1概论-罗克露计算机组成原理课件(绝对与网上视频教程同步)
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4存储器-1概论-罗克露计算机组成原理课件(绝对与网上视频教程同步)
外存
2.按存储介质分类
（1）半导体存储器 RAM 静态RAM(SRAM) 动态RAM(DRAM) 集成RAM(IRAM) 掩膜ROM 可编程ROM(PROM) 紫外线擦出可编程ROM(EPROM) 电擦出可编程ROM(EEPROM) 闪速存储器(Flash Memory)
半导体 存储器
ROM
作主存、高速缓存。
速度指标： 存取周期或读/写周期 作主存、高速缓存。
（2）只读存储器ROM 正常工作时只读不写 （3）顺序存取存储器（SAM） 访问时读/写部件按顺序查找目标地址，访问 时间与数据位置有关。 磁带存储器 等待操作 两步操作 读/写操作 平均等待时间 （ms） 速度指标 数据传输率 （字节/秒）
（4）直接存取存储器（DAM） 访问时读/写部件先直接指向一个小区域，再在 该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关 例如，磁盘存储器 定位（寻道）操作 三步操作 等待（旋转）操作 读/写操作 平均定位（平均寻道）时间 （ms） 速度指标 平均等待（平均旋转）时间 （ms） 数据传输率 （位/秒）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（2）磁表面存储器 利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。 容量大， 非破坏性读出， 长期保存信息， 速度慢。 作外存。 （3）光盘存储器 利用光斑的有无表示信息。 容量很大，非破坏性读出， 长期保存信息， 速度慢。 作外存。
3.按存取方式分类
（1）随机存取存储器RAM 随机存取： 可按地址访问存储器中的任一单元 访问时间与单元地址无关。
第四章
存储子系统
本章需解决的主要问题： （1）存储器如何存储信息？ （2）在实际应用中如何用存储芯片组成具 有一定容量的存储器？
第一节
概述
存储器的分类情况 1.按存储器在系统中的作用分类
3CPU-2控制器-罗克露计算机组成原理课件(绝对与网上视频教程同步)
总线 总线
RQ/GT
若干时钟
设备使用 总线
若干时钟
CPU使用 总线
设备请求 CPU响应， 设备释放 总线权 总线权交设备 总线权
CPU 设备 CPU 设备 CPU 设备 19
3.3.4 组合逻辑控制方式的优缺点及应用 1.组合逻辑控制方式
综合化简产生微命令的条件，形成逻辑式，用 组合逻辑电路实现微命令发生器。
控制存储器 CM
（1）控制存储器CM
功能： 存放微程序。
CM属于CPU，不属于主存储器。
23
IR PSW
微地址 形成电路
微命令序列
译码器 微命令字段 微地址字段 µIR
PC
微地址寄存器
µAR
控制存储器 CM
（2）微指令寄存器 µIR
功能： 存放现行微指令。
微命令字段： 提供一步操作所需的微命令。 (微操作控制字段) 指明后续微地址的形成方式。 微地址字段： (顺序控制字段) 提供微地址的给定部分。 24
但时间安排不合理。 13
④应用场合：
用于CPU内部、设备内部、系统总线操作(各挂接 部件速度相近，传送时间确定，传送距离较近)。
（2）异步控制
①定义：各项操作按不同需要安排时间，不受统
一时序控制。
②特点：
✓ 无统一时钟周期划分； ✓各操作间的衔接和各部件之间的信息交换采 用异步应答方式。
14
例.总线的异步传送操作
④应用场合：用于异步总线操作(各挂接部件速度 差异大，传送时间不确定，传送距离较远)。
（3）同步方式的变化
①不同指令安排不同时钟周期数 指令周期长度可变，时钟周期长度不变。 ②总线周期中插入延长周期 经总线传送一次数据所用的时间(送地址、读/写)
计算机组成原理 罗克露
选择器 选择器
通用寄存器组
（2）控制器 ） 1）功能：产生控制命令(微命令 ， ）功能：产生控制命令 微命令)， 微命令 控制全机操作。 控制全机操作。 2）组成： ）组成： 微命令序列 微命令发生器
指 令 信 息 状 态 信 息 时 序 信 号
微命令产生方式（指令执行控制方式）： 微命令产生方式（指令执行控制方式）： 组合逻辑控制方式： 组合逻辑控制方式：由组合逻辑电 路产生微命令 微程序控制方式： 微程序控制方式： 由微指令产生 微命令
（2）单总线结构 ）
系 统 总 线
CPU M 接口 I/O 接口 I/O
（3）以M为中心的双总线结构 ） 为中心的双总线结构
系 统 总 线
CPU M 总线 M 接口 I/O 接口 I/O
（4）多级总线结构 ）
RAM CPU
总线控制逻辑
ROM
公共接口
局部总线
系统总线
M扩展板 I/O接口板 I/O接口板
第一章 概论
主要内容： 主要内容：
计算机的基本概念 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 计算机的性能指标
第一节 计算机的基本概念 1.1.1 冯 · 诺依曼思想
