计算机组成与结构 主讲 马洪连 清华大学 王爱英主编 参考书：计算机组成原理（第三版）白中英编 科学出版社 清华大学 王爱英主编 主讲 马洪连 参考书：计算机组成原理（第三版）白中英编 科学出版社 计算机组成原理（修订版）俸远帧编 电子工业出版社

第一章 计算机系统概论 计算机的组成：硬件和软件 第一章 计算机系统概论 计算机的组成：硬件和软件 硬件是计算机的物资基础，没有硬件计算机将不复存在；软件是发挥计算机功能，没有软件计算机无法投入使用。如同电影机和电影胶片的关系。 1.1 计算机软件的组成 1.2 计算机的硬件 1.3 计算机系统的层次结构 1.4 计算机的现代发展史 1.5 计算机的应用领域

没有配备任何软件的“裸机”无法投入使用，没 有配备足够的软件，其功能就不能很好的发挥。计 算机软件的分类如下： 1.1 计算机软件的组成 没有配备任何软件的“裸机”无法投入使用，没 有配备足够的软件，其功能就不能很好的发挥。计 算机软件的分类如下： 操作系统或管理软件 汇编程序 高级语言的编译或解释程序 故障诊断或检验程序 系统调试程序 数据库管理程序 系统软件 软件组成 使用者根据需要采用各类语言 编写的各种应用程序，包括各 类应用软件包 应用软件

计算机的语言简介 自然语言：人类相互交流信息所用的语言 高级语言：由于当前的计算机还不具备理解自然 语言的能力，于是人们希望找到一种和自然语言 接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为 计算机的高级语言 。 汇编语言：符号式程序设计语言，属于低级语言。 机器语言：然而目前的通用计算机不会直接执行用高级语言编写的程序，因而要先将其翻译成机器能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由二进制代码表示的指令组成）。

1.2 计算机的硬件 组成计算机的基本部件有中央处理器CPU（运算器和控制器）、存储器和输入、输出设备。 控制器两部分，由于电路集成度的提高，现在已把它们集 成在一个芯片中。 存储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存储 和交流中心。存储器可与CPU、输入输出设备交换信息， 起存储、缓冲、传递信息的作用。 输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程序、输 入的信息有数字符、字母和控制符等。 输出设备用来输出计算机的处理结果。可以是数字、字 母、表格、图形等.

计算机硬件构成演示

运算器 移位器 ALU 选择器 选择器 通用寄存器组

移位器：直接或者移位送出运算结果。 ALU 移位器 选择器 选择器 通用寄存器组 选择器：选择操作数；选择控制条件，实现 各种算法。 通用寄存器组 通用寄存器组： 提供操作数，存放运算结果。

运算器组成功能演示

微命令序列 控制器 微命令发生器 指令信息 状态信息 时序信号 逻辑条件 时间条件

控制器工作过程演示

存储器 地址寄存器 数据寄存器 读/写线路 ………… ………… 译码器 存储体 控制线路

存储器按“读命令”和“写命令”演示读写过程

输入/输出设备 输入/出设备 主机 接口

在计算机中各部件间来往的信号可分成三种类型，即地址、数据和控制信号。通常这些信号是通过总线传送的，CPU发出的控制信号，经控制总线送到存储器和输入输出设备，控制这些部件完成指定的操作。与此同时，CPU（或其他设备）经地址总线向存储器或输入输出设备发送地址，使得计算机各个部件中的数据能根据需要互相传送。 ALU CPU 主机 I/O CU 主 存

计算机工作过程演示

计算机硬件的组成框图 CPU（包括运算器和控制器） 存储器 ROM RAM 输入/输出设备(I/O设备) 运算器 总线 和控制 D—BUS A—BUS C—BUS 地址总线 运算器 和控制 器 CPU 输入输 出设备 存储器 数据总线 控制总线

硬软件界面与逻辑上的等价 计算机系统以硬件为基础，通过软件扩充其功能，并以执行程序方式体现其功能。一般来说，硬件只完成最基本的功能，而复杂的功能则通过软件实现。在实际的具体实施中，许多功能即可直接由硬件实现，也可在硬件支持下靠软件实现，对用户来说在功能上是等价的。例如乘法运算就是一个例子。 早期曾采用硬件软化的技术策略来降低造价，如依靠软件实现乘、除、浮点运算等更高级一些的功能。随着集成电路技术的飞速发展，于是又出现了另一种技术策略-软件硬化，如浮点运算器等。这样系统将有更高的处理速度，在软件的支持下具有更强的功能。

与此同时，人们又采取了另一种策略—固件化。采用微程序控制技术使计算机结构和硬、软件功能分配发生了变化，对指令的解释与执行是通过运行微程序来实现的。而微程序是被固化在只读存储器中。从信息形态上讲，微程序类似于软件；从器件上讲它固化在硬件芯片内；在逻辑功能上讲它属于硬件CPU的范畴；因而称为固件。 现在常采用软件固化的策略，将系统软件的核心部分固化在存储芯片之中。从用户看去，它们是系统硬件的一部分。如，微机系统将操作系统中的BIOS固化在系统板上，将存储管理功能集成于CPU芯片之内。

