主講教師：莊春興江南南大學物聯網工程學院計算機組成原理Email:cx_zhuang@163.com1本課程在計算機課程體系中的位置硬件類軟件類CPU及整機設計（計算機組成原理）BIOS與接口驅動程序設計模擬電路、數字邏輯電路設計嵌入式系統SOC芯片設計計算機系統結構外圍接口電路設計操作系統編譯系統數據庫數據結構C++JAVA離散數學計算機系統綜合設計電子商務多媒體技術…算法設計、數值分析、信號與系統、計算機理論課程、數學基礎課程匯編語言軟件工程C#…2課程的性質、目的及任務本課程為計算機相關專業的學位課程，計算機系統知識中關于軟件和硬件分界面相關知識比較集中的一門課程主要研究計算機系統的邏輯實現過程和方法。本課程還討論計算機組成和系統結構所涉領域的基本功能以及獲取最大性能所需求的技術，最后本課程將依據當前的發展介紹一些最新的計算機組成技術。

3教材白中英戴志濤，計算機組成原理，科學出版社2013參考書王愛英,計算機組成與結構·第3版,清華大學出版社，2001白中英,計算機組織與體系結構（第4版立體化教材），清華大學出版社，20084第一章計算機系統概論第二章運算方法和運算器第三章多層次的存儲器

第四章指令系統第五章中央處理器

第六章總線系統第七章外存與I/O設備第八章輸入輸出系統第九章并行組織與結構

第十章課程教學實驗設計目錄5第一章計算機系統概論1.1計算機的分類1.2計算機發展簡史1.3計算機的硬件1.4計算機的軟件1.5計算機系統的層次結構61.1計算機的分類一、計算機從總體上來說分為兩大類:

模擬計算機和數字計算機。各自主要特點：模擬計算機由模擬運算器件構成，其變量由連續量（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續的數字計算機則是由邏輯電子器件構成，其變量為開關量（離散的數字量），采用數字式按位運算，運算模式是離散式的7數字計算機與模擬計算計的主要區別比較內容數字計算機模擬計算機數據表示方式數字0和1電壓、電流等計算方式數字計算電量組合和測量值控制方式程序控制模擬信號組合控制精度、抗干擾性高、好低、差數據存儲量大小、幾乎無邏輯判斷能力強無8二、數字計算機分類數字計算機根據計算機的效率、速度、價格、運行的經濟性和適應性來劃分，可以劃分為兩類：專用計算機：專用機是最有效、最經濟和最快速的計算機，但是它的適應性很差。通用計算機：通用計算機適應性很大，但是犧牲了效率、速度和經濟性。9三、通用計算機分類101.2計算機發展簡史1.2.1計算機的五代變化

1.2.2半導體存儲器的發展

1.2.3微處理器的發展

1.2.4計算機的性能指標

111.2計算機發展簡史1.2.1計算機的五代變化第一代為1946—1957年，電子管計算機：數據處理第二代為1958—1964年，晶體管計算機：工業控制第三代為1965—1971年，中小規模集成電路計算機：小型計算機第四代為1972—1990年，大規模和超大規模集成電路計算機：微型計算機第五代為1991年開始，巨大規模集成電路計算機：單片機121.2.2半導體存儲器的發展20世紀50～60年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁體環1970年，仙童半導體公司生產出了第一個較大容量半導體存儲器從1970年起，半導體存儲器經歷了11代：單個芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。其中1K=210,1M=220,1G=230131.2.3微處理器的發展1971年Intel公司開發出Intel4004。4位微處理器1972年出現的Intel8008，這是第一個8位微處理器，它比4004復雜一倍。1974年出現了Intel8080。這是第一個通用微處理器，而4004和8008是為特殊用途而設計的。20世紀70年代末才出現強大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。這一發展趨勢中的另一階段是在1981年，貝爾實驗室和HP公司開發出了32位單片微處理器。Intel于1985年推出了32位微處理器Intel80386。到現在的64位處理器和多核處理器141.2.4計算機的性能指標

