計(jì)算機(jī)組成原理第一章概論-電子工業(yè)出版社--羅克露

1、主要知識(shí)點(diǎn)：主要知識(shí)點(diǎn)： （1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成,主要是硬件系統(tǒng)的組成 （2）計(jì)算機(jī)的基本設(shè)計(jì)思想-馮.諾依曼原理 （3）用層次結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成與功能重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)與難點(diǎn): 重點(diǎn)是： 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成、馮.諾依曼原理 難點(diǎn)是：層次結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成與功能 計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)理論計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)理論:1936年年, 圖靈圖靈(英國英國)發(fā)表論文發(fā)表論文:論文中心思想論文中心思想:論應(yīng)用于決定問題的可計(jì)算數(shù)字論應(yīng)用于決定問題的可計(jì)算數(shù)字機(jī)器需要機(jī)器需要:人類的工作可以分解成簡(jiǎn)單動(dòng)作人類的工作可以分解成簡(jiǎn)單動(dòng)作圖靈論題圖靈論題這種理想機(jī)器被稱為這種理想機(jī)器被稱為“圖靈機(jī)圖靈機(jī)”。

2、用于貯存計(jì)算結(jié)果用于貯存計(jì)算結(jié)果;表示運(yùn)算和數(shù)字表示運(yùn)算和數(shù)字;對(duì)運(yùn)算和數(shù)字進(jìn)行識(shí)別對(duì)運(yùn)算和數(shù)字進(jìn)行識(shí)別;計(jì)算過程中的下一步做什么計(jì)算過程中的下一步做什么;(1) 存存 儲(chǔ)儲(chǔ) 器器:(2) 一種語言一種語言:(3) 掃掃 描描:(4) 計(jì)算意向計(jì)算意向:(5) 執(zhí)行下一步計(jì)算。執(zhí)行下一步計(jì)算。 著名的圖靈論題：著名的圖靈論題： 凡可計(jì)算的函數(shù)都可用這樣的機(jī)器來實(shí)現(xiàn)凡可計(jì)算的函數(shù)都可用這樣的機(jī)器來實(shí)現(xiàn) 論題為計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生打下了理論基礎(chǔ)論題為計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生打下了理論基礎(chǔ) 第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生1946年年“電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī)電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī)” (ENIAC) 作用作用: 計(jì)算

3、炮彈、火箭等的彈道軌跡計(jì)算炮彈、火箭等的彈道軌跡 ENIAC的兩大缺點(diǎn)的兩大缺點(diǎn): 沒有內(nèi)部存儲(chǔ)器沒有內(nèi)部存儲(chǔ)器 不同計(jì)算需重新搭配組件不同計(jì)算需重新搭配組件計(jì)算計(jì)算 1計(jì)算計(jì)算3計(jì)算計(jì)算 2ENIAC 英國人的觀點(diǎn)英國人的觀點(diǎn): 第一臺(tái)計(jì)算機(jī)第一臺(tái)計(jì)算機(jī) 作用作用: 破譯德國破譯德國“謎式謎式”密碼密碼 “ENIAC”與與“巨人巨人”的共同點(diǎn)的共同點(diǎn): 專用專用 不具有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)特征不具有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)特征 英國于英國于1940年研制的年研制的“巨人巨人” 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)原型現(xiàn)代計(jì)算機(jī)原型該結(jié)構(gòu)明確規(guī)定該結(jié)構(gòu)明確規(guī)定: 計(jì)算機(jī)由五個(gè)組成部分計(jì)算機(jī)由五個(gè)組成部分: 第一臺(tái)商用計(jì)算機(jī)第一臺(tái)

