计算机组成原理1.ppt

计算机组成原理 汪志华 edgar_wang@ 课程内容 讨论计算机单机系统的硬件组成。即五大功能部件的工作原理、逻辑实现、设计方法及相互连接构成整机的方法。 学习目的 深入理解计算机各组成部件的组成原理、工作机制以及部件之间的联系 建立计算机系统的整机概念，理解软硬件关系及逻辑等价性 培养计算机系统的分析、设计和开发能力，培养和提高计算思维能力 课程性质 计算机组成原理属于专业基础课。课程要求理论与实践并重 先修课：数字逻辑、汇编语言程序设计 后续课：计算机系统结构、微机原理与接口、单片机原理与应用、操作系统等 注意事项 因为课时关系，讲课会有所侧重，重点将讲述第2、3、5、8章 课前要预习，课后要注意复习 作业要按时独立完成，实验要亲自动手，独立思考 第一章 计算机系统概论 计算机的分类 模拟计算机：模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量来表示，通过电流或电压的物理变化过程来实现运算，运算过程是连续的 数字计算机：数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开关量（离散的数字量），按位运算，运算模式是离散式的 模拟计算机与数字计算机的比较 计算机的应用 科学计算 自动控制 测量和测试 信息处理 教育和卫生 家用电器 人工智能 1.2 计算机的硬件 运算器：对信息进行加工的部件，完成算术运算和逻辑运算 存储器：是计算机的记忆装置，用于存放原始数据和解题步骤等 控制器：负责对指令进行分析、判断，发出控制信号，使计算机的有关设备协调工作，确保系统正确运行 指令：计算机执行的一个基本操作 程序：解算某一问题的一串指令序列 冯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：将解题的程序（指令序列）存放到存储器中 程序控制：控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务 输入设备：向计算机输入信息的装置，用于把原始数据和处理这些数据的程序输入到计算机系统中 输出设备：将计算机处理过的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式 适配器：保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息，完成信号转换、数据缓冲、控制等功能 1.3 计算机的软件 1.4 计算机系统的层次结构 微程序设计级：这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微命令 一般机器级：也称为机器语言级，由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级 操作系统级：由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，这些广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。 汇编语言级：这一级由汇编程序支持和执行 高级语言级：面向用户，这一级由各种高级语言编译程序支持和执行 软件与硬件的逻辑等价性 随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊 任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成 对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等 软件的特点 ：易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约； 硬件的特点 ：可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。 有许多功能既可直接由硬件实现，也可在硬件支持下由软件实现，对用户来说在功能上是等价的，我们称之为软硬件在功能上的逻辑等价。 一般硬件只完成最基本的功能，而复杂的功能则通过软件实现 硬件与软件之间的界面（如功能分配关系）常随技术发展而变化 计算机系统结构、组成与实现 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 计算机系统的组成是指计算机系统结构的逻辑实现 计算机实现是指计算机组成的物理实现 例1 例2 * * 无 强 逻辑判断能力 小、几乎无 大 数据存储量 低、差 高、好 精度、抗干扰性 模拟信号组合控制 程序控制 控制方式 电量组合和测量值 数字计算 计算方式 电压、电流等 数字0和1 数据表示方式 模拟计算机 数字计算机 比较内容 数字电子计算机 专用机 通用机 巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 单片机 注：各种机型它们之间的界限不是固定的 存储器 输入设备 输出设备 控制器 运算器 计算程序 原始数据 计算结果 存取数据 指令 数据流 控制流 计算器 输入设备 输出设备 控制器 存储器 计算程序 原始数据 计算结果 存取数据 指令 数据流 控制流 指令 操作码 地址码 取指 执行 取指周期 执行周期 计算机怎么判断存储器中存储的信息是指令还是数据？ 时间上：在取指周期中，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。 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 软件 系统软件：为提高计算机系统