计算机组成与体系结构1.概论
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指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中 存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。 计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备 和输出设备五大基本部件组成。
运算器
运 算 器
运算器部件是计算机中进行数据加工的部件， 其主要功能包括：
1. 执行数值数据的加减乘除等算术运算，
执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，
作业/实验报告须在指定日期上课铃声响前上交，无故逾期不接收。
教材及参考书
教材
《计算机组成与结构》第3版，宋佳兴，王诚，清华大学 出版社 《计算机组成原理与系统结构》包健等，高等教育 《计算机组成与结构》刘卫东 编 机械工业 《计算机组成原理》第5版，白中英等，科学技术出版社 Computer Organization & Design The hardware/software interface,机械工业 Computer organization and architecture Designing for performance,清华大学 ……
计算机里有什么？
计算机剖析
机器 语言
汇编 语言 设备制造 电路(VLSI) 设计 逻辑设计
高级 语言
硬件
软件
计算机系统的层次结构图
利用不同级别的程序设
计语言开发应用系统
为计算机系统本身提供资源管
理功能，方便用户使用计算机 把资源管理和调度功能留给软 件来完成更灵活、更可靠 需要哪些指令，指令的格式与功能， 指令操作数的位置以及表示形式等
n
第1章 概述
计算机系统的基本组成及其层次结构 计算机硬件的5个功能部件及其功能 计算机系统主要技术与性能指标 计算机的体系结构、组成和实现 计算机的发展进步与拓展应用的进程（自行阅读）
计算机是什么？
计算机是
wk.baidu.com
以硬件为基础， 以软件扩充其功能， 并以执行程序方式来体现其功能 的一种电子设备！
计算机实现
完成计算机的逻辑设计后的制作与调试。
计算机发展历程
第0代: 机械计算机 (BC to early 1940s) 第1代: 真空管 (1943-1959) 第2代: 电子管 (1960-1968)
John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley
由一个被称为ALU的线路完成。
2. 暂时存放参加运算的数据和中间结果，
由多个通用寄存器和乘商寄存器承担。 3. 运算器通常也是数据传输的通路。
控制器
控 制 器 运 算 器
控制器是计算机中控制执行指令的部件，向计 算机各功能部件提供每一时刻协同运行所需要 的控制信号： 1. 正确分析与执行每条指令：
22
计算机的主要性能指标-存储
3. 存储容量 字数 * 字长
1024（210）简称为1K（千），
1024K为1M（兆）， 1024M为1G（千兆）。 4. 内存存取周期和外存数据传送速率 存取周期：两次读写内存所必需的时间间隔，纳秒ns级 传送速率：单位时间内可以从外存读写的数据量，例如磁 盘设备的传输率可达MB/s
计算机系统的硬件组成
控 制 器
运 算 器
入 出 接 口 和 总 线
高速缓存
主存储器
虚拟存储器
输入设备 输出设备
这些部件和设备通过总线和接口连接在 一起, 构成计算机整机系统，协同运行。
计算机系统的硬件组成
计算机的主要性能指标-CPU
1. 字长： 决定计算机的运算精度、指令字长度、存储单元 长度等，可以是8/16/32/64位。
计算机组成与结构
课程情况概述
课程性质：专业基础、核心硬件课程，必修 学时：48（42+6），3学分
计算机电 路与电子 技术基础 程序设计 操作系统 计算机组成 与结构
计算机网络 微机原理及 接口技术
……
先修课程
后续课程
课程考核办法
成绩评定：平时*30%+实验*20%+期末考试*%50
平时：预习题+不定期小测+课堂表现+课后作业+出勤
参考书目
课程目标和任务
