計(jì)算機(jī)組成原理

1、計(jì)算機(jī)組成原理主講人：江秀萍聯(lián)系方式：QQ:65585482 使用教材： 計(jì)算機(jī)組成原理 第三版 白中英主編 科學(xué)出版社 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第二版 鄭緯民等主編 清華大學(xué)出版社 How computer works Ron White著, Que出版 計(jì)算機(jī)組成原理教程 張基溫編著 清華大學(xué)出版社 全國高校信息管理專業(yè)系列教材 計(jì)算機(jī)原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 侯炳輝等編著 清華大學(xué)出版社 高等學(xué)校教材課程的組成課程的組成 課堂授課課堂授課 作業(yè)作業(yè) 總成績(jī)總成績(jī)= 30%= 30%的平時(shí)成績(jī)的平時(shí)成績(jī) + 70%+ 70%的考的考 試成績(jī)?cè)嚦煽?jī)課程要求 不遲到早退不遲到早退 記筆記記筆記 及時(shí)完成作業(yè)，不

2、完成沒有成績(jī)及時(shí)完成作業(yè)，不完成沒有成績(jī) 測(cè)驗(yàn)和考試不缺席測(cè)驗(yàn)和考試不缺席 及時(shí)反饋意見及時(shí)反饋意見主存主存 I/OI/O接口接口運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器內(nèi)部寄存器組內(nèi)部寄存器組CPU 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線主機(jī)主機(jī)輔存輔存I/O設(shè)備設(shè)備外設(shè)外設(shè)計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語言處理程序語言處理程序診斷程序診斷程序各種標(biāo)準(zhǔn)程序庫各種標(biāo)準(zhǔn)程序庫。MISERPOFFICEOUTLOOK。第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1 計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用1.2 計(jì)算機(jī)的硬件1.3 計(jì)算機(jī)

3、的軟件1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1 1.1 計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用人類的計(jì)算工具人類的計(jì)算工具算盤算盤計(jì)算尺計(jì)算尺機(jī)械計(jì)算機(jī)機(jī)械計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)19431946年美國賓夕法尼亞大學(xué)研制年美國賓夕法尼亞大學(xué)研制的電子數(shù)字積分器和計(jì)算機(jī)的電子數(shù)字積分器和計(jì)算機(jī)ENIAC是世界是世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的始祖?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的始祖。18萬多個(gè)電子管，萬多個(gè)電子管，1500個(gè)繼電器，重達(dá)個(gè)繼電器，重達(dá)30噸，噸，占地占地170平米，耗電平米，耗電140千瓦，每秒鐘能計(jì)算千瓦，每秒鐘能計(jì)算5000次加法。次加法。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1. 存儲(chǔ)容

4、量太小，只能存存儲(chǔ)容量太小，只能存20個(gè)字長個(gè)字長 為為10位的十進(jìn)制數(shù)位的十進(jìn)制數(shù) 2. 用線路連接的方法來編排程序，每用線路連接的方法來編排程序，每 次解題都需要人工改接連線，準(zhǔn)備時(shí)次解題都需要人工改接連線，準(zhǔn)備時(shí) 間大大超過了實(shí)際計(jì)算時(shí)間間大大超過了實(shí)際計(jì)算時(shí)間電子管計(jì)算機(jī)電子管計(jì)算機(jī)-ENIACENIAC40年代的編程方法 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類按信息的形式和處理方式分按信息的形式和處理方式分 電子模擬計(jì)算機(jī) 電子數(shù)字計(jì)算機(jī) 數(shù)字模擬混合計(jì)算機(jī) 通用計(jì)算機(jī) 專用計(jì)算機(jī) 巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)小型機(jī)、微型機(jī) 單片機(jī)單片機(jī) 按規(guī)模分：按規(guī)模分： 按

5、用途分按用途分1.1 計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用1.1.1 計(jì)算機(jī)的分類（1） 模擬：處理在時(shí)間和數(shù)值上連續(xù)的量 舉例：計(jì)算尺、時(shí)鐘、電表 數(shù)字：處理離散的量 舉例：電子計(jì)算機(jī)1.1 計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用（2）數(shù)字計(jì)算機(jī)分類： 專用計(jì)算機(jī)：如工控機(jī)、DSP、IOP 通用計(jì)算機(jī)：GPP（3）通用機(jī)分類： 巨型機(jī)（Super-Computer） 大型機(jī)（Mainframe） 中型機(jī)（Medium-size Computer） 小型機(jī)（minicomputer） 微型機(jī)（microcomputer） 單片機(jī)（Single-Chip Computer）1.1 計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用1.1 計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用1.1.

