计算机组成原理第一章课件(第三版)
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☼ 二、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）
☆ 计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微 程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的组 成和工作原理。
☆ 通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实 验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。
基本概念
（3/5）
3、第三代计算机
（1）60年代中期~~70年代初期
（2）主要特征：中、小规模集成电路作为电子器件
（3）操作系统出现
（4）特点：体积与功耗都得到进一步减小，可靠性 和运算速度进一步提高。不仅用于科学计算， 还用于文字处理、企业管理、自动控制等领 域， 出现了管理信息系统，可用于生产管理、 交通管理、情报检索等领域。
系统结构
1.1.2 计算机的特点
基本概念
计算机是由硬件和软件组成的复杂设备 计算机以电子器件为物质基础 计算机由程序控制其操作过程 计算机以离散的数字量形式进行工作 计算机的基本运算操作是算术和逻辑运算，运
算速度和计算精度极高
系统结构
1.1.3 计算机的应用领域
基本概念
1、科学计算 2、过程检测与控制
☼ 三、课程与其他课程的联系与分工
☆ 先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计 ☆ 后续课：计算机系统结构、微型原理，关系密切的还有操作系统等课程。
☼ 四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等）
☆ 授课学时（参考）：72，实验学时（参考）：18
☼ 第一章 概述 ☼ 第二章 计算机中的数据表示 ☼ 第三章 运算方法和运算器 ☼ 第四章 存储器及存储系统 ☼ 第五章 指令系统 ☼ 第六章 中央处理器 ☼ 第七章 总线系统 ☼ 第八章 输入输出系统 ☼ 第九章 计算机外部设备 ☼ 第十章 计算机系统及发展
“程序控制”，是当计算机启动后，程序就 会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令， 自动完成预定的信息处理任务
冯·诺依曼型计算机的设计思想
存储程序并按地址顺序执行
系统结构
基本概念
冯·诺依曼计算机的基本思想
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；
将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作 时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任 务。这就是“存储程序”和“程序控制”（简称 存储程序控制）的概念；
目录
1960年：
公共事业 计算可能有一天将被组织为
。
——麦卡锡
John McCarthy :“Computation may someday be organized as a public utility"
“Computer Utilities” Vision:
Implications of the Internet
基本概念
功能：保存或“记忆”数据和运算过程 存储的是0或1表示的二进制代码 主存采用半导体器件来作为存储器 一个半导体触发器记忆一个二进制位 存储单元： 在存储器中保存一个n位二进制数的n个触
发器，组成一个存储单元
存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存 储单元的编号，称为地址
系统结构
1.1 计算机的发展与应用
基本概念
计算机从总体上来说分为两大类:
模拟计算机和数字计算机。
各自主要特点： 模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量 （如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的 数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开 关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算 模式是离散式的。
Computers Redefined
1984 – John Gage, Sun Microsystems
“The network is the computer”
2008 – David Patterson, U. C. Berkeley
“The data center is the computer. There are dramatic differences between of developing software for millions to use as a service versus distributing software for millions to run their PCs”
2008 – “The Cloud is the computer” – Dr. Rajkumar Buyya, University of
Melbourne, Australia
基本概念
第一章 概述
什么是计算机？ 计算机（Computer）是一种以电子器件为基
础的，不需人的直接干预，能够对各种数字 化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。
☼ 第一章 概述 ☼ 第二章 计算机中的数据表示 ☼ 第三章 运算方法和运算器 ☼ 第四章 存储器及存储系统 ☼ 第五章 指令系统 ☼ 第六章 中央处理器 ☼ 第七章 总线系统 ☼ 第八章 输入输出系统 ☼ 第九章 计算机外部设备 ☼ 第十章 计算机系统及发展
目录
教学大纲
☼ 一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）
系统结构
1.1.1 计算机的发展简史
基本概念
（5/5）
5、第五代计算机 （1）1990至今 （2）主要特征：用甚大规模集成电路（ULSI）作 为电子器件
（3）主要标志：一个是单片集成电路规模达100 万晶体管以上；另一个是超标量技术的成熟和广 泛应用。
未来的计算机
以超大规模集成电路为基础，未来的计算机将向 巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。
基本概念
（1/5）
1、第一代计算机 （1）1946年第一台计算机ENIAC~~50年代末 （2）主要特征：电子管作为电子器件 （3）软件处于初始阶段，使用机器语言与符号语言 编制程序
