計(jì)算機(jī)組成原理：1-1 概論

學(xué)習(xí)指南本課程的性質(zhì)計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科生的核心課程之一，是必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。本課程的地位本課程在計(jì)算機(jī)學(xué)科中處于承上啟下的地位，要求先修的課程有計(jì)算機(jī)導(dǎo)論，數(shù)字電路本課程的任務(wù)討論單機(jī)系統(tǒng)范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)各部件和系統(tǒng)的組成以及內(nèi)部工作機(jī)制。本課程的重點(diǎn)五大基本部件的原理及實(shí)現(xiàn)。參考書(shū)白中英，計(jì)算機(jī)組成原理，北京科學(xué)出版社。王閔，計(jì)算機(jī)組成原理，電子工業(yè)出版社。候炳輝，計(jì)算機(jī)原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，清華大學(xué)出版社。課程的主要內(nèi)容第1章概論第2章數(shù)據(jù)的機(jī)器層次表示第3章指令系統(tǒng)第4章數(shù)值的機(jī)器運(yùn)算第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)第6章中央處理器第7章外部設(shè)備第8章輸入輸出系統(tǒng)本課程的要求授課總學(xué)時(shí)

64學(xué)時(shí)（4學(xué)時(shí)/周，共授課16周）作業(yè)從第三周開(kāi)始，逢單周星期四為交作業(yè)時(shí)間，只有當(dāng)作業(yè)收齊交到講臺(tái)上后才開(kāi)始上課課程總評(píng)成績(jī)計(jì)算方法作業(yè)占10-15%平時(shí)考勤、課堂提問(wèn)占10%期末考試占75-80%第1章概論1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲(chǔ)程序控制1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程和主要性能指標(biāo)1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲(chǔ)程序控制電子計(jì)算機(jī)從信息形式和處理方式上可分為電子模擬計(jì)算機(jī)用電路之間的關(guān)系來(lái)模擬其他物理量的計(jì)算，計(jì)算機(jī)中數(shù)值由連續(xù)的量來(lái)表示。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)中的數(shù)值由離散的數(shù)值來(lái)表示。電子數(shù)字-模擬混合計(jì)算機(jī)以上兩者的結(jié)合，在某種場(chǎng)合能發(fā)揮兩種機(jī)器的長(zhǎng)處?？梢杂蟹请娮佑?jì)算機(jī)如：光計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等。

存儲(chǔ)程序概念

——由馮·諾依曼等人在1946年6月提出存儲(chǔ)程序概念：計(jì)算機(jī)（指硬件）應(yīng)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成；計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來(lái)表示指令和數(shù)據(jù)；將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲(chǔ)器中，然后再啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作，這就是存儲(chǔ)程序的基本含義。目前絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍建立在存儲(chǔ)程序概念的基礎(chǔ)上，稱(chēng)馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)。1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成運(yùn)算器控制器主存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備輔助存儲(chǔ)器CPU控制流數(shù)據(jù)流

地址或指令主機(jī)外設(shè)

存儲(chǔ)器中央處理器（CPU）=運(yùn)算器+控制器主機(jī)

=

中央處理器+主存儲(chǔ)器外部設(shè)備=除去主機(jī)以外的硬件裝置（如輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、輔助存儲(chǔ)器等）