1.3 计算机系统的层次结构 （从语言功能层次划分） 虚拟机：通过配置软件扩展功能后形成的与实际机无关的机器。它将提供给用户的功能抽象出来，脱离了物理机。 由于站在不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性也是个不相同的。例如，用高级语言编程的程序员，可以把IBM PC与RS6000两种机器看成同一属性的机器。可是，对使用汇编语言编程的程序员来说， IBM PC与RS6000两种机器是两种截然不同的机器。因为程序员所看到的这两种机器的属性，如指令集、数据类型、寻址技术等都完全不同，因此认为这两种机器的结构是各不相同的。

虚拟机（通过软件扩充的物理机）目的：摆脱真实机器的束缚。 比较：Java虚拟机 实际机器（机器语言物理机） 专用语言虚拟机 高级语言虚拟机 汇编语言虚拟机 程序

图 计算机系统的多级层次结构 虚拟机器 M4 高级语言程序经编译程序翻译 （高级语言机器） 成汇编语言或中间语言程序 虚拟机器 M3 本级语言程序经编译程序翻译成 （汇编语言或中 机器语言程序或操作系统语言 间机器语言） 虚拟机器 M2 一般用机器语言解释操作系统语言 （操作系统 语言机器） 由硬件或微程序 *执行机器语言 实际机器 M1 （机器语言机器） *注：微程序将在第6章中讲述

1.4 计算机的现代发展史 1.4.1 计算机的产生 1642年，年仅19岁的法国科学家Blaise Pascal(1623-1662)制造出的第一台能工作的计算机器。整台机器是纯机械设备，使用手柄驱动，用齿轮传动，能完成加法和减法。程序设计语言Pascal就是以他的名字命名的。 1945年, 美国数学家冯.诺依曼博士发表《电子计算工具逻辑设计》论文，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。 1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC。重28吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每秒5000次加法。 1948年，贝尔实验室的John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley发明了晶体管，他们也因此获得了1956年的诺贝尔物理奖。1953年，麻省理工学院林肯实验室成功研制了第一台晶体管计算机TX-0。 清华大学计算机系于1966年研制成功晶体管小型通用计算机112机，后来由北京计算机三厂投产。

第一台计算机 ENIAC 介绍：重达30吨 占地170平方米 内装18000个电子管 计算速度5000次/秒 不足：存储容量小 20个字长10位 非自动 采用线路连接来编程 Von Neumann 在此基础上提出了 现代计算机的模型

一般认为冯.诺依曼机具有如下基本特点: 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改。 数据以二进制码表示 指令由操作码和地址码组成。 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序替增。 机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。

典型冯.诺依曼计算机结构 存储器 输入 输出 运算器 控制器 数据线路 控制信号 图 1-1 计算机的基本结构

冯·诺依曼计算机硬件框图 存放数据 和程序 算术运算 逻辑运算 将结果转换成 人们熟悉的形式 将信息转换成机 器能识别的形式 存储器 输入设备 运算器 控制器 输出设备 指挥程序 运行

提高计算机性能的根本方向之一是并行处理。因此近年来人们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，，这种努力被称为非诺依曼化。一般认为它表现在三个方面的努力。 1）在诺依曼体制的范畴内，对传统诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水线处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。 2）用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。 3）从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如采用数据流驱动方式，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行执行。

1.4.2 电子计算机的发展简史 第一代 电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 第一代 电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 第二代 晶体管时代(1958-1965) 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 第三代 中小规模集成电路时代(1965-1970) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒 第四代 大规模集成电路时代(1971至今) 向大型机和微型机两个方向发展 现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番，今后可再用10年。

1.4.3 计算机的六大分类 巨型机——世界几家公司生产，最快1.4万亿次，9千个CPU组 1.4.3 计算机的六大分类 巨型机——世界几家公司生产，最快1.4万亿次，9千个CPU组 成Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河I, 银河II, 银 河III，目前我国神威号速度达3480亿次/秒。 小巨型机——功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速 美国Convex公司的C系列机为其代表产品。 大型机——大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调 度主机资源，代表产品有IBM360，370，4300等 小型机——它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用， 典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列，国产太级 工作站——用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。 典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。 微型机——个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉

IBM System／360

世界上较快的五台超级计算机 1.IBM: Seaborg 6 080个 CPU 最大平均速度 7.304 TF (1012)

世界上较快的五台超级计算机 2.IBM: ASCI White 8 192个 CPU 最大平均速度 7.304 TF (1012)

世界上较快的五台超级计算机 3.Linux NetworX : MCR Linux Cluster 2 304个 CPU 最大平均速度 7.634 TF (1012)

世界上较快的五台超级计算机 4. HP : ASCI Q 4 096个 CPU 最大平均速度 13.88 TF (1012)

世界上较快的五台超级计算机 5.NEC: Earth Simulator 5 120个 CPU 最大平均速度 35.86 TF (1012)

1.5 计算机的应用领域 科学研究计算 过程控制 辅助设计/分析/制造/教学 数据处理 智能模拟 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算 机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制 辅助设计/分析/制造/教学 机械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAI 数据处理 数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化 智能模拟 人工智能、专家系统、自学习

第一章作业 1.2 1.3 1.8 1.11 近年来人们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚方面做了哪些方面的工作？