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1、为什么要学习这门课程为什么要学习这门课程计算机组成原理计算机组成原理是计算机相关专业本科生的一门统设是计算机相关专业本科生的一门统设必修的专业必修的专业基础课程基础课程。我们学院强调培养我们学院强调培养计算机类的应用型人才计算机类的应用型人才，是把这门，是把这门课程作为计算机系统平台的内容之一来安排的。课程作为计算机系统平台的内容之一来安排的。不是只有设计不是只有设计计算机硬件系统计算机硬件系统的人才要学这门课的人才要学这门课,计算计算机相关专业的人员都应该对其有所了解。机相关专业的人员都应该对其有所了解。20152015年珠海、广州深圳调研的结果表明：加强硬件类年珠海、广州深圳调研的结果表明
2、：加强硬件类课程的学习，以后的就业需要拓宽知识面；同时也是课程的学习，以后的就业需要拓宽知识面；同时也是就业面试常见内容就业面试常见内容6本课程是计算机科学与技术专业的一门重要的专业基础课程，是国家教学指导委员会制订专业规教学指导委员会制订专业规范的八个标志性专业课程之一范的八个标志性专业课程之一。本课程奠定学生的操作系统基础架构和各部分主要组成部件的设计与实现原理，为进一步学习计算机软件与硬件相关课程打下基础。本门课程对应IEET规范核心能力2、3和5。核心能力核心能力2.数学和其他自然科学知识的应用能力数学和其他自然科学知识的应用能力核心能力核心能力3.计算思维能力计算思维能力核心能力核心
3、能力5.计算机应用系统设计与开发能力计算机应用系统设计与开发能力2020/8/313计算机组成原理计算机组成原理教育目标教育目标课程结构课程结构计算机组计算机组成原理成原理微型计算微型计算机技术机技术计算机系计算机系统结构统结构操作系统操作系统先先修修课课后后续续课课人工智能人工智能“计算机组成原理计算机组成原理”是计算机专业本科生是计算机专业本科生必修的核心必修的核心硬件课程硬件课程,属于属于专业基础课！专业基础课！计算机类研究生招生考试必考科目计算机类研究生招生考试必考科目数字逻辑和数字逻辑和集成电路集成电路电子技术基础电子技术基础汇编语言程序汇编语言程序设计（略）设计（略）计算机网络计算
4、机网络嵌入式系统嵌入式系统Linux操作系统操作系统软件工程软件工程软件系统开发软件系统开发数据库数据库数据结构数据结构课程难点课程难点课程总体上比较难学、难理解，体现在以下几点：内容细，多，条理有点繁杂，讲课过程中一般性的叙述多，涉及到的实际例子往往不能给人以较深刻、准确的印象，课程整体内容难以梳理清晰；计算机是一个内部运行状态不能直接观察、高度复杂的封闭式系统，信息（指令、数据、控制信号指令、数据、控制信号）以一定的时间序列在计算机内部各部件之间保存、保存、运算、传送运算、传送，比较难以叙述、展现清楚，而这恰恰是计算机组成原理的主要内容，比较难以理解到位；课程难点课程难点理论教学理论教学将
5、会比较抽象、比较空泛，有时大家还觉得有点生硬死板，请大家耐心去学习。适当的教学实验适当的教学实验是学懂计算机组成原理课程的重要环节，更新的清华大学的实验设备，有助于大家的更新的清华大学的实验设备，有助于大家的学习和理解，请大家重视实验，按时完成实学习和理解，请大家重视实验，按时完成实验内容和报告。验内容和报告。2020/8/317实验名称实验名称类型类型大纲要求大纲要求时间时间学时学时备注备注课课内内课课外外实验一实验一寄存器实验寄存器实验实验二实验二运算器实验运算器实验实验三实验三双端口存储器原理实验双端口存储器原理实验实验四实验四数据通路组成实验数据通路组成实验实验五实验五 常规型微过程控
6、制器组成实常规型微过程控制器组成实验验实验六实验六 CPU组成与机器指令执行实组成与机器指令执行实验验验证验证验证验证验证验证验证验证综合综合综合综合必做必做必做必做必做必做必做必做必做必做必做必做第第4周周第第7周周第第9周周第第10周周第第11周周第第12周周第第13周周第第14周周222222222人人/组组计算机组成原理计算机组成原理课后作业课后作业（写在作业本上）P.60 17、9、12P.115 17P.143 3、4、5、6P.186 2、3、9、10、12P.213 3、4、17、202020/8/318加群密码：cszqu学期总成绩评估学期总成绩评估（1）总评总评成绩：平时成
7、绩平时成绩（20%=考勤、作业、其他（含智慧树线上课程5%）实验成绩实验成绩（20%）期末考试期末考试（60%）。（2）智慧树线上课程作为教学补充，学生线上进行课前预习、课后复习、练习之用，计入平时成绩（5%），线上课程未完成者，平时成绩为零零。（3）期末考试成绩最低分数线最低分数线：学院各个本科专业的计算机组成原理课程，经过课程组集体研究后，统一划定期末考试成绩的最低分数线。低于最低于最低分数线低分数线，则总评成绩不能通过则总评成绩不能通过。一个同学的期末考试成绩最低分数线，说明该生在掌握计算机组成原理的基础知识方面，没有达到教学的基本要求，说明该生课堂学习专心程度不够、完成作业独立性不强、
8、平时学习整体表现欠佳。2020/8/3110第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.1计算机的分类*1.2计算机发展简史1.3计算机的硬件1.4计算机的软件1.5计算机系统的层次结构2020/8/31111.1计算机的分类计算机的分类一、电子计算机从总体上来说分为两大类。电子模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。2020/8/31121.1计算机的分类计算机的分类数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0/1电
9、压计算方式数字计数电压组合和测量值控制方式程序控制盘上连线精度高低数据存储量大小逻辑判断能力强无数字计算机与模拟计算机的主要区别数字计算机与模拟计算机的主要区别2020/8/31131.1计算机的分类计算机的分类二、数字计算机分类数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类：专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。2020/8/31141.1计算机的分类计算机的分类三、通用计算机分类通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器