6、2 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 科學(xué)計(jì)算：傳統(tǒng)方式的工作量大、人工處 理慢 自動(dòng)控制：數(shù)控機(jī)床、流水線控制 測(cè)量和測(cè)試：提高精度、在惡劣條件下的 測(cè)量 信息處理：商務(wù)處理和管理應(yīng)用 教育和衛(wèi)生：計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)、多媒體教學(xué) 家用電器： 人工智能：1.2 計(jì)算機(jī)的硬件1.2.1 數(shù)字計(jì)算機(jī)的硬件組成 馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)： （1）采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令 （2）采用存儲(chǔ)程序方式 （3）有運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入裝置、輸出裝置等五大部件1、采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令在存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)和指令都是以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的。從存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的內(nèi)容來看兩者并無區(qū)別都是由0和1組成的代碼序列，只是各自約定的

7、含義不同而已。計(jì)算機(jī)在讀取指令時(shí)，把從計(jì)算機(jī)讀到的信息看作是指令；而在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，把從計(jì)算機(jī)讀到的信息看作是操作數(shù)。數(shù)據(jù)和指令在軟件編制中就已加以區(qū)分，所以正常情況下兩者不會(huì)產(chǎn)生混亂。有時(shí)我們也把存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)和指令統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)，因?yàn)槌绦蛐畔⒈旧硪部梢宰鳛楸惶幚淼膶?duì)象，進(jìn)行加工處理，例如對(duì)照程序進(jìn)行編譯，就是將源程序當(dāng)作被加工處理的對(duì)象。 2、采用存儲(chǔ)程序方式這是馮諾依曼思想的核心內(nèi)容。如前所述，它意味著事先編制程序，事先將程序(包含指令和數(shù)據(jù))存入主存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)在運(yùn)行程序時(shí)就能自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依次取出指令且執(zhí)行。這是計(jì)算機(jī)能高速自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)的工作體現(xiàn)為執(zhí)行程序，計(jì)算

8、機(jī)功能的擴(kuò)展在很大程度上也體現(xiàn)為所存儲(chǔ)程序的擴(kuò)展。計(jì)算機(jī)的許多具體工作方式也是由此派生的。馮諾依曼機(jī)的這種工作方式，可稱為控制流(指令流)驅(qū)動(dòng)方式。即按照指令的執(zhí)行序列，依次讀取指令，然后根據(jù)指令所含的控制信息，調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因此在執(zhí)行程序的過程中，始終以控制信息流為驅(qū)動(dòng)工作的因素，而數(shù)據(jù)信息流則是被動(dòng)地被調(diào)用處理。為了控制指令序列的執(zhí)行順序，設(shè)置一個(gè)程序(指令)計(jì)數(shù)器PC(Program Counter)，讓它存放當(dāng)前指令所在的存儲(chǔ)單元的地址。如果程序現(xiàn)在是順序執(zhí)行的，每取出一條指令后PC內(nèi)容加l，指示下一條指令該從何處取得。如果程序?qū)⑥D(zhuǎn)移到某處，就將轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址送入PC，以便按新地址

9、讀取后繼指令。所以，PC就像一個(gè)指針，一直指示著程序的執(zhí)行進(jìn)程，也就是指示控制流的形成。雖然程序與數(shù)據(jù)都采用二進(jìn)制代碼，仍可按照PC的內(nèi)容作為地址讀取指令，再按照指令給出的操作數(shù)地址去讀取數(shù)據(jù)。由于多數(shù)情況下程序是順序執(zhí)行的，所以大多數(shù)指令需要依次地緊挨著存放，除了個(gè)別即將使用的數(shù)據(jù)可以緊挨著指令存放外、一般將指令和數(shù)據(jù)分別存放在該程序區(qū)的不同區(qū)域內(nèi)。非馮諾依曼化 傳統(tǒng)的馮諾依曼型計(jì)算機(jī)從本質(zhì)上講是采取串行順序處理的工作機(jī)制，即使有關(guān)數(shù)據(jù)巳經(jīng)準(zhǔn)備好，也必須逐條執(zhí)行指令序列。而提高計(jì)算機(jī)性能的根本方向之一是并行處理。因此，近年來人們謀求突破傳統(tǒng)馮諾依曼體制的束縛，這種努力被稱為非諾依曼化。對(duì)所謂

