1、1 主講主講 郭郭 航航 計算機組成與結構計算機組成與結構 清華大學清華大學 王愛英主編王愛英主編 參考書：計算機組成原理（第三版）白中英編參考書：計算機組成原理（第三版）白中英編 科學出版社科學出版社 計算機組成原理（修訂版）俸遠幀編計算機組成原理（修訂版）俸遠幀編 電子工業出版社電子工業出版社 2 計算機組成與結構計算機組成與結構課程學習目的與方法課程學習目的與方法 一一. .學習目的：學習目的： 1.1.掌握計算機整機系統原理，建立專業思想和基礎掌握計算機整機系統原理，建立專業思想和基礎. . 2. 2.培養設計微型計算機應用系統（嵌入式）的能力培養設計微型計算機應用系統（嵌入式）的能力

2、. . 3. 3.培養今后進入行業發展的整體工作能力培養今后進入行業發展的整體工作能力. . 二二. .學習方法：學習方法： 1.1.堅持上課，認真聽講，爭取課堂上明白原理與內容堅持上課，認真聽講，爭取課堂上明白原理與內容. . 2. 2.授課采用部分交互式討論，積極思考，培養能力授課采用部分交互式討論，積極思考，培養能力. . 3. 3.內容分塊獨立，涉及電路，及時掌握，絕不拖欠內容分塊獨立，涉及電路，及時掌握，絕不拖欠. 4. 認真做實驗，要堅持獨立完成，切實掌握所學內容認真做實驗，要堅持獨立完成，切實掌握所學內容 . 三三. 考核方式：考核方式： 1.1.閉卷考試為主、閉卷考試為主、實驗

3、成績為輔實驗成績為輔、增加平時檢測、增加平時檢測. . 2. 2.平時成績注重大作業、同時兼顧課統計關鍵平時成績注重大作業、同時兼顧課統計關鍵. . 3 請大家思考并發表自己的請大家思考并發表自己的 看法：看法： 1.1.計算機有沒有計算機有沒有 “ “智能智能” ” ？ 2.2.如果有如果有 “ “智能智能” ” ，怎么能有的？，怎么能有的？ 3.3.計算機如果有計算機如果有 “ “智能智能” ，會威脅到人類？，會威脅到人類？ 4.4.計算機專業是否有前途（計算機專業是否有前途（“錢錢”圖）？圖）？ 提示：提示：關鍵點所在？關鍵點所在？ 5.5.這學期你怎么做？做好準備了嗎？這學期你怎么做？

4、做好準備了嗎？ 4 緒 論 是否合格地完成本課程學習的唯一標準：是否合格地完成本課程學習的唯一標準： 1.明白計算機系統是如何工作明白計算機系統是如何工作 2.可以設計一個簡單的核心模型機可以設計一個簡單的核心模型機 討論分析：討論分析：計算機系統如何執行程序的計算機系統如何執行程序的 1. 程序是什么？計算機執行什么樣的程序？程序由什么組程序是什么？計算機執行什么樣的程序？程序由什么組 成？真實具體的格式如何？是常見的高級語言語句嗎？成？真實具體的格式如何？是常見的高級語言語句嗎？ 2. 計算機只是執行程序嗎？什么是信息？計算機能處理嗎？計算機只是執行程序嗎？什么是信息？計算機能處理嗎？ 3

5、. 程序或信息如何存入到計算機中？有幾種方式？程序或信息如何存入到計算機中？有幾種方式？ 4. 程序或信息存入到計算機中如何不丟失？程序或信息存入到計算機中如何不丟失？- 硬盤的作用硬盤的作用 5. 由程序如何被執行開始討論：計算機應該由幾個部分組由程序如何被執行開始討論：計算機應該由幾個部分組 成？各個負責什么工作？成？各個負責什么工作？ 6. 執行執行機器指令機器指令核心核心是？怎么完成的呢？是？怎么完成的呢？兩個部分：兩個部分：存存與與做做! 7. 執行結果如何被輸出出來使用？有幾種方式？執行結果如何被輸出出來使用？有幾種方式？ 5 關于關于計算機是如何工作計算機是如何工作的思考的思考

