計(jì)算機(jī)組成原理 清華大學(xué)

1、計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)課件計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)課件清華大學(xué)清華大學(xué)2012年12月第第 1 1 章章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述（為何要學(xué)習(xí)這門(mén)課程，怎么學(xué)，如何要求，課程主要內(nèi)容簡(jiǎn)介） 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu) 1.2 計(jì)算機(jī)硬件的個(gè)功能部件及其功能計(jì)算機(jī)硬件的個(gè)功能部件及其功能 1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要的技術(shù)與性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要的技術(shù)與性能指標(biāo) 1.4 計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)概述 1.5 計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)步、分類和拓展應(yīng)用進(jìn)程為什么要學(xué)習(xí)為什么要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理這門(mén)課程這門(mén)課程 計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的一門(mén)統(tǒng)設(shè)必修的專

2、計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的一門(mén)統(tǒng)設(shè)必修的專業(yè)業(yè)基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)課程。在我們系強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才，是把這門(mén)。在我們系強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才，是把這門(mén)課程作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)的內(nèi)容之一來(lái)安排的。課程作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)的內(nèi)容之一來(lái)安排的。 不是只有設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的人才要學(xué)這門(mén)課不是只有設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的人才要學(xué)這門(mén)課, ,計(jì)算機(jī)專業(yè)的人員都應(yīng)該對(duì)其有所了解。計(jì)算機(jī)專業(yè)的人員都應(yīng)該對(duì)其有所了解。選擇了計(jì)算選擇了計(jì)算機(jī)專業(yè)，終生要與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)打交道、機(jī)專業(yè)，終生要與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)打交道、要使用好計(jì)算要使用好計(jì)算機(jī)機(jī)就應(yīng)該學(xué)習(xí)這門(mén)課，否則就算不上一名合格的計(jì)算就應(yīng)該學(xué)習(xí)這門(mén)課，否則就算不上一名

3、合格的計(jì)算機(jī)專業(yè)人員。總不該把計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)看作為電視機(jī)機(jī)專業(yè)人員?？偛辉摪延?jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)看作為電視機(jī)一樣的產(chǎn)品，開(kāi)一下電源選選臺(tái)能看節(jié)目了就行了。一樣的產(chǎn)品，開(kāi)一下電源選選臺(tái)能看節(jié)目了就行了。 計(jì)算機(jī)中有許多知識(shí)是到處都會(huì)用到的，是學(xué)習(xí)后續(xù)多門(mén)計(jì)算機(jī)中有許多知識(shí)是到處都會(huì)用到的，是學(xué)習(xí)后續(xù)多門(mén)課程課程 ( (系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 操作系統(tǒng)，編譯原理，高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)，編譯原理，高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì), , 計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫(kù)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫(kù)) ) 的基礎(chǔ)，將來(lái)工作中如何想清楚、如何解決的基礎(chǔ)，將來(lái)工作中如何想清楚、如何解決遇到的許多問(wèn)題都會(huì)涉及到計(jì)算機(jī)的硬件問(wèn)題。遇到的許多問(wèn)題都會(huì)涉及到

4、計(jì)算機(jī)的硬件問(wèn)題。1課程有多難，能不能學(xué)好課程有多難，能不能學(xué)好 說(shuō)計(jì)算機(jī)組成原理課程不是太難學(xué)是不能令人信說(shuō)計(jì)算機(jī)組成原理課程不是太難學(xué)是不能令人信服的，說(shuō)根本無(wú)法學(xué)好也缺乏足夠的理由和證據(jù)。服的，說(shuō)根本無(wú)法學(xué)好也缺乏足夠的理由和證據(jù)。 從從計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理的內(nèi)容來(lái)講，實(shí)在沒(méi)有太多難的內(nèi)容來(lái)講，實(shí)在沒(méi)有太多難懂的原理，與生活中遇到的許多很平常的現(xiàn)象大有同懂的原理，與生活中遇到的許多很平常的現(xiàn)象大有同工異曲之處，它不像數(shù)學(xué)，沒(méi)有多少理論推導(dǎo)，也沒(méi)工異曲之處，它不像數(shù)學(xué)，沒(méi)有多少理論推導(dǎo)，也沒(méi)有物理學(xué)中的高深理論，不用冥思苦想，有物理學(xué)中的高深理論，不用冥思苦想，接受它的規(guī)接受它的規(guī)