10、价格等可以分为：超级计算机大型机服务器PC机单片机多核机演示1.2 计算机发展简史计算机发展简史1.2.1 计算机的五代变化1.2.2 半导体存储器的发展1.2.3 微处理器的发展1.2.4 计算机的性能指标2020/8/31152020/8/31161.2计算机发展简史计算机发展简史1.2.1 计算机的五代变化第一代为19461957年，电子管计算机：数据处理第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控制第三代为19651971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机第四代为19721990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机
11、2020/8/31171.2计算机发展简史计算机发展简史1.2.2 半导体存储器的发展20世纪5060年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB、TB、PB、EB。其中1K=210,1M=220,1G=2302020/8/31181.2计算机发展简史计算机发展简史1.2.3 微处理器的发展1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内的
12、产品，于是，微处理器诞生了。微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。1974年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而设计的中央处理器。20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便是其中之一。这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器。Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。到现在的64位处理器和多核处理器1.2计算机发展简史计算机发展简史1.2.4 计算机的
13、性能指标吞吐量表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）。响应时间表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。利用率表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。处理机字长指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。字长越长，表示计算的精度越高。2020/8/31191.2计算机发展简史计算机发展简史1.2.4 计算机的性能指标总线宽度一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。存储器容量存储器中所有存储单
14、元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB、PB来表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节）。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。存储器带宽存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。主频/时钟周期CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。例如Pentium系列机为60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。2020/8/31201.2计算机发展简史计算机发展简史1.2.4 计算机的性能指标主频的倒数称为CPU
15、时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。CPU执行时间表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计算：CPU执行时间 CPU时钟周期数 CPU时钟周期长CPI表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算：CPI MIPS表示每秒百万条指令数，用下式计算：MIPS 2020/8/3121该程序包含的指令条数时钟周期数执行某段程序所需的CPU 10 6程序执行时间指令条数610 CPI时钟频率1.2计算机发展简史计算机发展简史1.2.4 计算机的性能指标程序执行时间Te为：Te MFLOPS表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：MFLOPS MIPS是单
16、位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器速度越快。MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。TFLOPS表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术指标一般在超级计算机中使用。2020/8/3122610 MIPS指令条数610 程序中的浮点操作次数程序执行时间1.2计算机发展简史计算机发展简史1.2.4 计算机的性能指标例1.1：对于一个给定的程序，IN表示执行程序中的指令总数，tCPU表示执行该程序所需的CPU时间，T为时钟周期，f为时钟频率（T的倒数），NC为CPU时钟周期数。设CPI表示每条指令的平均时钟周期数，MIPS表示每秒钟执行的百
17、万条指令数，请写出如下四种参数的表达式：(1)tCPU(2)CPI(3)MIPS(4)NC2020/8/31231.2计算机发展简史计算机发展简史2020/8/31241.2.4 计算机的性能指标1.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.1 硬件组成要素1.3.2 运算器1.3.3 存储器1.3.4 控制器1.3.5 适配器与I/O设备2020/8/31252020/8/31261.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.1 硬件组成要素通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理。假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算y=ax+b-c这样一个题目。解题步骤和数据记录在横格纸上，
