计算机组成原理

教学内容 讲解单台计算机的完 整 硬件系统 的基本组成原理与内部运行机制 单台：非多机系统， 亦非多处理机结构 讲解单台计算机的完 整 硬件系统 的基本组成原理与内部运行机制 单台：非多机系统， 亦非多处理机结构 基本：不一定是最高性能、最合理的组成, 而是最基础的必要的组成部分 完整：计算机整机、全部的硬件功能部件

计算机硬件系统 包括： 运算器 控制器 高速缓存 主存储器 外存设备 输入设备 输出设备等几个主要组成部分。 运算器 控制器 高速缓存 主存储器 外存设备 输入设备 输出设备等几个主要组成部分。 这些设备和部件通过总线和接口连结在一起， 构成一台完整的计算机，如下图所示：

计算机硬件系统组成 控 制 器 运 算 器 入出接口和总线 高速缓存 输入设备 主存储器 输出设备 外存设备 第二单元 第一单元 第四单元 控 制 器 运 算 器 第二单元 第一单元 入出接口和总线 高速缓存 输入设备 主存储器 输出设备 外存设备 第四单元 第三单元

计算机硬件系统组成 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. 执行数值数据的算术加减乘除等运算， 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. 执行数值数据的算术加减乘除等运算， 执行逻辑数据的与或非等逻辑运算， 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， 由多个通用寄存器来承担。 3. 运算器通常也是数据传输的通路 。

计算机硬件系统组成 控 制 器 运 算 器 控制器是计算机中控制执行指令的部件： 一. 正确执行每条指令 控 制 器 运 算 器 控制器是计算机中控制执行指令的部件： 一. 正确执行每条指令 1. 首先是取来一条指令， 2. 接着分析这条指令， 3. 再按指令格式和功能执行这条指令 二. 保证指令按规定序列自动连续地执行。 三. 对各种异常情况和请求及时响应和处理。 说到底，控制器要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

计算机硬件系统组成 控 制 器 运 算 器 高速缓存 主存储器 外存设备 由高速缓冲存储器，主存储器，外 控 制 器 运 算 器 由高速缓冲存储器，主存储器，外 存储器所组成的多级（层）存储器系统， 是计算机中用于存储程序和数据的系统。 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。 高速缓存 主存储器 外存设备

计算机硬件系统组成 控 制 器 运 算 器 高速缓存 输入设备 主存储器 外存设备 输入设备是向计算机中送入程序和 控 制 器 运 算 器 高速缓存 输入设备 主存储器 输入设备是向计算机中送入程序和 数据的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—机交互联系，如计算机键盘 和鼠标等。 外存设备

计算机硬件系统组成 控 制 器 运 算 器 高速缓存 输入设备 主存储器 输出设备 外存设备 控 制 器 运 算 器 高速缓存 输入设备 主存储器 输出设备 外存设备 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。

计算机硬件系统组成 控 制 器 运 算 器 高速缓存 输入设备 主存储器 输出设备 外存设备 这些部件和设备通过总线和接口连接在 控 制 器 运 算 器 高速缓存 输入设备 主存储器 输出设备 外存设备 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.

计算机硬件系统组成 控 制 器 运 算 器 入出接口和总线 高速缓存 输入设备 主存储器 输出设备 外存设备 第二单元 第一单元 第四单元 控 制 器 运 算 器 第二单元 第一单元 入出接口和总线 高速缓存 输入设备 主存储器 输出设备 外存设备 第四单元 第三单元

教学过程： 为了更好地做到理论联系实际，更好地培养学生的实验动手能力和创新意识， 本课程需做五个实验并且有两周的课程设计。

第一章 计算机系统概论 计算机系统结构的发展 计算机系统的层次结构 软件和硬件的逻辑等价性

一、计算机系统结构的发展 1.两大体系结构 Von neumann计算机的体系结构 非Von neumann计算机的体系结构

2. Von neumann计算机的体系结构 主要特点： 数据表示及运算采用二进制，指令及其他非数值信息也以二进制表示 存储程序控制。将程序和数据事先存入 计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。 存储程序、顺序执行的单指令流是Von neumann计算机的体系结构的核心。