6、1.1.計算機能干什么計算機能干什么 - - 運行程序！運行程序！ 2.2.程序的實質是什么？程序的實質是什么？ 源程序編碼源程序編碼 + + 所需數據所需數據 源程序源程序 高級語言高級語言 匯編語言匯編語言 機器機器 碼碼 3.3.計算機硬件有多大的能力？能做什計算機硬件有多大的能力？能做什 么？能運行什么的程序？么？能運行什么的程序？ 4.4.計算機硬件本身能為用戶服務嗎？計算機硬件本身能為用戶服務嗎？ 6 5.5.計算機裸機計算機裸機 與與 計算機系統計算機系統 裸機中有什么？裸機中有什么？ 譯碼器、編碼器、譯碼器、編碼器、 計數器、選擇器、計數器、選擇器、 分路器、存儲器、分路器、存

7、儲器、 與或非門與或非門 等等等等。 6.6.操作系統：操作系統：功能功能與與類型類型( (命令命令+ +圖形圖形) ) 關于關于計算機是如何工作計算機是如何工作的思考的思考 7 8 各類應用軟件 圖形處理 工程計算 信息管理 應用軟件 各種服務系統 數據庫管理系統 語言處理程序 操作系統 系統軟件 軟件系統 9 7.7.計算機計算機( (裸機裸機) )結構結構 馮氏結構馮氏結構 程序：程序：進入進入 + + 保存保存 + + 運行運行 + + 輸出輸出 8.8.程序程序(+(+數據數據)- )- 如何進入？如何進入？ 9.9.程序程序如何被執行如何被執行？( (連續各條指令連續各條指令) )

8、 10.10.程序結果數據程序結果數據 - - 如何出？如何出？ 關于關于計算機是如何工作計算機是如何工作的思考的思考 10 第一章第一章 計算機系統概論計算機系統概論 硬件是計算機的物資基礎，沒有硬件計算機將不硬件是計算機的物資基礎，沒有硬件計算機將不 復存在；軟件是發揮計算機功能，沒有軟件計算機無復存在；軟件是發揮計算機功能，沒有軟件計算機無 法投入使用。如同電影機和電影膠片的關系。法投入使用。如同電影機和電影膠片的關系。 1.4 1.4 計算機的現代發展史計算機的現代發展史 11 12 計算機的語言簡介計算機的語言簡介 13 1.2 1.2 計算機的硬件計算機的硬件 組成計算機的基本部件

9、有中央處理器組成計算機的基本部件有中央處理器CPUCPU（運算（運算 器和控制器）、存儲器和輸入、輸出設備。器和控制器）、存儲器和輸入、輸出設備。 中央處理器中央處理器又叫又叫CPU，在早期的計算機中分成運算器和，在早期的計算機中分成運算器和 控制器兩部分，由于電路集成度的提高，現在已把它們集控制器兩部分，由于電路集成度的提高，現在已把它們集 成在一個芯片中。成在一個芯片中。 14 15 移位器移位器 ALUALU 選擇器 通用寄存器組通用寄存器組 選擇器 運算器運算器 16 移位器移位器 ALUALU 選擇器選擇器 通用寄存器組通用寄存器組 ALU: ALU: 通過加法器實現運算操作通過加法

10、器實現運算操作 （由全加器（由全加器 求和、由求和、由 進位鏈傳遞進位信號）。進位鏈傳遞進位信號）。 選擇器：選擇操作數；選擇控制選擇器：選擇操作數；選擇控制 條件，實現條件，實現 各種算法。各種算法。 通用寄通用寄 存器組：存器組： 提供操作數，存放運算結果。提供操作數，存放運算結果。 移位器：直接或者移位送出運移位器：直接或者移位送出運 算結果。算結果。 17 18 微命令發生器微命令發生器 指令信息指令信息 狀態信息狀態信息 時序信號時序信號 微命令序列微命令序列 邏輯條件邏輯條件時間條件時間條件 控制器控制器 19 20 存儲體存儲體 地址寄存器地址寄存器 譯碼器譯碼器 讀讀/ /寫線

11、路寫線路 數據寄存器數據寄存器 控制線路控制線路 存儲器存儲器 21 22 輸入輸入/輸出設備輸出設備 主機主機接口接口 輸入輸入/出出 設備設備 23 ALUALU CPU 主機主機 I/OI/O CUCU 主主 存存 24 25 計算機硬件的組成框圖計算機硬件的組成框圖 CPU（包括運算器和控制器）（包括運算器和控制器） 存儲器存儲器 ROM RAM 輸入輸入/輸出設備輸出設備(I/O設備設備) 總線總線 DBUS ABUS CBUS 運算器運算器 和控制和控制 器器 CPU 存儲器存儲器 輸入輸輸入輸 出設備出設備 26 硬軟件界面與邏輯上的等價硬軟件界面與邏輯上的等價 計算機系統以硬件