课程目的： 掌握计算机的工作原理，理解程序在计算机硬件上被 执行的过程。 课程任务：
1 2 3
掌握计算机
硬件系统各 组成部件的 工作原理、 逻辑实现、 设计思想
理解各部件
联结成整机 并协调运转 的方法。
了解当代计
算机系统的 新技术和新 成果
课程内容
输入设备
控 制 器
运 算 器
高速缓存
主存储器
虚拟存储器
输入设备
输入设备是向计算机中送入程序和数 据的具有一定独立功能的设备，通过 接口 和 总线与计算机主机连通，用于 人机交互，如键盘和鼠标等。
输出设备
控 制 器
运 算 器
高速缓存
主存储器
虚拟存储器
输入设备 输出设备
输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息 的设备，例如打印机、显示器等。
16世纪， Alkhowarizmi提出算 法概念，并出版以算 法（Algorithm）为 题的书籍
1833年，分析机（Analytical Engine），通用机器 Ada Augusta Lovelace， 第一位程序员
图灵机
1937年，Alan Turing提出一种 “通用”计算机的概念，它可以 执行任何一个描述好的程序（算 法），实现需要的功能，形成了 “可计算性”概念的基础。
学习单台、单CPU计算机的完整硬件系统的基本组 成与内部运行机制。 单台、单CPU：非多机系统，非多处理器结构，非 多核处理器结构。 基本：不一定最高性能、最合理，而是最基础的 必要的组成部分。 完整：运算器、控制器、存储器、输入、输出
各章节内容
了解计算机的组成 第1章 概述 掌握计算机的运行原理 n 数字电路和逻辑设计与计算机有什么关系？数字电路是 第2章 数字电路基础 如何识别0和1的？ 第3章 数 n 数据本身和数据运算(处理)如何表示成二进制？ 据表示 n 数据运算(处理)的电路实现？ 第4章 运算器 某时刻执行哪种运算(处理)？发指令 n 指令长什么样？程序怎么写？ 第5章 指令系统和 汇编程序设计 n 指令怎样被执行的？ 第6章 控制器 第7-9章 存储系统 n 二进制数据放在哪里？怎么放？ 第10-11章 IO系统 n 数据(信息)从哪儿来？到哪儿去？ 了解提高计算机部件和整机性能的可行途径 第12-13章 流水 线和体系结构
2. CPU速度
主频：很大程度上决定计算机的运行速度，单位MHz 运算速度：每秒执行加法指令的次数，单位MIPS(每秒 百万指令)，现在常用等效速度(等效速度由各种指令平 均执行时间以及对应指令运行比例计算得出，即加权平 均) 对比：MFLOPS “标准程序”测试：在不同的机器上运行某段标准程序 得到的实测速度。
存储程序的思想，使计算机从专 用走向通用。正是这一创新，开 创了计算机的新时代。 50年代，Turing提出了“智能” 计算机的概念。Turing测试
Turing机特点
通用计算机：并不是保存所有问题的结果。 存储程序计算机：问题的求解由程序或过程给出，程序和 过程可以通过语言描述。 有限速度：计算机执行程序的时间是有限的。 有限空间：计算机程序的存放空间和数据存放空间也是有 限的。 是现代计算机的鼻祖。
平时成绩以不定期小测为主，含课前预习题、随堂练习题、 期中小测题。
结合课后作业完成情况、课堂表现、出勤情况。
实验和报告：总共3次实验
每个实验都必须逐个检查或考核通过。 每个实验各占实验成绩1/3。
作业及实验报告要求
使用规范的作业纸或实验报告；
每一张作业纸的抬头须写完整，包括班级、姓名、学号、时间等，
第一台通用电子计算机ENIAC
Electronic Numerical and Integrate Calculator Mauchly and Eckert 设计 1946年2月14日 第一台通用电子计算机，设计用 于计算火炮的弹道 重30吨，占地15000平方英尺， 18000个电子管，耗电 140KW 运算速度：5000次加法/秒 使用十进制数 20个寄存器，每个存放10位的十进制数 通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来编程
第3代: 集成电路 (1969-1977)
Jack Kilby (1958)
第4代: 大规模超大规模集成电路VLSI (1978-present)
第5代: 光纤?
