广工计算机组成原理 第1章

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1、计算机组成原理柴文光13925035916chaiwg@gdut.edu.cn学习指南本课程的性质计算机组成原理是计算机科学与技术专业本科生的核心课程之一，是必修的专业基础课。本课程的地位本课程在计算机学科中处于承上启下的地位，要求先修的课程有：计算机科学导论数字电路学习指南学习指南本课程的任务讨论单机系统范围内计算机各部件和系统的组成以及内部工作机制。通过学习，掌握计算机各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成整机系统的技术，并为后继课程的学习打好基础。学习指南本课程的重点：五大基本部件的原理及实现。本课程的难点：各部件互连构成

2、整机系统，即整机概念的建立。本课程的深广度：主要讨论计算机组成中具有共性的问题，要处理好抽象概念与具体实例的关系。学习指南参考书白中英，计算机组成原理，北京科学出版社，2001。唐朔飞，高等教育出版社，北京，2000。蒋本珊，计算机组成原理学习指导与习题解析，北京，清华大学出版社，2005。第1章概论第1章在本章中我们将从存储程序的概念入手，讨论计算机的基本组成与工作原理，使大家对于计算机系统先有一个简单的整体概念，为今后深入讨论各个部件打下基础。电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确的对各种信息进行处理和存储的电子设备。

3、可以有非电子计算机（如：光计算机、量子计算机、超导计算机等）。可以有非数字计算机（如：模拟计算机）。1.1电子计算机与存储程序控制1.1.1电子计算机的发展世界上第一台电子数字计算机是1946年2月问世的ENIAC。ENIAC的设计开始于1943年,该机一直使用到1955年。1.1电子计算机与存储程序控制1.1电子计算机与存储程序控制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170KW5,000次/秒加法运算1.1.2存储程序概念美籍匈牙利数学家冯·诺依曼等人在1946年6

4、月提出存储程序概念。1.1电子计算机与存储程序控制存储程序概念：⑴计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；⑵计算机内部采用二进制来表示指令和数据；⑶将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。1.1电子计算机与存储程序控制1.1电子计算机与存储程序控制EDVAC冯·诺依曼设计的存储程序计算机1951年诞生。EDSAC事实上的第一台存储程序计算机1949年诞生。目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上，称冯·诺依曼型计算机。也出现了一些突破冯·诺依曼结构

5、的计算机，统称非冯结构计算机，如：数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。中央处理器（CPU）CPU=运算器+控制器主机主机=中央处理器+主存储器外部设备除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输出设备、辅助存储器等）1.2计算机的硬件组成注意1.2计算机的硬件组成运算器控制器主存储器输入设备输出设备辅助存储器CPU控制数据地址或指令主机外设存储器1.2计算机的硬件组成1.2.1计算机的主要部件1.输入设备输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方

6、式。常用的有键盘、鼠标、扫描仪等。2.输出设备输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。常用的有显示器、打印机、绘图仪等。1.2计算机的硬件组成3.存储器存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。1.2计算机的硬件组成Cache主存储器辅助存储器速度快慢三级存储系统1.2计算机的硬件组成Cache主存储器辅助存储器三级存储系统小大容量1.2计算机的硬件组成Cache主存储器辅助存储器三级存储系统贵贱价格/位1.2计算机的硬件组成Cache主存储器辅助存储器主

7、存储器可由CPU直接访问，用来存放当前正在执行的程序和数据。主存储器主存储器主存储器1.2计算机的硬件组成Cache主存储器辅助存储器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器设置在主机外部，CPU不能直接访问，用来存放暂时不参与运行的程序和数据，需要时再传送到主存。1.2计算机的硬件组成Cache主存储器辅助存储器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器CacheCacheCache高速缓冲存储器（Cache）CPU可以直接访问，用来存放当前正在执行的程序中的活跃部分（副本），以便快速地向CPU提供指令和数据。1.2计

8、算机的硬件组成4.运算器运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算是算术运算和逻辑运算，因此运算器的核心是算术逻辑运算部件ALU。运算器中有若干个寄存器（如累加寄存器、暂