计算机组成原理第1章
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2013年12月14日 19
(1)机器语言 (2)汇编语言 (3)算法语言 (4)OS (5)DBMS
2013年12月14日
20
1.3 计算机总线结构 1.3.1 总线的基本概念 1.总线的定义 总线就是连接计算机系统各个功能部件的一组线 路，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通 路。总线传送有两个特性： ①分时性 ②共享性 机器总线由总线控制器负责管理。总线控制器的 主要功能包括： ①总线系统的资源管理； ②总线系统的定时；
2013年12月14日 27
2.总线时钟周期。即机器时钟周期，由CPU时钟所定 义的一个定长时间间隔。 3.总线时钟频率。即时钟频率。指晶振产生的频率。 4.总线工作频率。指总线上各种操作的频率。 5.总线周期。CPU通过总线对存储器或者I/O接口进行 一次访问所需要的时间。 6.总线宽度。指DB线的根数，常用bit表示。 1.3.5 系统总线结构 1.单总线结构。使用 一条单一的系统总线 来连接CPU、主存和各 种I/O设备。
2013年12月14日 23
②异步总线：不使用统一时钟信号，而依靠各个部件 或者设备内部的定时操作来确定通信定时方式。 1.3.3 总线的特性 ①物理特性。 ②功能特性。 ③电气特性。 ④时间特性。 1.3.4 总线的主要性能指标 1.总线带宽。总线的数据传输速率，即单位时间内总 线上传输数据位数，单位为：MB/s。计算公式： Dr=D/T=D×(L/T) 例1.1：(1)某总线在一个总线周期并行传送4B数据，
2013年12月14日 12
1.2 计算机硬件系统和软件系统 一个完整的计算机系统=硬件系统+软件系统。 1.2.1 计算机硬件系统的组成和工作过程 1.硬件系统的组成
2013年12月14日
13
(1)适配器。接口转换器。 (2)运算器。基本功能是完成算术运算和逻辑运算， 通常称为算术逻辑运算单元，简称ALU。 构成运算器的核心部件 是加法器。 现代计算机的运算器=加 法器＋各类寄存器。寄存器 是位于CPU内部的一种有限容 量的高速存贮部件，一般用 来暂存指令、数据和位址。 (3)存储器和触发器(trigger ) 任何时候，存储器中存放的都是“0”和“1”代
(2)三总线结构
图1.12是一个比较完整的多总线结构。
2013年12月14日
31
1.3.6 总线的内部结构 1.早期计算机系统总线的内部结构
早期总线内部结构有两大缺点： ①三类信号线都与CPU连接，CPU是总线的唯一主控 者，不能满足多CPU环境的要求。 ②总线信号实际上是CPU芯片引脚信号的延伸，总线 结构与CPU密切相关，系统通用性较差。
2013年12月14日
10
(3)20世纪90年代以后的微处理器
2013年12月14日
11
1.1.4 存储程序和程序控制原理 冯·诺依曼最先提出。主要包含三个方面： 1.计算机硬件由运算器、存储器、控制器、输入设备 和输出设备五大部分构成。 2.指令和数据用二进制形式表示。 3.存储程序控制。 ①存储原理。 ②按地址顺序访问指令。 ③程序控制。
2013年12月14日 24
假设一个总线周期等于一个总线时钟频率，并等于33 MHz，求该总线的带宽。 (2)如果一个总线周期并行传送64b数据，总线时钟频 率提升为66MHz，求该总线的带宽。 (3)分析有哪些因素影响总线的带宽？ 解：(1)一个总线周期并行传送4B数据时： Dr=D/T=D×(1/T)=4B×(33/106)s≈138MB/s (2)一个总线周期中并行传送64b数据时： Dr=8B×(66/106)s≈553.6MB/s。 (3)总线带宽是总线的数据传输速率，即部位时间内 总线上传输数据的位数。因此，总线布线长度、总线
2013年12月14日 7