5、定和實(shí)現(xiàn)方案即可定和實(shí)現(xiàn)方案即可。如果說(shuō)難，難就難在計(jì)算機(jī)中的。如果說(shuō)難，難就難在計(jì)算機(jī)中的問(wèn)題是我們平時(shí)從未接觸到、更沒(méi)親眼看見(jiàn)過(guò)事物，問(wèn)題是我們平時(shí)從未接觸到、更沒(méi)親眼看見(jiàn)過(guò)事物，尚未碰到先怕三分，把本來(lái)簡(jiǎn)單的問(wèn)題折騰復(fù)雜了尚未碰到先怕三分，把本來(lái)簡(jiǎn)單的問(wèn)題折騰復(fù)雜了；教師缺乏計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程背景教師缺乏計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程背景進(jìn)一步加劇了這進(jìn)一步加劇了這個(gè)矛盾。個(gè)矛盾。 學(xué)生應(yīng)該根據(jù)自己的實(shí)際水平和將來(lái)的工作要求，學(xué)生應(yīng)該根據(jù)自己的實(shí)際水平和將來(lái)的工作要求，恰當(dāng)?shù)卮_定對(duì)自己學(xué)習(xí)這門(mén)課程的要求。恰當(dāng)?shù)卮_定對(duì)自己學(xué)習(xí)這門(mén)課程的要求。2課程教學(xué)定位和教學(xué)要求課程教學(xué)定位和教學(xué)要求 計(jì)算機(jī)組

6、成原理課程教學(xué)應(yīng)該建立在硬、軟件組計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)應(yīng)該建立在硬、軟件組成大體完整的系統(tǒng)平臺(tái)之上，無(wú)疑這是一門(mén)硬件內(nèi)容成大體完整的系統(tǒng)平臺(tái)之上，無(wú)疑這是一門(mén)硬件內(nèi)容為主的課程，但需要兼顧一點(diǎn)基礎(chǔ)軟件的課程，認(rèn)為為主的課程，但需要兼顧一點(diǎn)基礎(chǔ)軟件的課程，認(rèn)為課程內(nèi)容只限于純硬件課程內(nèi)容只限于純硬件( (裸機(jī)裸機(jī)) )是很過(guò)時(shí)的認(rèn)識(shí)，至少是很過(guò)時(shí)的認(rèn)識(shí)，至少需要了解需要了解匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作使用方面的基以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作使用方面的基礎(chǔ)知識(shí)，把礎(chǔ)知識(shí)，把學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)和和使用使用硬件結(jié)合起來(lái)。硬件結(jié)合起來(lái)。 教學(xué)過(guò)程中，要把學(xué)習(xí)原理知識(shí)和應(yīng)用原理教學(xué)過(guò)程中，要把學(xué)習(xí)原理知識(shí)和應(yīng)用原理解

7、決解決實(shí)際問(wèn)題實(shí)際問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，避免泛泛地講解書(shū)本內(nèi)容，解決結(jié)合起來(lái)，避免泛泛地講解書(shū)本內(nèi)容，解決問(wèn)題可以首先從看別人怎么用已知原理問(wèn)題可以首先從看別人怎么用已知原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)用設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)用系統(tǒng)，再考慮自己能做些什么系統(tǒng)，再考慮自己能做些什么實(shí)際工作實(shí)際工作才會(huì)使學(xué)習(xí)更才會(huì)使學(xué)習(xí)更有趣味，更有用。有趣味，更有用。 學(xué)生可以對(duì)自己提出主要學(xué)懂基本學(xué)生可以對(duì)自己提出主要學(xué)懂基本原理并能通過(guò)考試為原理并能通過(guò)考試為底線要求底線要求，和還有一定應(yīng)用能力，和還有一定應(yīng)用能力的的正常要求正常要求。3 這里說(shuō)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（這里說(shuō)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（computer system），是），是指指電子電子數(shù)字?jǐn)?shù)字通用

8、通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，三個(gè)定語(yǔ)各自表明了計(jì)算計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，三個(gè)定語(yǔ)各自表明了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)方面的特性。機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)方面的特性。 “電子電子”一詞表明使用電子線路（不同于機(jī)械、一詞表明使用電子線路（不同于機(jī)械、繼電器等）來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件的關(guān)鍵邏輯功能；繼電器等）來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件的關(guān)鍵邏輯功能； “數(shù)字?jǐn)?shù)字”一詞表明使用的電子線路是數(shù)字式電路一詞表明使用的電子線路是數(shù)字式電路（不同于模擬電路），運(yùn)算和處理的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制的離（不同于模擬電路），運(yùn)算和處理的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制的離散數(shù)據(jù)（不同于連續(xù)的電壓或電流量）；散數(shù)據(jù)（不同于連續(xù)的電壓或電流量）； “通用通用”一詞表明計(jì)算機(jī)本身功能多樣一詞表明計(jì)算機(jī)本身功能多