1. 用二进制代码表示程序和数据； 用二进制代码表示程序和数据； 2. 计算机采用存储程序的工作方式； 计算机采用存储程序的工作方式； 3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制 计算机硬件由存储器、运算器、 器、输入设备和输出设备组成。 输入设备和输出设备组成。
4. 数据传输率 总线位数× 总线位数×总线时钟频率 总线带宽 = 8
（B/S） ）
5. 处理功能 （1）指令系统功能（寻址方式、指令 ）指令系统功能（寻址方式、 类型） 类型） （2）系统软件配置 ）
通用寄存器组
（2）控制器 ） 1）功能：产生控制命令(微命令 ， ）功能：产生控制命令 微命令)， 微命令 控制全机操作。 控制全机操作。 2）组成： ）组成： 微命令序列 微命令发生器
指 令 信 息 状 态 信 息 时 序 信 号
微命令产生方式（指令执行控制方式）： 微命令产生方式（指令执行控制方式）： 组合逻辑控制方式： 组合逻辑控制方式：由组合逻辑电 路产生微命令 微程序控制方式： 微程序控制方式： 由微指令产生 微命令
（2）单总线结构 ）
系 统 总 线
CPU M 接口 I/O 接口 I/O
（3）以M为中心的双总线结构 ） 为中心的双总线结构
系 统 总 线
CPU M 总线 M 接口 I/O 接口 I/O
（4）多级总线结构 ）
RAM CPU
总线控制逻辑
ROM
公共接口
局部总线
系统总线
M扩展板 I/O接口板 I/O接口板
第一章 概论
主要内容： 主要内容：
计算机的基本概念 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 计算机的性能指标
第一节 计算机的基本概念 1.1.1 冯 · 诺依曼思想
1. 用二进制代码表示程序和数据； 用二进制代码表示程序和数据； 2. 计算机采用存储程序的工作方式； 计算机采用存储程序的工作方式； 3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制 计算机硬件由存储器、运算器、 器、输入设备和输出设备组成。 输入设备和输出设备组成。
4. 数据传输率 总线位数× 总线位数×总线时钟频率 总线带宽 = 8
（B/S） ）
5. 处理功能 （1）指令系统功能（寻址方式、指令 ）指令系统功能（寻址方式、 类型） 类型） （2）系统软件配置 ）
计算机组成原理第一章概论共50页PPT课件
应用级的程序设计者与传统机的程序设计 者所看到的计算机性能的区别：
前者：用应用语言编程，所以他所看到的机器的功能是能 够识别和执行应用语言 。
后者：看到的是硬件设备所体现的具体功能。
透明性
一种本来存在的有差异的事物和属性， 从某种角度上看又好像不存在的现象， 被称为是“透明性” 。
例如，高级程序员看不到各种不同类 型机器的差异性就是一个明显的例证。
参考教材
1. 《计算机系统结构》
陆鑫达 高教出版社
96年
2. 《计算机系统结构》
孙强南 科学出版社
92年
3. 《计算机系统结构》
苏东庄 西安电子科技大学 92年
4. 《RISC单发射与多发射体系结构》
李三立 清华出版社
93年
1. 《计算机系统结构》
郑纬民等 清华出版社
97年
2. 《Advanced Computer Architecture 》
Kai Hwang 清华出版社 95年
第一章 概 论
❖ 计算机的“年龄”：
Clolossus:1944.1.19(英国)----二战期间 ENIAC：1946.2.14（美国） Baby：1948.6.21（英国） EDSAC：1949年英国剑桥大学，第一台存储式计算机
本章要点
体系结构概念 弗林分类法 计算机层次结构 CPU 性能及计算
1.2 计算机系统结构
1.2.1 计算机系统结构的基本概念
1964年，IBM公司的系统设计师阿姆达尔 (G.M.Amdahl)在介绍IBM 360机型时提出了系统结构的 概念。
系统结构：从程序设计者的角度所看到的系统的属 性，即概念性结构和功能特性。
计算机系统结构：指机器语言程序的设计者或是编译 程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构与功能特性。
计算机组成原理-输入输出系统-电子工业出社--罗克露
IRQ Q
IRQ DC
TD TM
IRQ INT
低位
并行总线
发送部件
并—串 转换
传送数据 10110101
串行总线
接收 部件
接收部件
串—并 转换
三、接口的功能与分类
1、接口功能主要有4点： 寻址 数据缓冲 数据格式变换、电平转换 控制逻辑
2、接口分类 并行接口与串行接口 同步接口与异步接口 中断接口、DMA接口 等等
3、接口的主要部件组成：
数据缓冲器
设备地址识别线路
设备状态寄存器
主机命令字寄存器
数据格式转换
控制逻辑
0000
0000
7FFF 8000
FFFF
主存地址 空间
I/O 地址空间
例：统一编址方式
4、I/O接口（I/O设备） 的编址方式
主存地址 空间
（1） 统一编址方式 （2） 独立编址方式 FFFF
000 I/O
地址空间
3FF
例： 独立编址方式
一、主机与外设的连接模式
1、总线型 是微型计算机中最常用的系统结构形式，见
下图。
地址锁存器
地址总线
CPU 数据缓冲器
数据总线
总线控制器
控制总线
适
中 DMA 接口
主 断控
存
控 制 器
制 器
I/O 设备
接口 配 器
I/O 设备