②小型机阶段。对大型机的首次缩小化。一般有8～ 32个处理器，是一种高性能的64位机，其性能和价格 介于PC服务器和大型机之间，其成本较低，性价比能 够被中小企业所接受。 ③微型机阶段。对大型机的第二次缩小化。执行结果 精确、处理速度快、性价比高、轻便小巧、应用范围 非常广泛、技术不断更新、产品快速换代等特点。 ④客户机/服务器阶段。 ⑤互联网阶段。 1.1.3 存储器和微处理器的发展 1.存储器发展的两个重要阶段
2013年12月14日 35
1.4 计算机系统的多层次结构
(4)CPU控制器 CPU的指挥控制中心，由 IR、PC和0C等组成。图1.7是 对控制器工作原理的描述。
PC+1
2013年12月14日
16
几个重要概念： ①取指周期。CPU从内存中取出一条指令所需要的时 间，通常用机器周期来表示。 ②机器周期。CPU完成一种基本操作所需的时间，比 如取指令或完成一次存储器读/写操作所需的时间。 ③执行周期。指CPU执行一条指令所需的时间。 ④指令周期。指CPU从内存中取出一条指令，并执行 完这条指令所需的时间。 指令周期=取指周期+执行周期。 (5)输入设备 把某种外部信息形式，变换成机器内部能够接收 和识别的二进制形式，是人机对话的主要装置。
2013年12月14日 26
据，一个总线周期占用2个时钟周期，总线时钟频率 为10MHz，求总线带宽。 解：总线带宽=总线工作频率×(总线宽度/8)，总线 工作频率=总线时钟频率/2，所以： 总线带宽=10/5×4=20MB/s。 例1.4：设一个32位微处理器配有16b外部DB总线，若 时钟频率为50MHz，总线传输最短周期为4个时钟周期， 求总线的最大数据传输率。 解：总线数据传输率就是总线带宽。总线带宽=总线 工作频率×(总线宽度/8)，总线工作频率=总线时钟 频率/总线周期，所以： 总线最大传输率=(50/4)×(16/8)=12.5×2=25MB/s。
2013年12月14日 8
(1)磁芯存储器
存取速度较快，制作工艺很复杂，体积很大，价 格昂贵，破坏性读出。 (2)半导体存储器 容量比磁芯存储器大，存取速度比磁芯存储器快， 非破坏性读出。 2.微处理器的发展 (1)20世纪70年代的Intel微处理器
2013年12月14日 9
(2)20世纪80年代的Intel微处理器
计算机组成原理 第一章 计算机系统概述
2013年12月14日
1
1.1 计算机的分类与发展概况 1.1.1 计算机的分类 1.1.1.1 计算机的广义分类 1.模拟机 ①作为计算工具；②作为实物的数学模型和仿真设备； ③作为教学和训练工具。 2.电子数字计算机
2013年12月14日
2
1.1.1.2 电子数字计算机的分类 1.按效率、速度、价格、经济性和适用性分类。 (1)专用机 ①拥有固定的存储程序，硬件配置具有某些特殊性。 ②解决特定问题的速度很快，可靠性很高。 ③结构简单，价格便宜，适用范围很小。 (2)通用机 超级计算机： ①结构最复杂； ②存储容量最 大，运算速度最快；
2013年12月14日 4
3.根据体积、适应范围和功能，电子数字计算机可以 分为服务器、工作站、台式机、笔记本、手持设备等 类型，如表1.3所示。
2013年12月14日 5
2013年12月14日
6
1.1.2 电子数字计算机的发展 1.传统上对电子数字计算机发展阶段的划分
2.现代对计算机发展阶段的划分 ①大型机阶段。使用专用指令系统和OS，长于数据 处理，具有高稳定性、高安全性和强大的数据处理 能力，但成本巨大。
2013年12月14日 21
③总线的仲裁和连接。 2.计算机系统的基本总线 (1)地址总线(AB线)—传输数据地址。 (2)数据总线(DB线)—传输数据。 (3)控制总线(CB线)—传输控制信号。 3.计算机系统内部采用总线结构的好处 (1)简化了系统设计。 (2)简化了系统结构。 (3)便于系统的扩充与升级。 (4)方便系统故障诊断与维护，降低系统管理成本。 1.3.2 单处理器系统中的总线分类 1.按总线连接的部件分类
2013年12月14日 22
①CPU内部总线。CPU内部连接各个寄存器和运算部件 的一组信息传送线。 ②系统总线。CPU同计算机系统的其他高速功能部件， 如存储器、通道等互相连接的总线。 ③I/O总线。中、低速I/O设备之间互相连接的总线。 2.按数据传送方式分类 ①串行总线。用一根DB线一位一位地传送数据。 ②并行总线。用多根DB线同时传送一个字节或者一个 字的所有位。 3.按总线通信定时方式分类 ①同步总线。使用统一的时钟信号来同步互联部件或 者设备。
