蒋本珊_____计算机组成原理课件
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COMPUTER ORGANIZATION
计算机组成原理
北京科技大学信息学院
胡玥
学习指南
课程的性质
计算机组成原理是计算机科学与技术专业本科生的核心课程之一， 是必修的专业基础课。
本课程的地位 本课程在计算机学科中处于承上启下的地位，要求先修的课程有： 计算机科学导论，数字电路
学习指南
计算机专业基本课程体系简图
计算机层次结构概述
单总线结构
单总线并不是指只有一根信号线。系统总线按传送信息的不同又可以细 分为：地址总线、数据总线和控制总线。地址总线（Address Bus）由单方 向的多根信号线组成，用于CPU向主存、外设传输地址信息；数据总线 （Data Bus）由双方向的多根信号线组成，CPU可以沿这些线从主存或外设 读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据；控制总线（Control Bus）上传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存/外设反馈给 CPU的状态信号
学习指南
课程的任务 讨论单机系统范围内计算机各部件和系统的组成以及内部工作 机制。通过学习，掌握计算机各大部件的组成原理、逻辑实现、 设计方法及其互连构成整机系统的技术，以及整机的工作原理。 并为后继课程的学习打好基础。
• 本课程的重点：五大基本部件的原理及实现。 • 本课程的难点：各部件互连构成整机系统，即整机概念的建立。 • 本课程的深广度：主要讨论计算机组成中具有共性的问题，要处 理好抽象概念与具体实例的关系。
●
●
蒋本珊，计算机组成原理学习指导与习题解析，清华大学出版社
●
计算机组成原理与汇编语言，易小琳，清华大学出版社
第一章
Computer Abstractions and technology
计算机技术概论
本章要点
了解计算机发展历程
了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成， 软件分工和工作过程
了解计算机性能指标及相关的术语解释
计算机发展历程
软件的发展
计算机的应用
本章要点
了解计算机发展历程
了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成， 软件分工和工作过程 了解计算机性能指标及相关的术语解释
计算机层次结构概述
计算机硬件的基本组成
• Each system is different, but generally have similar parts: Must have: Processor, Memory，Interface to outside world ( I/ O)
5.控制器 控制器是整个计算机的指挥中心。控制器中主要包括时序控制信号 形成部件和一些专用的寄存器。
计算机部件间连接方法
☆在所有需要传送数据的部件之间创建一条直接通路。
（专用数据通路） ☆将所有需要传送数据的各部件之间通过公共信息传送 线路连接．（总线方式数据通路）
计算机层次结构概述
计算机的总线结构（小、微型机典型结构）：
What is a Computer System?
电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自动、
高速、准确的对各种信息进行处理和存储的电子设备
• Depends ( a little) on what type of computer system • We probably mostly think about PC systems
。
计算机层次结构概述
大、中型机的典型结构 大、中型计算机系统的设计目标更着重于系统功能的扩大与效率的提高。 通道是承担I/O操作管理的主要部件，主机可以连接多个通道，每 个通道可以接一台或几台设备控制器，每个设备控制器又可接一台或几 台外部设备，这样整个系统就可以连接很多的外部设备。
A computer designed for use by an individual, usually incorporating a graphics display, keyboard, and mouse.
Servers(服务器)
A computer used for running larger programs for multiple users often simultaneously and typically accessed only via a network. supercomputer: A class of computers with the highest performance and cost; they are configures as servers and typically cost millions of dollars. Supercomputers are usually used for high-end scientific and engineering calculation, such as weather forecasting, oil exploration, protein structure determination, and other large-scale problems .
计算机发展历程
冯· 诺依曼体系结构
计算机发展历程
EDVAC 冯·诺依曼设计的存储程序计算机 1951年诞生。 EDSAC 事实上的第一台存储程序计算机 1949年诞生。 目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上，称 冯·诺依曼型计算机。 也出现了一些突破冯·诺依曼结构的计算机，统称非冯结构 计算机，如：数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计 算机和模式匹配驱动的智能计算机等。
高速缓冲存储器（Cache）： CPU可以直接访问，用来存放 当前正在执行的程序中的活跃 部分（副本），以便快速地向 CPU提供指令和数据。
计算机层次结构概述
4.运算器 运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算是算术运 算和逻辑运算，因此运算器的核心是算术逻辑运算部件ALU。 运算器中有若干个寄存器（如累加寄存器、暂存器等）。
What is a Computer System?