量子? 生物？
古代及近代计算技术
公元前500年， 中国出现算盘 1642年，Blaise Pascal发明自动进位的 加法机器，齿轮驱动拨 盘，在窗口显示结果 1822年，Charles Babbage，微分机 （Differential Engie）
计算机的主要性能指标-其他
5. 输入输出设备的传输速率
计算机的输入输出设备复杂多样，速率各不相同，有快
有慢 6. 内部并行处理能力
计算机的体系结构、组成和实现
计算机体系结构
汇编人员所见到的计算机系统的属性。比如字长、寄存器、 存储器读写方式，软件和硬件的功能的划分等。
计算机组成
计算机各部件的组成及其连接关系，使计算机完成机器指令 的功能。
抬头不齐不批阅。
实验报告封面上各条目都须填写，课程名称和实验名称须写正确，
封面填写不规范不批阅。
提倡自己完成，发现抄袭又未能理解所抄袭内容，该次作业/实验报
告为0分，累计三次，平时成绩/实验为0分。
每次实验课，须事先将该次实验的实验指导书打印出来(也可手写)
，并将实验内容或步骤或程序代码手写到相应栏目中，思考题的解 答需手写到规范的实验报告上，并将实验指导书连同实验报告一起 上交。
取指令－>分析指令－>执行指令
2. 保证指令按规定序列自动连续地执行。 3. 对各种异常情况和请求及时响应和处理。
存储器
控 制 器
运 算 器
高速缓存
主存储器 虚拟存储器
由高速缓冲存储器、主存储器、虚拟存 储器所组成的多级存储器系统，是计算机 中用于存储程序和数据的部件。 这三级存储器各自的功能分工、所用的 存储介质的工作原理和特性各不相同。 将作为三个部分分别讲解。
计算机应该配备哪些部件，每个部件 的组成和运行机制，部件间的连接和 协作等，以便执行指令（程序） 使用何种线路、以及如何传递、 存储、加工(运算)信息等
计算机的硬件组成部件
冯·诺依曼原理的基本思想：
采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和
地址码组成。
存储程序和程序控制，简称存储程序控制。
Vannevar Bush:Memex
保存有10亿本图书的书柜 可按照人们的需要，对图书进行照相 甚至可以记录人们的声音 保存并共享人类历史上的知识 Web之父
现代计算机的里程碑
年代 1834 1936 1943 1944 1946 1949 1951 1952 1960 1961 1962 1963 1964 1964 1965 1970 1974 1974 1978 1981 1985 1987 1990 机器名称 Analytical Engine Z1 COLOSSUS Mark I ENIAC I EDSAC Whirlwind I IAS PDP-1 1401 7094 B5000 360 6600 PDP-8 PDP-11 8080 CRAY-1 VAX IBM PC MIPS SPARC RS6000 制造者 Babbage Zuse 英国政府 Aiken Eckert/Mauchley Wilkes M.I.T. Von Neumann DEC IBM IBM Burroughs IBM CDC DEC DEC Intel Cray DEC IBM MIPS Sun IBM 说明 建造数字计算机的第一次尝试 第一台使用继电器的计算机器 第一台电子计算机 第一台美国通用计算机 现代计算机历史从它开始 第一台存储程序的计算机 第一台实时计算机 大多数现代计算机还用的设计 第一台小型机（销售 50 台） 非常流行的小型商用机 60 年代早期的主流科学计算用机 面向高级语言设计的第一台计算机 系列机的第一个产品 第一台用于科学计算的超级计算机 第一台占领市场的小型机（销售 50，000 台） 70 年代的主导小型机 第一台在一个芯片上的 8 位计算机 第一台向量超级计算机 第一台 32 位超级小型计算机 开创现代个人计算机新纪元 第一台商用 RISC 机 第一台基于 SPARC 的 RISC 工作站 第一台超标量体系结构计算机