（4）特点：体积大，运算速度低，存储容量小， 主要用于科学计算。
系统结构
1.1.1 计算机的发展简史
基本概念
（2/5）
系统结构
系统结构
1.2.1 计算机的硬件系统
基本概念
存储器
外存储器
输
输
入
出
设
内存储器
设
备
备
运算器
数据流
控制器 控制流
1. 运算器
算术运算 逻辑运算 采用二进制数（容易实现） 位数越多，计算精度越高 计算机的运算器长度：
8位、16位、32位或64位
系统结构
基本概念
2. 存储器
系统结构
1.2.1 计算机的硬件系统
基本概念
1、存储器：存储器是用来存放数据和程序的部件。 2、运算器：对信息进行运算处理的部件。主要功能
是对二进制数码进行算术（加减乘除）和逻辑（与 或非）运算。 3、控制器：整个计算机的控制核心。主要功能是读 取指令、翻译指令、并向计算机各部分发出控制信 号，以便执行指令。 4、输入设备：将数据和程序转换成计算机能够识别 和接受的信息，并顺序地把它们送入存储器中。输 入设备有许多种，例如键盘、鼠标、扫描仪、光电 输入机等。 5、输出设备：输出设备将计算机处理的结果以人们 能接受的或其它机器能接受的形式送出。输出设备 有许多种类，例如显示器、打印机、绘图仪等。
系统结构
1.1.1 计算机的发展简史
基本概念
（4/5）
4、第四代计算机 （1）1971年到1990年。 （2）主要特征：用大规模与超大规模集成电路 （LSI，VLSI）作为电子器件 （3）特点：软件越来越丰富，并且功能强大 （ 4 ） 代 表 产 品 ： IBM PC8088—80286— 80386—80486—Pentium
☆ “计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。 ☆ 《计算机组成原理》是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要必修的主
干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算期、控制器、存储器、输入输出 设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势 也有一个较为深入的了解。 ☆ 主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器 部件、存储器子系统、输入/输出子系统与输入/输出系统设备，围绕各自的功能、组成、 设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程性、实践性、技术性比较强， 还强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过 作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。
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。
1969 – Leonard Kleinrock, ARPANET project
“As of now, computer networks are still in their infancy, but as they grow up and become sophisticated, we will probably see the spread of ‘computer utilities’, which, like present electric and telephone utilities, will service individual homes and offices across the country”
系统结构
1.2 计算机系统的组成
基本概念
源自文库
计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。
计算机硬件（Hardware）是指构成计算机的所有实体 部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机 械等物理部件组成。
计算机软件（Software）主要是一系列按照特定顺序 组织的计算机数据和指令的集合。1983年，IEEE对软 件给出了一个较为全面的定义：软件是计算机程序、 方法、规范及其相应的文档以及在计算机上运行是所 必须的数据。软件是相对于机器硬件而言的。
指令
加法 减法 乘法 除法 取数 存数 打印 停机
操作码
001 010 011 100 101 110 111 000
系统结构
电子计算机的设计思想
基本概念
存储程序，程序控制
“存储程序”，是把指令以代码的形式事先 输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据 的同 一装置存储执行运算的命令，这些指令 按一定的规则组成程序
计算机组成原理
主编：石磊 教授 郑州大学信息工程学院计算机系
教材
石磊，计算机组成原理·第3版, 清华大学出版 社，2011
参考书
白中英，计算机组成原理·第4版，科学出版社， 2010
薛胜军,计算机组成与结构·第3版,华中科技大 学出版社，2010
王诚，计算机组成与设计·第3版, 清华大学出 版社，2008
2、第二代计算机 （1）50年代末~~60年代初 （2）主要特征：晶体管作为电子器件 （3）软件开始使用计算机高级语言 （4）特点：体积减小，重量轻、寿命长、耗电少、 运算速度快、存储容量比较大等优点。不仅 用于科学计算，还用于数据处理和事务处理， 并逐渐用于工业控制。
系统结构
1.1.1 计算机的发展简史
系统结构
数字计算机与模拟计算计的主要区别
基本概念
比较内容 数据表示方式
计算方式 控制方式 精度、抗干扰性 数据存储量 逻辑判断能力
数字计算机 数字0和1 数字计算 程序控制
高、好 大 强
模拟计算机 电压、电流等 电量组合和测量值 模拟信号组合控制
低、差 小、几乎无
无
系统结构
1.1.1 计算机的发展简史
计算机检测系统：利用计算机对工业生产过程中的某些 信号自动进行检测，把检测到的数据存入计算机，再根 据需要对这些数据进行处理。 3、信息管理 是指利用计算机来加工、管理与操作任何形式的数据资 料，如企业管理、物资管理、报表统计、信息情报检索 等。 4、计算机辅助系统 计算机用于辅助设计、辅助制造、辅助教学等方面，统 称为计算机辅助系统。
存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位 “KB、MB、GB”等表示
内存储器（主存）和外存储器(辅存）
系统结构
3. 控制器
基本概念
控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作 指令有两部分：操作的性质和操作的地址
操作码
地址码
指出指令所进行的操作 加、减、乘、除、取数、存数等