9、樣(并非專用并非專用于某種特定功能于某種特定功能)，具有完成各種運(yùn)算或數(shù)據(jù)處理能力，具有完成各種運(yùn)算或數(shù)據(jù)處理能力。1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。 硬件硬件指由中央處理器、存儲(chǔ)器以及外圍設(shè)備等組成指由中央處理器、存儲(chǔ)器以及外圍設(shè)備等組成的實(shí)際裝置，的實(shí)際裝置，硬件的作用是完成每條硬件的作用是完成每條指令指令規(guī)定的功能規(guī)定的功能。 指令指令是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的最小的功能單位，是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的最小的功能單位，指令指令是是指指示計(jì)算示計(jì)算機(jī)硬件執(zhí)行某種運(yùn)算、處理功能的命機(jī)硬件執(zhí)行某種運(yùn)算、處理功能的命令令。 軟件軟件是為了使用計(jì)

10、算機(jī)而編寫(xiě)的各種系統(tǒng)的和用戶是為了使用計(jì)算機(jī)而編寫(xiě)的各種系統(tǒng)的和用戶的程序，程序由一個(gè)序列的的程序，程序由一個(gè)序列的計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)指令指令組成。組成。指令是用指令是用于設(shè)計(jì)程序的一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言于設(shè)計(jì)程序的一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。 一臺(tái)計(jì)算機(jī)提供的全部指令構(gòu)成該計(jì)算機(jī)的一臺(tái)計(jì)算機(jī)提供的全部指令構(gòu)成該計(jì)算機(jī)的指令系指令系統(tǒng)統(tǒng)。指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量關(guān)系到廠家和用戶的利益。指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量關(guān)系到廠家和用戶的利益。硬、軟件系統(tǒng)相互依存，分工互動(dòng)，缺一不可，如硬、軟件系統(tǒng)相互依存，分工互動(dòng)，缺一不可，如同一個(gè)健全人的物質(zhì)性的肉體和精神性的智力與思維。同一個(gè)健全人的物質(zhì)性的肉體和精神性的智力與思維。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算

11、機(jī)系統(tǒng)概述 5匯編語(yǔ)言層匯編語(yǔ)言層操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層微體系結(jié)構(gòu)層微體系結(jié)構(gòu)層數(shù)字邏輯層數(shù)字邏輯層高級(jí)語(yǔ)言層高級(jí)語(yǔ)言層應(yīng)用層 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 可以從可以從 6 6 個(gè)層次個(gè)層次分析和看待分析和看待計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成。 最低的層屬于最低的層屬于硬件部分硬件部分，硬件，硬件系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)每條指令的功能，解決系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)每條指令的功能，解決程序中指令間的銜接系。程序中指令間的銜接系。 上面的層屬于上面的層屬于軟件部分軟件部分，軟件，軟件由按一定規(guī)則組織起來(lái)的許多條指令由按一定規(guī)則組織起來(lái)的許多條指令組成，完成一定的數(shù)據(jù)運(yùn)算或者事務(wù)組

12、成，完成一定的數(shù)據(jù)運(yùn)算或者事務(wù)處理功能。處理功能。 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)處在硬件系統(tǒng)和軟件系處在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間，是硬、軟件之間的接口部分，統(tǒng)之間，是硬、軟件之間的接口部分，對(duì)兩部分都有重要影響。對(duì)兩部分都有重要影響。微體系結(jié)構(gòu)層微體系結(jié)構(gòu)層軟軟 件件 系系 統(tǒng)統(tǒng)硬硬 件件 系系 統(tǒng)統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)6 軟件是為了使用計(jì)算機(jī)而編寫(xiě)的各種系統(tǒng)的和用戶軟件是為了使用計(jì)算機(jī)而編寫(xiě)的各種系統(tǒng)的和用戶的程序，程序由一個(gè)序列的的程序，程序由一個(gè)序列的計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)指令指令組成。組成。 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層結(jié)構(gòu)中給出的基本軟件包括操在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層結(jié)構(gòu)中給出的基本軟件包括操作系統(tǒng)和個(gè)級(jí)別