外 围
设
备
优点： 结构简单、易于扩展、易于实现。 缺点： 信息吞吐量有限、速度较慢。
二、总线操作时序
1、同步控制方式
总线周期时钟ຫໍສະໝຸດ T1T2T3
T4
地址
读命令
罗克露计算机组成原理课件(一)
总清 Q Q R S FT D C
ST DT ET
DMA 请求？ DMA请求？ Y
N 中断请求？ Y N
1 FT
CPFT
DMAT
IT
2）流程图 ：M IR FT0 FT0： PC+1 PC 3）操作时间表 ： FT0 FT0： 电位型微命令 M IR EMAR, R, SIR PC+1 PC PC A, A+1, DM A,A+1, A+1,DM 1 ST 或 1 DT 或 1 ET
与系统总线 MDR 的连接通过 、MDR 实现。 MAR MAR、 MDR实现。
输入 输出
) (打入 打入) 从内总线输入 ) 置入) 输入 (置入 从DB DB输入 DB 输出至 输出至DB ALU 的B门 输出至 输出至ALU ALU的
内总线
移位器 ALU R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR PC SP PSW 控制 逻辑 M I/O 移位器 ALU
4）M
6） I/O 7） I/O
R I/O DB MDR M DMA方式： I/O
ALU 内打入 R0 M DB
内总线
移位器 ALU R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR PC SP PSW 控制 逻辑 M I/O 移位器 ALU
内总线
R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR PC SP PSW 控制 逻辑 M I/O
FT 1）取指周期 ）取指周期FT PC 。 从M取出指令并译码； 修改 修改PC PC。 公操作 非R寻址 ) 取指结束时，按操作码和寻址方式 (R/ (R/非 寻址) 转相应工作周期。 ST 2）源周期 ）源周期ST (非R寻址 )形成源地址，从 按寻址方式 按寻址方式( 寻址) M取出源操 作数，暂存于 C。 DT 3）目的周期 ）目的周期DT (非R寻址 )形成目的地址，或从 按寻址方式 按寻址方式( 寻址) M取出 目的操作数，暂存于 D。 ET 4）执行周期 ）执行周期ET 按操作码完成相应操作 (传送、运算、取转移地址 PC 、返回地址压栈保存 送入 送入PC PC、返回地址压栈保存 )； 。 后续指令地址送入 MAR MAR。
ST DT ET
DMA 请求？ DMA请求？ Y
N 中断请求？ Y N
1 FT
CPFT
DMAT
IT
2）流程图 ：M IR FT0 FT0： PC+1 PC 3）操作时间表 ： FT0 FT0： 电位型微命令 M IR EMAR, R, SIR PC+1 PC PC A, A+1, DM A,A+1, A+1,DM 1 ST 或 1 DT 或 1 ET
与系统总线 MDR 的连接通过 、MDR 实现。 MAR MAR、 MDR实现。
输入 输出
) (打入 打入) 从内总线输入 ) 置入) 输入 (置入 从DB DB输入 DB 输出至 输出至DB ALU 的B门 输出至 输出至ALU ALU的
内总线
移位器 ALU R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR PC SP PSW 控制 逻辑 M I/O 移位器 ALU
4）M
6） I/O 7） I/O
R I/O DB MDR M DMA方式： I/O
ALU 内打入 R0 M DB
内总线
移位器 ALU R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR PC SP PSW 控制 逻辑 M I/O 移位器 ALU
内总线
R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR PC SP PSW 控制 逻辑 M I/O
FT 1）取指周期 ）取指周期FT PC 。 从M取出指令并译码； 修改 修改PC PC。 公操作 非R寻址 ) 取指结束时，按操作码和寻址方式 (R/ (R/非 寻址) 转相应工作周期。 ST 2）源周期 ）源周期ST (非R寻址 )形成源地址，从 按寻址方式 按寻址方式( 寻址) M取出源操 作数，暂存于 C。 DT 3）目的周期 ）目的周期DT (非R寻址 )形成目的地址，或从 按寻址方式 按寻址方式( 寻址) M取出 目的操作数，暂存于 D。 ET 4）执行周期 ）执行周期ET 按操作码完成相应操作 (传送、运算、取转移地址 PC 、返回地址压栈保存 送入 送入PC PC、返回地址压栈保存 )； 。 后续指令地址送入 MAR MAR。
计算机组成原理第一章26页PPT
运算电路单元
寄存器B
累加器A
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14
1.3计算机的硬件
五、存储器
存储数据和程序（指令）
容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）
分类内存（ROM、RAM）、外存 存储器单位：