表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元取 运算的结果应存到哪个单元
☆ 计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微 程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的组 成和工作原理。
☆ 通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实 验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。
基本概念
（3/5）
3、第三代计算机
（1）60年代中期~~70年代初期
（2）主要特征：中、小规模集成电路作为电子器件
（3）操作系统出现
（4）特点：体积与功耗都得到进一步减小，可靠性 和运算速度进一步提高。不仅用于科学计算， 还用于文字处理、企业管理、自动控制等领 域， 出现了管理信息系统，可用于生产管理、 交通管理、情报检索等领域。
系统结构
1.1.2 计算机的特点
基本概念
计算机是由硬件和软件组成的复杂设备 计算机以电子器件为物质基础 计算机由程序控制其操作过程 计算机以离散的数字量形式进行工作 计算机的基本运算操作是算术和逻辑运算，运
算速度和计算精度极高
系统结构
1.1.3 计算机的应用领域
基本概念
1、科学计算 2、过程检测与控制
☼ 三、课程与其他课程的联系与分工
☆ 先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计 ☆ 后续课：计算机系统结构、微型原理，关系密切的还有操作系统等课程。
☼ 四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等）
☆ 授课学时（参考）：72，实验学时（参考）：18
☼ 第一章 概述 ☼ 第二章 计算机中的数据表示 ☼ 第三章 运算方法和运算器 ☼ 第四章 存储器及存储系统 ☼ 第五章 指令系统 ☼ 第六章 中央处理器 ☼ 第七章 总线系统 ☼ 第八章 输入输出系统 ☼ 第九章 计算机外部设备 ☼ 第十章 计算机系统及发展
“程序控制”，是当计算机启动后，程序就 会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令， 自动完成预定的信息处理任务
冯·诺依曼型计算机的设计思想
存储程序并按地址顺序执行
系统结构
基本概念
冯·诺依曼计算机的基本思想
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；
将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作 时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任 务。这就是“存储程序”和“程序控制”（简称 存储程序控制）的概念；
目录
1960年：
公共事业 计算可能有一天将被组织为
。
——麦卡锡
John McCarthy :“Computation may someday be organized as a public utility"
“Computer Utilities” Vision:
Implications of the Internet
基本概念
功能：保存或“记忆”数据和运算过程 存储的是0或1表示的二进制代码 主存采用半导体器件来作为存储器 一个半导体触发器记忆一个二进制位 存储单元： 在存储器中保存一个n位二进制数的n个触
发器，组成一个存储单元
存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存 储单元的编号，称为地址
系统结构
1.1 计算机的发展与应用
基本概念
计算机从总体上来说分为两大类:
模拟计算机和数字计算机。
各自主要特点： 模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量 （如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的 数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开 关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算 模式是离散式的。
Computers Redefined
1984 – John Gage, Sun Microsystems
“The network is the computer”
2008 – David Patterson, U. C. Berkeley
“The data center is the computer. There are dramatic differences between of developing software for millions to use as a service versus distributing software for millions to run their PCs”
2008 – “The Cloud is the computer” – Dr. Rajkumar Buyya, University of
Melbourne, Australia
基本概念
第一章 概述
什么是计算机？ 计算机（Computer）是一种以电子器件为基
础的，不需人的直接干预，能够对各种数字 化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。
☼ 第一章 概述 ☼ 第二章 计算机中的数据表示 ☼ 第三章 运算方法和运算器 ☼ 第四章 存储器及存储系统 ☼ 第五章 指令系统 ☼ 第六章 中央处理器 ☼ 第七章 总线系统 ☼ 第八章 输入输出系统 ☼ 第九章 计算机外部设备 ☼ 第十章 计算机系统及发展
目录
教学大纲
☼ 一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）
系统结构
1.1.1 计算机的发展简史
基本概念
（5/5）
5、第五代计算机 （1）1990至今 （2）主要特征：用甚大规模集成电路（ULSI）作 为电子器件
（3）主要标志：一个是单片集成电路规模达100 万晶体管以上；另一个是超标量技术的成熟和广 泛应用。
未来的计算机
以超大规模集成电路为基础，未来的计算机将向 巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。
基本概念
（1/5）
1、第一代计算机 （1）1946年第一台计算机ENIAC~~50年代末 （2）主要特征：电子管作为电子器件 （3）软件处于初始阶段，使用机器语言与符号语言 编制程序
（4）特点：体积大，运算速度低，存储容量小， 主要用于科学计算。
系统结构