10、非諾依曼化的探討仍在爭(zhēng)議中，一般認(rèn)為它表現(xiàn)在以下三個(gè)方面的努力。 （1）在馮諾依曼體制范疇內(nèi)，對(duì)傳統(tǒng)馮諾依曼機(jī)進(jìn)行改造，如采用多個(gè)處理部件形成流水處理，依靠時(shí)間上的重疊提高處理效率；又如組成陣列機(jī)結(jié)構(gòu)，形成單指令流多數(shù)據(jù)流，提高處理速度。這些方向已比較成熟，成為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)； （2）用多個(gè)馮諾依曼機(jī)組成多機(jī)系統(tǒng)，支持并行算法結(jié)構(gòu)。這方面的研究目前比較活躍；（3）從根本上改變馮諾依曼機(jī)的控制流驅(qū)動(dòng)方式。例如，采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)工作方式的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)，只要數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，有關(guān)的指令就可并行地執(zhí)行。這是真正非諾依曼化的計(jì)算機(jī)，它為并行處理開辟了新的前景，但由于控制的復(fù)雜性，仍處于實(shí)驗(yàn)探索之中。 CPU主存主

11、存外設(shè)外設(shè)系統(tǒng)系統(tǒng)總總 線線計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成內(nèi)部?jī)?nèi)部總總 線線控制器控制器運(yùn)算器運(yùn)算器寄存寄存器組器組CPU組成組成總線系統(tǒng)：各部件之間傳送信息的通路和器件總線系統(tǒng)：各部件之間傳送信息的通路和器件 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 輸入設(shè)備輸入設(shè)備 運(yùn)算器運(yùn)算器 控制器控制器 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果程序和數(shù)據(jù)程序和數(shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)的組成部件控制流控制流CS數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流DS1.2 計(jì)算機(jī)的硬件 運(yùn)算器：運(yùn)算器： 處理和計(jì)算數(shù)據(jù)處理和計(jì)算數(shù)據(jù) 控制器：控制器： 實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化 存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器： 存放數(shù)據(jù)和程序存放數(shù)據(jù)和程序 輸入設(shè)備：輸入數(shù)據(jù)和程序輸入設(shè)備：輸入數(shù)據(jù)和程序 輸出設(shè)備：輸出計(jì)算機(jī)

12、的處理結(jié)果輸出設(shè)備：輸出計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果 總線總線 包括數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線包括數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線 總總線連接各部件，傳輸相互間的信號(hào)線連接各部件，傳輸相互間的信號(hào)中央處理器（中央處理器（CPU）主機(jī)主機(jī)一般的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖（存儲(chǔ)器為中心）存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備控制器運(yùn)算器地址線控制線數(shù)據(jù)線1.2 計(jì)算機(jī)的硬件（1）1.運(yùn)算器： 完成二進(jìn)制編碼的算術(shù)或完成二進(jìn)制編碼的算術(shù)或邏輯運(yùn)算的部件。運(yùn)算器邏輯運(yùn)算的部件。運(yùn)算器由累加器（用符號(hào)由累加器（用符號(hào)LALA）、）、通用寄存器（用符號(hào)通用寄存器（用符號(hào)LBLB）和和算術(shù)邏輯單元（用符號(hào)算術(shù)邏輯單元（用符號(hào)ALUALU） 組成。組

13、成。（1）算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)（2）在計(jì)算機(jī)中參與運(yùn)算的數(shù)是二進(jìn)制（3）運(yùn)算器的長度運(yùn)算電路單元寄存器B累加器A相關(guān)概念 基本字長：指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)，它標(biāo)志著計(jì)算精度。位數(shù)越多，精度越高，但硬件成本也越高，因?yàn)樗鼪Q定著寄存器、運(yùn)算部件、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。（8、16、32位） 運(yùn)算速度：同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，執(zhí)行不同的運(yùn)算所需時(shí)間可能不同，因而對(duì)運(yùn)算速度的描述采用不同的方法。常用的CPU時(shí)鐘頻率、每秒平均執(zhí)行指令數(shù)（ips）、單獨(dú)注明時(shí)間等。1.2 計(jì)算機(jī)的硬件（2）2. 存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器包括內(nèi)存儲(chǔ)器、外存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器以及寄存器等。 （1）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序 （2）容量（存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)單

14、元地址、容量單位） （3）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存 （4）存儲(chǔ)器單位：1021byteK1021KM1021MG1021GT相關(guān)概念 存儲(chǔ)單元：在存儲(chǔ)器中把保存一個(gè)數(shù)的16個(gè)觸發(fā)器稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。 地址：存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成的，每個(gè)存儲(chǔ)單元都有編號(hào)，稱為地址。 存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器所有單元的總數(shù)稱為存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。 內(nèi)存：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器稱為內(nèi)存儲(chǔ)器。 外存儲(chǔ)器：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量有限，因此計(jì)算機(jī)中又配備了存儲(chǔ)容量更大的磁盤存儲(chǔ)器和光盤存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱外存1.2 計(jì)算機(jī)的硬件（3） 控制器控制器 用于控制整個(gè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)地、連續(xù)地和協(xié)調(diào)地完成一用于控制整個(gè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)地、連續(xù)地和協(xié)調(diào)地完