210 byte＝1K 210 K＝1M 210 M＝1G 210 G＝1T
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释程序
系统软件的发展
操作系统 分布式系统软件
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20
1.5计算机系统的层次结构
一、多级计算机系统 计算机不能简单地认为是一种电子设备，
而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。 它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能 进行程序设计，如图所示。
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21
1.5计算机系统的层次结构
10
1.3计算机的硬件
二、数字计算机基本组成 控制器：人的大脑的操作控制功能 运算器：人的大脑的计算功能 存储器：人的大脑记忆功能 输入设备：交互接口，笔 输出设备：交互接口，纸
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11
1.3计算机的硬件
三、冯·诺依曼型计算机
存储程序 按地址自动执行 五大部件：包括控制器、运算器、存储器、
其中1K=210,1M=220,1G=230
02.10.2019
7
1.2计算机发展简史
三、微处理器的发展 1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所有元件
都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这
02.10.2019
计算机组成原理罗克露全原版
变长格式 基本指令
DL
D的位数可覆盖
DH
整个存储空间
S =（D）
● 寄存器直接寻址（寄存器寻址）
格式 操作码θ 寄存器号R
S =（R）
R所占位数少； 访问R比访问M快
用于访问固定的存储单元或寄存器。
（3）间接寻址
指令给出操作数的间接地址。
存储单元号 (数在M中)
间址单元
寄存器号 (数在M中)
● 存储器间址
便于控制 合理利用存储空间
2. 操作码结构 （1） 定长操作码 各指令θ的位置、位数固定相同。 （2）扩展操作码 各指令θ的位置、位数不固定，根据需要 变化。 关键在设置扩展标志。
例. 指令字长16位，可含有3、2、1或0 个地址，每个地址占4位。
操作码
地址码
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
R提供修改量(可变)；适 4K
于处理一维数组。
基址：指令提供位移量(不变)， R提供基准量(可变)；用 于扩大有限字长指令的访 存空间。
... …...
M
学生姓名
性别 年龄
D=2
... …...
学生姓名
性别 年龄
D=2
● 基址加变址
指令给出两个寄存器号和一个地址量，寄存 器内容与地址量之和为有效地址。
1
0
实现并行 操作
1
例2 用脉冲信号表示数字代码
10 1
有脉冲 无脉冲 有脉冲
实现串行 操作
1.1.3 存储程序工作方式 1.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序
传统诺依曼机串行执行指令。 对传统诺依曼机的改造：增加并 行处理功能。
计算机组成原理罗克露全原版
总线系统由数据总线、地址总线和控 制总线组成，是计算机各功能模块之 间传输信息的通道。
总线的特点
总线具有规范性、共享性和可扩展性 等特点，能够实现各功能模块之间的 信息传输和资源共享。
主板组成结构与功能模块
主板的基本组成
主板是计算机的核心部件，主要 由芯片组、处理器插座、内存插 槽、扩展槽、接口插座等组成。
器、 输入输出接口、总线控制器等， 这些模块共同实现了计算机的基 本功能。
主板新技术与发展趋势
主板新技术
随着计算机技术的不断发展，主板技术也在不断更新换代，出现了许多新的技术 和功能，如高速总线技术、多核处理器技术、固态硬盘技术等。
主板发展趋势
未来主板的发展趋势是更加集成化、智能化和绿色化，将更加注重性能和稳定性 ，同时也会更加注重节能和环保。
04
输入输出设备与接口
输入输出设备分类与特点
输入设备
鼠标、键盘、触摸屏、扫描仪等 ，用于向计算机提供数据和信息
。
输出设备
显示器、打印机、音响等，用于将 计算机处理后的数据和信息以某种 形式展现给用户。
特点
不同的输入输出设备具有不同的功 能和特点，可以满足用户不同的需 求。
输入输出接口组成结构
输入接口
计算机组成原理罗克露全原版
汇报人： 202X-12-22
• 计算机系统概述 • 运算器与控制器 • 存储器系统 • 输入输出设备与接口 • 总线系统与主板结构
01
计算机系统概述
计算机发展历程
01
02
03
机械计算机时代
以机械元件为主要计算元 件，主要用于科学计算和 工程设计。
电子计算机时代
以电子元件为主要计算元 件，开始应用于数据处理 、数值计算等领域。
总线的特点
总线具有规范性、共享性和可扩展性 等特点，能够实现各功能模块之间的 信息传输和资源共享。
主板组成结构与功能模块
主板的基本组成