13、的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。作系統(tǒng)和個(gè)級(jí)別的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。操作系統(tǒng)主要完成對(duì)系統(tǒng)中的硬、軟件資源的管理操作系統(tǒng)主要完成對(duì)系統(tǒng)中的硬、軟件資源的管理與調(diào)度分配，并向程序設(shè)計(jì)人員和計(jì)算機(jī)的操作者提供與調(diào)度分配，并向程序設(shè)計(jì)人員和計(jì)算機(jī)的操作者提供各種服務(wù)。各種服務(wù)。個(gè)級(jí)別的語(yǔ)言是個(gè)級(jí)別的語(yǔ)言是機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言（二進(jìn)制代碼語(yǔ)言）、（二進(jìn)制代碼語(yǔ)言）、匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言（符號(hào)語(yǔ)言）和（符號(hào)語(yǔ)言）和高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言（算法語(yǔ)言），使用（算法語(yǔ)言），使用它們?cè)O(shè)計(jì)程序的難易程度和工作效率差別很大。它們?cè)O(shè)計(jì)程序的難易程度和工作效率差別很大。計(jì)算機(jī)中的基本軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的基本軟件系統(tǒng) 7 以計(jì)算從以計(jì)算從1到到10的累加和為例，

14、看一看的累加和為例，看一看3個(gè)級(jí)別語(yǔ)言的程序個(gè)級(jí)別語(yǔ)言的程序例子，并簡(jiǎn)單介紹該機(jī)器語(yǔ)言程序在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的執(zhí)行過(guò)程。例子，并簡(jiǎn)單介紹該機(jī)器語(yǔ)言程序在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的執(zhí)行過(guò)程。 BASIC程序程序 匯編語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序 機(jī)器語(yǔ)言程序機(jī)器語(yǔ)言程序(16進(jìn)制進(jìn)制)10 sum=0 2000: sub R15, R15 01FF20 for i=1 to 10 sub R1, R1 011130 sum=sum+i mvrd R0, 0A 8800 000A40 next i inc R1 091050 print sum add R15, R1 00F160 end cmp R1, R0 0310 j

15、rnz 2004 47FC cala 0664 CE00 0064 ret 8F00三個(gè)級(jí)別的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言語(yǔ)言三個(gè)級(jí)別的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言語(yǔ)言15數(shù)據(jù)運(yùn)算數(shù)據(jù)運(yùn)算部件部件計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)控制部件部件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件部件接口線路接口線路數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入設(shè)備設(shè)備接口線路接口線路結(jié)果輸出結(jié)果輸出設(shè)備設(shè)備數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線控制總線控制總線計(jì)算機(jī)主機(jī)計(jì)算機(jī)主機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備外圍設(shè)備計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)的 CPU硬件系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)由 5 個(gè)功能部件組成，是個(gè)功能部件組成，是課程的核心內(nèi)容課程的核心內(nèi)容、計(jì)算機(jī)中的基本硬件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)中的基本硬件系統(tǒng)8硬件系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)由5個(gè)功能部件個(gè)功能部件組

16、成。組成。數(shù)據(jù)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)輸入設(shè)備分擔(dān)分擔(dān)對(duì)程序和原始數(shù)據(jù)的輸入功能，對(duì)程序和原始數(shù)據(jù)的輸入功能，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件分擔(dān)對(duì)分擔(dān)對(duì)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，數(shù)據(jù)運(yùn)算部件數(shù)據(jù)運(yùn)算部件分擔(dān)對(duì)數(shù)據(jù)的分擔(dān)對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理功能，運(yùn)算處理功能，結(jié)果輸出設(shè)備結(jié)果輸出設(shè)備分擔(dān)對(duì)運(yùn)算處理結(jié)果的分擔(dān)對(duì)運(yùn)算處理結(jié)果的輸出功能。輸出功能?？刂破鞑考刂破鞑考t是依照每條指令的運(yùn)行功能則是依照每條指令的運(yùn)行功能的需要，向各個(gè)部件或設(shè)備提供它們協(xié)調(diào)運(yùn)行所需要的需要，向各個(gè)部件或設(shè)備提供它們協(xié)調(diào)運(yùn)行所需要的控制信號(hào)，在整個(gè)硬件系統(tǒng)中起到指揮、協(xié)調(diào)和控的控制信號(hào)，在整個(gè)硬件系統(tǒng)中起到指揮、協(xié)調(diào)和控制的作

17、用。制的作用。圖中間部位給出的是計(jì)算機(jī)的圖中間部位給出的是計(jì)算機(jī)的種類型的總線種類型的總線，可以看出，計(jì)算機(jī)的個(gè)功能部件正是通過(guò)這種類可以看出，計(jì)算機(jī)的個(gè)功能部件正是通過(guò)這種類型的總線被有機(jī)地連接在一起，從而構(gòu)成一臺(tái)完整的、型的總線被有機(jī)地連接在一起，從而構(gòu)成一臺(tái)完整的、可以協(xié)調(diào)運(yùn)行（執(zhí)行程序）的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)?？梢詤f(xié)調(diào)運(yùn)行（執(zhí)行程序）的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)中的基本硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的基本硬件系統(tǒng)8可以可以把計(jì)算機(jī)想象為一個(gè)加工處理數(shù)據(jù)的工廠把計(jì)算機(jī)想象為一個(gè)加工處理數(shù)據(jù)的工廠，則數(shù)據(jù)運(yùn)算部件就是則數(shù)據(jù)運(yùn)算部件就是數(shù)據(jù)加工車間數(shù)據(jù)加工車間，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件就，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件就是存放原材料、半成品和

