计算机组成原理 微电子学院 宣 荣 喜 办公室电话 88201500 13709187607 电 子 邮 件 rxxuan@163.com

课程性质 “计算机组成原理”是计算机科学与工程技术专业以及相关电子类专业（如集成电路专业）的一门核心课程，是必修的专业基础课。 本课程特点是涉及的知识面广、内容多、更新快，在基础课和专业课之间起着承上启下的重要作用。

课程的目标 在单机系统范围内，讨论计算机各部件和系统的组成原理及其内部工作机制。通过学习，熟练掌握计算机各大部件的组成原理、设计方法、逻辑实现、及其相互连接构成整机系统的技术。

教学内容 第1章 计算机概论 第2章 数据的机器表示 第3章 指令系统 第4章 数值的机器运算 第5章 存储系统 第6章 中央处理器CPU 第7章 外部设备 第8章 输入输出系统（包括总线）

教材与参考书、考核方式 教材与参考书 考核方式 蒋本珊，计算机组成原理，清华大学出版社，2004.3 王闵，计算机组成原理，电子工业出版社，2001.1 考核方式 考试方式：闭卷考试 成绩计算：总成绩=作业20% + 期终考试80%

第一章 计算机系统概论 主要内容: 计算机的设计思想(存储程序与程序控制) 计算机的硬件组成 计算机的层次结构(在不同人眼中的计算机) 计算机的工作过程

一、什么是计算机？ 计算机不同于一般的电子设备，它是由硬件、软件组成的复杂的自动化设备，是能够自动、高速、准确地对信息进行加工、处理、存储的电子设备。 计算机与一般的电子设备的最大区别：不仅有硬件，同时还有软件。

二、计算机的分类 计算机从总体上分为： 计算机从用途上分为： 数字计算机按性能进一步分为： 模拟计算机 数字计算机 （电脑） 专用机 通用机 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机。 主要区别在于体积、功耗、性能指标、存储容量、指令系统、机器价格。

不同数字计算机的差别

三、计算机的应用 科学计算 自动控制 测量与测试 信息处理 教育和卫生 家用电器 人工智能

四、计算机的设计思想 计算机如此神奇，那它到底是如何工作的？又是怎么构成的？ 世界上第一台电子数字计算机是1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学诞生的ENIAC。

世界上第一台计算机ENIAC ENIAC的特点： 采用十进制 20 个10位的累加器 用开关手动编程 18,000个电子管 重30 吨 占地170平方米 耗电140 KW 5,000次/秒加法运算 在今天看来，ENIAC并不完善，但它的诞生是具有里程碑意义的。

冯·诺依曼型计算机 在研制ENIAC的同时，以美籍匈牙利数学家冯·诺依曼为首的研制小组提出了“存储程序、程序控制”的计算机设计思想，体现该设计思想的计算机EDVAC在1951年问世。 冯·诺依曼的存储程序控制概念概括起来为： 计算机硬件应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后启动计算机工作。这一点最为重要，即存储程序控制的思想。 目前绝大多数计算机仍然建立在存储程序、程序控制概念的基础上，称为冯·诺依曼型计算机。

五、信息的数字化表示 数字代码可以表示信息 数字信号可以表示数字代码 ——信息可以数字化表示，可以用1、0表示 用数字代码表示数值型数据 用数字代码表示指令 用数字代码表示图像 数字信号可以表示数字代码 电平的高低 ：高表示1，低表示0 脉冲的有无 ：有表示1，无表示0 ——信息可以数字化表示，可以用1、0表示

六、存储程序的工作方式 根据求解问题事先编制程序 将程序存入计算机中 启动计算机自动执行程序 ——体现了用计算机求解问题的过程

七、计算机的硬件组成 存储器 外设 输入设备 输出设备 辅助存储器 主存储器 主机 运算器 控制器 控制 CPU 数据 地址/指令

1、运算器 运算器的功能是执行算术运算、逻辑运算以及数据转换。 通常采用二进制数进行运算，1和0可以用电压的高和低、脉冲的有和无来表示 。 二进制数的运算规则简单，容易用电子线路来实现、可靠性高。

2、控制器 控制器的作用是协调计算机各部件自动地进行工作。具体讲，从内存中取出解题步骤(指令)，加以分析后执行某种操作。 指令的作用是告诉控制器做什么操作，数从哪里来、结果到哪里去。指令由两大部分构成： 指令用二进制表示、并预先存放在存储器中，称为存储程序。 控制器依据存储的程序来控制计算机完成计算任务，称为程序控制。 存储程序、程序控制是冯·诺依曼型计算机的重要设计思想。 操作码 地址码

3、存储器 存储器的功能是用来存放程序和数据。 存储器由半导体器件构成，一个触发器表示1位二进制，16位需要16个触发器。 保存一个数的所有触发器合起来称为一个存储单元 。每个单元都有编号，这个编号叫地址。 存储器的所有存储单元的总数称为存储容量，一般用KB、MB、GB表示。存储容量越大，表示能记忆的信息越多。

４、输入设备 输入设备的任务是把编好的程序和原始数据送到计算机中去，并把它们转换成计算机能识别、能接受的信息形式 。 输入设备的种类非常多，比如鼠标、键盘、扫描仪等是输入设备。