12、為基礎，通過軟件擴充其功能，計算機系統以硬件為基礎，通過軟件擴充其功能， 并以執行程序方式體現其功能。一般來說，硬件只完成并以執行程序方式體現其功能。一般來說，硬件只完成 最基本的功能，而復雜的功能則通過軟件實現。在實際最基本的功能，而復雜的功能則通過軟件實現。在實際 的具體實施中，許多功能即可直接由硬件實現，也可在的具體實施中，許多功能即可直接由硬件實現，也可在 硬件支持下靠軟件實現，對用戶來說在功能上是等價的。硬件支持下靠軟件實現，對用戶來說在功能上是等價的。 例如乘法運算就是一個例子。例如乘法運算就是一個例子。 早期曾采用硬件軟化的技術策略來降低造價，如依早期曾采用硬件軟化的技術策略來降

13、低造價，如依 靠軟件實現乘、除、浮點運算等更高級一些的功能。隨靠軟件實現乘、除、浮點運算等更高級一些的功能。隨 著集成電路技術的飛速發展，于是又出現了另一種技術著集成電路技術的飛速發展，于是又出現了另一種技術 策略策略-軟件硬化，如浮點運算器等。這樣系統將有更高軟件硬化，如浮點運算器等。這樣系統將有更高 的處理速度，在軟件的支持下具有更強的功能。的處理速度，在軟件的支持下具有更強的功能。 27 與此同時，人們又采取了另一種策略與此同時，人們又采取了另一種策略固件固件 化。采用微程序控制技術使計算機結構和硬、軟化。采用微程序控制技術使計算機結構和硬、軟 件功能分配發生了變化，對指令的解釋與執行是

14、件功能分配發生了變化，對指令的解釋與執行是 通過運行微程序來實現的。而微程序是被固化在通過運行微程序來實現的。而微程序是被固化在 只讀存儲器中。從信息形態上講，微程序類似于只讀存儲器中。從信息形態上講，微程序類似于 軟件；從器件上講它固化在硬件芯片內；在邏輯軟件；從器件上講它固化在硬件芯片內；在邏輯 功能上講它屬于硬件功能上講它屬于硬件CPU的范疇；因而稱為固件。的范疇；因而稱為固件。 現在常采用軟件固化的策略，將系統軟件的現在常采用軟件固化的策略，將系統軟件的 核心部分固化在存儲芯片之中。從用戶看去，它核心部分固化在存儲芯片之中。從用戶看去，它 們是系統硬件的一部分。如，微機系統將操作系們是

15、系統硬件的一部分。如，微機系統將操作系 統中的統中的BIOS固化在系統板上，將存儲管理功能固化在系統板上，將存儲管理功能 集成于集成于CPU芯片之內。芯片之內。 28 1.3 計算機系統的層次結構計算機系統的層次結構 （從語言功能層次劃分）（從語言功能層次劃分） 虛擬機虛擬機：通過配置軟件擴展功能后形成的與：通過配置軟件擴展功能后形成的與 實際機無關的機器。它將提供給用戶的功能抽象實際機無關的機器。它將提供給用戶的功能抽象 出來，脫離了物理機。出來，脫離了物理機。 由于站在不同層次上編程的程序員所看到的由于站在不同層次上編程的程序員所看到的 計算機屬性也是個不相同的。例如，用高級語言計算機屬性

16、也是個不相同的。例如，用高級語言 編程的程序員，可以把編程的程序員，可以把IBM PC與與RS6000兩種兩種 機器看成同一屬性的機器。可是，對使用匯編語機器看成同一屬性的機器。可是，對使用匯編語 言編程的程序員來說，言編程的程序員來說， IBM PC與與RS6000兩種兩種 機器是兩種截然不同的機器。因為程序員所看到機器是兩種截然不同的機器。因為程序員所看到 的這兩種機器的屬性，如指令集、數據類型、尋的這兩種機器的屬性，如指令集、數據類型、尋 址技術等都完全不同，因此認為這兩種機器的結址技術等都完全不同，因此認為這兩種機器的結 構是各不相同的。構是各不相同的。 29 虛擬機（通過軟件擴充的物