18、產(chǎn)品的是存放原材料、半成品和產(chǎn)品的庫(kù)房庫(kù)房，輸入設(shè)備相當(dāng)，輸入設(shè)備相當(dāng)于于運(yùn)入原材料的卡車運(yùn)入原材料的卡車，輸出設(shè)備相當(dāng)于，輸出設(shè)備相當(dāng)于運(yùn)出最終產(chǎn)品運(yùn)出最終產(chǎn)品的卡車的卡車，控制部件則相當(dāng)于承擔(dān)領(lǐng)導(dǎo)指揮功能的，控制部件則相當(dāng)于承擔(dān)領(lǐng)導(dǎo)指揮功能的廠長(zhǎng)廠長(zhǎng)和各個(gè)職能辦公室和各個(gè)職能辦公室。在領(lǐng)導(dǎo)的正確指揮下，如果能夠。在領(lǐng)導(dǎo)的正確指揮下，如果能夠源源不斷地取得原材料，工廠內(nèi)又有存放的場(chǎng)所，車源源不斷地取得原材料，工廠內(nèi)又有存放的場(chǎng)所，車間能夠?qū)@些原材料進(jìn)行指定的加工處理，加工后的間能夠?qū)@些原材料進(jìn)行指定的加工處理，加工后的產(chǎn)品可以暢通地運(yùn)出去銷售，則這個(gè)工廠（計(jì)算機(jī)）產(chǎn)品可以暢通地運(yùn)出去銷售

19、，則這個(gè)工廠（計(jì)算機(jī)）就納入正常運(yùn)行的軌道。就納入正常運(yùn)行的軌道。前面說(shuō)的還只限于硬件前面說(shuō)的還只限于硬件，當(dāng)然號(hào)，當(dāng)然號(hào)必須有配套的軟必須有配套的軟件系統(tǒng)件系統(tǒng)，例如工廠就需要有管理制度、運(yùn)營(yíng)策略等。，例如工廠就需要有管理制度、運(yùn)營(yíng)策略等。計(jì)算機(jī)中的基本硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的基本硬件系統(tǒng)8 （1 1）計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)）計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng) 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，通常選用多少個(gè)二進(jìn)制位來(lái)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，通常選用多少個(gè)二進(jìn)制位來(lái)表示一個(gè)數(shù)據(jù)或一條指令是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，例如表示一個(gè)數(shù)據(jù)或一條指令是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，例如16、32或者或者64位，這個(gè)位數(shù)被稱為計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)。例位，這個(gè)位數(shù)被稱為計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)。例如在如

20、在32位字長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，一個(gè)整數(shù)、一條指令位字長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，一個(gè)整數(shù)、一條指令通常都用通常都用32位二進(jìn)制數(shù)表示，叫做一個(gè)字，運(yùn)算器、位二進(jìn)制數(shù)表示，叫做一個(gè)字，運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)和地址總線等通常都被設(shè)計(jì)成存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)和地址總線等通常都被設(shè)計(jì)成32位。字位。字長(zhǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)的處理能力和運(yùn)行性能有明顯影響，字長(zhǎng)較長(zhǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)的處理能力和運(yùn)行性能有明顯影響，字長(zhǎng)較長(zhǎng)有利于提高計(jì)算機(jī)的性能，但需要使用更多的硬件，長(zhǎng)有利于提高計(jì)算機(jī)的性能，但需要使用更多的硬件，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的價(jià)格也會(huì)高一些。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的價(jià)格也會(huì)高一些。、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標(biāo)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標(biāo) 7 （2 2）C

21、PUCPU的速度的速度 衡量衡量CPU速度，通常有兩種方式。速度，通常有兩種方式。 第一種方式是使用第一種方式是使用CPU主頻，即每一秒鐘提供給主頻，即每一秒鐘提供給CPU的時(shí)的時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，通常用赫茲（鐘脈沖的個(gè)數(shù)，通常用赫茲（Hz）表示，例如）表示，例如500MHz。但對(duì)不。但對(duì)不同廠家、不同系列的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只用同廠家、不同系列的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只用CPU主頻來(lái)說(shuō)明其運(yùn)行主頻來(lái)說(shuō)明其運(yùn)行速度則未必準(zhǔn)確。速度則未必準(zhǔn)確。 第二種方式是使用第二種方式是使用CPU每一秒鐘能執(zhí)行的指令條數(shù)，單位每一秒鐘能執(zhí)行的指令條數(shù)，單位是是MIPS（million instructions per secon