2013年12月14日 3
③可靠性很高，价格昂贵； ④主要用于科学计算。 单片机： ①结构最简单(只有一块芯片)； ②体积较小，性能较低，价格便宜； ③应用范围很广泛。 大型机、服务器、工作站和微机： 2.按照计算机在信息处理系统中的地位和作用，电子 数字计算机可分为大型机、小型机、PC机、工作站、 巨型机、小巨型机等类型，如表1.2所示。
2013年12月14日 32
2.当代计算机系统总线内部结构
2013年12月14日
33
3.总线结构实例
1.CPU总线 ①连接CPU和存储器； ②总线时钟频率为为 66.6MHz。 2.PCI总线 ①连接高速I/O设备； ②时钟频率33.3MHz, 带宽132MB/s； ③采用集中式仲裁方 式，有专用的PCI总线 仲裁器。 3.ISA总线 ①连接低速I/O设备； ②支持7级DMA通道和 15级可屏蔽中断。
2013年12月14日 29
优点： ①保持了单总线结构简单、容易扩充的优点。 ②增加IOP后，减轻了系统总线负担，使整个系统的效 率在单总线基础上有大幅度的提高。 缺点：以增加硬件即“通道”为代价来提高CPU效率， 系统造价较高。双总线结构一般用于大型机和中型机 系统。
2013年12月14日 30
2013年12月14日 17
(6)输出设备 把计算机处理后的结果，变换为人或其他机器能 够接收和识别的信息形式。 2.硬件的工作过程
2013年12月14日
18
1.2.2 计算机软件系统 1.软件的分类 (1)系统软件。即系统程序。主要功能是负责调度、 监控和维护计算机系统，管理各种独立硬件，使它们 能够协调一致地进行工作。 ①OS ②语言程序 ③各种服务性程序 ④DBMS (2)应用软件 2.软件的发展演变情况
2013年12月14日 25
驱动器/接收器性能、连接在总线上的模块数等因素 都可能影响总线带宽。 计算总线带宽的另一个公式： 总线带宽=总线工作频率×(总线宽度/8) 总线工作频率=总线时钟频率/总线周期 例1.2：某总线周期中并行传送4B数据，假设一个总线 周期等于1个时钟周期，总线时钟频率为33MHz，求总 线带宽。 解：总线带宽=总线工作频率×(总线宽度/8)，总线工 作频率=总线时钟频率/1，所以： 总线带宽=33/1×4=132MB/s。 例1.3：假设某系统在一个总线周期中并行传送4B的数
2013年12月14日 28
优点： ①结构简单，外设连接灵活，易扩展为多CPU系统。 ②CPU在各部件的信息交换过程中，只负责总线使用的 权分配，不干预信息交换过程，提高了CPU工作效率。 缺点： ①所有系统部件都连接在一组总线上，总线负载重。 ②总线必须分时工作，同一时刻只能允许一对设备之 间传送信息。 单总线结构一般用于小型机系统和微机系统。 2.多总线结构 (1)双总线结构
34
2013年12月14日
1.3.7 冯.诺依曼存储结构与哈佛存储结构 由于存储器是存放程序和数据的电子装置，因此 它的结构设计，对计算机整体性能有着很大的影响。 1.冯.诺依曼存储结构
2.哈佛存储结构
PM地址总线
程序存
DM地址总线
数据存Байду номын сангаас
储器PM
PM数据总线
CPU
DM数据总线
储器DM
图1.16 哈佛结构存储器设计
2013年12月14日 14
码。
触发器是用来存储电路状态的元件。位于半导体 存储器中，是构成存储单元的基本单位。一个触发器 存储一位二进制代码。如图1.5所示，任何一个存储 器都是由若干个存储单元组成的。每个存储单元都有 一个编号，称为存储单元地址。
2013年12月14日
15
如图1.6所示，现代计算机系统采用主存+辅存+ 高速缓存三级存储层次结构。
(1)机器语言 (2)汇编语言 (3)算法语言 (4)OS (5)DBMS
2013年12月14日