輸出設(shè)備

輸入設(shè)備

運(yùn)算器

控制器

存儲(chǔ)器計(jì)算結(jié)果程序和數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的直接通路聯(lián)接法指令流數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的硬件組成執(zhí)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算從計(jì)算機(jī)外部輸入信息存放數(shù)據(jù)、指令等分析指令，控制指令的執(zhí)行，協(xié)調(diào)其它部件工作將加工后的信息輸出存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器接口輸入設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)總線計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的總線聯(lián)接法計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)——運(yùn)算器運(yùn)算器的功能是計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)加工的部件。運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)算術(shù)邏輯單元ALU——ArithmeticLogicalUnit進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件由加法器和控制邏輯電路組成寄存器存貯參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)ALU暫存器1暫存器2R0Rn通用寄存器組至數(shù)據(jù)總線自數(shù)據(jù)總線計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)——運(yùn)算器運(yùn)算器主要的性能是影響整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的重要因素運(yùn)算器并行處理的二進(jìn)制代碼的位數(shù)(字長(zhǎng))↗，則處理數(shù)的范圍↗，精度↗運(yùn)算器進(jìn)行基本運(yùn)算的速度,將直接影響系統(tǒng)的速度精度、速度是運(yùn)算器的重要性能參數(shù)ALU暫存器1暫存器2R0Rn通用寄存器組至數(shù)據(jù)總線自數(shù)據(jù)總線計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)——存貯器存貯器的功能是存放程序和數(shù)據(jù)，是計(jì)算機(jī)中各種信息的存貯和交流中心。存貯器的結(jié)構(gòu)——一座巨大的旅館存貯單元——房間存貯單元地址——房號(hào)（唯一）每個(gè)存貯單元存放若干位二進(jìn)制代碼，而房間可住若干個(gè)人計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)——存貯器存貯器所含二進(jìn)制信息的總和叫存貯容量存貯容量計(jì)量單位單位通常意義實(shí)際表示K(千)103IK=210=1024M(兆)1061M=210K=220=1048576G(吉)1091G=210M=230=1073741824T(太)10121T=210G=240=1099511627776P(皮)10151P=210T=250=1125866906842624計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)——存貯器存貯容量大↗，處理問(wèn)題的范圍大↗，計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)↗存貯器的存取速度快↗，運(yùn)算程序的速度快↗存貯器的主要性能指標(biāo)容量速度存貯器按功能分為主存貯器（主存）——存放運(yùn)行的當(dāng)前程序和數(shù)據(jù)輔存貯器（外存）——存放暫不運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)——控制器控制器的功能——讀取程序的指令，并對(duì)其譯碼后產(chǎn)生相應(yīng)的控制命令串，以使機(jī)器各部分按要求協(xié)調(diào)地工作即控制器要向計(jì)算機(jī)各功能部件提供每一時(shí)刻協(xié)同運(yùn)行所需要的控制信號(hào)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)——I/O部件I/O部件的功能——完成人機(jī)聯(lián)系的部件I/O部件的組成——I/O設(shè)備設(shè)備接口術(shù)語(yǔ)：輔存和I/O設(shè)備合稱(chēng)——外圍設(shè)備計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)——總線早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)部件采用直接通路聯(lián)接法主要優(yōu)點(diǎn)：速度快主要缺點(diǎn)：不易于擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)——總線總線(BUS)——是信息傳遞的一組公共通路目前在計(jì)算機(jī)中廣泛應(yīng)用按傳遞信息的類(lèi)別的不同，總線可分為地址總線（AB）——單向數(shù)據(jù)總線（DB）——雙向控制總線（CB）——雙向優(yōu)點(diǎn)——減少各部件間聯(lián)接線，易于擴(kuò)展缺點(diǎn)——速度低，控制復(fù)雜接口接口外設(shè)外設(shè)…CPU主存儲(chǔ)器

系統(tǒng)總線

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)思想

馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)是一種將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置。使用馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的中央處理器有很多，如：Intel公司的80X86、ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS等。哈佛結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)思想

哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。CPU首先到程序存儲(chǔ)器中讀取指令內(nèi)容，譯碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作。哈佛結(jié)構(gòu)的處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處理器也有很多，如MOTOROLA公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。系統(tǒng)軟件

應(yīng)用軟件計(jì)算機(jī)軟件

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)語(yǔ)言處理程序診斷程序各種標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù)…MISERPOFFICEOUTLOOK1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件的組成為用戶(hù)便于使用和管理計(jì)算機(jī)而編制的程序，由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和廠家提供。為解決某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的具體任務(wù)而編制的程序主存主機(jī)計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的組成計(jì)算機(jī)硬件是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的所有實(shí)體部件的集合,通常這些部件由電路、機(jī)械等物理部件組成，它們“看得見(jiàn)模得著”CPUCPU輔存I/O設(shè)備運(yùn)算器控制器外設(shè)硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂。軟、硬件是相輔相成、不可分割的整體。系列機(jī)和軟件兼容系列機(jī)指一個(gè)廠家生產(chǎn)的、具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。系列機(jī)應(yīng)在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、字符編碼、中斷系統(tǒng)、控制方式、輸入/輸出操作方式等方面保持統(tǒng)一，從而保證軟件的兼容性——向上兼容——力爭(zhēng)做到向下兼容向前兼容向后兼容——必須保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)

一般用戶(hù)觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)用戶(hù)觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

不同對(duì)象觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是不同的

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

不同對(duì)象觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)硬件與軟件組成的綜合體，我們可以把它看成是按功能劃分的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。在多層結(jié)構(gòu)中每一層機(jī)器都有自己的語(yǔ)言每一層語(yǔ)言都要通過(guò)翻譯或解釋由低一層次的機(jī)器來(lái)實(shí)現(xiàn)微程序級(jí)（實(shí)際機(jī)器）機(jī)器語(yǔ)言級(jí)（實(shí)際機(jī)器）匯編語(yǔ)言級(jí)（虛擬機(jī)器）應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)（虛擬機(jī)器）高級(jí)語(yǔ)言級(jí)（虛擬機(jī)器）操作系統(tǒng)級(jí)（虛擬機(jī)器）硬操作時(shí)序（實(shí)際機(jī)器）第0級(jí)