17、理機）目的：虛擬機（通過軟件擴充的物理機）目的： 擺脫真實機器的束縛。擺脫真實機器的束縛。 比較：比較：JavaJava虛擬機虛擬機 實際機器（機器語言物理機）實際機器（機器語言物理機） 專用語言虛擬機專用語言虛擬機 高級語言虛擬機高級語言虛擬機 匯編語言虛擬機匯編語言虛擬機 程序程序 30 虛擬機器虛擬機器 M4 （高級語言機器）（高級語言機器） 高級語言程序經編譯程序翻譯高級語言程序經編譯程序翻譯 成匯編語言或中間語言程序成匯編語言或中間語言程序 圖圖 計算機系統的多級層次結構計算機系統的多級層次結構 虛擬機器虛擬機器M3 （匯編語言或中（匯編語言或中 間機器語言）間機器語言） 本級語言程

18、序經編譯程序翻譯成本級語言程序經編譯程序翻譯成 機器語言程序或操作系統語言機器語言程序或操作系統語言 虛擬機器虛擬機器M2 （操作系統（操作系統 語言機器）語言機器） 一般用機器語言解釋操作系統語言一般用機器語言解釋操作系統語言 實際機器實際機器M1 （機器語言機器）（機器語言機器） 由硬件或微程序由硬件或微程序 * *執行機器語言執行機器語言 * *注：微程序將在第注：微程序將在第6 6章中講述章中講述 31 1.4.1 計算機的產生計算機的產生 1642年，年僅年，年僅19歲的法國科學家歲的法國科學家Blaise Pascal(1623-1662)制造出的制造出的 第一臺能工作的計算機器。

19、整臺機器是純機械設備，使用手柄驅動，用齒第一臺能工作的計算機器。整臺機器是純機械設備，使用手柄驅動，用齒 輪傳動，能完成加法和減法。程序設計語言輪傳動，能完成加法和減法。程序設計語言Pascal就是以他的名字命名的。就是以他的名字命名的。 1945年年, 美國數學家馮美國數學家馮.諾依曼博士發表諾依曼博士發表電子計算工具邏輯設計電子計算工具邏輯設計論文，論文， 提出二進制表達方式和存儲程序控制計算機構想。提出二進制表達方式和存儲程序控制計算機構想。 1946年年, 美國賓西法尼亞大學研制成功電子數字計算機美國賓西法尼亞大學研制成功電子數字計算機 ENIAC。重。重28噸，噸， 耗電耗電150k

20、W，占地，占地170平米，用電子管平米，用電子管18800個，每秒個，每秒5000次加法。次加法。 1948年，貝爾實驗室的年，貝爾實驗室的John Bardeen、Walter Brattain和和William Shockley發明了晶體管，他們也因此獲得了發明了晶體管，他們也因此獲得了1956年的諾貝爾物理獎。年的諾貝爾物理獎。 1953年，麻省理工學院林肯實驗室成功研制了第一臺晶體管計算機年，麻省理工學院林肯實驗室成功研制了第一臺晶體管計算機TX-0。 清華大學計算機系于清華大學計算機系于1966年研制成功晶體管小型通用計算機年研制成功晶體管小型通用計算機112機，后機，后 來由北京計

21、算機三廠投產。來由北京計算機三廠投產。 1.4 1.4 計算機的現代發展史計算機的現代發展史 32 介紹：重達30噸 占地170平方米 內裝18000個電子管 計算速度5000次/秒 不足：存儲容量小 20個字長10位 非自動 采用線路連接來編程 Von Neumann 在此基礎上提出了 現代計算機的模型 第一臺計算機 ENIAC 33 一般認為馮一般認為馮.諾依曼機具有如下基本特點諾依曼機具有如下基本特點: 計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和 輸出設備五部分組成。輸出設備五部分組成。 采用存儲程序的方式，程序和數據放在同一存儲采用存儲程序的方

22、式，程序和數據放在同一存儲 器中，由指令組成的程序可以修改。器中，由指令組成的程序可以修改。 數據以二進制碼表示數據以二進制碼表示 指令由操作碼和地址碼組成。指令由操作碼和地址碼組成。 指令在存儲器中按執行順序存放，由指令計數器指令在存儲器中按執行順序存放，由指令計數器 指明要執行的指令所在的單元地址，一般按順序指明要執行的指令所在的單元地址，一般按順序 替增。替增。 機器以運算器為中心，數據傳送都經過運算器。機器以運算器為中心，數據傳送都經過運算器。 34 典型馮典型馮. .諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構 圖 1-1 計算機的基本結構 存儲器 輸出輸入 運算器 控制器 數據線路 控制信號