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1.3 计算机总线结构 1.3.1 总线的基本概念 1.总线的定义 总线就是连接计算机系统各个功能部件的一组线 路，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通 路。总线传送有两个特性： ①分时性 ②共享性 机器总线由总线控制器负责管理。总线控制器的 主要功能包括： ①总线系统的资源管理； ②总线系统的定时；
2013年12月14日 27
2.总线时钟周期。即机器时钟周期，由CPU时钟所定 义的一个定长时间间隔。 3.总线时钟频率。即时钟频率。指晶振产生的频率。 4.总线工作频率。指总线上各种操作的频率。 5.总线周期。CPU通过总线对存储器或者I/O接口进行 一次访问所需要的时间。 6.总线宽度。指DB线的根数，常用bit表示。 1.3.5 系统总线结构 1.单总线结构。使用 一条单一的系统总线 来连接CPU、主存和各 种I/O设备。
2013年12月14日 23
②异步总线：不使用统一时钟信号，而依靠各个部件 或者设备内部的定时操作来确定通信定时方式。 1.3.3 总线的特性 ①物理特性。 ②功能特性。 ③电气特性。 ④时间特性。 1.3.4 总线的主要性能指标 1.总线带宽。总线的数据传输速率，即单位时间内总 线上传输数据位数，单位为：MB/s。计算公式： Dr=D/T=D×(L/T) 例1.1：(1)某总线在一个总线周期并行传送4B数据，
2013年12月14日 12
1.2 计算机硬件系统和软件系统 一个完整的计算机系统=硬件系统+软件系统。 1.2.1 计算机硬件系统的组成和工作过程 1.硬件系统的组成
2013年12月14日
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(1)适配器。接口转换器。 (2)运算器。基本功能是完成算术运算和逻辑运算， 通常称为算术逻辑运算单元，简称ALU。 构成运算器的核心部件 是加法器。 现代计算机的运算器=加 法器＋各类寄存器。寄存器 是位于CPU内部的一种有限容 量的高速存贮部件，一般用 来暂存指令、数据和位址。 (3)存储器和触发器(trigger ) 任何时候，存储器中存放的都是“0”和“1”代
(2)三总线结构
图1.12是一个比较完整的多总线结构。
2013年12月14日
31
1.3.6 总线的内部结构 1.早期计算机系统总线的内部结构
早期总线内部结构有两大缺点： ①三类信号线都与CPU连接，CPU是总线的唯一主控 者，不能满足多CPU环境的要求。 ②总线信号实际上是CPU芯片引脚信号的延伸，总线 结构与CPU密切相关，系统通用性较差。
2013年12月14日
10
(3)20世纪90年代以后的微处理器
2013年12月14日
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1.1.4 存储程序和程序控制原理 冯·诺依曼最先提出。主要包含三个方面： 1.计算机硬件由运算器、存储器、控制器、输入设备 和输出设备五大部分构成。 2.指令和数据用二进制形式表示。 3.存储程序控制。 ①存储原理。 ②按地址顺序访问指令。 ③程序控制。
2013年12月14日 24
假设一个总线周期等于一个总线时钟频率，并等于33 MHz，求该总线的带宽。 (2)如果一个总线周期并行传送64b数据，总线时钟频 率提升为66MHz，求该总线的带宽。 (3)分析有哪些因素影响总线的带宽？ 解：(1)一个总线周期并行传送4B数据时： Dr=D/T=D×(1/T)=4B×(33/106)s≈138MB/s (2)一个总线周期中并行传送64b数据时： Dr=8B×(66/106)s≈553.6MB/s。 (3)总线带宽是总线的数据传输速率，即部位时间内 总线上传输数据的位数。因此，总线布线长度、总线
2013年12月14日 7
②小型机阶段。对大型机的首次缩小化。一般有8～ 32个处理器，是一种高性能的64位机，其性能和价格 介于PC服务器和大型机之间，其成本较低，性价比能 够被中小企业所接受。 ③微型机阶段。对大型机的第二次缩小化。执行结果 精确、处理速度快、性价比高、轻便小巧、应用范围 非常广泛、技术不断更新、产品快速换代等特点。 ④客户机/服务器阶段。 ⑤互联网阶段。 1.1.3 存储器和微处理器的发展 1.存储器发展的两个重要阶段