4、商用計(jì)算機(jī): IBM 701 (1952年年) EDVAC1952年研制成功年研制成功(Electronic Discrete Variable Automatic Computer) 運(yùn)算器運(yùn)算器 馮馮諾依曼諾依曼: 存儲(chǔ)程序式通用計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)程序式通用計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu) 輸入設(shè)備輸入設(shè)備控制器控制器 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸出設(shè)備 (馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)諾依曼體系結(jié)構(gòu))1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成與特點(diǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成與特點(diǎn) 一、一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成 硬件組成-概括為兩句話： 以存儲(chǔ)器為中心，由五大部件組成。 見下面的組成框圖：運(yùn)運(yùn)算算器器輸輸入入設(shè)設(shè)備備輸輸出出設(shè)設(shè)備備存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器控控制制

5、器器程序請(qǐng)求命令狀態(tài)命令命令請(qǐng)求地址指令數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果數(shù)字計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)單框圖（1）存儲(chǔ)器 功能： 存放程序和數(shù)據(jù)，具有記憶功能。 （見下圖） 特點(diǎn)： 存儲(chǔ)單元是基本單位，每個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)地址，地址具有唯一性。 按地址訪問、每次對(duì)一個(gè)單元進(jìn)行讀出或?qū)懭搿?存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體讀寫控制電路讀寫控制電路地地址址譯譯碼碼000000000001111111地址總線數(shù)據(jù)總線讀寫命令存儲(chǔ)器組成框圖（2）運(yùn)算器 功能：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，（算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算） 特點(diǎn)：根據(jù)指令的含義對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，運(yùn)算的操作數(shù)通常來自存儲(chǔ)器/寄存器。運(yùn)算的結(jié)果存入存儲(chǔ)器/寄存器。（3）

6、控制器 功能：對(duì)指令進(jìn)行解釋、產(chǎn)生控制信號(hào)，控制計(jì)算機(jī)各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作。 特點(diǎn)：是計(jì)算機(jī)的指揮中心。（4）輸入設(shè)備和輸出設(shè)備 功能：完成信息形式的轉(zhuǎn)換，將人所習(xí)慣的各種信息形式轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以接受的形式，或反之將計(jì)算機(jī)出來的結(jié)果信息轉(zhuǎn)換為人可以接受的信息形式。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主機(jī)存儲(chǔ)器中央處理機(jī)CPU運(yùn)算器控制器系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件外設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成工作過程如下工作過程如下:(1) 編程、并組織相應(yīng)數(shù)據(jù)編程、并組織相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器(3) 執(zhí)行程序執(zhí)行程序(2) 程序和數(shù)據(jù)輸入程序和數(shù)據(jù)輸入 按地址取第一條指令按地址取第一條指令 指令譯碼指令譯碼 發(fā)出操作命令發(fā)出操作命令 根據(jù)操作結(jié)

7、果設(shè)置狀態(tài)位根據(jù)操作結(jié)果設(shè)置狀態(tài)位, 如：如：為為0 1 Z為為1 0 Z為正為正 0 S為負(fù)為負(fù) 1 S標(biāo)志位標(biāo)志位(4) 取下一條指令取下一條指令, 重復(fù)上述過程重復(fù)上述過程操作結(jié)果操作結(jié)果 指令指令i結(jié)果為結(jié)果為0 指令指令knoyes 指令指令m結(jié)合框圖和工作過程結(jié)合框圖和工作過程 結(jié)論結(jié)論: 從體系結(jié)構(gòu)的角度從體系結(jié)構(gòu)的角度: 以存儲(chǔ)器為中心的結(jié)構(gòu)以存儲(chǔ)器為中心的結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)工作原理的實(shí)質(zhì)計(jì)算機(jī)工作原理的實(shí)質(zhì): 從控制的角度從控制的角度: 以控制器為中心的結(jié)構(gòu)以控制器為中心的結(jié)構(gòu)(符合符合馮馮 諾依曼體系結(jié)構(gòu)思想諾依曼體系結(jié)構(gòu)思想)(操作性質(zhì)和時(shí)間關(guān)系操作性質(zhì)和時(shí)間關(guān)系) 信息以電信