23、35 算術運算算術運算 邏輯運算邏輯運算 存放數據存放數據 和程序和程序將信息轉換成機將信息轉換成機 器能識別的形式器能識別的形式 將結果轉換成將結果轉換成 人們熟悉的形式人們熟悉的形式 指揮程序指揮程序 運行運行 馮馮諾依曼計算機硬件框圖諾依曼計算機硬件框圖 存儲器存儲器 輸入設備輸入設備運算器運算器 控制器控制器 輸出設備輸出設備 36 提高計算機性能的根本方向之一是并行處理。因此近提高計算機性能的根本方向之一是并行處理。因此近 年來人們在謀求突破傳統諾依曼體制的束縛，這種努年來人們在謀求突破傳統諾依曼體制的束縛，這種努 力被稱為非諾依曼化。一般認為它表現在三個方面的努力被稱為非諾依曼化。

24、一般認為它表現在三個方面的努 力。力。 1）在諾依曼體制的范疇內，對傳統諾依曼機進行）在諾依曼體制的范疇內，對傳統諾依曼機進行 改造，如采用多個處理部件形成流水線處理，依靠時間改造，如采用多個處理部件形成流水線處理，依靠時間 上的重疊提高處理效率；又如組成陣列機結構，形成單上的重疊提高處理效率；又如組成陣列機結構，形成單 指令流多數據流，提高處理速度。指令流多數據流，提高處理速度。 l 2）用多個諾依曼機組成多機系統，支持并行算法）用多個諾依曼機組成多機系統，支持并行算法 結構。結構。 l 3）從根本上改變諾依曼機的控制流驅動方式。例）從根本上改變諾依曼機的控制流驅動方式。例 如采用數據流驅動

25、方式，只要數據已經準備好，有關的如采用數據流驅動方式，只要數據已經準備好，有關的 指令就可并行執行。指令就可并行執行。 37 1.4.2 1.4.2 電子計算機的發展簡史電子計算機的發展簡史 第一代第一代 電子管時代電子管時代(1946-1958) 耗電高，體積大，定點計算，機器語言，匯編語言耗電高，體積大，定點計算，機器語言，匯編語言 第二代第二代 晶體管時代晶體管時代(1958-1965) 變集中處理為分級處理，浮點運算、高級語言變集中處理為分級處理，浮點運算、高級語言 第三代第三代 中小規模集成電路時代中小規模集成電路時代(1965-1970) 存儲容量大，運算速度快，幾十至幾百萬次存儲

26、容量大，運算速度快，幾十至幾百萬次/秒秒 第四代第四代 大規模集成電路時代大規模集成電路時代(1971至今至今) 向大型機和微型機兩個方向發展向大型機和微型機兩個方向發展 現代計算機發展方向現代計算機發展方向 巨型化，微型化，網絡化，智能化，多媒體化巨型化，微型化，網絡化，智能化，多媒體化 根據摩爾定律集成電路大體上每根據摩爾定律集成電路大體上每18個月翻一番，今后可再用個月翻一番，今后可再用10年。年。 38 39 1.4.3 1.4.3 計算機的六大分類計算機的六大分類 巨型機巨型機世界幾家公司生產，最快世界幾家公司生產，最快1.4萬億次，萬億次，9千個千個CPU組組 成成Cray-1,C

27、ray-2,Cray-3,國產銀河國產銀河I, 銀河銀河II, 銀銀 河河III，目前我國神威號速度達，目前我國神威號速度達3480億次億次/秒。秒。 小巨型機小巨型機功能同巨型機相近，價格相對便宜，發展十分迅速功能同巨型機相近，價格相對便宜，發展十分迅速 美國美國Convex公司的公司的C系列機為其代表產品。系列機為其代表產品。 大型機大型機大中型企事業單位作為計算中心的主機使用，統一調大中型企事業單位作為計算中心的主機使用，統一調 度主機資源，代表產品有度主機資源，代表產品有IBM360，370，4300等等 小型機小型機它可以滿足部門性的需求，供小型企事業單位使用，它可以滿足部門性的需求，供小型企事業單位使用， 典型產品有典型產品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列，國產太級系列，國產太級 工作站工作站用于特殊的專業領域，例如圖象處理和輔助設計等。用于特殊的專業領域，例如圖象處理和輔助設計等。 典型產品有典型產品有HP-APOLLO，SUN工作站等。工作站等。 l