采用二进制表示的原因是： 1。具有两个稳定状态的电子器件可方便地表示二进制的0和1。 2。二进制的运算规律简单（如乘法规则只有四条）。 3。0和1与逻辑的真和假对应，为逻辑运算提供方便。 4。二进制表示数据具有抗干扰能力强，可靠性高优点。

2。将程序和原始数据存入存储器，这称为“程序存储”。程序存储为计算机连续自动工作奠定了基础。 存储程序控制的基本原理和工作过程： 1。将计算机要解决的问题抽象为数学模型，并按顺序分解为解题的步骤，步骤应细化到计算机所能完成的最基本操作—指令。指令构成程序，程序是计算机解题的步骤，是人解题思想的体现。 2。将程序和原始数据存入存储器，这称为“程序存储”。程序存储为计算机连续自动工作奠定了基础。 3。计算机将存储在存储器中的指令逐条取出自动执行，对原始数据进行加工求得最终结果。整个过程都是在程序控制下自动进行的，这一过程称为“程序控制”。

计算机硬件组成： 控制器 地址 指令 程序 结果 输入设备 存储器 输出设备 数据 数据 结果 运算器

五大组成的基本功能（如前所述） 运算器 控制器 存储器 输入输出设备和接口通道 中央处理器CPU

3.非Von neumann计算机的体系结构 预计未来的第五代计算机： 数据流计算机—数据控制 归约机—需求控制 人工智能计算机—知识存储 突破Von neumann结构，将是一个知识系统，包括知识库、推理机、智能接口和数据流机器，采用分布式系统结构。

二、计算机系统的层次结构 1.多级组成的计算机系统—软硬件的整体 硬件：构成计算机的设备实体。 软件：包括各类程序和文件（除去硬件之外） 二者相互依存，硬件是物质基础。 指令系统是硬件和软件的结合点，是硬件设计的出发点，也是编制软件最基本的依据。

2.计算机系统的层次结构 计算机解题的一般过程：用户编写高级语言程序（源程序）→输入PC →由计算机翻译成机器语言（目标程序） →在PC上运行，得结果。 编写高级语言程序 人工编写 源程序 翻译成机器语言 计算机上运行 目标程序 执行程序 计算机上运行 计算机的解题过程

汇编语言——符号式程序设计语言，大部分语句和机器指令一一对应 虚拟机器——称之为虚拟机器的原因是因为它依靠了汇编程序软件才存在 汇编语言的层次结构 虚拟机器 （汇编语言机器） 汇编语言程序，先翻译成机器 语言程序，后在M1上执行 实际机器M1 （机器语言机器） 直接由硬件执行

(a) (b) 高级语言虚拟机器的层次结构 虚拟机器M3 （高级语言机器） 虚拟机器M2 （高级语言机器） 汇编语言机器或 中间语言机器 （机器语言机器） 实际机器M1 (a) (b)

在上述虚拟机器M2和实际机器M1之间还存在一种成为操作系统的软件。操作系统是从管理程序发展而来的，它提供了实际机器所没有的但在汇编语言和高级语言的使用和实现过程中所需的某些基本操作和数据结构。它的位置位于M2和M1之间，共同构成计算机系统的多级层次结构 返回

层次结构图： 应用程序级 用户 虚拟机器M5 高级语言级 软件工程师 虚拟机器M4 汇编语言级 软件工程师 虚拟机器M3 操作系统级 操作员 机器语言级 实际机器M1 系统设计人员 微程序级 逻辑线路 硬件工程师

虚拟机的概念 从程序员的角度看，如果用机器语言L1编程，所看到的是一台能执行语言L1 的机器M1（这是一台具体的机器），如果用机器语言L2编程，所看到的是一台能执行语言L2 的机器M2，然而机器实际上是依靠编译程序将L2翻译为L1才能执行的，所以称M2为虚拟机M2。 因此，从语言的层次上有可以提出一种分级的概念。

三、软件和硬件的逻辑等价性 硬件软化 软件硬化 软件固化