主板是计算机的核心部件，主要 由芯片组、处理器插座、内存插 槽、扩展槽、接口插座等组成。
器、 输入输出接口、总线控制器等， 这些模块共同实现了计算机的基 本功能。
主板新技术与发展趋势
主板新技术
随着计算机技术的不断发展，主板技术也在不断更新换代，出现了许多新的技术 和功能，如高速总线技术、多核处理器技术、固态硬盘技术等。
主板发展趋势
未来主板的发展趋势是更加集成化、智能化和绿色化，将更加注重性能和稳定性 ，同时也会更加注重节能和环保。
04
输入输出设备与接口
输入输出设备分类与特点
输入设备
鼠标、键盘、触摸屏、扫描仪等 ，用于向计算机提供数据和信息
。
输出设备
显示器、打印机、音响等，用于将 计算机处理后的数据和信息以某种 形式展现给用户。
特点
不同的输入输出设备具有不同的功 能和特点，可以满足用户不同的需 求。
输入输出接口组成结构
输入接口
计算机组成原理罗克露全原版
汇报人： 202X-12-22
• 计算机系统概述 • 运算器与控制器 • 存储器系统 • 输入输出设备与接口 • 总线系统与主板结构
01
计算机系统概述
计算机发展历程
01
02
03
机械计算机时代
以机械元件为主要计算元 件，主要用于科学计算和 工程设计。
电子计算机时代
以电子元件为主要计算元 件，开始应用于数据处理 、数值计算等领域。
计算机组成原理课件第一章概述1.2
人生在勤，不索何获
人生在勤，不索何获
1.2计算机的发展历程
• （4）第四代计算机
– 20世纪70年代初，微电子学飞速发展创造的大规模集成电路和微 处理器给计算机工业注入了新鲜血液，大规模(LSI)和超大规模 (VLSI)集成电路成为计算机的主要器件。内存也采用超大规模集 成电路。系统结构上，出现了多处理机系统和并行计算机。软硬 件有了更多的结合，开发出了用于并行处理的多处理机操作系统 专用语言和编译器。同时出现了用于并行处理或分布计算的软件 工具和环境。
– 这一时期的另一个重要特点是计算机网络的发展与广泛应用，进 入了网络时代。
人生在勤，不索何获
1.2计算机的发展历程
• （5）第五代计算机
– 一直以来，计算机以元器件的更新换代作为划代的标志。多年来， 人们在不断努力与探索，以寻找速度更快、功能更强的全新的元 器件，如神经元、生物芯片、分子电子器件、超导计算机、量子 计算机等。
人生在勤，不索何获
1.2计算机的发展历程
• 计算机多年的发展历史表明，计算机硬件的发展受电子 元器件的发展影响极大。为此，人们习惯以元器件的更新 作为计算机技术进步划代的主要标志。
• 下面介绍各代计算机的主要特点： • （1） 第一代计算机
– 第—代计算机为电子管计算机。其逻辑元件采用电子管，存储器 件为声延迟线或磁鼓，系统结构为定点运算，使用机器语言。电 子管计算机体积大、速度慢、存储容量小。人生在勤，不索何获1.2计算机的发展历程
• （2）第二代计算机
– 第二代计算机为晶体管计算机。其逻辑元件采用晶体管，内存储 器由磁芯构成，磁鼓与磁带成为外存储器。系统结构实现了浮点 运算，并提出了变址、中断、I/O处理等新概念。开始使用多种高 级语言及其编译程序。和第一代电子管计算机相比，第二代晶体 管机体积小、速度快、功耗低、可靠性高。
人生在勤，不索何获
1.2计算机的发展历程
• （4）第四代计算机
– 20世纪70年代初，微电子学飞速发展创造的大规模集成电路和微 处理器给计算机工业注入了新鲜血液，大规模(LSI)和超大规模 (VLSI)集成电路成为计算机的主要器件。内存也采用超大规模集 成电路。系统结构上，出现了多处理机系统和并行计算机。软硬 件有了更多的结合，开发出了用于并行处理的多处理机操作系统 专用语言和编译器。同时出现了用于并行处理或分布计算的软件 工具和环境。
– 这一时期的另一个重要特点是计算机网络的发展与广泛应用，进 入了网络时代。
人生在勤，不索何获
1.2计算机的发展历程
• （5）第五代计算机
– 一直以来，计算机以元器件的更新换代作为划代的标志。多年来， 人们在不断努力与探索，以寻找速度更快、功能更强的全新的元 器件，如神经元、生物芯片、分子电子器件、超导计算机、量子 计算机等。
人生在勤，不索何获
1.2计算机的发展历程
• 计算机多年的发展历史表明，计算机硬件的发展受电子 元器件的发展影响极大。为此，人们习惯以元器件的更新 作为计算机技术进步划代的主要标志。
• 下面介绍各代计算机的主要特点： • （1） 第一代计算机
– 第—代计算机为电子管计算机。其逻辑元件采用电子管，存储器 件为声延迟线或磁鼓，系统结构为定点运算，使用机器语言。电 子管计算机体积大、速度慢、存储容量小。人生在勤，不索何获1.2计算机的发展历程
• （2）第二代计算机
– 第二代计算机为晶体管计算机。其逻辑元件采用晶体管，内存储 器由磁芯构成，磁鼓与磁带成为外存储器。系统结构实现了浮点 运算，并提出了变址、中断、I/O处理等新概念。开始使用多种高 级语言及其编译程序。和第一代电子管计算机相比，第二代晶体 管机体积小、速度快、功耗低、可靠性高。
罗克露计算机组成原理课件1概论06级
凡可计算的函数都可用这样的机器来实现 论题为计算机的产生打下了理论基础
计算机的分类
电子计算机从总体上分为两大类:电子模 拟计算机和电子数字计算机。 数字计算机分为: 两类 专用计算机和通用计算机。 通用计算机分为: 六类 巨型机,大型机,中型机,小型机,微型机和单 片机。