15、成一條條指令。由三大部件組成：條條指令。由三大部件組成：u 指令部件指令部件u 時(shí)序部件時(shí)序部件u 操作控制部件操作控制部件程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC指令寄存器指令寄存器IR程序譯碼器程序譯碼器ID由觸發(fā)器組成由觸發(fā)器組成一組邏輯電路一組邏輯電路時(shí)鐘信號(hào)源、節(jié)拍發(fā)生器和微操作電路時(shí)鐘信號(hào)源、節(jié)拍發(fā)生器和微操作電路1.2 計(jì)算機(jī)的硬件（3）3. 控制器 (1)控制器的基本任務(wù)：按照一定的順序一條 接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。 取指周期：取指令的一段時(shí)間。 執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時(shí)間 中央處理器：運(yùn)算器加控制器 主機(jī)：CPU與存儲(chǔ)器合稱主機(jī) (2)計(jì)算程序 指令：每一個(gè)基本操作稱為一個(gè)指令

16、 程序：解算某一個(gè)問題的一串指令序列， 叫做該問題的就算程序，簡(jiǎn)稱程序。 1.2 計(jì)算機(jī)的硬件（3） (3)指令的形式 操作碼：操作的性質(zhì) 地址碼：操作數(shù)的地址 存儲(chǔ)程序：將解題的程序存放到存儲(chǔ)器 程序控制：控制器根據(jù)存儲(chǔ)的程序來控 制全機(jī)協(xié)調(diào)地完成計(jì)算任務(wù)。 指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)所有的上百種基 本的指令。（486，586）操作碼 操作數(shù)1.2 計(jì)算機(jī)的硬件（3）（4） 指令流和數(shù)據(jù)流 字長：把組成一個(gè)字的二進(jìn)制位數(shù)稱為 字長。（8位機(jī)，16位機(jī)等等） 數(shù)據(jù)字：某字代表要處理的數(shù)據(jù)。 指令字：如果某字代表一個(gè)指令。 指令流：取指周期從內(nèi)存中讀出的信息流是 指令流。 數(shù)據(jù)流：在執(zhí)行周期從內(nèi)存中讀

17、出的信息流 是數(shù)據(jù)流。手工模仿計(jì)算機(jī)工作（1）手工模仿計(jì)算機(jī)工作（2） 加法001 減法010 乘法011 除法100 取數(shù)101 存數(shù)110 打印111 停機(jī)0001.2 計(jì)算機(jī)的硬件（4） 鼠標(biāo)、軟盤、鍵盤、觸摸屏、聲音識(shí)別器、圖形鼠標(biāo)、軟盤、鍵盤、觸摸屏、聲音識(shí)別器、圖形識(shí)別器、攝像設(shè)備和光閱讀機(jī)等。識(shí)別器、攝像設(shè)備和光閱讀機(jī)等。輸出設(shè)備輸出設(shè)備 打印機(jī)、繪圖儀、顯示終端、聲響設(shè)備、大屏幕等。打印機(jī)、繪圖儀、顯示終端、聲響設(shè)備、大屏幕等。輸入設(shè)備輸入設(shè)備4 4 適配器與適配器與I/OI/O設(shè)備設(shè)備存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器適配器適配器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)總線系統(tǒng)

18、總線1.2 計(jì)算機(jī)的硬件1.2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過去和未來發(fā)展：電子管晶體管集成電路大規(guī)模、超 大規(guī)模集成電路 趨勢(shì)： 由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能為信息處理提供廉價(jià)的服務(wù)，因此計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，“三網(wǎng)合一”，將進(jìn)入以通信為中心的體系結(jié)構(gòu)。 計(jì)算機(jī)智能化將進(jìn)一步發(fā)展，各種知識(shí)庫及人工智能技術(shù)將進(jìn)一步普及，人們將用自然語言和機(jī)器對(duì)話。計(jì)算機(jī)從數(shù)值計(jì)算為主過渡到知識(shí)推理為主，從而使計(jì)算機(jī)進(jìn)入知識(shí)處理階段。 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，不僅用多處理機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大型機(jī)系統(tǒng)功能，而且會(huì)出現(xiàn)計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，即所謂模塊化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 多媒體技術(shù)將有重大突破和發(fā)展，并在微處理機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