第1級(jí)

第2級(jí)

第3級(jí)

第4級(jí)

第5級(jí)第6級(jí)硬聯(lián)邏輯（實(shí)際機(jī)器）微程序級(jí)（實(shí)際機(jī)器）機(jī)器語(yǔ)言級(jí)（實(shí)際機(jī)器）操作系統(tǒng)級(jí)（虛擬機(jī)器）匯編語(yǔ)言級(jí)（虛擬機(jī)器）高級(jí)語(yǔ)言級(jí)（虛擬機(jī)器）應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)（虛擬機(jī)器）硬聯(lián)邏輯微程序操作系統(tǒng)匯編程序編譯程序應(yīng)用程序計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)微程序級(jí)——微指令集，微程序可直接由硬件執(zhí)行。機(jī)器語(yǔ)言級(jí)——指令系統(tǒng)，機(jī)器語(yǔ)言程序可由微程序進(jìn)行解釋。操作系統(tǒng)級(jí)——它直接管理傳統(tǒng)機(jī)器的軟硬件資源，它是傳統(tǒng)機(jī)器的延伸。匯編語(yǔ)言級(jí)——匯編語(yǔ)言，完成匯編語(yǔ)言程序的翻譯。高級(jí)語(yǔ)言級(jí)——各種高級(jí)語(yǔ)言，通常用編譯程序來(lái)完成翻譯工作。應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)——各種面向問(wèn)題的應(yīng)用語(yǔ)言，為使計(jì)算機(jī)滿(mǎn)足某用途而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。微程序級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)匯編語(yǔ)言級(jí)應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)硬聯(lián)邏輯第0級(jí)

第1級(jí)

第2級(jí)

第3級(jí)

第4級(jí)

第5級(jí)第6級(jí)硬聯(lián)邏輯微程序級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)匯編語(yǔ)言級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí)應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)硬聯(lián)邏輯微程序操作系統(tǒng)匯編程序編譯程序應(yīng)用程序虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器和虛擬機(jī)器對(duì)每一個(gè)機(jī)器級(jí)的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，都可以將此機(jī)器級(jí)看成是一臺(tái)獨(dú)立的使用自己特有的“機(jī)器語(yǔ)言”的機(jī)器。虛擬計(jì)算機(jī)是指這個(gè)計(jì)算機(jī)只對(duì)該級(jí)的觀察者存在。虛擬計(jì)算機(jī)——指以軟件或以軟件為主實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。微程序級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)匯編語(yǔ)言級(jí)應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)硬聯(lián)邏輯第0級(jí)

第1級(jí)

第2級(jí)

第3級(jí)

第4級(jí)

第5級(jí)第6級(jí)硬聯(lián)邏輯微程序級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)匯編語(yǔ)言級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí)應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)硬聯(lián)邏輯微程序操作系統(tǒng)匯編程序編譯程序應(yīng)用程序虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器Movax,[01000]Xchgax,[01010]Mov[01000],axtemp=v[k];v[k]=v[k+1];v[k+1]=temp;000010011100011010101111010110001010111101011000000010011100011011000110101011110101高級(jí)語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序一般機(jī)器級(jí)微程序設(shè)計(jì)級(jí)編譯器匯編器機(jī)器解釋同一程序可以在不同復(fù)雜度級(jí)別進(jìn)行表示

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)硬件與軟件的關(guān)系計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中沒(méi)有一條明確的硬件與軟件的分界線。硬件和軟件之間的界面是浮動(dòng)的。對(duì)于程序設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，硬件和軟件在邏輯上是等價(jià)的。微程序級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)匯編語(yǔ)言級(jí)應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)硬聯(lián)邏輯第0級(jí)

第1級(jí)

第2級(jí)

第3級(jí)

第4級(jí)

第5級(jí)第6級(jí)硬聯(lián)邏輯微程序級(jí)

機(jī)器語(yǔ)言級(jí)

操作系統(tǒng)級(jí)

匯編語(yǔ)言級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí)應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)硬聯(lián)邏輯微程序操作系統(tǒng)匯編程序編譯程序應(yīng)用程序虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器軟件與硬件的邏輯等價(jià)性同一種功能可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件或固件實(shí)現(xiàn)，它們?cè)谶壿嫻δ苌鲜堑葍r(jià)的，不同的只是性能和價(jià)格不同用軟件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)成本↘、速度↘、占內(nèi)存↗、可靠性↗用硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)成本↗、速度↗、不占內(nèi)存、可靠性↘固件——介于傳統(tǒng)的軟件和硬件間的實(shí)體。功