計算機組成原理2

1、計算機組成原理 ComputerOrganization 推動計算機發(fā)展的動力 硬件與軟件的關系 二者相互滲透、相互依存、互相配合、互相促進，缺一不可 對于計算機的某一具體功能來說，既可以用硬件實現，也可以 用軟件實現。 硬件和軟件在邏輯功能上是等效的 實現成本和速度有比較大的差別 回顧 不同對象觀察到的計算機硬件系統(tǒng) 一般用戶專業(yè)用戶 計算機設計者 計算機 控制器 TTLMOS 晶體管 1 門 1 寄存器 1 晶體管 2 I/O存儲器ALU 寄存器 2寄存器 N 門 K門 2 晶體管 T . . . . . . . . . . . . 系統(tǒng)級 寄存器級 門級 晶體管級 物理級 計算機 控制器

2、 TTLMOS 晶體管 1 門 1 寄存器 1 晶體管 2 I/O存儲器ALU 寄存器 2寄存器 N 門 K門 2 晶體管 T . . . . . . . . . . . . 系統(tǒng)級 寄存器級 門級 晶體管級 物理級 計算機的解題過程 最早的計算機 使用機器語言(用0/1代碼表示的語言)編寫程序 要求程序員對所用計算機的硬件及指令系統(tǒng)十分熟悉 編寫程序難度大，操作過程極易出錯，程序調試困難 計算機系統(tǒng)層次結構(從語言功能層次劃分) 用戶編寫的用戶編寫的 高級語言程序高級語言程序 （源程序）（源程序） 運行運行結果結果 翻譯成機器翻譯成機器 語言程序語言程序 ( (目標程序目標程序) ) 計算機

3、計算機 實際機器實際機器 （機器語言程序）（機器語言程序） 只有機器語言程序可以在機器上執(zhí)行只有機器語言程序可以在機器上執(zhí)行 具有兩級層次結構的計算機系統(tǒng) 符號式程序設計語言匯編語言 用符號表示操作和指令或數據所在存儲空間的地址 20世紀50年代開始出現，使程序員擺脫用繁雜而又容易出錯的二進制代碼編寫程序 機器不能直接識別匯編語言程序 必須先將匯編語言程序翻譯成機器語言程序，才能被機器接受并自動運行 翻譯過程由匯編程序（計算機系統(tǒng)軟件）完成 從用戶的角度看，好像存在一臺能夠直接識別并執(zhí)行匯編語言程序的機器 計算機系統(tǒng)層次結構 具有兩級層次結構的計算機系統(tǒng) 虛擬機：指從用戶角度看，好象能直接執(zhí)行

4、用戶編寫的源程序的機器 是通過配置軟件擴展功能后形成的與實際機無關的機器（是由軟件實 現的機器） 虛擬機將提供給用戶的功能抽象出來，脫離了物理機（是用戶從某個 角度看見的計算機的形象） 計算機系統(tǒng)層次結構 實際機器實際機器M1 （機器語言機器）（機器語言機器） 第一級第一級 機器語言程序直接在機器語言程序直接在M 上執(zhí)行 上執(zhí)行 匯編程序將匯編語言程序先翻譯成機匯編程序將匯編語言程序先翻譯成機 器語言程序，然后在器語言程序，然后在M 上執(zhí)行 上執(zhí)行 第二級第二級 虛擬機器虛擬機器M2 （匯編語言機器）（匯編語言機器） 具有三級層次結構的計算機系統(tǒng) 匯編語言本質上仍是一種面向實際機器的語言 每一

5、條語句都與機器語言的某一條語句一一對應 編寫程序時，仍要求程序員對實際機器的內部組成和指令系統(tǒng)非常熟悉 程序員必須經過專門的訓練，否則無法操作計算機 沒有通用性 不利于計算機的廣泛應用 計算機系統(tǒng)層次結構 面向問題的高級語言 20世紀60年代開始出現 對問題的描述接近人們的習慣 通用性強，程序員無需了解實際機器的機型、內部具體組成及指令系統(tǒng)， 只要掌握語言本身的語法和語義 實際機器M1本身不能識別高級語言，必須 先翻譯成匯編語言程序或其它中間語言程序，然后在M2、M1上執(zhí)行 或：直接翻譯成機器語言程序，然后到M1上執(zhí)行 計算機系統(tǒng)層次結構 具有三級層次結構的計算機系統(tǒng) 翻譯程序：把高級語言程序

6、翻譯成機器語言程序的軟件 分編譯程序、解釋程序兩種 計算機系統(tǒng)層次結構 實際機器實際機器M1 （機器語言機器）（機器語言機器） 第一級第一級 機器語言程序直接在機器語言程序直接在M 上執(zhí)行 上執(zhí)行 匯編程序將匯編語言程序先翻譯成機器語匯編程序將匯編語言程序先翻譯成機器語 言程序，然后在言程序，然后在M 上執(zhí)行 上執(zhí)行 第二級第二級 虛擬機器虛擬機器M2 （匯編語言機器）（匯編語言機器） 將高級語言程序翻譯成機器語言程序然后將高級語言程序翻譯成機器語言程序然后 在在M 上執(zhí)行，或翻譯成匯編語言程序或其 上執(zhí)行，或翻譯成匯編語言程序或其 它中間語言程序然后在它中間語言程序然后在M2、M 上執(zhí)行 上