22、d），其計(jì)算公式可），其計(jì)算公式可以通過(guò)如下方式推導(dǎo)出來(lái)，以通過(guò)如下方式推導(dǎo)出來(lái)，T=CPIT_ICI，這里的，這里的T是執(zhí)行一是執(zhí)行一個(gè)程序占用的時(shí)間，個(gè)程序占用的時(shí)間，CPI是執(zhí)行一條指令平均使用的是執(zhí)行一條指令平均使用的CPU時(shí)鐘個(gè)時(shí)鐘個(gè)數(shù)，數(shù)，T_IC是一個(gè)是一個(gè)CPU時(shí)鐘的時(shí)間長(zhǎng)度，是時(shí)鐘的時(shí)間長(zhǎng)度，是CPU主頻主頻 f 的倒數(shù)的倒數(shù) 1/f，I 是這個(gè)程序的指令條數(shù)，是這個(gè)程序的指令條數(shù)，3個(gè)數(shù)值的乘積就等于這個(gè)程序總的個(gè)數(shù)值的乘積就等于這個(gè)程序總的運(yùn)行時(shí)間運(yùn)行時(shí)間T。由此得到：。由此得到：I = T / (CPI1/f) = Tf/CPI.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

23、的主要技術(shù)與性能指標(biāo) 7 CPUCPU的速度的速度( (續(xù)續(xù)) ) 當(dāng)取當(dāng)取T=1s，并假定，并假定 f 為為300MHz，CPI為為 4，則計(jì)算出，則計(jì)算出CPU系統(tǒng)的性能為系統(tǒng)的性能為300/4，即，即 75個(gè)個(gè)MIPS，即每秒執(zhí)行，即每秒執(zhí)行75個(gè)百萬(wàn)條整個(gè)百萬(wàn)條整數(shù)運(yùn)算指令。若有辦法使這臺(tái)計(jì)算機(jī)的數(shù)運(yùn)算指令。若有辦法使這臺(tái)計(jì)算機(jī)的CPI盡量靠近盡量靠近1，則其運(yùn)，則其運(yùn)行性能就可以提高近行性能就可以提高近4倍，這正是精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（倍，這正是精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）所追求的目標(biāo)。所追求的目標(biāo)。 若進(jìn)一步細(xì)化，可安如下辦法計(jì)算出一個(gè)程序中全部指令若進(jìn)一步細(xì)化，可安如下辦法計(jì)算出

24、一個(gè)程序中全部指令的平均的平均 CPI ：按照指令的執(zhí)行步驟數(shù)對(duì)全部指令進(jìn)行分類，同：按照指令的執(zhí)行步驟數(shù)對(duì)全部指令進(jìn)行分類，同類指令的條數(shù)類指令的條數(shù)這這類指令的類指令的CPI，再對(duì)各類指令的計(jì)算機(jī)結(jié)果求，再對(duì)各類指令的計(jì)算機(jī)結(jié)果求累加和，則累加和除以總指令條數(shù)就得到平均累加和，則累加和除以總指令條數(shù)就得到平均CPI，可以表示為，可以表示為CPI平均平均=CPIjIj / I，這里的，這里的 j 是指令的種類編號(hào)（從是指令的種類編號(hào)（從0n）。）。 可以用可以用 MFLOPS 表示對(duì)浮點(diǎn)數(shù)指令的運(yùn)算速度。表示對(duì)浮點(diǎn)數(shù)指令的運(yùn)算速度。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標(biāo)

25、 7（3 3）存儲(chǔ)容量和讀寫(xiě)速度）存儲(chǔ)容量和讀寫(xiě)速度 計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器通常包括內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器兩大類。計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器通常包括內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器兩大類。 內(nèi)存儲(chǔ)器又被稱為主存儲(chǔ)器，通常用半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)，讀寫(xiě)速度快，價(jià)內(nèi)存儲(chǔ)器又被稱為主存儲(chǔ)器，通常用半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)，讀寫(xiě)速度快，價(jià)格較高，通常容量要小一些，例如幾百格較高，通常容量要小一些，例如幾百M(fèi)B或幾到十幾或幾到十幾GB，可供，可供CPU通過(guò)指通過(guò)指令直接訪問(wèn)。令直接訪問(wèn)。 外存儲(chǔ)器又稱輔助存儲(chǔ)器、海量存儲(chǔ)器等，主要包括磁盤(pán)設(shè)備、光盤(pán)設(shè)外存儲(chǔ)器又稱輔助存儲(chǔ)器、海量存儲(chǔ)器等，主要包括磁盤(pán)設(shè)備、光盤(pán)設(shè)備、磁帶設(shè)備等，讀寫(xiě)速度要慢得多，價(jià)格較低，