1.1.1 计算机的发展简史
基本概念
（2/5）
系统结构
系统结构
1.2.1 计算机的硬件系统
基本概念
存储器
外存储器
输
输
入
出
设
内存储器
设
备
备
运算器
数据流
控制器 控制流
1. 运算器
算术运算 逻辑运算 采用二进制数（容易实现） 位数越多，计算精度越高 计算机的运算器长度：
8位、16位、32位或64位
系统结构
基本概念
2. 存储器
系统结构
1.2.1 计算机的硬件系统
基本概念
1、存储器：存储器是用来存放数据和程序的部件。 2、运算器：对信息进行运算处理的部件。主要功能
是对二进制数码进行算术（加减乘除）和逻辑（与 或非）运算。 3、控制器：整个计算机的控制核心。主要功能是读 取指令、翻译指令、并向计算机各部分发出控制信 号，以便执行指令。 4、输入设备：将数据和程序转换成计算机能够识别 和接受的信息，并顺序地把它们送入存储器中。输 入设备有许多种，例如键盘、鼠标、扫描仪、光电 输入机等。 5、输出设备：输出设备将计算机处理的结果以人们 能接受的或其它机器能接受的形式送出。输出设备 有许多种类，例如显示器、打印机、绘图仪等。
系统结构
1.1.1 计算机的发展简史
基本概念
（4/5）
4、第四代计算机 （1）1971年到1990年。 （2）主要特征：用大规模与超大规模集成电路 （LSI，VLSI）作为电子器件 （3）特点：软件越来越丰富，并且功能强大 （ 4 ） 代 表 产 品 ： IBM PC8088—80286— 80386—80486—Pentium
☆ “计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。 ☆ 《计算机组成原理》是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要必修的主
干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算期、控制器、存储器、输入输出 设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势 也有一个较为深入的了解。 ☆ 主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器 部件、存储器子系统、输入/输出子系统与输入/输出系统设备，围绕各自的功能、组成、 设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程性、实践性、技术性比较强， 还强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过 作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。
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。
1969 – Leonard Kleinrock, ARPANET project
“As of now, computer networks are still in their infancy, but as they grow up and become sophisticated, we will probably see the spread of ‘computer utilities’, which, like present electric and telephone utilities, will service individual homes and offices across the country”
系统结构
1.2 计算机系统的组成
基本概念
源自文库
计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。
计算机硬件（Hardware）是指构成计算机的所有实体 部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机 械等物理部件组成。
计算机软件（Software）主要是一系列按照特定顺序 组织的计算机数据和指令的集合。1983年，IEEE对软 件给出了一个较为全面的定义：软件是计算机程序、 方法、规范及其相应的文档以及在计算机上运行是所 必须的数据。软件是相对于机器硬件而言的。
指令
加法 减法 乘法 除法 取数 存数 打印 停机
操作码
001 010 011 100 101 110 111 000
系统结构
电子计算机的设计思想
基本概念
存储程序，程序控制
“存储程序”，是把指令以代码的形式事先 输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据 的同 一装置存储执行运算的命令，这些指令 按一定的规则组成程序
计算机组成原理
主编：石磊 教授 郑州大学信息工程学院计算机系
教材
石磊，计算机组成原理·第3版, 清华大学出版 社，2011
参考书
白中英，计算机组成原理·第4版，科学出版社， 2010
薛胜军,计算机组成与结构·第3版,华中科技大 学出版社，2010
王诚，计算机组成与设计·第3版, 清华大学出 版社，2008
2、第二代计算机 （1）50年代末~~60年代初 （2）主要特征：晶体管作为电子器件 （3）软件开始使用计算机高级语言 （4）特点：体积减小，重量轻、寿命长、耗电少、 运算速度快、存储容量比较大等优点。不仅 用于科学计算，还用于数据处理和事务处理， 并逐渐用于工业控制。
系统结构
1.1.1 计算机的发展简史
系统结构
数字计算机与模拟计算计的主要区别
基本概念
比较内容 数据表示方式
计算方式 控制方式 精度、抗干扰性 数据存储量 逻辑判断能力
数字计算机 数字0和1 数字计算 程序控制
高、好 大 强
模拟计算机 电压、电流等 电量组合和测量值 模拟信号组合控制
低、差 小、几乎无
无
系统结构
1.1.1 计算机的发展简史
计算机检测系统：利用计算机对工业生产过程中的某些 信号自动进行检测，把检测到的数据存入计算机，再根 据需要对这些数据进行处理。 3、信息管理 是指利用计算机来加工、管理与操作任何形式的数据资 料，如企业管理、物资管理、报表统计、信息情报检索 等。 4、计算机辅助系统 计算机用于辅助设计、辅助制造、辅助教学等方面，统 称为计算机辅助系统。
存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位 “KB、MB、GB”等表示
内存储器（主存）和外存储器(辅存）
系统结构
3. 控制器
基本概念
控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作 指令有两部分：操作的性质和操作的地址
操作码
地址码
指出指令所进行的操作 加、减、乘、除、取数、存数等
表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元取 运算的结果应存到哪个单元