数字计算机和模拟计算机的主要区别
论文中心思想: 人类的工作可以分解成简单动作
机器需要:
(1) 存 储 器: 用于贮存计算结果; (2) 一种语言: 表示运算和数字; (3) 扫 描: 对运算和数字进行识别; (4) 计算意向: 计算过程中的下一步做什么; (5) 执行下一步计算。
这种理想机器被称为“图灵机”。 — 著名的图灵论题：
手编程序 （机器语言）
汇编程序 （汇编语言）
源程序 （算法语言）
源程序翻译成机器语言通常有两种方法： 通过编译程序翻译成目标程序然后执行。 通过解释程序逐条翻译，立即执行
计算机系统的层次结构
从功能上分为: 5个层次级别 (1)微程序级 (2)机器指令级 (3)操作系统级 (4)语言处理程序和其它系统软件级 (5)应用程序级
决定地址位数
表明编址单位
表示为：字数×字长（按字编址）或 字节数（按字节编址）
（2）外存容量 常表示为字节数。 外存容量与地址码位数无关。
3. 运算速度 （1）定点/浮点四则运算时间 （2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（MHz）
4. 数据传输率 总线位数×总线时钟频率
（代码）
代码，送入主机 人所能接受的形式， 并输出
2）讨论
显示器的工作原理和信息转换 过程。
计算机的工作过程
1.人们通过输入设备将解题的程序和数据送入主存；形成目 标程序。
计算机的分类
电子计算机从总体上分为两大类:电子模 拟计算机和电子数字计算机。 数字计算机分为: 两类 专用计算机和通用计算机。 通用计算机分为: 六类 巨型机,大型机,中型机,小型机,微型机和单 片机。
数字计算机和模拟计算机的主要区别
论文中心思想: 人类的工作可以分解成简单动作
机器需要:
(1) 存 储 器: 用于贮存计算结果; (2) 一种语言: 表示运算和数字; (3) 扫 描: 对运算和数字进行识别; (4) 计算意向: 计算过程中的下一步做什么; (5) 执行下一步计算。
这种理想机器被称为“图灵机”。 — 著名的图灵论题：
手编程序 （机器语言）
汇编程序 （汇编语言）
源程序 （算法语言）
源程序翻译成机器语言通常有两种方法： 通过编译程序翻译成目标程序然后执行。 通过解释程序逐条翻译，立即执行
计算机系统的层次结构
从功能上分为: 5个层次级别 (1)微程序级 (2)机器指令级 (3)操作系统级 (4)语言处理程序和其它系统软件级 (5)应用程序级
决定地址位数
表明编址单位
表示为：字数×字长（按字编址）或 字节数（按字节编址）
（2）外存容量 常表示为字节数。 外存容量与地址码位数无关。
3. 运算速度 （1）定点/浮点四则运算时间 （2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（MHz）
4. 数据传输率 总线位数×总线时钟频率
（代码）
代码，送入主机 人所能接受的形式， 并输出
2）讨论
显示器的工作原理和信息转换 过程。
计算机的工作过程
1.人们通过输入设备将解题的程序和数据送入主存；形成目 标程序。
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系统总线
CPU
M
公共接口
接口
接口
I/O
I/O
4. 进一步学习内容 接口： 中断接口、DMA接口 总线：分类、信号组成
27
第三节 计算机系统的性能指标 1. 基本字长 指操作数的基本位数。 它影响计算精度、指令功能。 2. 存储容量 （1）主存容量 表示:存储单元个数×位数。
决定地址位数
表明编址单位 28
2
诺依曼体制的主要思想包括： 1. 用二进制代码表示程序和数据； 2. 计算机采用存储程序的工作方式； 3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制器、 输入设备和输出设备等五大部件组成。
3
1.1.2 信息的数字化表示
1. 在计算机中用数字代码表示各种信息 二进制代码
例1 用数字代码表示数据 5 表示为 0 101
2）组成： 微命令序列
微命令发生器
指
状
时
令
态
序
信
信
信
息
息
号
14
微命令产生方式(指令执行控制方式):
组合逻辑控制方式：由组合逻辑电 路产生 微命令
微程序控制方式： 由微指令产生微命令
3）进一步学习内容
两种控制器组成原理与控制机制； 模型机的数据通路结构和指令执行过程。
15
2. 存储器 1）功能: 存储信息。 2）组成(主存储器):
- 5 表示为 1 101
4
例2 用数字代码表示字符
A 表示为 01000001
B 表示为 01000010
例3 用数字代码表示命令、状态
启动
表示为 00
停止
表示为 01
正在工作 表示为 10
工作结束 表示为 11
5
2. 在物理机制上用数字信号表示数字代码
数字型电信号
例1 用电平信号表示数字代码
10
移位器
ALU
通用寄存器组：提供操作数， 存放运选算择结器果。 选择器
通用寄存器组
11
移位器
ALU
选择器
选择器
选择器：通用选寄择存操器作组数；选择控 制条件，实现各种算法。
12
移位器
移位器：直AL接U 或者移位
送出运算结果。
选择器
选择器
通用寄存器组
13
（2）控制器
1）功能：产生控制命令(微命令)，控制 全机操作。