19、與通信等方面引起一次巨大變革。1.3 1.3 計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件 軟件 系統(tǒng)軟件 應(yīng)用軟件 操作系統(tǒng) 編輯程序 語言處理程序 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 裝配連接程序 通用軟件 用戶程序 計(jì)算機(jī)軟件是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用的各種程序和文計(jì)算機(jī)軟件是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用的各種程序和文檔資料的總稱檔資料的總稱1.3 計(jì)算機(jī)的軟件1.3.1 軟件的組成與分類 分類：系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序1.3.2 軟件的發(fā)展演變 手編程序（目的程序）匯編程序算法語言（高級(jí)語言） 高級(jí)語言與機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換：編譯系統(tǒng)、解釋系統(tǒng) 操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫 1.3 計(jì)算機(jī)的軟件 機(jī)器指令機(jī)器指令：CPUCPU能直接識(shí)別并遵照?qǐng)?zhí)行的指令。能直接識(shí)別并遵照?qǐng)?zhí)

20、行的指令。它在形式上表現(xiàn)為由它在形式上表現(xiàn)為由0 0和和1 1構(gòu)成的二進(jìn)制編碼。機(jī)構(gòu)成的二進(jìn)制編碼。機(jī)器指令一般由操作碼和操作數(shù)（地址碼）兩部分器指令一般由操作碼和操作數(shù)（地址碼）兩部分構(gòu)成，操作碼在前，操作數(shù)（地址碼）在后。構(gòu)成，操作碼在前，操作數(shù)（地址碼）在后。 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)的全部機(jī)器指令就是我們：一臺(tái)計(jì)算機(jī)的全部機(jī)器指令就是我們常說的計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。常說的計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。 機(jī)器語言：機(jī)器語言：是用二進(jìn)制編碼的機(jī)器指令的集合及是用二進(jìn)制編碼的機(jī)器指令的集合及一組使用機(jī)器指令的規(guī)則。是一組使用機(jī)器指令的規(guī)則。是CPUCPU能直接識(shí)別的能直接識(shí)別的唯一語言。只有用機(jī)器語言描

21、述的程序，唯一語言。只有用機(jī)器語言描述的程序，CPUCPU才才能直接執(zhí)行。用機(jī)器語言描述的程序稱為能直接執(zhí)行。用機(jī)器語言描述的程序稱為目的程目的程序或目標(biāo)程序序或目標(biāo)程序。1.3 計(jì)算機(jī)的軟件特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1.1.從形式上表現(xiàn)為由從形式上表現(xiàn)為由0 0、1 1序列組成的指令系統(tǒng)序列組成的指令系統(tǒng) 2.2.機(jī)器語言不需要經(jīng)過任何翻譯工作，執(zhí)行效率機(jī)器語言不需要經(jīng)過任何翻譯工作，執(zhí)行效率高高 3.3.難記憶，難理解，難開發(fā)，難調(diào)試，易出錯(cuò)難記憶，難理解，難開發(fā)，難調(diào)試，易出錯(cuò) 4.4.不同型號(hào)不同型號(hào)CPUCPU的指令集有較大差異，對(duì)應(yīng)的機(jī)的指令集有較大差異，對(duì)應(yīng)的機(jī)器指令也不同，器指令也不同，

22、但同一系列的但同一系列的CPUCPU指令集有向指令集有向上兼容性，如：上兼容性，如：Intel80386Intel80386指令集就包含了指令集就包含了80868086的指令集的指令集A0 00 2002 06 01 20A2 02 201.3 計(jì)算機(jī)的軟件 匯編語言：匯編語言：是一種采用助記符表示的程序設(shè)計(jì)語是一種采用助記符表示的程序設(shè)計(jì)語言。言。 即用助記符表示指令的操作碼和操作數(shù)即用助記符表示指令的操作碼和操作數(shù)A0 00 20 02 06 01 20A2 02 20MOV AL,VAR1ADD AL,VAR2MOV VAR3,AL匯編語言程序是匯編語言程序是符號(hào)化的機(jī)器語言程序符號(hào)化的

23、機(jī)器語言程序，也就是說匯，也就是說匯編語言程序中的每一條指令語句都與機(jī)器語言程序的編語言程序中的每一條指令語句都與機(jī)器語言程序的每一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)。每一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)。1.3 計(jì)算機(jī)的軟件 高級(jí)語言高級(jí)語言：由英文字母、數(shù)字、運(yùn)算符號(hào)：由英文字母、數(shù)字、運(yùn)算符號(hào)等按照一定的語法規(guī)則組成。計(jì)算機(jī)不會(huì)等按照一定的語法規(guī)則組成。計(jì)算機(jī)不會(huì)直接執(zhí)行，需將其翻譯成機(jī)器能執(zhí)行的語直接執(zhí)行，需將其翻譯成機(jī)器能執(zhí)行的語言言機(jī)器語言，再在機(jī)器上運(yùn)行。機(jī)器語言，再在機(jī)器上運(yùn)行。A0 00 20 02 06 01 20A2 02 20MOV AL,VAR1ADD AL,VAR2MOV VAR3,ALC=a+b1.3