•Actually most computers look like this …
What is a Computer System
计算机应用类型
Broadly speaking, computers are used in three different classes of applications. Desktop computers(台式机)
Embedded computers(嵌入式计算机)
A computer inside another device used for running one predetermined application or collection of software
Embedded computers include the microprocessors found in: washing machine, car, cell phone, personal digital assistant (PDA), video game, digital television, networks plant, airplane, cargo ship.
Figure1.1 The number of distinct processors sold between 1998 and 2002
Figure 1.1 shows that during the last several years, the growth in number of embedded computers has been much faster (40% compounded annual growth rate) than the growth rate among desktop computers and servers (9% annually)
计算机层次结构概述
计算机的主要部件 1.输入设备 输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去， 并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。常用的 有键盘、鼠标、扫描仪等。
2.输出设备 输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的 形式送出计算机。常用的有显示器、打印机、绘图仪等。
本章要点
了解计算机发展历程
了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成， 软件分工和工作过程 了解计算机性能指标及相关的术语解释
计算机发展历程
硬件的发展
计算机发展历程
ENIAC的特点： – 采用十进制 – 20 个10位的累加器 – 用开关手动编程 – 18,000个电子管 – 重30 吨 – 占地170平方米 – 耗电170 KW – 5,000次/秒加法运算
3.存储器 存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计 算机能够实现“存储程序控制”的基础。
计算机层次结构概述
主存储器：可由CPU直接访问， 用来存放当前正在执行的程序 和数据。 辅助存储器：设置在主机外部， CPU不能直接访问，用来存放暂 时不参与运行的程序和数据， 需要时再传送到主存。
将各大基本部件，按某种方式连接起来就构成了计算机的硬件系统。 目前许多计算机（主要指小、微型计算机）的各大基本部件之间是用 总线（Bus）连接起来的。 总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地 发送与接收各部件的信息。
wenku.baidu.com
总线特点：共享，分时
小型、微型机的设计目标是以较小的硬件代价组成具有较强功能 的系统，而总线结构正好能满足这一要求。
What is a Computer System
计算机分类
按应用分为：台式机、服务器、嵌入式计算机
What is a Computer System
不同对象观察到的计算机硬件系统
一般用户观察到的
计算机硬件系统
What is a Computer System
专业用户观察到的 计算机硬件系统
本章要点
What is a Computer System
计算机应用类型
1200
Millions of Computers
1000 800 600
Embedded Desktop Servers
1122 892 862
488
400 290 200 0 93 3 1998 114 3 1999 135 4 2000 129 4 2001 131 5 2002
Course Information
Text: 计算机组成原理（第二版），蒋本珊，清华大学出版社
References: ●计算机组成与设计 硬件/软件接口 第二版 David A. Patterson & J. Hennessy 机械工业出版社
●
全国硕士研究生入学统一考试计算机学科专业 基础综合考试大纲解析 2010年版 高等教育出版社 计算机组成考研指导 机械工业出版社
计算机发展历程
存储程序概念： 美籍匈牙利数学家冯·诺 依曼等人在1946年6月提出存储 程序概念。
– ⑴ 计算机（指硬件）应由运算器、 存储器、控制器、输入设备和输 出设备五大基本部件组成； – ⑵ 计算机内部采用二进制来表示 指令和数据； – ⑶ 将编好的程序和原始数据事先 存入存储器中，然后再启动计算 机工作，这就是存储程序的基本 含义。
了解计算机发展历程
了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成， 软件分工和工作过程 了解计算机性能指标及相关的术语解释
本章要点
了解计算机发展历程
了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成， 软件分工和工作过程 了解计算机性能指标及相关的术语解释
本章要点
了解计算机发展历程
了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成， 软件分工和工作过程 了解计算机性能指标及相关的术语解释
Workstation design target 25% of cost on processor 25% of cost on memory (minimum memory size) Rest on I/O devices, power supplies, box
计算机层次结构概述
