计算机组成原理教程

前言

该课程主要讲述计算机硬件的组成以及各组成部件的工作原理
计算机硬件组成包括五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备
第一章是计算机概述，介绍计算机的发展、组成、及应用
第二章介绍数制和编码
第三章介绍连接五大功能部件的总线，五大功能部件部件只有通过总线连接起来，才能构成一个协调配合和高效运行的整体
第四、五章用来介绍CPU和其运行的指令系统，CPU的功能和组成，重点是介绍控制器的工作原理
第六章用来介绍运算器，计算机里的数据加工处理过程和原理
第七章介绍存储器，详细讨论了存储器的功能，不同类存储器存储信息的原理，重点介绍的是内存储器的构成和工作原理，以及CPU如何同内存进行连接
第八章、第九章介绍的是输入、输出系统，介绍常见的输入输出设备的种类和工作原理，CPU和外围设备进行通信的方式和原理

第1章 计算机系统概论

1.1 计算机的发展、应用和展望

计算机定义：计算机是一种以电子器件为基础的，不需人的直接干预，能够对各种数字化信息进行快速算术和逻辑运算的工具，是一个由硬件、软件组成的复杂的自动化设备．

1.1.1 计算机发展简史

第一代：1946年 ENIAC——20世纪50年代末 电子管、机器语言、汇编语言、体积大、速度低、程序复杂，用于科学计算
第二代：50年代末——60年代初 晶体管、高级语言、用于数据处理、事务处理、工业控制
第三代：60年代中期——70年代初 中小规模集成电路，用于文字处理、企业管理、自动化控制
第四代 71——90 大规模和超大规模集成电路，用于办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统
第五代 至今 甚大规模集成电路

1.1.2 计算机的特点

1. 运算速度快
2. 计算精度高
3. 存储容量大
4. 具有逻辑判断功能（比较、判断等逻辑运算）
5. 自动化程度高，通用型强（预定操作、无需人工干预）

1.1.3 计算机的应用

1. 科学计算
2. 过程检测与控制
3. 信息管理（计算机加工、管理和操作数据资料）
4. 计算机辅助系统（辅助设计、辅助制造、辅助教学）

1.2 计算机系统的基本组成及层次结构

完整的计算机系统是由硬件（hardware）和软件（software）两大部分（即两类资源）组成的．
计算机的硬件系统是计算机系统中看得见、摸得着的物理设备，是一种高度复杂的、由多种电子线路及精密机械装置等构成的、能自动并且高速地完成数据计算与处理的装置或者工具．
计算机的软件系统是计算机系统中的程序和相关数据，包括完成计算机资源管理、方便用户使用的系统软件（一般由厂家提供）和完成用户预期处理的应用软件（一般由用户设计并自己使用）这样两大部分．

1. 数据输入设备完成把程序和原始数据输入计算机；
2. 数据存储部件实现程序和数据的保存，图中指的是内存；
3. 数据运算部件承担数据的运算和处理功能；
4. 数据输出设备完成把运算及处理结果从计算机输出，供用户查看或长期保存；
5. 计算机控制部件则负责首先从存储部件取出指令并完成指令译码，然后根据每条指令运行功能的要求，向各个部件或设备提供它们所需要的控制信号，它在整个硬件系统中起着指挥、协调和控制的作用．

称为部件的3个组成部分通常是使用电子线路来实现的，安装在一个金属机柜内或者印制电路板上，称为计算机的主机．数据运算部件（运算器）和计算机控制部件（控制器）合称为计算机的中央处理器（center processing unit, CPU）.

被称为设备的两个组成部分通常是使用精密机械装置和电子线路共同制造出来的，也可以合称为输入输出设备，又称为计算机的外围设备．

1.4计算机的体系结构、组成和实现

1.4.1 计算机系统结构的定义

计算机系统结构是从程序设计者所看到的计算机的属性，即概念性结构和功能特性，这实际上是计算机系统的外特性；从计算机系统的层次结构概念出发，所谓“系统结构”就是指计算机系统中对各级之间界面的定义及其上、下的功能分配。
计算机系统结构的研究对象是计算机物理系统的抽象和定义，具体包括：
数据表示、寻址方式、寄存器定义、指令系统、存储结构、中断系统、机器工作状态定义和切换、I/O系统、总线结构、系统安全与保密

1.4.2 计算机组成与实现

计算机组成（Computer Organization）是指计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据通道和控制信号的组成及逻辑设计，它着眼于机器级内各事件的时序方式与控制机构、各部件功能及相互联系．

计算机实现（Computer Implementation）是指计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，芯片的集成度和速度，芯片、模块、插件、底板的划分与连接，专用芯片的设计，微组装技术、总线驱动，电源、通风降温，整机装配技术等．它着眼于芯片技术和组装技术，其中，芯片技术起着主导作用．

1.4.3计算机系统结构、组成和实现之间的关系

系统结构是计算机物理系统的抽象和定义（指令系统）；
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；
计算机实现是计算机组成的物理实现．
系统结构设计不要对组成、实现有过多和不合理的限制；组成设计应在系统结构指导下，以目前能实现的技术为基础；实现应在组成的逻辑结构指导下，以目前的器件技术为基础，以性能价格比的优化为目标．

1.5 计算机系统的特性

1.5.1 计算机等级

1.5.2 计算机系列

1.6 计算机的工作过程和主义性能指标

1.6.1 计算机的工作过程

程序是一个特定的指令序列，它告诉计算机要做哪些事，按什么步骤去做．指令是一组二进制信息的代码，用来表示计算机所能完成的基本操作．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

1.6.2 计算机的主要性能指标

1. 机器字长
   机器字长是指参与运算的数的基本位数，它是由加法器、寄存器的位数决定的，所以机器字长一般等于内部寄存器的大小．字长标志着精度，字长越长，计算的精度就越高．
2. 数据通路宽度
   数据总线一次所能并行传送信息的位数，称为数据通路宽度．它影响到信息的传送能力，从而影响计算机的有效处理速度．这里所说的数据通路宽度是指外部数据总线的宽度，它与CPU内部的数据总线宽度（内部寄存器的大小）有可能不同．
3. 主存容量
   一个主存储器所能存储的全部信息量称为主存容量．通常，以字节数来表示存储容量，这样的计算机称为字节编址的计算机．也有一些计算机是以字为单位编址的，它们用字数乘以字长来表示存储容量．
4. 运算速度
   （1）根据不同类型指令在计算过程中出现的频繁程度，乘上不同的系数，求得统计平均值，这时所指的运算速度是平均运算速度．
   （2）以每条指令执行所需时钟周期数（Cycles Per Instruction, CPI）来衡量运算速度．（3）以MIPS和MFLOPS作为计量单位来衡量运算速度．
   MIPS（Million Instructions Per Second）表示每秒执行多少百万条指令．对于一个给定的程序，MIPS定义为：
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来源：jaeden_xu