7、執(zhí)行 第三級第三級 虛擬機器虛擬機器M3 （高級語言機器）（高級語言機器） 具有三級層次結構的計算機系統(tǒng) 編譯：將高級語言程序（源程序）的語句一次全部翻譯成機器語言程 序（目標程序）后再執(zhí)行 源程序不變，則無需重翻譯 源程序轉換成目標程序后才能執(zhí)行編譯執(zhí)行 例如：C 解釋：翻譯一條執(zhí)行一條 相同語句反復執(zhí)行也需重翻譯 無需生成目標程序即可執(zhí)行解釋執(zhí)行 例如：BASIC（有解釋和編譯兩種） 匯編語言機器、高級語言機器均是在軟件發(fā)展過程中由實際機器而向上延伸而形 成虛擬機 計算機系統(tǒng)層次結構 具有四級層次結構的計算機系統(tǒng) 實際機器M1內部向下延伸：微程序機器M0 M0直接將M1中的每一條機器指令翻

8、譯成一組微指令，即構成一個微程序 微程序機器M0可看作是對實際機器M1的分解，即用M0的微程序解釋并執(zhí)行 M1的每一條機器指令 與匯編語言機器、高級語言機器不同，微程序機器M0機器也是實 際機器 通常將M1叫做傳統(tǒng)機器，將M0叫做微程序機器 計算機系統(tǒng)層次結構 具有四級層次結構的計算機系統(tǒng) 計算機系統(tǒng)層次結構 實際機器實際機器M1 （機器語言機器）（機器語言機器） 第一級第一級 用微程序解釋機器指令用微程序解釋機器指令 匯編程序將匯編語言程序先翻譯成匯編程序將匯編語言程序先翻譯成 機器語言程序，然后在機器語言程序，然后在M 上執(zhí)行 上執(zhí)行 第二級第二級 虛擬機器虛擬機器M2 （匯編語言機器）（

9、匯編語言機器） 用編譯程序或解釋程序先翻譯成匯編用編譯程序或解釋程序先翻譯成匯編 語言程序或其它中間語言程序語言程序或其它中間語言程序 第三級第三級 虛擬機器虛擬機器M3 （高級語言機器）（高級語言機器） 微程序機器微程序機器M0 （微指令系統(tǒng)）（微指令系統(tǒng)） 第零級第零級 由硬件直接執(zhí)行微指令由硬件直接執(zhí)行微指令 具有多級層次結構的計算機系統(tǒng) 實際機器與匯編語言虛擬機器之間由操作系統(tǒng)軟件構成的虛擬 機器 操作系統(tǒng)為用戶使用提供極其方便的條件 控制并管理系統(tǒng)硬件和軟件的全部資源 合理組織計算機的工作流程，以提高計算機系統(tǒng)資源的利用率 提供匯編語言、高級語言使用過程中所需的某些基本操作，提供給用

10、戶 良好的界面，使用戶不必了解硬件和軟件的細節(jié) 計算機系統(tǒng)層次結構 具有多級層次結構的計算機系統(tǒng) 隨著計算機應用和軟件技術的發(fā)展，在高級語言虛擬機之上又 出現了應用語言虛擬機 使用面向某種應用環(huán)境的應用語言編寫的程序一般是經應用 程序包翻譯成高級語言程序后，再逐級向下實現的 例如，信息處理系統(tǒng)，此時使用計算機的不是程序員，而是用戶 計算機系統(tǒng)層次結構 計算機系統(tǒng)層次結構 實際機器實際機器M1 （機器語言機器）（機器語言機器） 第一級第一級 用微程序解釋機器指令用微程序解釋機器指令 用匯編程序翻譯成機器語言程序用匯編程序翻譯成機器語言程序 第三級第三級 虛擬機器虛擬機器M3 （匯編語言機器）（匯

11、編語言機器） 用編譯程序或解釋程序翻譯成匯編用編譯程序或解釋程序翻譯成匯編 語言程序或其它中間語言程序語言程序或其它中間語言程序 第四級第四級 虛擬機器虛擬機器M4 （高級語言機器）（高級語言機器） 微程序機器微程序機器M0 （微指令系統(tǒng)）（微指令系統(tǒng)） 第零級第零級 由硬件直接執(zhí)行微指令由硬件直接執(zhí)行微指令 虛擬機器虛擬機器M2 （操作系統(tǒng)機器）（操作系統(tǒng)機器） 第二級第二級 用機器語言解釋操作系統(tǒng)用機器語言解釋操作系統(tǒng) 用應用程序包翻譯成高級語言程序用應用程序包翻譯成高級語言程序第五級第五級 虛擬機器虛擬機器M5 （應用語言機器）（應用語言機器） 硬件研究硬件研究 的對象的對象 軟件研究軟