2013年12月14日 35
1.4 计算机系统的多层次结构
(4)CPU控制器 CPU的指挥控制中心，由 IR、PC和0C等组成。图1.7是 对控制器工作原理的描述。
PC+1
2013年12月14日
16
几个重要概念： ①取指周期。CPU从内存中取出一条指令所需要的时 间，通常用机器周期来表示。 ②机器周期。CPU完成一种基本操作所需的时间，比 如取指令或完成一次存储器读/写操作所需的时间。 ③执行周期。指CPU执行一条指令所需的时间。 ④指令周期。指CPU从内存中取出一条指令，并执行 完这条指令所需的时间。 指令周期=取指周期+执行周期。 (5)输入设备 把某种外部信息形式，变换成机器内部能够接收 和识别的二进制形式，是人机对话的主要装置。
2013年12月14日 26
据，一个总线周期占用2个时钟周期，总线时钟频率 为10MHz，求总线带宽。 解：总线带宽=总线工作频率×(总线宽度/8)，总线 工作频率=总线时钟频率/2，所以： 总线带宽=10/5×4=20MB/s。 例1.4：设一个32位微处理器配有16b外部DB总线，若 时钟频率为50MHz，总线传输最短周期为4个时钟周期， 求总线的最大数据传输率。 解：总线数据传输率就是总线带宽。总线带宽=总线 工作频率×(总线宽度/8)，总线工作频率=总线时钟 频率/总线周期，所以： 总线最大传输率=(50/4)×(16/8)=12.5×2=25MB/s。
2013年12月14日 8
(1)磁芯存储器
存取速度较快，制作工艺很复杂，体积很大，价 格昂贵，破坏性读出。 (2)半导体存储器 容量比磁芯存储器大，存取速度比磁芯存储器快， 非破坏性读出。 2.微处理器的发展 (1)20世纪70年代的Intel微处理器
2013年12月14日 9
(2)20世纪80年代的Intel微处理器
计算机组成原理 第一章 计算机系统概述
2013年12月14日
1
1.1 计算机的分类与发展概况 1.1.1 计算机的分类 1.1.1.1 计算机的广义分类 1.模拟机 ①作为计算工具；②作为实物的数学模型和仿真设备； ③作为教学和训练工具。 2.电子数字计算机
2013年12月14日
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1.1.1.2 电子数字计算机的分类 1.按效率、速度、价格、经济性和适用性分类。 (1)专用机 ①拥有固定的存储程序，硬件配置具有某些特殊性。 ②解决特定问题的速度很快，可靠性很高。 ③结构简单，价格便宜，适用范围很小。 (2)通用机 超级计算机： ①结构最复杂； ②存储容量最 大，运算速度最快；
2013年12月14日 4
3.根据体积、适应范围和功能，电子数字计算机可以 分为服务器、工作站、台式机、笔记本、手持设备等 类型，如表1.3所示。
2013年12月14日 5
2013年12月14日
6
1.1.2 电子数字计算机的发展 1.传统上对电子数字计算机发展阶段的划分
2.现代对计算机发展阶段的划分 ①大型机阶段。使用专用指令系统和OS，长于数据 处理，具有高稳定性、高安全性和强大的数据处理 能力，但成本巨大。
2013年12月14日 21
③总线的仲裁和连接。 2.计算机系统的基本总线 (1)地址总线(AB线)—传输数据地址。 (2)数据总线(DB线)—传输数据。 (3)控制总线(CB线)—传输控制信号。 3.计算机系统内部采用总线结构的好处 (1)简化了系统设计。 (2)简化了系统结构。 (3)便于系统的扩充与升级。 (4)方便系统故障诊断与维护，降低系统管理成本。 1.3.2 单处理器系统中的总线分类 1.按总线连接的部件分类
2013年12月14日 22
①CPU内部总线。CPU内部连接各个寄存器和运算部件 的一组信息传送线。 ②系统总线。CPU同计算机系统的其他高速功能部件， 如存储器、通道等互相连接的总线。 ③I/O总线。中、低速I/O设备之间互相连接的总线。 2.按数据传送方式分类 ①串行总线。用一根DB线一位一位地传送数据。 ②并行总线。用多根DB线同时传送一个字节或者一个 字的所有位。 3.按总线通信定时方式分类 ①同步总线。使用统一的时钟信号来同步互联部件或 者设备。
