學習指南本課程的性質計算機組成原理是計算機科學與技術專業本科生的核心課程之一，是必修的專業基礎課。本課程的地位本課程在計算機學科中處于承上啟下的地位，要求先修的課程有計算機導論，數字電路本課程的任務討論單機系統范圍內計算機各部件和系統的組成以及內部工作機制。本課程的重點五大基本部件的原理及實現。參考書白中英，計算機組成原理，北京科學出版社。王閔，計算機組成原理，電子工業出版社。候炳輝，計算機原理與系統結構，清華大學出版社。課程的主要內容第1章概論第2章數據的機器層次表示第3章指令系統第4章數值的機器運算第5章存儲系統和結構第6章中央處理器第7章外部設備第8章輸入輸出系統本課程的要求授課總學時

64學時（4學時/周，共授課16周）作業從第三周開始，逢單周星期四為交作業時間，只有當作業收齊交到講臺上后才開始上課課程總評成績計算方法作業占10-15%平時考勤、課堂提問占10%期末考試占75-80%第1章概論1.1電子計算機與存儲程序控制1.2計算機系統的硬件組成1.3計算機系統1.4計算機的工作過程和主要性能指標1.1電子計算機與存儲程序控制電子計算機從信息形式和處理方式上可分為電子模擬計算機用電路之間的關系來模擬其他物理量的計算，計算機中數值由連續的量來表示。電子數字計算機計算機中的數值由離散的數值來表示。電子數字-模擬混合計算機以上兩者的結合，在某種場合能發揮兩種機器的長處。可以有非電子計算機如：光計算機、量子計算機、超導計算機等。

存儲程序概念

——由馮·諾依曼等人在1946年6月提出存儲程序概念：計算機（指硬件）應由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成；計算機內部采用二進制來表示指令和數據；將編好的程序和原始數據事先存入存儲器中，然后再啟動計算機工作，這就是存儲程序的基本含義。目前絕大多數計算機仍建立在存儲程序概念的基礎上，稱馮·諾依曼型計算機。1.2計算機的硬件組成運算器控制器主存儲器輸入設備輸出設備輔助存儲器CPU控制流數據流

地址或指令主機外設

存儲器中央處理器（CPU）=運算器+控制器主機

=

中央處理器+主存儲器外部設備=除去主機以外的硬件裝置（如輸入設備、輸出設備、輔助存儲器等）

輸出設備

輸入設備

運算器

控制器

存儲器計算結果程序和數據計算機硬件系統的直接通路聯接法指令流數據流計算機的硬件組成執行算術、邏輯運算從計算機外部輸入信息存放數據、指令等分析指令，控制指令的執行，協調其它部件工作將加工后的信息輸出存儲器運算器控制器接口輸入設備輸出設備系統總線計算機硬件系統的基本構成計算機硬件系統的總線聯接法計算機的硬件結構——運算器運算器的功能是計算機中進行數據加工的部件。運算器的結構算術邏輯單元ALU——ArithmeticLogicalUnit進行算術運算和邏輯運算的部件由加法器和控制邏輯電路組成寄存器存貯參加運算的數據ALU暫存器1暫存器2R0Rn通用寄存器組至數據總線自數據總線計算機的硬件結構——運算器運算器主要的性能是影響整個計算機系統性能的重要因素運算器并行處理的二進制代碼的位數(字長)↗，則處理數的范圍↗，精度↗運算器進行基本運算的速度,將直接影響系統的速度精度、速度是運算器的重要性能參數ALU暫存器1暫存器2R0Rn通用寄存器組至數據總線自數據總線計算機的硬件結構——存貯器存貯器的功能是存放程序和數據，是計算機中各種信息的存貯和交流中心。存貯器的結構——一座巨大的旅館存貯單元——房間存貯單元地址——房號（唯一）每個存貯單元存放若干位二進制代碼，而房間可住若干個人計算機的硬件結構——存貯器存貯器所含二進制信息的總和叫存貯容量存貯容量計量單位單位通常意義實際表示K(千)103IK=210=1024M(兆)1061M=210K=220=1048576G(吉)1091G=210M=230=1073741824T(太)10121T=210G=240=1099511627776P(皮)10151P=210T=250=1125866906842624計算機的硬件結構——存貯器存貯容量大↗，處理問題的范圍大↗，計算機功能強↗存貯器的存取速度快↗，運算程序的速度快↗存貯器的主要性能指標容量速度存貯器按功能分為主存貯器（主存）——存放運行的當前程序和數據輔存貯器（外存）——存放暫不運行的程序和數據計算機的硬件結構——控制器控制器的功能——讀取程序的指令，并對其譯碼后產生相應的控制命令串，以使機器各部分按要求協調地工作即控制器要向計算機各功能部件提供每一時刻協同運行所需要的控制信號計算機的硬件結構——I/O部件I/O部件的功能——完成人機聯系的部件I/O部件的組成——I/O設備設備接口術語：輔存和I/O設備合稱——外圍設備計算機的硬件結構——總線早期計算機系統的各個部件采用直接通路聯接法主要優點：速度快主要缺點：不易于擴展計算機的硬件結構——總線總線(BUS)——是信息傳遞的一組公共通路目前在計算機中廣泛應用按傳遞信息的類別的不同，總線可分為地址總線（AB）——單向數據總線（DB）——雙向控制總線（CB）——雙向優點——減少各部件間聯接線，易于擴展缺點——速度低，控制復雜接口接口外設外設…CPU主存儲器