26、容量很大，例如幾十、幾備、磁帶設(shè)備等，讀寫(xiě)速度要慢得多，價(jià)格較低，容量很大，例如幾十、幾百百GB或幾十或幾十TB，外存儲(chǔ)器上的信息需要經(jīng)過(guò)操作系統(tǒng)成批量地（而不是以，外存儲(chǔ)器上的信息需要經(jīng)過(guò)操作系統(tǒng)成批量地（而不是以字為單位）與內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行交換。字為單位）與內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行交換。 內(nèi)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)周期通常為幾十內(nèi)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)周期通常為幾十ns到一二百到一二百ns，讀寫(xiě)外存儲(chǔ)器中的幾百，讀寫(xiě)外存儲(chǔ)器中的幾百個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)間通常要幾到十幾個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)間通常要幾到十幾ms，而連續(xù)讀出輔存中的一大批數(shù)據(jù)所用，而連續(xù)讀出輔存中的一大批數(shù)據(jù)所用時(shí)間平均到每個(gè)數(shù)據(jù)上可能要更短得多。時(shí)間平均到每個(gè)數(shù)據(jù)上可能要更短

27、得多。 通常還關(guān)心單位時(shí)間內(nèi)能夠?qū)χ鞔鎯?chǔ)器讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的總量，單位時(shí)間內(nèi)能通常還關(guān)心單位時(shí)間內(nèi)能夠?qū)χ鞔鎯?chǔ)器讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的總量，單位時(shí)間內(nèi)能對(duì)輔助存儲(chǔ)器交換設(shè)據(jù)的總量。對(duì)輔助存儲(chǔ)器交換設(shè)據(jù)的總量。 當(dāng)前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中都采取了許多增加存儲(chǔ)器容量和速度的技術(shù)措施。當(dāng)前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中都采取了許多增加存儲(chǔ)器容量和速度的技術(shù)措施。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標(biāo) 7 （4 4）輸入輸出設(shè)備的入出速度）輸入輸出設(shè)備的入出速度 計(jì)算機(jī)的輸入輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中比較復(fù)雜的部分，計(jì)算機(jī)的輸入輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中比較復(fù)雜的部分，不同設(shè)備組成和運(yùn)行原理各不相同，與計(jì)算機(jī)主機(jī)的連接與控不同設(shè)備

28、組成和運(yùn)行原理各不相同，與計(jì)算機(jī)主機(jī)的連接與控制方式也多有差異，在電子線路之外還涉及到精密機(jī)械、光學(xué)、制方式也多有差異，在電子線路之外還涉及到精密機(jī)械、光學(xué)、激光、電磁轉(zhuǎn)換等許多知識(shí)。激光、電磁轉(zhuǎn)換等許多知識(shí)。 不同的輸入輸出設(shè)備的運(yùn)行速度各不相同，例如針式打印不同的輸入輸出設(shè)備的運(yùn)行速度各不相同，例如針式打印機(jī)每秒只能打印幾個(gè)字符，而激光打印機(jī)則可以打印多行甚至機(jī)每秒只能打印幾個(gè)字符，而激光打印機(jī)則可以打印多行甚至幾頁(yè)打印紙的信息，鍵盤(pán)輸入則主要取決于人員打字的速度。幾頁(yè)打印紙的信息，鍵盤(pán)輸入則主要取決于人員打字的速度。顯示器的屏幕大小、分辨率高低、顯示字符還是圖形的不同內(nèi)顯示器的屏幕大小、

29、分辨率高低、顯示字符還是圖形的不同內(nèi)容、屏幕刷新頻率等都對(duì)系統(tǒng)性能有重要影響。容、屏幕刷新頻率等都對(duì)系統(tǒng)性能有重要影響。 目前的輸入輸出設(shè)備包含的種類特別多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)目前的輸入輸出設(shè)備包含的種類特別多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)入出設(shè)備的概念，特別是隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，大量入出設(shè)備的概念，特別是隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，大量的電子設(shè)備已經(jīng)成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備。的電子設(shè)備已經(jīng)成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標(biāo) 7輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備總線和入出接口總線和入出接口虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器外存設(shè)備外存設(shè)備主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器高速緩存高速緩