24、 計(jì)算機(jī)的軟件 1、程序員用高級(jí)語言編寫程序、程序員用高級(jí)語言編寫程序 2、將程序與數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，并由計(jì)算機(jī)、將程序與數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，并由計(jì)算機(jī)將程序翻譯成機(jī)器語言程序，保存在計(jì)算將程序翻譯成機(jī)器語言程序，保存在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中機(jī)的存儲(chǔ)器中 3、運(yùn)行程序，輸出結(jié)果、運(yùn)行程序，輸出結(jié)果存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中用以存放原始數(shù)據(jù)、程序以及中間運(yùn)算結(jié)果的存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中用以存放原始數(shù)據(jù)、程序以及中間運(yùn)算結(jié)果的設(shè)備，最后的處理結(jié)果也往往先暫時(shí)存在存儲(chǔ)器中，然后再輸送設(shè)備，最后的處理結(jié)果也往往先暫時(shí)存在存儲(chǔ)器中，然后再輸送出去。出去。存儲(chǔ)器分成一個(gè)個(gè)單元，每個(gè)單元有自己的編號(hào)，稱為該單元的存儲(chǔ)器分成一個(gè)個(gè)單元，

25、每個(gè)單元有自己的編號(hào)，稱為該單元的地址。地址。數(shù)據(jù)或指令是以二進(jìn)制代碼形式存放在存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)或指令是以二進(jìn)制代碼形式存放在存儲(chǔ)器中。1.3 計(jì)算機(jī)的軟件用高級(jí)語言用高級(jí)語言編寫程序編寫程序翻譯成機(jī)器翻譯成機(jī)器語言語言執(zhí)行程序執(zhí)行程序人工編寫人工編寫計(jì)算機(jī)上運(yùn)行計(jì)算機(jī)上運(yùn)行計(jì)算機(jī)上運(yùn)行計(jì)算機(jī)上運(yùn)行源程序源程序目標(biāo)程序目標(biāo)程序輸出結(jié)果輸出結(jié)果1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.4.1 多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1.4.2 軟件與硬件的邏輯等價(jià)性第第0 0級(jí)級(jí)由硬件實(shí)現(xiàn)由硬件實(shí)現(xiàn)。第第1 1級(jí)級(jí)由微程序?qū)崿F(xiàn)由微程序?qū)崿F(xiàn)。第第2 2級(jí)級(jí)是傳統(tǒng)指令系統(tǒng)（機(jī)器語言）機(jī)器。是傳統(tǒng)指令系統(tǒng)（機(jī)器語言）機(jī)器。第第3

26、3級(jí)級(jí)是操作系統(tǒng)機(jī)器。是操作系統(tǒng)機(jī)器。操作系統(tǒng)是運(yùn)行在第級(jí)上的解釋程序操作系統(tǒng)是運(yùn)行在第級(jí)上的解釋程序第第4 4級(jí)級(jí)是匯編語言機(jī)器。是匯編語言機(jī)器。第第5 5級(jí)級(jí)是高級(jí)語言機(jī)器。是高級(jí)語言機(jī)器。第第6 6級(jí)級(jí)是應(yīng)用語言機(jī)器。是應(yīng)用語言機(jī)器。：第第0 0和第和第1 1級(jí)屬于計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)，第級(jí)屬于計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)，第3 3至第至第5 5級(jí)是系統(tǒng)軟件，第級(jí)是系統(tǒng)軟件，第6 6級(jí)是應(yīng)用軟件。級(jí)是應(yīng)用軟件。第第0 0級(jí)要求一定的數(shù)字邏輯基礎(chǔ)；第級(jí)要求一定的數(shù)字邏輯基礎(chǔ)；第2 2級(jí)級(jí)涉及匯編語言程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容；第涉及匯編語言程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容；第3 3級(jí)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切級(jí)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在特

27、殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，有些級(jí)別可能不存在。相關(guān)。在特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，有些級(jí)別可能不存在。虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器M4(高級(jí)語言機(jī)器高級(jí)語言機(jī)器)虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器M3(匯編語言或匯編語言或中間語言機(jī)器中間語言機(jī)器)虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器M2(操作系統(tǒng)語言機(jī)器操作系統(tǒng)語言機(jī)器)實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器M1(機(jī)器語言機(jī)器機(jī)器語言機(jī)器)高級(jí)語言程序經(jīng)編譯程序翻譯高級(jí)語言程序經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語言或中間語言程序成匯編語言或中間語言程序本級(jí)語言程序經(jīng)編譯程序翻譯成機(jī)本級(jí)語言程序經(jīng)編譯程序翻譯成機(jī)器語言程序或操作系統(tǒng)語言器語言程序或操作系統(tǒng)語言一般用機(jī)器語言解釋操作系統(tǒng)語言一般用機(jī)器語言解釋操作系統(tǒng)語言由硬件或微程序執(zhí)行機(jī)器語言

