1、计算机组成原理计算机组成原理数字媒体技术系数字媒体技术系钱晓华钱晓华l课程性质课程性质 考试课考试课l课程安排课程安排 理论理论3232学时学时 +实验实验1616学时学时l考核形式考核形式出勤、作业出勤、作业 20%20%；实验；实验 20%20%期末考试期末考试 60%60%附则：附则：1 1：缺勤超过缺勤超过1/3 1/3 取消考试资格取消考试资格2 2：作业及实验报告缺少和不合格超作业及实验报告缺少和不合格超1/3 1/3 取消考试资格取消考试资格第一章 计算机系统概论第二章 运算方法和运算器第三章 存储系统第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八
2、章 输入输出系统目录第一章 计算机系统概论第二章 运算方法和运算器第三章 存储系统第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统第九章 操作系统支持目录第一章 计算机系统概论l1.1 1.1 计算机的产生历史计算机的产生历史 2 2 计算机的硬件系统组成计算机的硬件系统组成运运 算算 器器控控 制制 器器主存储器主存储器输入设备输入设备输出设备输出设备总线总线 和和 输入输出接口输入输出接口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟存储器(磁盘设备磁盘设备)（第二章第二章）（第五章第五章）（第三章第三章）（第六章第六章）（第七、八章第七、八章）中央处理单元中
3、央处理单元CPU2.1.运算器运算器l算术运算l逻辑运算l采用二进制数（容易实现）l位数越多，计算精度越高l计算机的运算器长度：8位、16位、32位或64位2.存储器存储器l功能：保存或“记忆”数据和运算过程l存储的是0或1表示的二进制代码l主存采用半导体器件来作为存储器l一个半导体触发器记忆一个二进制位l存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器，组成一个存储单元l存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址l存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB、GB”等表示l内存储器（主存）和外存储器(辅存）表示参加运算的数据表示参加运算的数据从存储
4、器的哪个单元取从存储器的哪个单元取运算的结果应存到哪个单元运算的结果应存到哪个单元3.控制器控制器l控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作l指令有两部分：操作的性质和操作的地址操作码地址码指出指令所进行的操作指出指令所进行的操作加、减、乘、除、取数、存数等加、减、乘、除、取数、存数等 指令操作码加法减法乘法除法取数存数打印停机001010011100101110111000电子计算机的设计思想v存储程序，程序控制存储程序，程序控制v“存储程序存储程序”，是把，是把指令指令以代码的形式事先输入到以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同一装置存计算机的主存储器中，即用记忆数据的同
5、一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成程程序序v“程序控制程序控制”，是当计算机启动后，程序就会控制，是当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务的信息处理任务v冯冯诺依曼型计算机的设计思想诺依曼型计算机的设计思想存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行v冯冯诺依曼计算机的基本思想诺依曼计算机的基本思想v采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成；组成；v将程序和数据存放在存储器中，使
6、计算机在工作时从存储将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是“存储存储程序程序”和和“程序控制程序控制”（简称存储程序控制）的概念；（简称存储程序控制）的概念；v指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。顺序执行，程序分支由转移指令实现。v计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五大计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成，规定了基本部件组成，规定了5 5部分的基本功能部分的基本
7、功能控制器的基本任务控制器的基本任务l 按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令，依次类推l取指令的一段时间叫做取指周期l执行指令的一段时间叫做执行周期l执行完成指令的时间，称为指令周期指令字和数据字，指令流指令字和数据字，指令流和数据流和数据流 l某字为一条指令，则称为指令字l某字代表要处理的数据，称为数据字l在取指周期中从内存读出的信息是指令流，它流向控制器l而执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器l时间上：在取指周期中
8、，CPU从内存读出的信息一定是指令；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定是数据。l空间上：指令一定流向控制器；而数据则是在内存（或寄存器）与运算器之间流动适配器与输入输出设备适配器与输入输出设备l输入设备把人们所熟悉的某种形式的信息变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式l输出设备把计算机处理的结果变换为人或其它机器所能接收和识别的信息形式lI/O设备通常统称为外围设备l适配器(I/O接口)相当于一个转换器,它可以保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息l系统总线构成计算机系统的信息链接,是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路l计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入
9、/输出设备组成的。都是由元件构成的有形物体，因而称为硬件或硬设备。硬件是计算机系统中实际物理装置的总称l计算程序，因为它是无形的东西，称为软件或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档l硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件的结合，构成完整的计算机系统计算机系统计算机系统硬件硬件系统系统软件软件系统系统计算机软件程序数据文档计算机软件程序数据文档软件分类软件分类操作系统操作系统 语言处理程序语言处理程序服务性程序服务性程序应用软件应用软件办公软件包办公软件包数据库管理系统数据库管理系统浏览器浏览器实时控制软件实时控制软件诊断、排错程序诊
10、断、排错程序反病毒程序反病毒程序备份程序备份程序文件压缩程序文件压缩程序卸载程序卸载程序图形图像处理软件图形图像处理软件其它应用软件其它应用软件系统软件系统软件软件的发展演变软件的发展演变l目的程序目的程序l 汇编语言汇编语言l 算法语言算法语言l 操作系统操作系统l 数据库管理系统数据库管理系统 目的程序l早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，（又叫手编程序）计算机完全可以“识别”并能执行，所以又叫做目的程序l用机器语言编写程序很繁琐，又耗费大量的人力和时间，容易出错，出错后寻找错误也相当费事，大大限制了计算机的使用汇编程序l为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率，人们发明了汇编语言l
11、借助于汇编程序，计算机本身自动地把符号语言表示的程序（称为汇编源程序）翻译成用机器语言表示的目的程序用约定的文字、符号和数字（用约定的文字、符号和数字（助记符助记符）按规定按规定 的格式来表示各种不同的指令的格式来表示各种不同的指令汇编语言汇编语言l缺点缺点 需熟悉具体机器的指令系统需熟悉具体机器的指令系统 节省的人力时间有限节省的人力时间有限 和数学语言差异较大和数学语言差异较大编译程序l用程序设计语言编写的程序称为源程序，这种源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计算机配备一个既懂算法语言又懂机器语言的“翻译”，才能把源程序翻译为机器语言l通常采用下面两种方法：编译系统：用编译程序将源程序
12、编译成机器语言形式的目的程序，然后利用运行系统辅助程序来运行，编译程序和运行系统合称为编译系统。解释系统：逐个解释并立即执行源程序的语句，它不是编出目的程序后再执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果计算机的层次结构计算机的层次结构用用 户户 级级高高 级级 语语 言言 级级汇汇 编编 语语 言言 级级系系 统统 软软 件件 级级 机机 器器 级级控控 制制 级级数数 字字 逻逻 辑辑 级级 应用软件应用软件 系统软件系统软件 软硬件界面软硬件界面物理机物理机虚拟机虚拟机硬件硬件固件固件硬件直接执行硬件直接执行Level 0(门电路、电子线路门电路、电子线路)Level 1(微程序或硬布线微程序或硬布线)Level 2(指令集结构指令集结构ISA)Level 3(操作系统、库代码操作系统、库代码)Level 4(汇编语言代码汇编语言代码)Level 5(C+，Java，等，等)Level 6(可执行程序可执行程序)