2013年12月14日 3
③可靠性很高，价格昂贵； ④主要用于科学计算。 单片机： ①结构最简单(只有一块芯片)； ②体积较小，性能较低，价格便宜； ③应用范围很广泛。 大型机、服务器、工作站和微机： 2.按照计算机在信息处理系统中的地位和作用，电子 数字计算机可分为大型机、小型机、PC机、工作站、 巨型机、小巨型机等类型，如表1.2所示。
2013年12月14日 32
2.当代计算机系统总线内部结构
2013年12月14日
33
3.总线结构实例
1.CPU总线 ①连接CPU和存储器； ②总线时钟频率为为 66.6MHz。 2.PCI总线 ①连接高速I/O设备； ②时钟频率33.3MHz, 带宽132MB/s； ③采用集中式仲裁方 式，有专用的PCI总线 仲裁器。 3.ISA总线 ①连接低速I/O设备； ②支持7级DMA通道和 15级可屏蔽中断。
2013年12月14日 29
优点： ①保持了单总线结构简单、容易扩充的优点。 ②增加IOP后，减轻了系统总线负担，使整个系统的效 率在单总线基础上有大幅度的提高。 缺点：以增加硬件即“通道”为代价来提高CPU效率， 系统造价较高。双总线结构一般用于大型机和中型机 系统。
2013年12月14日 30
2013年12月14日 17
(6)输出设备 把计算机处理后的结果，变换为人或其他机器能 够接收和识别的信息形式。 2.硬件的工作过程
2013年12月14日
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1.2.2 计算机软件系统 1.软件的分类 (1)系统软件。即系统程序。主要功能是负责调度、 监控和维护计算机系统，管理各种独立硬件，使它们 能够协调一致地进行工作。 ①OS ②语言程序 ③各种服务性程序 ④DBMS (2)应用软件 2.软件的发展演变情况
2013年12月14日 25
驱动器/接收器性能、连接在总线上的模块数等因素 都可能影响总线带宽。 计算总线带宽的另一个公式： 总线带宽=总线工作频率×(总线宽度/8) 总线工作频率=总线时钟频率/总线周期 例1.2：某总线周期中并行传送4B数据，假设一个总线 周期等于1个时钟周期，总线时钟频率为33MHz，求总 线带宽。 解：总线带宽=总线工作频率×(总线宽度/8)，总线工 作频率=总线时钟频率/1，所以： 总线带宽=33/1×4=132MB/s。 例1.3：假设某系统在一个总线周期中并行传送4B的数
2013年12月14日 28
优点： ①结构简单，外设连接灵活，易扩展为多CPU系统。 ②CPU在各部件的信息交换过程中，只负责总线使用的 权分配，不干预信息交换过程，提高了CPU工作效率。 缺点： ①所有系统部件都连接在一组总线上，总线负载重。 ②总线必须分时工作，同一时刻只能允许一对设备之 间传送信息。 单总线结构一般用于小型机系统和微机系统。 2.多总线结构 (1)双总线结构
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2013年12月14日
1.3.7 冯.诺依曼存储结构与哈佛存储结构 由于存储器是存放程序和数据的电子装置，因此 它的结构设计，对计算机整体性能有着很大的影响。 1.冯.诺依曼存储结构
2.哈佛存储结构
PM地址总线
程序存
DM地址总线
数据存Байду номын сангаас
储器PM
PM数据总线
CPU
DM数据总线
储器DM
图1.16 哈佛结构存储器设计
2013年12月14日 14
码。
触发器是用来存储电路状态的元件。位于半导体 存储器中，是构成存储单元的基本单位。一个触发器 存储一位二进制代码。如图1.5所示，任何一个存储 器都是由若干个存储单元组成的。每个存储单元都有 一个编号，称为存储单元地址。
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如图1.6所示，现代计算机系统采用主存+辅存+ 高速缓存三级存储层次结构。