中央处理器（CPU）：CPU = 运算器 + 控制器 主机：主机 = 中央处理器 + 主存储器 外部设备：除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输出设备、 辅助存储器等）
计算机组成原理
北京科技大学信息学院
胡玥
学习指南
课程的性质
计算机组成原理是计算机科学与技术专业本科生的核心课程之一， 是必修的专业基础课。
本课程的地位 本课程在计算机学科中处于承上启下的地位，要求先修的课程有： 计算机科学导论，数字电路
学习指南
计算机专业基本课程体系简图
计算机层次结构概述
单总线结构
单总线并不是指只有一根信号线。系统总线按传送信息的不同又可以细 分为：地址总线、数据总线和控制总线。地址总线（Address Bus）由单方 向的多根信号线组成，用于CPU向主存、外设传输地址信息；数据总线 （Data Bus）由双方向的多根信号线组成，CPU可以沿这些线从主存或外设 读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据；控制总线（Control Bus）上传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存/外设反馈给 CPU的状态信号
学习指南
课程的任务 讨论单机系统范围内计算机各部件和系统的组成以及内部工作 机制。通过学习，掌握计算机各大部件的组成原理、逻辑实现、 设计方法及其互连构成整机系统的技术，以及整机的工作原理。 并为后继课程的学习打好基础。
• 本课程的重点：五大基本部件的原理及实现。 • 本课程的难点：各部件互连构成整机系统，即整机概念的建立。 • 本课程的深广度：主要讨论计算机组成中具有共性的问题，要处 理好抽象概念与具体实例的关系。
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蒋本珊，计算机组成原理学习指导与习题解析，清华大学出版社
●
计算机组成原理与汇编语言，易小琳，清华大学出版社
第一章
Computer Abstractions and technology
计算机技术概论
本章要点
了解计算机发展历程
了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成， 软件分工和工作过程
了解计算机性能指标及相关的术语解释
计算机发展历程
软件的发展
计算机的应用
本章要点
了解计算机发展历程
了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成， 软件分工和工作过程 了解计算机性能指标及相关的术语解释
计算机层次结构概述
计算机硬件的基本组成
• Each system is different, but generally have similar parts: Must have: Processor, Memory，Interface to outside world ( I/ O)
5.控制器 控制器是整个计算机的指挥中心。控制器中主要包括时序控制信号 形成部件和一些专用的寄存器。
计算机部件间连接方法
☆在所有需要传送数据的部件之间创建一条直接通路。
（专用数据通路） ☆将所有需要传送数据的各部件之间通过公共信息传送 线路连接．（总线方式数据通路）
计算机层次结构概述
计算机的总线结构（小、微型机典型结构）：
What is a Computer System?
电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自动、
高速、准确的对各种信息进行处理和存储的电子设备
• Depends ( a little) on what type of computer system • We probably mostly think about PC systems
。
计算机层次结构概述
大、中型机的典型结构 大、中型计算机系统的设计目标更着重于系统功能的扩大与效率的提高。 通道是承担I/O操作管理的主要部件，主机可以连接多个通道，每 个通道可以接一台或几台设备控制器，每个设备控制器又可接一台或几 台外部设备，这样整个系统就可以连接很多的外部设备。
A computer designed for use by an individual, usually incorporating a graphics display, keyboard, and mouse.
Servers(服务器)
A computer used for running larger programs for multiple users often simultaneously and typically accessed only via a network. supercomputer: A class of computers with the highest performance and cost; they are configures as servers and typically cost millions of dollars. Supercomputers are usually used for high-end scientific and engineering calculation, such as weather forecasting, oil exploration, protein structure determination, and other large-scale problems .
计算机发展历程
冯· 诺依曼体系结构
计算机发展历程
EDVAC 冯·诺依曼设计的存储程序计算机 1951年诞生。 EDSAC 事实上的第一台存储程序计算机 1949年诞生。 目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上，称 冯·诺依曼型计算机。 也出现了一些突破冯·诺依曼结构的计算机，统称非冯结构 计算机，如：数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计 算机和模式匹配驱动的智能计算机等。
高速缓冲存储器（Cache）： CPU可以直接访问，用来存放 当前正在执行的程序中的活跃 部分（副本），以便快速地向 CPU提供指令和数据。
计算机层次结构概述
4.运算器 运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算是算术运 算和逻辑运算，因此运算器的核心是算术逻辑运算部件ALU。 运算器中有若干个寄存器（如累加寄存器、暂存器等）。
What is a Computer System?
