之间，吸收了软、硬件各自的优点，软件之间，吸收了软、硬件各自的优点，其执
34、行速度快于软件，灵活性优于硬件，其执行速度快于软件，灵活性优于硬件，是软、硬件结合的产物，计算机功能的固是软、硬件结合的产物，计算机功能的固件化将成为计算机发展中的一个趋势。件化将成为计算机发展中的一个趋势。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.3 计算机系统计算机系统1.3.2 系列机和软件兼容系列机和软件兼容 系列机是指一个厂家生产的，具有相系列机是指一个厂家生产的，具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。一系列不同型号的机器。 系列机应在指令系统、数据格式、字系列机应在指令系统、数据格式、
35、字符编码、中断系统、控制方式、输入符编码、中断系统、控制方式、输入/输出输出操作方式等方面保持统一，从而保证软件操作方式等方面保持统一，从而保证软件的兼容性。的兼容性。 软件兼容：向上兼容软件兼容：向上兼容 向下兼容向下兼容 向前兼容向前兼容 向后兼容向后兼容计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.3 计算机系统计算机系统时间机器档次当前机器向后兼容向前兼容向上兼容向下兼容计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.3 计算机系统计算机系统1.3.3 计算机系统的计算机系统的多层次结构多层次结构 现代计算机现代计算机系统是一个
36、硬件系统是一个硬件与软件组成的综与软件组成的综合体，我们可以合体，我们可以把它看成是按功把它看成是按功能划分的多级层能划分的多级层次结构。次结构。微程序级（实际机器）微程序级（实际机器）机器语言级（实际机器）机器语言级（实际机器）汇编语言级（虚拟机器）汇编语言级（虚拟机器）应用语言级（虚拟机器）应用语言级（虚拟机器）高级语言级（虚拟机器）高级语言级（虚拟机器）操作系统级（虚拟机器）操作系统级（虚拟机器）硬操作时序（实际机器）硬操作时序（实际机器）第第0级级第第1级级第第2级级第第3级级第第4级级第第5级级第第6级级硬联逻辑（实际机器）硬联逻辑（实际机器）微程序级（实际机器）微程序级（实际机器）
37、机器语言级（实际机器）机器语言级（实际机器）操作系统级（虚拟机器）操作系统级（虚拟机器）汇编语言级（虚拟机器）汇编语言级（虚拟机器）高级语言级（虚拟机器）高级语言级（虚拟机器）应用语言级（虚拟机器）应用语言级（虚拟机器）硬联逻辑硬联逻辑微程序微程序操作系统操作系统汇编程序汇编程序编译程序编译程序应用程序应用程序计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.3 计算机系统计算机系统1.3.4 实际机器和虚拟机器实际机器和虚拟机器 对每一个机器级的用户来说，都可以对每一个机器级的用户来说，都可以将此机器级看成是一台独立的使用自己特将此机器级看成是一台独立的使用自己特有
38、的有的“机器语言机器语言”的机器。的机器。 在计算机系统的多层次结构中，除第在计算机系统的多层次结构中，除第0、1、2级外，上面四级均为虚拟机。级外，上面四级均为虚拟机。 虚拟计算机是指这个计算机只对该级虚拟计算机是指这个计算机只对该级的观察者存在。对某一层次的观察者来说，的观察者存在。对某一层次的观察者来说，他只能是通过该层次的语言来了解和使用他只能是通过该层次的语言来了解和使用计算机，至于下层是如何工作和实现的就计算机，至于下层是如何工作和实现的就不必关心了。简而言之，不必关心了。简而言之，虚拟计算机是指虚拟计算机是指以软件或以软件为主实现的机器。以软件或以软件为主实现的机器。计算机组成原
39、理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第1 1章章 1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成1.3 计算机系统计算机系统1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标1.4.1 计算机的工作过程计算机的工作过程 将编制好的程序放在主存中，由控制器控将编制好的程序放在主存中，由控制器控制逐条取出指令执行，以计算制逐条取出指令执行，以计算a+b-c=?为例加为
40、例加以说明。以说明。 设设a、b、c为已知的为已知的3个数，分别存放在主个数，分别存放在主存的存的57号单元中，结果将存放在主存的号单元中，结果将存放在主存的8号号单元。单元。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存储器数据寄存器存储器数据寄存器数据总线数据总线累加器累加器ALU1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指
41、标计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存储器数据寄存器存储器数据寄存器数据总线数据总线累加器累加器ALU1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标LOAD 005LOAD 005a aa aa a取数指令取数指令计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院00000100200300500
42、6007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存储器数据寄存器存储器数据寄存器数据总线数据总线累加器累加器ALU1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标LOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba aa+ba+b加法指令加法指令a a b b计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD
43、 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存储器数据寄存器存储器数据寄存器数据总线数据总线累加器累加器ALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba+ba+bb b1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标SUB 007SUB 007c cc ca+b-ca+b-c减法指令减法指令计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005
44、LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存储器数据寄存器存储器数据寄存器数据总线数据总线累加器累加器ALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba+ba+bb bSUB 007SUB 007c cc ca+b-ca+b-c1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标STORE 008STORE 008a+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-c存数指令存数指令计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院0000
45、01002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存储器数据寄存器存储器数据寄存器数据总线数据总线累加器累加器ALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba+ba+bb bSUB 007SUB 007c cc ca+b-ca+b-cSTORE 008STORE 008a+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-c1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标HALT
46、HALT停机指令停机指令计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标1.4.2 计算机的主要性能指标计算机的主要性能指标 1.机器字长机器字长 机器字长是指参与运算的数的基本位数，机器字长是指参与运算的数的基本位数，它是由加法器、寄存器、数据总线的位数决它是由加法器、寄存器、数据总线的位数决定的。定的。 在计算机中为了更灵活地表达和处理信在计算机中为了更灵活地表达和处理信息，许多计算机又以息，许多计算机又以字节字节（Byte）为基本单）为基本单位，一个字节等于位，一个字节等于8位二进制位二进制位位（
47、bit）。）。 不同的计算机，字（不同的计算机，字（Word）可以不相）可以不相同，但对于系列机来说，在同一系列中，字同，但对于系列机来说，在同一系列中，字却是固定的，如却是固定的，如80X86系列中，一个字等于系列中，一个字等于16位；位；IBM303X系列中，一个字等于系列中，一个字等于32位。位。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标 2.数据通路宽度数据通路宽度 数据总线一次所能并行传送信息的位数，数据总线一次所能并行传送信息的位数，称为数据通路宽度称为数据通路宽度。它影响到信息的传
48、送能。它影响到信息的传送能力，从而影响计算机的有效处理速度。这里力，从而影响计算机的有效处理速度。这里所说的数据通路宽度是指外部数据总线的宽所说的数据通路宽度是指外部数据总线的宽度，它与度，它与CPU内部的数据总线宽度（内部寄内部的数据总线宽度（内部寄存器的大小）有可能不同。存器的大小）有可能不同。 内、外数据通路宽度相等的内、外数据通路宽度相等的CPU有：有：Intel 8086、80286、80486等；等； 外部内部的外部内部的CPU有：有：8088、80386SX等；等； 外部内部的外部内部的CPU有：有：Pentium等。等。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工
49、大学计算机学院1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标 3.主存容量主存容量 一个主存储器所能存储的全部信息量称为一个主存储器所能存储的全部信息量称为主存容量主存容量。衡量主存容量单位有两种：。衡量主存容量单位有两种： 字节数字节数。这类计算机称为。这类计算机称为字节编址字节编址的计算的计算机。每机。每1024个字节称为个字节称为1K字节（字节（210=1K），），每每1024K字节称为字节称为1M字节（字节（220=1M），每），每1024M字节称为字节称为1G字节（字节（230=1G），每），每1024G字节称为字节称为1T字节（字节（240=1T） 。 字数字
50、数字长字长。这类计算机称为。这类计算机称为字编址字编址的计的计算机。如：算机。如：409616表示存储器有表示存储器有4096个存个存储单元，每个存储单元字长为储单元，每个存储单元字长为16位。位。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院1.4 计算机的工作过程和主要性能指标计算机的工作过程和主要性能指标 4.运算速度运算速度(1)吞吐量和响应时间吞吐量和响应时间吞吐量是指系统在单位时间内处理请求的吞吐量是指系统在单位时间内处理请求的数量。响应时间是指系统对请求作出响应数量。响应时间是指系统对请求作出响应的时间，响应时间包括的时间，响应时间包括CPU时间（运行一