吞吐量表征一臺計算機在某一時間間隔內能夠處理的信息量，單位是字節/秒（B/S）。

響應時間表征從輸入有效到系統產生響應之間的時間度量，用時間單位來度量，例如微秒（10-6S）、納秒（10-9S）。

利用率表示在給定的時間間隔內，系統被實際使用的時間所占的比率，一般用百分比表示。

處理機字長指處理機運算器中一次能夠完成二進制數運算的位數。當前處理機的字長有8位、16位、32位、64位。

字長越長，表示計算的精度越高。

151.2.4計算機的性能指標

總線寬度一般指CPU中運算器與存儲器之間進行互連的內部總線二進制位數。

存儲器容量存儲器中所有存儲單元的總數目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。

其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1個字節）。

存儲器容量越大，記憶的二進制數越多。

存儲器帶寬存儲器的速度指標，單位時間內從存儲器讀出的二進制數信息量，一般用字節數/秒表示。

主頻/時鐘周期CPU的工作節拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機為60MHz～266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。

161.2.4計算機的性能指標主頻的倒數稱為CPU時鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。CPU執行時間表示CPU執行一段程序所占用的CPU時間，可用下式計算：

CPU執行時間＝CPU時鐘周期數×CPU時鐘周期長

CPI表示每條指令周期數，即執行一條指令所需的平均時鐘周期數。用下式計算：

MIPS表示每秒百萬條指令數，用下式計算：

171.3計算機的硬件1.3.1硬件組成要素1.3.2運算器1.3.3存儲器1.3.4控制器1.3.5適配器與I/O設備181.3.1硬件組成要素數字計算機基本組成與手工計算比較

控制器：人的大腦的操作控制功能運算器：人的大腦的計算功能存儲器：人的大腦記憶功能輸入設備：交互接口，筆輸出設備：交互接口，紙19馮·諾依曼型計算機存儲程序按地址自動執行五大部件：控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備以運算器為中心20計算機的組成結構211.3.2運算器算術運算和邏輯運算二進制運算器的長度一般是8、16、32或64位221.3.3存儲器存儲數據和程序（指令）容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位）分類內存（ROM、RAM）、外存存儲器單位：1KB＝210B1MB＝220B1GB＝230B1TB＝240B231.3.4控制器指令和程序:指令的形式（操作和地址碼、存儲程序的概念、指令中程序和數據的存放、指令系統）指令和數據存儲24控制器的基本任務控制器的基本任務：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執行指令。取指周期和執行周期控制器完全可以區分開哪些是指令字，哪些是數據字。一般來講，取指周期中從內存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；執行器周期中從內存讀出的信息流是數據流，它由內存流向運算器。251.3.5適配器與I/O設備輸入設備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內部所能接收和識別的二進制信息形式輸出設備：把計算機處理的結果變換為人或其他機器設備所能接收和識別的信息形式適配器：它使得被連接的外圍設備通過系統總線與主機進行聯系，以便使主機和外圍設備并行協調地工作總線：構成計算機系統的骨架，是多個系統部件之間進行數據傳送的公共通路。

總之，現代電子計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設備組成的。這也是人們常說的計算機硬件。261.4計算機的軟件1.4.1軟件的組成與分類 系統軟件：用來簡化程序設計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發揮和擴大計算機的功能及用途。它包括以下四類：①各種服務性程序，如診斷程序、排錯程序、練習程序等②語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等③操作系統④數據庫管理系統應用軟件：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序，如工程設計程序、數據處理程序、自動控制程序、企業管理程序、情報檢索程序、科學計算程序等271.4.2軟件的發展演變編程語言的發展手編程序：機器語言程序，手工編譯二進制碼匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編高級程序：算法語言/高級語言，機器編譯程序/解釋程序系統軟件的發展操作系統分布式系統軟件28291.5計算機系統的層次結構1.5.1多級組成的計算機系統計算機是一個十分復雜的硬、軟件結合而成的整體。它通常由五個以上不同的級組成，每一級都能進行程序設計30五級計算機層次系統第一級是微程序設計級。這是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執行微指令。如果某一個應用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級上運行應用程序。第二級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統。這一級也是硬件級。第三級是操作系統級，它由操作系統程序實現。這些操作系統由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統定義和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。第四級是匯編語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復雜性。這一級由匯編程序支持和執行。如果應用程序采用匯編語言編寫時，則機器必須要有這一級的功能；如果應用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。第五級是高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應用程序而設置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和執行。311.5計算機系統的層次結構1.5.2軟件與硬件的邏輯等價性隨著大規模集成電路技術的發展和軟件硬化的趨勢，計算機系統的軟、硬件界限已經變得模糊了。因為任何