•Actually most computers look like this …
What is a Computer System
计算机应用类型
Broadly speaking, computers are used in three different classes of applications. Desktop computers(台式机)
Embedded computers(嵌入式计算机)
A computer inside another device used for running one predetermined application or collection of software
Embedded computers include the microprocessors found in: washing machine, car, cell phone, personal digital assistant (PDA), video game, digital television, networks plant, airplane, cargo ship.
Figure1.1 The number of distinct processors sold between 1998 and 2002
Figure 1.1 shows that during the last several years, the growth in number of embedded computers has been much faster (40% compounded annual growth rate) than the growth rate among desktop computers and servers (9% annually)
计算机层次结构概述
计算机的主要部件 1.输入设备 输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去， 并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。常用的 有键盘、鼠标、扫描仪等。
2.输出设备 输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的 形式送出计算机。常用的有显示器、打印机、绘图仪等。
本章要点
了解计算机发展历程
了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成， 软件分工和工作过程 了解计算机性能指标及相关的术语解释
计算机发展历程
硬件的发展
计算机发展历程
ENIAC的特点： – 采用十进制 – 20 个10位的累加器 – 用开关手动编程 – 18,000个电子管 – 重30 吨 – 占地170平方米 – 耗电170 KW – 5,000次/秒加法运算
3.存储器 存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计 算机能够实现“存储程序控制”的基础。
计算机层次结构概述
主存储器：可由CPU直接访问， 用来存放当前正在执行的程序 和数据。 辅助存储器：设置在主机外部， CPU不能直接访问，用来存放暂 时不参与运行的程序和数据， 需要时再传送到主存。
将各大基本部件，按某种方式连接起来就构成了计算机的硬件系统。 目前许多计算机（主要指小、微型计算机）的各大基本部件之间是用 总线（Bus）连接起来的。 总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地 发送与接收各部件的信息。
wenku.baidu.com
总线特点：共享，分时
小型、微型机的设计目标是以较小的硬件代价组成具有较强功能 的系统，而总线结构正好能满足这一要求。
What is a Computer System
计算机分类
按应用分为：台式机、服务器、嵌入式计算机
What is a Computer System
不同对象观察到的计算机硬件系统
一般用户观察到的
计算机硬件系统
What is a Computer System
专业用户观察到的 计算机硬件系统
本章要点
What is a Computer System
计算机应用类型
1200
Millions of Computers
1000 800 600
Embedded Desktop Servers
1122 892 862
488
400 290 200 0 93 3 1998 114 3 1999 135 4 2000 129 4 2001 131 5 2002
Course Information
Text: 计算机组成原理（第二版），蒋本珊，清华大学出版社
References: ●计算机组成与设计 硬件/软件接口 第二版 David A. Patterson & J. Hennessy 机械工业出版社
●
全国硕士研究生入学统一考试计算机学科专业 基础综合考试大纲解析 2010年版 高等教育出版社 计算机组成考研指导 机械工业出版社
计算机发展历程
存储程序概念： 美籍匈牙利数学家冯·诺 依曼等人在1946年6月提出存储 程序概念。
– ⑴ 计算机（指硬件）应由运算器、 存储器、控制器、输入设备和输 出设备五大基本部件组成； – ⑵ 计算机内部采用二进制来表示 指令和数据； – ⑶ 将编好的程序和原始数据事先 存入存储器中，然后再启动计算 机工作，这就是存储程序的基本 含义。
了解计算机发展历程
了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成， 软件分工和工作过程 了解计算机性能指标及相关的术语解释
本章要点
了解计算机发展历程
了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成， 软件分工和工作过程 了解计算机性能指标及相关的术语解释
本章要点
了解计算机发展历程
了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成， 软件分工和工作过程 了解计算机性能指标及相关的术语解释
Workstation design target 25% of cost on processor 25% of cost on memory (minimum memory size) Rest on I/O devices, power supplies, box
计算机层次结构概述
中央处理器（CPU）：CPU = 运算器 + 控制器 主机：主机 = 中央处理器 + 主存储器 外部设备：除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输出设备、 辅助存储器等）