运算器
运 算 器
运算器部件是计算机中进行数据加工的部件， 其主要功能包括：
1. 执行数值数据的加减乘除等算术运算，
执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，
作业/实验报告须在指定日期上课铃声响前上交，无故逾期不接收。
教材及参考书
教材
《计算机组成与结构》第3版，宋佳兴，王诚，清华大学 出版社 《计算机组成原理与系统结构》包健等，高等教育 《计算机组成与结构》刘卫东 编 机械工业 《计算机组成原理》第5版，白中英等，科学技术出版社 Computer Organization & Design The hardware/software interface,机械工业 Computer organization and architecture Designing for performance,清华大学 ……
计算机里有什么？
计算机剖析
机器 语言
汇编 语言 设备制造 电路(VLSI) 设计 逻辑设计
高级 语言
硬件
软件
计算机系统的层次结构图
利用不同级别的程序设
计语言开发应用系统
为计算机系统本身提供资源管
理功能，方便用户使用计算机 把资源管理和调度功能留给软 件来完成更灵活、更可靠 需要哪些指令，指令的格式与功能， 指令操作数的位置以及表示形式等
n
第1章 概述
计算机系统的基本组成及其层次结构 计算机硬件的5个功能部件及其功能 计算机系统主要技术与性能指标 计算机的体系结构、组成和实现 计算机的发展进步与拓展应用的进程（自行阅读）
计算机是什么？
计算机是
wk.baidu.com
以硬件为基础， 以软件扩充其功能， 并以执行程序方式来体现其功能 的一种电子设备！
计算机实现
完成计算机的逻辑设计后的制作与调试。
计算机发展历程
第0代: 机械计算机 (BC to early 1940s) 第1代: 真空管 (1943-1959) 第2代: 电子管 (1960-1968)
John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley
由一个被称为ALU的线路完成。
2. 暂时存放参加运算的数据和中间结果，
由多个通用寄存器和乘商寄存器承担。 3. 运算器通常也是数据传输的通路。
控制器
控 制 器 运 算 器
控制器是计算机中控制执行指令的部件，向计 算机各功能部件提供每一时刻协同运行所需要 的控制信号： 1. 正确分析与执行每条指令：
22
计算机的主要性能指标-存储
3. 存储容量 字数 * 字长
1024（210）简称为1K（千），
1024K为1M（兆）， 1024M为1G（千兆）。 4. 内存存取周期和外存数据传送速率 存取周期：两次读写内存所必需的时间间隔，纳秒ns级 传送速率：单位时间内可以从外存读写的数据量，例如磁 盘设备的传输率可达MB/s
计算机系统的硬件组成
控 制 器
运 算 器
入 出 接 口 和 总 线
高速缓存
主存储器
虚拟存储器
输入设备 输出设备
这些部件和设备通过总线和接口连接在 一起, 构成计算机整机系统，协同运行。
计算机系统的硬件组成
计算机的主要性能指标-CPU
1. 字长： 决定计算机的运算精度、指令字长度、存储单元 长度等，可以是8/16/32/64位。
计算机组成与结构
课程情况概述
课程性质：专业基础、核心硬件课程，必修 学时：48（42+6），3学分
计算机电 路与电子 技术基础 程序设计 操作系统 计算机组成 与结构
计算机网络 微机原理及 接口技术
……
先修课程
后续课程
课程考核办法
成绩评定：平时*30%+实验*20%+期末考试*%50
平时：预习题+不定期小测+课堂表现+课后作业+出勤
参考书目
课程目标和任务
课程目的： 掌握计算机的工作原理，理解程序在计算机硬件上被 执行的过程。 课程任务：
1 2 3
掌握计算机
硬件系统各 组成部件的 工作原理、 逻辑实现、 设计思想
理解各部件
联结成整机 并协调运转 的方法。
了解当代计
算机系统的 新技术和新 成果