12、件研究 的對象的對象 本課程的本課程的 研究對象研究對象 “透明” 將高級語言程序先翻譯成匯編語言程序將高級語言程序先翻譯成匯編語言程序 或機器語言程序，再在或機器語言程序，再在M1M1或或M2M2上運行上運行 將匯編語言程序先翻譯成機器語言程序，將匯編語言程序先翻譯成機器語言程序， 然后在然后在M1M1上運行上運行 計算機系統(tǒng)層次結構 實際機器實際機器M1M1 機器語言機器語言 虛擬機器虛擬機器M2M2 匯編語言匯編語言 虛擬機器虛擬機器M3M3 高級語言高級語言 機器語言程序直接在機器語言程序直接在M1M1上運行上運行 微指令系統(tǒng) 微程序機器微程序機器M0 M0 微程序微程序 用微程序解釋

13、機器指令，由硬件系統(tǒng)用微程序解釋機器指令，由硬件系統(tǒng) 直接執(zhí)行微程序直接執(zhí)行微程序 第一章 第二節(jié)計算機基本組成 TuringVonNeumann 計算機的發(fā)展歷程 通過建立指令、程序以及通用 機器執(zhí)行程序的理論模型，證明 了可以制造一種通用的機器計算 所有能想象得到的可計算函數 由三部分組成：一條可可無限延伸無限延伸 紙帶，一個在在帶子上左右移動的帶子上左右移動的 讀寫頭和一個控制裝置 圖靈機 Oncomputablenumbers,With applicationtoEntscheidungproblem 無限長的紙帶分成了一個個的小方 格，每個方格里都有數據。 讀寫頭在紙帶上移動，可以讀

14、寫方 格中的數據。 控制裝置有狀態(tài)寄存器，記錄當前 所處的狀態(tài)，還有固定的運行規(guī)則。 控制裝置根據讀入的數據，結合當 前的狀態(tài)，按照運行規(guī)則決定讀寫 頭的動作，進行移動，并轉換進入 新的狀態(tài)。 圖靈機 圖靈機不是一種具體的機器,而是一種思想模型 圖靈機證明了通用計算理論，理論上證明了研制通用數字計算機 的可行性，同時給出了計算機應有的主要架構； 圖靈機模型引入了讀寫與算法與程序語言的概念，突破了過去的 計算機器的設計理念； 圖靈機模型理論是計算學科最核心的理論，通用圖靈機的計算能 力就是計算機的極限計算能力，很多問題可以轉化到圖靈機這個 簡單的模型來考慮。 計算機應該如何工作？ 基本工作原理：

15、存儲程序控制 指令：使計算機完成某種特定操作的命令 操作碼+操作數 程序：程序員按一定算法編寫的、能完成某種解算任 務的指令有序序列。 計算機的基本工作原理 存儲程序控制工作原理 核心：存儲程序存儲程序+ +程序控制程序控制 計算機要自動完成解題任務，必須將事先設計好的、用以描述計計算機要自動完成解題任務，必須將事先設計好的、用以描述計 算機解題過程的程序如同數據一樣，采用二進制形式存儲在機器算機解題過程的程序如同數據一樣，采用二進制形式存儲在機器 中，計算機在工作時自動高速地從計算機中逐條取出指令并加以中，計算機在工作時自動高速地從計算機中逐條取出指令并加以 執(zhí)行執(zhí)行 要點： 1.輸入二進制

16、形式表示的數據和指令，存放在存儲器中 2.計算機在工作時依次逐條地從存儲器中取出指令加以執(zhí)行 計算機的基本工作原理 計算機里有什么？ 計算機構成的基礎 理論已經提出近七 十年了，組成計算 機的關鍵部件沒有 大的改變 ALU:完成算術和邏輯運算 Memory:存放運行時程序及其所需 要的數據的場所。 Input:信息進入計算機的設備。 Output:將處理結果展示給用戶的 設備。 Control:CPU的組成部分，它根據 程序指令來指揮ALU，memory以 及I/O運行，共同完成程序功能。 計算機的基本結構- Von Neumann結構 Computer Memory Input Output

17、 ALU Control 五大部件如何組織在一起？ 計算機的基本結構 A 以運算器為核心 的計算機基本結構 B以存儲器為核心 的計算機基本結構 典型馮諾依曼計算機硬件組成 現代計算機以存儲器為中心 原始的馮諾依曼計算機在結構上以運算器為核心 現代計算機系統(tǒng)結構中，為了改善性能，大多采用以存儲器為中心的 體系結構。 馮諾依曼計算機的局限性 馮諾依曼瓶頸：訪存 CPU與存儲器間的信息通路成為影響系統(tǒng)性能的“瓶頸”，單純地 依靠提高CPU速度和擴大存儲器容量無法解決。 指令的串行執(zhí)行方式影響了系統(tǒng)速度，即便相關數據已經準備好，也 必須逐條執(zhí)行指令。 計算機的基本結構 影響并行性的關鍵：共享數據和串行執(zhí)行 改進：提高并行性 多處理部件流水處理、陣列機結構 由多個馮諾依曼計算機組成多機系統(tǒng)，支持并行算法結構 顛覆