５、输出设备 输出设备的任务是把计算机的处理结果以人或者其它设备能接受的形式送出计算机 。 输出设备的种类也非常多，比如显示器、打印机等是输出设备。

CPU、主机、外设 中央处理器CPU： CPU = 运算器 + 控制器 计算机主机： 主机 = 中央处理器 + 主存储器 外部设备： 主机以外的硬件装置

八、计算机总线结构 … 总线是一组能够为多个功能部件分时共享的信息传输的公共通路，是构成计算机系统的互连机构 总线的特点：分时、共享 单总线是总线结构中的一种，单总线并不是一根信号线，内含地址总线、数据总线、控制总线。 系统总线 接口 外设 … CPU 主存储器

九、计算机的软件 系统软件分为四类： 应用软件举例： 软件分为两大类： 系统软件 应用软件。 服务性程序 语言类程序 操作系统 数据库管理系统 应用软件举例： 工程设计程序 数据处理程序 自动控制程序 企业管理程序 情报检索程序 科学计算程序等。 软件分为两大类： 系统软件 应用软件。

软件的发展 机器语言 汇编语言 算法语言 操作系统 数据库管理系统 100101110 001100101 110000110 …… 这算什么， 我来翻译 机器语言 汇编语言 算法语言 操作系统 数据库管理系统 汇编程序 这也没什么，我 们来解释/翻译 解释程序/编译程序

十、计算机系统的层次结构 计算机不能简单地认为是一种电子设备，它是一个十分复杂的由硬件、软件结合而成的整体。 在不同的观测者面前，计算机是一个不完全一样的电子设备。

一般用户观察到的计算机

专业用户观察到的计算机

计算机设计者观察到的计算机

计算机的层次结构 计算机通常被认为由6个不同的级组成： 第六级 应用语言级 虚拟机 第五级 高级语言级 第四级 汇编语言级 第三级 为满足某种用途而专门设计，其语言是各种面向问题的应用语言。用户看到的是能解决某些专门问题的智能机器。 虚拟机 第五级 高级语言级 高级语言级是为方便用户编写应用程序而设置的，由各种高级语言编译程序支持，面向程序员。 第四级 汇编语言级 提供一种符号语言即汇编语言，以减少程序编写复杂性，并由汇编程序翻译成机器语言，这一级由汇编程序支持。 由操作系统实现。它要直接管理传统机器的软硬件资源，是传统机器的延伸；同时要对整个系统的任务进行调度。 第三级 操作系统级 第二级 一般机器级 机器语言是该机的指令集，机器语言程序可由微程序解释，即由微程序解释机器指令系统。这一级是软硬件的分界面。 物理机 第一级 微程序级 微指令编写的微程序直接由硬件执行，微程序被固化于只读存储器ROM中，常称为“固件”。1、2级面向机器设计者

软件和硬件的逻辑等价性 硬件是计算机系统存在的基础，软件则是计算机系统运行的灵活。 任何操作既可以由硬件来实现，又可以由软件实现；任何指令的执行可由软件来完成，也可以由硬件来完成。这就是软件和硬件的逻辑等价性。 第一级和第二级的边界正在向第三级乃至更高级扩展。软件有固化的趋势，固化了的程序称为固件。

计算机执行程序的过程 将编制好的程序放在主存中，由控制器控制逐条取出指令执行。以单累加寄存器结构的运算器为例，计算a+b-c=?

计算机的技术指标 机器字长：能直接处理的二进制信息的位数。字长标志着精度，字长越长，精度越高。 主 频：CPU的时钟频率。一般情况下，时钟频率越高，运算速度越快。 总线宽度：数据总线一次能并行传输信息的位数。一般指外部数据总线的宽度。 存储容量：系统能存储的二进制字的总数，单位：KB、MB、GB、TB、PB。 运算速度：每秒能执行多少条指令，以百万条指令/每秒为单位。

十一、计算机的过去和未来 世界上第一台电子数字计算机是1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学诞生的ENIAC。从今天的眼光来看，这台计算机功耗大又不完善，但却是科学史上一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的基础。自从这台计算机问世以来，计算机大致经历了五个阶段的变化。

计算机的过去 第一代：1946年开始的电子管计算机。 第二代：1958年开始的晶体管计算机。 第三代：1965年开始的中小规模集成电路计算机。 第四代：1971开始大规模和超大规模集成电路计算机。 第五代：1986年开始的巨大规模集成电路计算机。 从1946年计算机诞生以来，大约每五年运算速度提高10倍，可靠性提高10倍，成本降低10倍，体积缩小10倍。60年来计算机的发展过程，是在冯·诺依曼型计算机结构的基础上，紧紧围绕如何提高速度、扩大存储容量、降低成本、提高系统可靠性和使用的方便性为目的、不断采用新器件和研制新软件的过程。

计算机的未来 微型计算机将向更微型化、网络化、高性能、多用途的方向发展。“小的更小”。 巨型计算机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化的方向发展。“大的更大”。 进入以通讯为中心的体系结构，计算机就是网络。