课程内容
输入设备
控 制 器
运 算 器
高速缓存
主存储器
虚拟存储器
输入设备
输入设备是向计算机中送入程序和数 据的具有一定独立功能的设备，通过 接口 和 总线与计算机主机连通，用于 人机交互，如键盘和鼠标等。
输出设备
控 制 器
运 算 器
高速缓存
主存储器
虚拟存储器
输入设备 输出设备
输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息 的设备，例如打印机、显示器等。
16世纪， Alkhowarizmi提出算 法概念，并出版以算 法（Algorithm）为 题的书籍
1833年，分析机（Analytical Engine），通用机器 Ada Augusta Lovelace， 第一位程序员
图灵机
1937年，Alan Turing提出一种 “通用”计算机的概念，它可以 执行任何一个描述好的程序（算 法），实现需要的功能，形成了 “可计算性”概念的基础。
学习单台、单CPU计算机的完整硬件系统的基本组 成与内部运行机制。 单台、单CPU：非多机系统，非多处理器结构，非 多核处理器结构。 基本：不一定最高性能、最合理，而是最基础的 必要的组成部分。 完整：运算器、控制器、存储器、输入、输出
各章节内容
了解计算机的组成 第1章 概述 掌握计算机的运行原理 n 数字电路和逻辑设计与计算机有什么关系？数字电路是 第2章 数字电路基础 如何识别0和1的？ 第3章 数 n 数据本身和数据运算(处理)如何表示成二进制？ 据表示 n 数据运算(处理)的电路实现？ 第4章 运算器 某时刻执行哪种运算(处理)？发指令 n 指令长什么样？程序怎么写？ 第5章 指令系统和 汇编程序设计 n 指令怎样被执行的？ 第6章 控制器 第7-9章 存储系统 n 二进制数据放在哪里？怎么放？ 第10-11章 IO系统 n 数据(信息)从哪儿来？到哪儿去？ 了解提高计算机部件和整机性能的可行途径 第12-13章 流水 线和体系结构
2. CPU速度
主频：很大程度上决定计算机的运行速度，单位MHz 运算速度：每秒执行加法指令的次数，单位MIPS(每秒 百万指令)，现在常用等效速度(等效速度由各种指令平 均执行时间以及对应指令运行比例计算得出，即加权平 均) 对比：MFLOPS “标准程序”测试：在不同的机器上运行某段标准程序 得到的实测速度。
存储程序的思想，使计算机从专 用走向通用。正是这一创新，开 创了计算机的新时代。 50年代，Turing提出了“智能” 计算机的概念。Turing测试
Turing机特点
通用计算机：并不是保存所有问题的结果。 存储程序计算机：问题的求解由程序或过程给出，程序和 过程可以通过语言描述。 有限速度：计算机执行程序的时间是有限的。 有限空间：计算机程序的存放空间和数据存放空间也是有 限的。 是现代计算机的鼻祖。
平时成绩以不定期小测为主，含课前预习题、随堂练习题、 期中小测题。
结合课后作业完成情况、课堂表现、出勤情况。
实验和报告：总共3次实验
每个实验都必须逐个检查或考核通过。 每个实验各占实验成绩1/3。
作业及实验报告要求
使用规范的作业纸或实验报告；
每一张作业纸的抬头须写完整，包括班级、姓名、学号、时间等，
第一台通用电子计算机ENIAC
Electronic Numerical and Integrate Calculator Mauchly and Eckert 设计 1946年2月14日 第一台通用电子计算机，设计用 于计算火炮的弹道 重30吨，占地15000平方英尺， 18000个电子管，耗电 140KW 运算速度：5000次加法/秒 使用十进制数 20个寄存器，每个存放10位的十进制数 通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来编程
第3代: 集成电路 (1969-1977)
Jack Kilby (1958)
第4代: 大规模超大规模集成电路VLSI (1978-present)
第5代: 光纤?