30、存控控 制制 器器運(yùn)運(yùn) 算算 器器、本課程各章教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)、本課程各章教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)介介第章第章第、章第、章第、章第、章第章第章第第2章章預(yù)備性知識(shí)，預(yù)備性知識(shí)，第第9章章補(bǔ)充性讀物，補(bǔ)充性讀物，課上不講課上不講。9第第3、4章章 主要教學(xué)內(nèi)容主要教學(xué)內(nèi)容 第第3 3章章 講解數(shù)據(jù)表示和運(yùn)算方法，這是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)運(yùn)講解數(shù)據(jù)表示和運(yùn)算方法，這是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)運(yùn)算器部件的理論基礎(chǔ)。算器部件的理論基礎(chǔ)。 計(jì)算機(jī)中都使用二進(jìn)制的信息編碼。計(jì)算機(jī)中都使用二進(jìn)制的信息編碼。二進(jìn)制編碼和碼制轉(zhuǎn)二進(jìn)制編碼和碼制轉(zhuǎn)換換是數(shù)據(jù)運(yùn)算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。是數(shù)據(jù)運(yùn)算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 整數(shù)的原碼、補(bǔ)碼整數(shù)的原碼、補(bǔ)碼表示是為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)運(yùn)

31、算的方案，可以表示是為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)運(yùn)算的方案，可以簡(jiǎn)化用到的硬件線路，提高運(yùn)算速度。簡(jiǎn)化用到的硬件線路，提高運(yùn)算速度。 數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)糾錯(cuò)編碼技術(shù)是提高硬件可靠性的有效措施。數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)糾錯(cuò)編碼技術(shù)是提高硬件可靠性的有效措施。 第第4 4章章 講解計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器部件，有定點(diǎn)運(yùn)算器和浮點(diǎn)運(yùn)算講解計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器部件，有定點(diǎn)運(yùn)算器和浮點(diǎn)運(yùn)算器種類型，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算的執(zhí)行部件。器種類型，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算的執(zhí)行部件。 重點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)學(xué)習(xí)定點(diǎn)運(yùn)算器定點(diǎn)運(yùn)算器，由完成算數(shù)與邏輯運(yùn)算的電路，由完成算數(shù)與邏輯運(yùn)算的電路 ALUALU 和暫存運(yùn)算數(shù)據(jù)和中間結(jié)果的寄存器組和暫存運(yùn)算數(shù)據(jù)和中間結(jié)果的寄存器組 REGsREGs 、

32、保存結(jié)果特征、保存結(jié)果特征狀態(tài)的狀態(tài)的Flag Flag 寄存器這個(gè)主要部分組成。寄存器這個(gè)主要部分組成。一般了解浮點(diǎn)運(yùn)算器的組成和浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算方法即可。一般了解浮點(diǎn)運(yùn)算器的組成和浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算方法即可。10第、章第、章 主要教學(xué)內(nèi)容主要教學(xué)內(nèi)容 第章第章 講解指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)。講解指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)。指令是計(jì)算機(jī)最小的功能單位，是計(jì)算機(jī)硬、軟件聯(lián)系的指令是計(jì)算機(jī)最小的功能單位，是計(jì)算機(jī)硬、軟件聯(lián)系的紐帶，很重要。紐帶，很重要。 了解影響指令字長(zhǎng)的有關(guān)因素。了解影響指令字長(zhǎng)的有關(guān)因素。指令格式指令格式設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)、尋址方式尋址方式選用是核心內(nèi)容。選用是核心內(nèi)容。 瀏覽典型指令系統(tǒng)

33、的概貌是必要的，需要比較具體地了解瀏覽典型指令系統(tǒng)的概貌是必要的，需要比較具體地了解 TEC-2008TEC-2008計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，這是完成計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，這是完成簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言程序設(shè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)計(jì)的的必要條件必要條件。 第第6 6章章 講解計(jì)算機(jī)的控制器部件。講解計(jì)算機(jī)的控制器部件。 控制器的功能是指揮控制計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)執(zhí)行程序，控制器的功能是指揮控制計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)執(zhí)行程序，它要依據(jù)指令內(nèi)容、指令的執(zhí)行步驟向每一個(gè)部件提供它們運(yùn)行需依據(jù)指令內(nèi)容、指令的執(zhí)行步驟向每一個(gè)部件提供它們運(yùn)行需要的控制信號(hào)要的控制信號(hào)。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的任務(wù)是把每條指令的功能細(xì)分計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的任務(wù)是把每條指令的功能細(xì)分為幾項(xiàng)操作為幾項(xiàng)操作, ,并將其劃分到并將其劃分到幾個(gè)步驟幾個(gè)步驟、分配給、分配給相應(yīng)部件相應(yīng)部件去完成。去完成。 控制器控制器分為組合邏輯（分為組合邏輯（更易學(xué)易懂）更易學(xué)易懂）和微程序兩種類型。和微