常用表示方式: 字数×字长(按字编址) 或 字节数(按字节编址)
（2）外存容量
常表示为字节数。 外存容量与地址码位数无关。
3. 运算速度
（1）定点/浮点四则运算时间 （2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（MHz）
29
4. 数据传输率
总线位数×总线时钟频率
总线带宽 = 8
RAM CPU
ROM
公共接口
局部总线
总线控制逻辑
系统总线
M扩展板
I/O接口板
25
2. 采用通道或IOP的大型系统结构
（1）带通道的系统
I/O控制器
I/O
主机
通道
I/O控制器
I/O
（2）带IOP的系统 系统总线
CPU
M
接口
IOP I/O总线
I/O
LM
接口 接口
I/O
I/O 26
3. 模型机系统结构
1.2.1 主要功能部件 1. CPU（中央处理器） 由运算器和控制器组成 （1） 运算器 1）功能：加工信息 包括算术运算和逻辑 运算。
2）组成
运算器主要包括算术逻辑单元ALU和寄存器组。
8
移位器
ALU
选择器
选择器
通用寄存器组
9
移位器
ALU
AL选U:择器通过加法器选实择现器运算 操作（由全加器求和、由进位 链传递进位通信用寄号存）器。组
（代码） 的形式, 并输出。 2）进一步学习内容
显示器的工作原理和信息转换过程。
19
1.2.2 硬件系统结构 1. 以总线为基础的系统结构
总线：能为多个部件分时共享的 一组信息传送线路。
总线
部部部 件件件
20
总线分类：
总线
功能 内总线 信息 地址总线
局部总线
数据总线
系统总线
控制总线
外总线
格式 并行总线 串行总线
（B/S）
5. 处理功能
（1）指令系统功能 (寻址方式、指令 类型) （2）系统软件配置
30
高电平 低电平 高电平
1
0
实现并行 操作
1
例2 用脉冲信号表示数字代码
10 1
有脉冲 无脉冲 有脉冲
实现串行 操作
6
1.1.3 存储程序工作方式 1.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序
传统诺依曼机串行执行指令。 对传统诺依曼机的改造：增加并行 处理功能。
7
第二节 计算机系统的硬件组成
/
………… …………
地 址 寄 存
译 码 器
器
存储体
控制线路
读
数
写 线
据 寄 存
路
器
16
/
………… …………
地 址 寄 存
译 码 器
器
存储体
控制线路
读
数
写 线
据 寄 存
路
器
存储体: 存放信息的实体 寻址系统: 对地址码译码, 选择存储单元
17
/
………… …………
地 址 寄 存
译 码 器
器
存储体
读
数
写
据 寄
线 路
存 器
控制线路
读/写线路和数据寄存器: 完成读/写操作， 暂存读/写数据。
控制线路: 产生读/写时序, 控制读/写操作。
3）进一步学习内容
存储单元读/写原理、存储器逻辑设计 18
3. 输入/输出设备
1）功能：转换信息。 输入: 原始信息 代码，送入主机 输出: 处理结果 人或其它设备所能接受
第一章 概论
主要内容： 计算机的基本概念 计算机系统的硬件组成
（主要部件、系统结构） 计算机的性能指标
1
第一节 计算机的基本概念
1.1.1 冯 ·诺依曼思想
在电子数字计算机出现之前，就已经有 了机械式计算机和电子计算机。但它们的工 作原理完全不同。
1945年美籍匈牙利数学家冯.诺 依曼提出了一个新的计算机设计方 案－－EDVAC。这个设计思想奠 定了现代计算机的基本结构。
时序 同步总线 方向 单向总线
异步总线
双向总21 线
（1）以CPU为中心的双总线结构
பைடு நூலகம்
CPU M 总线
I/O 总线
接口
接口
M
I/O
I/O
22
（2）单总线结构
系统总线
CPU
M
接口
接口
I/O
I/O
23
（3）以M为中心的双总线结构
系统总线
CPU
M
M 总线
接口 I/O
接口 I/O
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（4）多级总线结构
CPU
M
公共接口
接口
接口
I/O
I/O
4. 进一步学习内容 接口： 中断接口、DMA接口 总线：分类、信号组成
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第三节 计算机系统的性能指标 1. 基本字长 指操作数的基本位数。 它影响计算精度、指令功能。 2. 存储容量 （1）主存容量 表示:存储单元个数×位数。
决定地址位数
表明编址单位 28
2
诺依曼体制的主要思想包括： 1. 用二进制代码表示程序和数据； 2. 计算机采用存储程序的工作方式； 3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制器、 输入设备和输出设备等五大部件组成。
3
1.1.2 信息的数字化表示
1. 在计算机中用数字代码表示各种信息 二进制代码
例1 用数字代码表示数据 5 表示为 0 101
2）组成： 微命令序列
微命令发生器
指
状
时
令
态
序
信
信
信
息
息
号
14
微命令产生方式(指令执行控制方式):
组合逻辑控制方式：由组合逻辑电 路产生 微命令
微程序控制方式： 由微指令产生微命令
3）进一步学习内容
两种控制器组成原理与控制机制； 模型机的数据通路结构和指令执行过程。