量子? 生物？
古代及近代计算技术
公元前500年， 中国出现算盘 1642年，Blaise Pascal发明自动进位的 加法机器，齿轮驱动拨 盘，在窗口显示结果 1822年，Charles Babbage，微分机 （Differential Engie）
计算机的主要性能指标-其他
5. 输入输出设备的传输速率
计算机的输入输出设备复杂多样，速率各不相同，有快
有慢 6. 内部并行处理能力
计算机的体系结构、组成和实现
计算机体系结构
汇编人员所见到的计算机系统的属性。比如字长、寄存器、 存储器读写方式，软件和硬件的功能的划分等。
计算机组成
计算机各部件的组成及其连接关系，使计算机完成机器指令 的功能。
抬头不齐不批阅。
实验报告封面上各条目都须填写，课程名称和实验名称须写正确，
封面填写不规范不批阅。
提倡自己完成，发现抄袭又未能理解所抄袭内容，该次作业/实验报
告为0分，累计三次，平时成绩/实验为0分。
每次实验课，须事先将该次实验的实验指导书打印出来(也可手写)
，并将实验内容或步骤或程序代码手写到相应栏目中，思考题的解 答需手写到规范的实验报告上，并将实验指导书连同实验报告一起 上交。
取指令－>分析指令－>执行指令
2. 保证指令按规定序列自动连续地执行。 3. 对各种异常情况和请求及时响应和处理。
存储器
控 制 器
运 算 器
高速缓存
主存储器 虚拟存储器
由高速缓冲存储器、主存储器、虚拟存 储器所组成的多级存储器系统，是计算机 中用于存储程序和数据的部件。 这三级存储器各自的功能分工、所用的 存储介质的工作原理和特性各不相同。 将作为三个部分分别讲解。
计算机应该配备哪些部件，每个部件 的组成和运行机制，部件间的连接和 协作等，以便执行指令（程序） 使用何种线路、以及如何传递、 存储、加工(运算)信息等
计算机的硬件组成部件
冯·诺依曼原理的基本思想：
采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和
地址码组成。
存储程序和程序控制，简称存储程序控制。
Vannevar Bush:Memex
保存有10亿本图书的书柜 可按照人们的需要，对图书进行照相 甚至可以记录人们的声音 保存并共享人类历史上的知识 Web之父
现代计算机的里程碑
年代 1834 1936 1943 1944 1946 1949 1951 1952 1960 1961 1962 1963 1964 1964 1965 1970 1974 1974 1978 1981 1985 1987 1990 机器名称 Analytical Engine Z1 COLOSSUS Mark I ENIAC I EDSAC Whirlwind I IAS PDP-1 1401 7094 B5000 360 6600 PDP-8 PDP-11 8080 CRAY-1 VAX IBM PC MIPS SPARC RS6000 制造者 Babbage Zuse 英国政府 Aiken Eckert/Mauchley Wilkes M.I.T. Von Neumann DEC IBM IBM Burroughs IBM CDC DEC DEC Intel Cray DEC IBM MIPS Sun IBM 说明 建造数字计算机的第一次尝试 第一台使用继电器的计算机器 第一台电子计算机 第一台美国通用计算机 现代计算机历史从它开始 第一台存储程序的计算机 第一台实时计算机 大多数现代计算机还用的设计 第一台小型机（销售 50 台） 非常流行的小型商用机 60 年代早期的主流科学计算用机 面向高级语言设计的第一台计算机 系列机的第一个产品 第一台用于科学计算的超级计算机 第一台占领市场的小型机（销售 50，000 台） 70 年代的主导小型机 第一台在一个芯片上的 8 位计算机 第一台向量超级计算机 第一台 32 位超级小型计算机 开创现代个人计算机新纪元 第一台商用 RISC 机 第一台基于 SPARC 的 RISC 工作站 第一台超标量体系结构计算机