8、號(hào)形式的流動(dòng)信息以電信號(hào)形式的流動(dòng) 流動(dòng)過程是受控的流動(dòng)過程是受控的 受控的表現(xiàn)是受控的表現(xiàn)是: 流動(dòng)方向流動(dòng)方向 流動(dòng)時(shí)機(jī)流動(dòng)時(shí)機(jī) 流動(dòng)時(shí)間流動(dòng)時(shí)間 控制過程的實(shí)現(xiàn)控制過程的實(shí)現(xiàn): 電子開關(guān)器件電子開關(guān)器件 控制的依據(jù)控制的依據(jù): 程序中的指令程序中的指令 二、存儲(chǔ)程序與馮二、存儲(chǔ)程序與馮. .諾依曼（諾依曼（Von NeumannVon Neumann）體制）體制 采用諾依曼體制的計(jì)算機(jī)稱“諾依曼型計(jì)算機(jī)”，具有以下特點(diǎn)： (1）采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制形式表示，都同樣存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。 (2）采用“存儲(chǔ)程序”和“程序控制”的設(shè)計(jì)思想。 “存儲(chǔ)程序”的設(shè)計(jì)思想是諾依

9、曼體制的核心。 “存儲(chǔ)程序”和“程序控制”的工作方式，稱為控制流（指令流）驅(qū)動(dòng)方式，這是諾依曼型計(jì)算機(jī)的基本特征。即按指令的執(zhí)行序列，依次讀取指令，根據(jù)指令所含的控制信息，調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。程序的執(zhí)行過程中，始終以控制信息流為驅(qū)動(dòng)工作的因素，而數(shù)據(jù)信息流則被動(dòng)的被調(diào)用處理。（3）由五大部件組成計(jì)算機(jī) 運(yùn)算器：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、處理的部件 控制器：對(duì)指令進(jìn)行解釋，產(chǎn)生控制信號(hào)， 控制各部件協(xié)調(diào)工作的部件 存儲(chǔ)器：存放程序和數(shù)據(jù)的部件，數(shù)據(jù)與指 令均是二進(jìn)制代碼形式存放。 輸入設(shè)備: 人機(jī)交互的接口。 輸出設(shè)備：人機(jī)交互的接口。1.2 1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織 1.2.1 硬件系統(tǒng)組

10、成 一、總線 總線是一組連接多個(gè)部件，可以分時(shí)、共享分時(shí)、共享 的公共信息傳輸線路。 按功能和完成任務(wù)， 總線可以劃分成以下4種1、CPU內(nèi)部總線2、部件內(nèi)總線3、系統(tǒng)總線4、外總線C CP PU UR RA AM MR RO OM MP PI IO OC CT TC C總總線線控控制制邏邏輯輯總總線線擴(kuò)擴(kuò)展展板板存存儲(chǔ)儲(chǔ)模模塊塊擴(kuò)擴(kuò)展展板板打打印印機(jī)機(jī)接接口口板板顯顯示示器器接接口口板板外外總總線線系系統(tǒng)統(tǒng)總總線線部部件件內(nèi)內(nèi)總總線線（） 局局部部總總線線與與系系統(tǒng)統(tǒng)總總線線結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖圖 CPU內(nèi)存設(shè)備接口設(shè)備接口系統(tǒng)總線（單總線結(jié)構(gòu)）CPU內(nèi)存設(shè)備接口設(shè)備接口內(nèi)存總線系統(tǒng)總線（雙總線結(jié)構(gòu)）