系統總線

馮·諾依曼結構的存儲器設計思想

馮·諾伊曼結構是一種將程序存儲器和數據存儲器合并在一起的存儲器結構。指令存儲地址和數據存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置。使用馮·諾伊曼結構的中央處理器有很多，如：Intel公司的80X86、ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS等。哈佛結構的存儲器設計思想

哈佛結構是一種將程序存儲和數據存儲分開的存儲器結構。CPU首先到程序存儲器中讀取指令內容，譯碼后得到數據地址，再到相應的數據存儲器中讀取數據，并進行下一步的操作。哈佛結構的處理器通常具有較高的執行效率。目前使用哈佛結構的中央處理器也有很多，如MOTOROLA公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。系統軟件

應用軟件計算機軟件

計算機系統計算機硬件操作系統語言處理程序診斷程序各種標準程序庫…MISERPOFFICEOUTLOOK1.3計算機系統的組成計算機系統軟件的組成為用戶便于使用和管理計算機而編制的程序，由系統設計者和廠家提供。為解決某個應用領域的具體任務而編制的程序主存主機計算機硬件計算機系統計算機軟件計算機系統硬件的組成計算機硬件是指構成計算機的所有實體部件的集合,通常這些部件由電路、機械等物理部件組成，它們“看得見模得著”CPUCPU輔存I/O設備運算器控制器外設硬件是計算機系統的物質基礎，軟件是計算機系統的靈魂。軟、硬件是相輔相成、不可分割的整體。系列機和軟件兼容系列機指一個廠家生產的、具有相同的系統結構，但具有不同組成和實現的一系列不同型號的機器。系列機應在指令系統、數據格式、字符編碼、中斷系統、控制方式、輸入/輸出操作方式等方面保持統一，從而保證軟件的兼容性——向上兼容——力爭做到向下兼容向前兼容向后兼容——必須保證計算機系統的多層次結構

一般用戶觀察到的計算機硬件系統專業用戶觀察到的計算機硬件系統

不同對象觀察到的計算機硬件系統是不同的

計算機設計者觀察到的計算機硬件系統

不同對象觀察到的計算機硬件系統

計算機系統的多層次結構現代計算機系統是一個硬件與軟件組成的綜合體，我們可以把它看成是按功能劃分的多級層次結構。在多層結構中每一層機器都有自己的語言每一層語言都要通過翻譯或解釋由低一層次的機器來實現微程序級（實際機器）機器語言級（實際機器）匯編語言級（虛擬機器）應用語言級（虛擬機器）高級語言級（虛擬機器）操作系統級（虛擬機器）硬操作時序（實際機器）第0級

第1級

第2級

第3級

第4級

第5級第6級硬聯邏輯（實際機器）微程序級（實際機器）機器語言級（實際機器）操作系統級（虛擬機器）匯編語言級（虛擬機器）高級語言級（虛擬機器）應用語言級（虛擬機器）硬聯邏輯微程序操作系統匯編程序編譯程序應用程序計算機系統的多層次結構微程序級——微指令集，微程序可直接由硬件執行。機器語言級——指令系統，機器語言程序可由微程序進行解釋。操作系統級——它直接管理傳統機器的軟硬件資源，它是傳統機器的延伸。匯編語言級——匯編語言，完成匯編語言程序的翻譯。高級語言級——各種高級語言，通常用編譯程序來完成翻譯工作。應用語言級——各種面向問題的應用語言，為使計算機滿足某用途而專門設計。微程序級機器語言級匯編語言級應用語言級高級語言級操作系統級硬聯邏輯第0級

第1級

第2級

第3級

第4級

第5級第6級硬聯邏輯微程序級機器語言級操作系統級匯編語言級高級語言級應用語言級硬聯邏輯微程序操作系統匯編程序編譯程序應用程序虛擬機器實際機器實際機器和虛擬機器對每一個機器級的用戶來說，都可以將此機器級看成是一臺獨立的使用自己特有的“機器語言”的機器。虛擬計算機是指這個計算機只對該級的觀察者存在。虛擬計算機——指以軟件或以軟件為主實現的機器。微程序級機器語言級匯編語言級應用語言級高級語言級操作系統級硬聯邏輯第0級

第1級

第2級

第3級

第4級

第5級第6級硬聯邏輯微程序級機器語言級操作系統級匯編語言級高級語言級應用語言級硬聯邏輯微程序操作系統匯編程序編譯程序應用程序虛擬機器實際機器Movax,[01000]Xchgax,[01010]Mov[01000],axtemp=v[k];v[k]=v[k+1];v[k+1]=temp;000010011100011010101111010110001010111101011000000010011100011011000110101011110101高級語言程序匯編語言程序一般機器級微程序設計級編譯器匯編器機器解釋同一程序可以在不同復雜度級別進行表示

計算機系統的多層次結構硬件與軟件的關系計算機系統中沒有一條明確的硬件與軟件的分界線。硬件和軟件之間的界面是浮動的。對于程序設計人員來說，硬件和軟件在邏輯上是等價的。微程序級機器語言級匯編語言級應用語言級高級語言級操作系統級硬聯邏輯第0級

第1級

第2級

第3級

第4級

第5級第6級硬聯邏輯微程序級

機器語言級

操作系統級

匯編語言級高級語言級應用語言級硬聯邏輯微程序操作系統匯編程序編譯程序應用程序虛擬機器實際機器軟件與硬件的邏輯等價性同一種功能可以用硬件實現，也可以用軟件或固件實現，它們在邏輯功能上是等價的，不同的只是性能和價格不同用軟件實現的特點成本↘、速度↘、占內存↗、可靠性↗用硬件實現的特點成本↗、速度↗、不占內存、可靠性↘固件——介于傳統的軟件和硬件間的實體。功