18、请看过程。2020/8/3127一、手工模仿计算机工作一、手工模仿计算机工作2020/8/31281.3计算机的硬件计算机的硬件二、数字计算机基本组成控制器：人的大脑的操作控制功能运算器：人的大脑的计算功能存储器：人的大脑记忆功能输入设备：交互接口，笔输出设备：交互接口，纸2020/8/31291.3计算机的硬件计算机的硬件三、冯 诺依曼型计算机存储程序按地址自动执行五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备以运算器为中心2020/8/31301.3计算机的硬件计算机的硬件冯 诺依曼型计算机存储器输出输入运算器控制器数据信号控制信号地址信号1.3 计算机的硬件计算机的硬件计算机的
19、组成结构2020/8/31312020/8/31321.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.2 运算器算术运算和逻辑运算在计算机中参与运算的数是二进制的运算器的长度一般是8、16、32或64位运算电路单元寄存器B累加器A演示2020/8/31331.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.3 存储器存储数据和程序（指令）容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）分类内存（ROM、RAM）、外存存储器单位：1KB 210B1MB 220B1GB 230B1TB 240B演示2020/8/31341.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.4 控制器指令和程序:指令的形式（操作和地址码、存储程序的概念、指令中程序
20、和数据的存放、指令系统）指令和数据存储演示计算机执行模拟过程2020/8/31351.3计算机的硬件计算机的硬件七、控制器的基本任务控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。演示2020/8/31361.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.5 适配器与I/O设备输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器
21、内部所能接收和识别的二进制信息形式输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也是人们常说的计算机硬件。2020/8/31371.4计算机的软件计算机的软件1.4.1 软件的组成与分类计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机系统中不可少的无形部件。主要有两大类：系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的
22、使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类：各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等操作系统数据库管理系统应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设计程序、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2020/8/31381.4计算机的软件计算机的软件1.4.2 软件的发展演变编程语言的发展手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解释程序系统软件的发展操作系统分布式系统软件演示2020/8/31391.5计算机
23、系统的层次结构计算机系统的层次结构1.5.1 多级计算机系统计算机不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计，如图所示。演示2020/8/31401.5计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构五级计算机层次系统第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。如果某一个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。第二级是一般机器级，也称为机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义
24、指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。第四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。2020/8/31411.5计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.5.2 软件与硬件逻辑等价性随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统的软、硬件界限已经变得模糊了。因为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。任何操作可以由软件来实现也可以有硬件来实现（设计计算机系统时，应考虑各个方面的因素：价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期）实体硬件机功能的扩大固件的概念（功能上是软件，形态上是硬件）返回2020/8/3142本章小结本章小结计算机系统的 基本概念构成：硬件和软件层次结构计算机系统的基本工作原理计算机的基本组成部分五大部件冯 诺依曼型计算机特点计算机发展特点返回