11、二、以總線為基礎(chǔ)的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、以總線為基礎(chǔ)的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)判定與分配選擇通道磁盤控制器磁盤控制器字節(jié)多路通道設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備設(shè)備數(shù)組多路通道設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備設(shè)備CPU主存磁盤磁盤磁盤I/O總線IO總線IO總線存儲(chǔ)總線三、采用通道或IOP的大型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、多機(jī)系統(tǒng)緊耦合多機(jī)系統(tǒng)C C P P U U 1 1L L M MC C P P U U 2 2L L M M共共 享享 存存 儲(chǔ)儲(chǔ) 器器I I/ /O OI I/ /O O2. 松耦合多處理機(jī)松耦合多處理機(jī) 1.2.2 軟件系統(tǒng)組成 （略）1.2.3 1.2.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 一、層次結(jié)構(gòu)

12、模型(1) 從軟、硬件組成角度劃分：（如下圖)數(shù)學(xué)模型、算法用戶程序作為軟件資源的應(yīng)用程序語言處理程序（解釋、編譯）操作系統(tǒng)機(jī)器語言（指令系統(tǒng)）微程序控制器硬連邏輯部件硬核系統(tǒng)分析級(jí)用戶程序級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)微程序級(jí)從組成角度劃分的層次結(jié)構(gòu)模型 自下而上的設(shè)計(jì)、分析方法： 反映計(jì)算機(jī)系統(tǒng)逐級(jí)生成的過程。 自上而下的設(shè)計(jì)、分析方法： 反映計(jì)算機(jī)問題求解的過程。（2） 從使用語言的角度，按邏輯功能劃分：（如下圖）專用語言虛擬機(jī)高級(jí)語言虛擬機(jī)匯編語言虛擬機(jī)實(shí)際機(jī)器（機(jī)器語言物理機(jī)）程序 虛擬機(jī)的概念： 通過配置軟件后擴(kuò)充了功能的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，叫虛擬機(jī)。 如： 匯編語言虛擬機(jī)、 高級(jí)語言虛擬機(jī)、專用

13、語言虛擬機(jī)（例CAD語言虛擬機(jī)）。1.2.4 硬、軟件的功能劃分與邏輯上的等價(jià)硬、軟件的功能劃分與邏輯上的等價(jià)性能性能 軟件軟件硬件硬件硬件比例少硬件比例少硬件比例增加硬件比例增加在完成相同功能的前提下在完成相同功能的前提下:價(jià)格價(jià)格技術(shù)條件要求技術(shù)條件要求性能性能 價(jià)格價(jià)格技術(shù)條件要求技術(shù)條件要求硬件硬件軟件軟件 硬件軟化硬件軟化: 軟件完成較復(fù)雜功能軟件完成較復(fù)雜功能, 以降低以降低硬件開銷。硬件開銷。 軟件硬化軟件硬化: 硬件完成較復(fù)雜功能硬件完成較復(fù)雜功能, 以提高以提高處理速度。處理速度。 軟件固化軟件固化: 運(yùn)行微程序?qū)崿F(xiàn)較復(fù)雜功能運(yùn)行微程序?qū)崿F(xiàn)較復(fù)雜功能,以提高性價(jià)比。以提高性價(jià)

14、比。功能分配與設(shè)計(jì)目標(biāo)、技術(shù)條件有關(guān)功能分配與設(shè)計(jì)目標(biāo)、技術(shù)條件有關(guān)。 關(guān)于關(guān)于指令系統(tǒng)的最小功能集合指令系統(tǒng)的最小功能集合1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)1. 基本字長(zhǎng)基本字長(zhǎng) 指操作數(shù)的基本位數(shù)。指操作數(shù)的基本位數(shù)。 它影響計(jì)算精度、指令功能。它影響計(jì)算精度、指令功能。2. 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量 （1）主存容量）主存容量 指存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)指存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)位數(shù)。位數(shù)。決定地址位數(shù)決定地址位數(shù)表明編址單位表明編址單位表示為表示為: 字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)字長(zhǎng)字長(zhǎng)(按字編址按字編址) 或或 字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)(按字節(jié)編址按字節(jié)編址)（2）外存容量）外存容量 常表示為常表示為字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)。 外存容量與地址碼位數(shù)無關(guān)。外存容