28、由硬件或微程序執(zhí)行機(jī)器語言硬件硬件依靠軟依靠軟件才存件才存在的機(jī)在的機(jī)器器應(yīng)用語言應(yīng)用語言物理計(jì)算機(jī)（硬件）虛擬計(jì)算機(jī)（軟件）高級(jí)語言高級(jí)語言匯編語言匯編語言系統(tǒng)原語系統(tǒng)原語機(jī)器指令系統(tǒng)機(jī)器指令系統(tǒng)機(jī)器指令時(shí)序機(jī)器指令時(shí)序硬操作時(shí)序硬操作時(shí)序第第1 1級(jí)級(jí)第第0 0級(jí)級(jí)第第2 2級(jí)級(jí)第第3 3級(jí)級(jí)第第4 4級(jí)級(jí)第第5 5級(jí)級(jí)第第6 6級(jí)級(jí)從語言功能層次劃分 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配軟硬件功能分配和和對(duì)軟硬件對(duì)軟硬件界面的確定界面的確定 指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（ISA）軟件軟件補(bǔ)充：計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（1）基本字長：基本字長是指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)，它標(biāo)志著計(jì)算精度。

29、位數(shù)越多，精度越高，但硬件成本也越高，因?yàn)樗鼪Q定著寄存器、運(yùn)算部件、數(shù)據(jù)總線等的位數(shù)。 （2）主存容量：主存儲(chǔ)器是CPU可以直接訪問的存儲(chǔ)器，需要執(zhí)行的程序與需要處理的數(shù)據(jù)就放在主存之中。主存容量大則可以運(yùn)行比較復(fù)雜的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的軟件支撐環(huán)境。所以，計(jì)算機(jī)處理能力的大小在很大程度上取決于主存容量的大小。（3）外存容量：外存容量一般是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中聯(lián)機(jī)運(yùn)行的外存儲(chǔ)器容量。由于操作系統(tǒng)、編譯程序及眾多的軟件資源往往存放在外存之中，需用時(shí)再調(diào)入主存運(yùn)行。在批處理、多道程序方式中，也常將各用戶待執(zhí)行的程序、數(shù)據(jù)以作業(yè)形式先放在外存中，再陸續(xù)調(diào)入主存運(yùn)行。所以，聯(lián)機(jī)外存容量也是

30、一項(xiàng)重要指標(biāo)，一般以字節(jié)數(shù)表示。 補(bǔ)充：計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) （3）運(yùn)算速度：同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，執(zhí)行不同的運(yùn)算所需時(shí)間可能不同，因而對(duì)運(yùn)算速度的描述常采用不同方法。常用的有CPU時(shí)鐘頻率、每秒平均執(zhí)行指令數(shù)(ips)、單獨(dú)注明時(shí)間等。 （4）所配置的外圍設(shè)備及其性能指標(biāo)外圍設(shè)備配置也是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的重要因素，所以在系統(tǒng)技術(shù)說明中常給出允許配置情況與實(shí)際配置情況。 系統(tǒng)軟件配置情況作為一種硬件系統(tǒng)，允許配置的系統(tǒng)軟件原則上是可以不斷擴(kuò)充的，但實(shí)際購買的某個(gè)系統(tǒng)究竟已配置哪些軟件，則表明它的當(dāng)前功能。 小結(jié)小結(jié)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件運(yùn)算器運(yùn)

31、算器控制器控制器寄存器寄存器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入輸入/ /輸出接口輸出接口I/OI/O設(shè)備設(shè)備CPUCPU系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線主機(jī)主機(jī)RAMRAMROMROM第二章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器 2.1 數(shù)據(jù)與文字的表示方法 2.2 定點(diǎn)加法、減法運(yùn)算 2.3 定點(diǎn)乘法運(yùn)算 2.4 定點(diǎn)除法運(yùn)算 2.5 定點(diǎn)運(yùn)算器的組成 2.6 浮點(diǎn)運(yùn)算方法和浮點(diǎn)運(yùn)算器本章需掌握的主要內(nèi)容 1 掌握定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)以及原碼、反碼、補(bǔ)碼的表示方法； 2 掌握補(bǔ)碼加減運(yùn)算的方法，溢出的概念與檢測(cè)方法，基本的二進(jìn)制加法。 3 理解定點(diǎn)乘法運(yùn)算和除法運(yùn)算的工作原理； 4 理解ALU的功能、設(shè)計(jì)方法和工作原理； 5 掌握基本的浮點(diǎn)運(yùn)算方法，