15
2. 存储器 1）功能: 存储信息。 2）组成(主存储器):
- 5 表示为 1 101
4
例2 用数字代码表示字符
A 表示为 01000001
B 表示为 01000010
例3 用数字代码表示命令、状态
启动
表示为 00
停止
表示为 01
正在工作 表示为 10
工作结束 表示为 11
5
2. 在物理机制上用数字信号表示数字代码
数字型电信号
例1 用电平信号表示数字代码
10
移位器
ALU
通用寄存器组：提供操作数， 存放运选算择结器果。 选择器
通用寄存器组
11
移位器
ALU
选择器
选择器
选择器：通用选寄择存操器作组数；选择控 制条件，实现各种算法。
12
移位器
移位器：直AL接U 或者移位
送出运算结果。
选择器
选择器
通用寄存器组
13
（2）控制器
1）功能：产生控制命令(微命令)，控制 全机操作。
常用表示方式: 字数×字长(按字编址) 或 字节数(按字节编址)
（2）外存容量
常表示为字节数。 外存容量与地址码位数无关。
3. 运算速度
（1）定点/浮点四则运算时间 （2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（MHz）
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4. 数据传输率
总线位数×总线时钟频率
总线带宽 = 8
RAM CPU
ROM
公共接口
局部总线
总线控制逻辑
系统总线
M扩展板
I/O接口板
25
2. 采用通道或IOP的大型系统结构
（1）带通道的系统
I/O控制器
I/O
主机
通道
I/O控制器
I/O
（2）带IOP的系统 系统总线
CPU
M
接口
IOP I/O总线
I/O
LM
接口 接口
I/O
I/O 26
3. 模型机系统结构
1.2.1 主要功能部件 1. CPU（中央处理器） 由运算器和控制器组成 （1） 运算器 1）功能：加工信息 包括算术运算和逻辑 运算。
2）组成
运算器主要包括算术逻辑单元ALU和寄存器组。
8
移位器
ALU
选择器
选择器
通用寄存器组
9
移位器
ALU
AL选U:择器通过加法器选实择现器运算 操作（由全加器求和、由进位 链传递进位通信用寄号存）器。组
（代码） 的形式, 并输出。 2）进一步学习内容
显示器的工作原理和信息转换过程。
19
1.2.2 硬件系统结构 1. 以总线为基础的系统结构
总线：能为多个部件分时共享的 一组信息传送线路。
总线
部部部 件件件
20
总线分类：
总线
功能 内总线 信息 地址总线
局部总线
数据总线
系统总线
控制总线
外总线
格式 并行总线 串行总线
（B/S）
5. 处理功能
（1）指令系统功能 (寻址方式、指令 类型) （2）系统软件配置
30
高电平 低电平 高电平
1
0
实现并行 操作
1
例2 用脉冲信号表示数字代码
10 1
有脉冲 无脉冲 有脉冲
实现串行 操作
6
1.1.3 存储程序工作方式 1.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序
传统诺依曼机串行执行指令。 对传统诺依曼机的改造：增加并行 处理功能。
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第二节 计算机系统的硬件组成
/
………… …………
地 址 寄 存
译 码 器
器
存储体
控制线路
读
数
写 线
据 寄 存
路
器
16
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………… …………
地 址 寄 存
译 码 器
器
存储体
控制线路
读
数
写 线
据 寄 存
路
器
存储体: 存放信息的实体 寻址系统: 对地址码译码, 选择存储单元
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………… …………
地 址 寄 存
译 码 器
器
存储体
读
数
写
据 寄
线 路
存 器
控制线路
读/写线路和数据寄存器: 完成读/写操作， 暂存读/写数据。
控制线路: 产生读/写时序, 控制读/写操作。
3）进一步学习内容
存储单元读/写原理、存储器逻辑设计 18
3. 输入/输出设备
1）功能：转换信息。 输入: 原始信息 代码，送入主机 输出: 处理结果 人或其它设备所能接受
第一章 概论
主要内容： 计算机的基本概念 计算机系统的硬件组成
（主要部件、系统结构） 计算机的性能指标
1
第一节 计算机的基本概念
1.1.1 冯 ·诺依曼思想
在电子数字计算机出现之前，就已经有 了机械式计算机和电子计算机。但它们的工 作原理完全不同。
1945年美籍匈牙利数学家冯.诺 依曼提出了一个新的计算机设计方 案－－EDVAC。这个设计思想奠 定了现代计算机的基本结构。
时序 同步总线 方向 单向总线
异步总线
双向总21 线
（1）以CPU为中心的双总线结构
பைடு நூலகம்
CPU M 总线
I/O 总线
接口
接口
M
I/O
I/O
22
（2）单总线结构
系统总线
CPU
M
接口
接口
I/O
I/O
23
（3）以M为中心的双总线结构
系统总线
CPU
M
M 总线
接口 I/O
接口 I/O
24
（4）多级总线结构