32、了解浮點(diǎn)運(yùn)算器的組成和原理； 6 理解內(nèi)部總線的概念、分類及特點(diǎn)； 2.1 數(shù)據(jù)與文字的表示方法 2.1.1 數(shù)據(jù)格式 在選擇計(jì)算機(jī)的數(shù)的表示方式時(shí)，應(yīng)當(dāng)全面考慮 以下幾個(gè)因素： 要表示的數(shù)的類型(小數(shù)、整數(shù)、實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù))：決定表示方式 可能遇到的數(shù)值范圍：確定存儲(chǔ)、處理能力 數(shù)值精確度：處理能力相關(guān) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理所需要的硬件代價(jià)：造價(jià)高低 1.定點(diǎn)數(shù)的表示方法 （1）定點(diǎn)純小數(shù) x0 x1 x2 x3 xn-1 xn 表示數(shù)的范圍是 0|12n符號(hào)符號(hào)小數(shù)點(diǎn)固定于符號(hào)位之后，小數(shù)點(diǎn)固定于符號(hào)位之后，不需專門存放位置不需專門存放位置量值量值(最小數(shù)、最大數(shù)、最接近0的正數(shù)、最接近0的負(fù)數(shù)）x

33、=0.00.0 x=1.00.0 x=0 正正0和負(fù)和負(fù)0都是都是0 X=0.11.1 x=12n 最大最大 X=0.00.01 x= 2n 最接近最接近0的正數(shù)的正數(shù) X=1.00.01 x=2n最接近最接近0的負(fù)數(shù)的負(fù)數(shù) X=1.11.1 x= (12n）)最小最小 1.定點(diǎn)數(shù)的表示方法 （1）定點(diǎn)純整數(shù) x0 x1 x2 x3 xn-1 xn表示數(shù)的范圍是 0|2n-1？最小數(shù)、最大數(shù)、最接近0的正數(shù)、最接近0的負(fù)數(shù)呢 符號(hào)符號(hào)量值量值小數(shù)點(diǎn)固定于最小數(shù)點(diǎn)固定于最后一位之后，不后一位之后，不需專門存放位置需專門存放位置2.浮點(diǎn)數(shù)的表示方法 浮點(diǎn)格式：容許的數(shù)值范圍很大，但要求的處理硬件比

34、較復(fù)雜。 1） 定點(diǎn)數(shù)表示法 定點(diǎn)指小數(shù)點(diǎn)的位置固定，為了處理方便，一般分為定點(diǎn)純整數(shù)和純小數(shù)。 2） 浮點(diǎn)數(shù)表示法(小數(shù)點(diǎn)位置隨階碼不同而浮動(dòng)) 2.浮點(diǎn)數(shù)的表示方法 格式 N=Re.m 機(jī)器中表示 浮點(diǎn)表示法，即小數(shù)點(diǎn)的位置是浮動(dòng)的。其思想來源于科學(xué)計(jì)數(shù)法。基數(shù)基數(shù),取固取固定的值定的值,比比如如10,2等等指數(shù)指數(shù)尾數(shù)尾數(shù)階符階符 階碼階碼 數(shù)符數(shù)符 尾數(shù)尾數(shù) IEEE754的浮點(diǎn)數(shù) 浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化：主要解決同一浮點(diǎn)數(shù)表示形式的不唯一性問題的規(guī)定，否則尾數(shù)要進(jìn)行左移或右移。 32位浮點(diǎn)數(shù) 64位浮點(diǎn)數(shù) 機(jī)器零的概念：尾數(shù)為0或是階碼值小于所能表示的最小數(shù)。S（31）E（30-23） M（22-0）S（63）E（62-52）M（51-0）十進(jìn)制數(shù)串的表示方法 字符串形式：一個(gè)字節(jié)存放一個(gè)十進(jìn)制的數(shù)位或符號(hào)位 BCD(壓縮)：一個(gè)字節(jié)存放兩個(gè)十進(jìn)制的數(shù)位 編碼方式有權(quán)碼： （8421碼、2421碼、5211碼） 無權(quán)碼： （余三碼、格雷碼） 自定義數(shù)據(jù)表示 標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示 描述符數(shù)據(jù)表示 區(qū)別：區(qū)別： 標(biāo)志符與每個(gè)數(shù)據(jù)相連，二者合起來存放在一個(gè)存儲(chǔ)單元，而描述符要和數(shù)據(jù)分開存放； 描述符表示中，先訪問描述符，后訪問數(shù)據(jù)，至少增加一次訪存； 描述符是程序的一部分，而不是數(shù)據(jù)的一部分。復(fù)習(xí) 1、 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的