計(jì)算機(jī)組成原理

計(jì)算機(jī)組成原理主講人：江秀萍聯(lián)系方式xp3382@126.comQQ: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HowcomputerworksRonWhite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堂授課作業(yè)總成績=30%的平時(shí)成績+70%的考試成績課程要求不遲到早退記筆記及時(shí)完成作業(yè)，不完成沒有成績測驗(yàn)和考試不缺席及時(shí)反饋意見計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本構(gòu)成主存I/O接口運(yùn)算器控制器內(nèi)部寄存器組CPU系統(tǒng)總線主機(jī)輔存I/O設(shè)備外設(shè)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)的基本構(gòu)成系統(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)語言處理程序診斷程序各種標(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)的軟件1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1計(jì)算機(jī)分類及應(yīng)用人類的計(jì)算工具算盤 計(jì)算尺機(jī)械計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)1943——1946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)ENIAC是世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)——現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的始祖。18萬多個(gè)電子管，1500個(gè)繼電器，重達(dá)30噸，占地170平米，耗電140千瓦，每秒鐘能計(jì)算5000次加法。缺點(diǎn)：1.存儲(chǔ)容量太小，只能存20個(gè)字長為10位的十進(jìn)制數(shù)2.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)間大大超過了實(shí)際計(jì)算時(shí)間電子管計(jì)算機(jī)-ENIACENIAC40年代的編程方法

計(jì)算機(jī)的分類按信息的形式和處理方式分巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)單片機(jī)按規(guī)模分：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-sizeComputer）小型機(jī)（minicomputer）微型機(jī)（microcomputer）單片機(jī)（Single-ChipComputer）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1.1.2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、流水線控制測量和測試：提高精度、在惡劣條件下的測量信息處理：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(ProgramCounter)，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)所謂非諾依曼化的探討仍在爭議中，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主存外設(shè)系統(tǒng)總線計(jì)算機(jī)組成內(nèi)部總線控制器運(yùn)算器寄存器組CPU組成總線系統(tǒng)：各部件之間傳送信息的通路和器件計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成

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)的組成部件控制流CS數(shù)據(jù)流DS計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成1.2計(jì)算機(jī)的硬件運(yùn)算器：處理和計(jì)算數(shù)據(jù)控制器：實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化存儲(chǔ)器：存放數(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)的處理結(jié)果總線包括數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線總線連接各部件，傳輸相互間的信號(hào)中央處理器（CPU）主機(jī)一般的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖（存儲(chǔ)器為中心）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)或邏輯運(yùn)算的部件。運(yùn)算器由累加器（用符號(hào)LA）、通用寄存器（用符號(hào)LB）和算術(shù)邏輯單元（用符號(hào)ALU）組成。（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)單元地址、容量單位）（3）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存（4）存儲(chǔ)器單位：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，簡稱外存1.2計(jì)算機(jī)的硬件（3）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)地完成一條條指令。由三大部件組成：指令部件時(shí)序部件操作控制部件程序計(jì)數(shù)器PC指令寄存器IR程序譯碼器ID由觸發(fā)器組成一組邏輯電路時(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、圖形識(shí)別器、攝像設(shè)備和光閱讀機(jī)等。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。輸入設(shè)備4適配器與I/O設(shè)備計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的一種構(gòu)成形式存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器適配器輸入設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)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：

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)與通信等方面引起一次巨大變革。1.3計(jì)算機(jī)軟件計(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：CPU能直接識(shí)別并遵照?qǐng)?zhí)行的指令。它在形式上表現(xiàn)為由0和1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）兩部分構(gòu)成，操作碼在前，操作數(shù)（地址碼）在后。指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)的全部機(jī)器指令就是我們常說的計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。機(jī)器語言：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CPU能直接識(shí)別的唯一語言。只有用機(jī)器語言描述的程序，CPU才能直接執(zhí)行。用機(jī)器語言描述的程序稱為目的程序或目標(biāo)程序。1.3計(jì)算機(jī)的軟件特點(diǎn)：1.從形式上表現(xiàn)為由0、1序列組成的指令系統(tǒng)2.機(jī)器語言不需要經(jīng)過任何翻譯工作，執(zhí)行效率高3.難記憶，難理解，難開發(fā)，難調(diào)試，易出錯(cuò)4.不同型號(hào)CPU的指令集有較大差異，對(duì)應(yīng)的機(jī)器指令也不同，但同一系列的CPU指令集有向上兼容性，如：Intel80386指令集就包含了8086的指令集A0002002060120A202201.3計(jì)算機(jī)的軟件匯編語言：是一種采用助記符表示的程序設(shè)計(jì)語言。即用助記符表示指令的操作碼和操作數(shù)A0002002060120A20220MOVAL,VAR1ADDAL,VAR2MOVVAR3,AL匯編語言程序是符號(hào)化的機(jī)器語言程序，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：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)直接執(zhí)行，需將其翻譯成機(jī)器能執(zhí)行的語言——機(jī)器語言，再在機(jī)器上運(yùn)行。A0002002060120A20220MOVAL,VAR1ADDAL,VAR2MOVVAR3,ALC=a+b1.3計(jì)算機(jī)的軟件1、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)將程序翻譯成機(jī)器語言程序，保存在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中3、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。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。1.3計(jì)算機(jī)的軟件用高級(jí)語言編寫程序翻譯成機(jī)器語言執(zhí)行程序人工編寫計(jì)算機(jī)上運(yùn)行計(jì)算機(jī)上運(yùn)行源程序目標(biāo)程序輸出結(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0級(jí)由硬件實(shí)現(xiàn)。第1級(jí)由微程序?qū)崿F(xiàn)。第2級(jí)是傳統(tǒng)指令系統(tǒng)（機(jī)器語言）機(jī)器。第3級(jí)是操作系統(tǒng)機(jī)器。操作系統(tǒng)是運(yùn)行在第２級(jí)上的解釋程序第4級(jí)是匯編語言機(jī)器。第5級(jí)是高級(jí)語言機(jī)器。第6級(jí)是應(yīng)用語言機(jī)器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)從學(xué)科領(lǐng)域來劃分：第0和第1級(jí)屬于計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)，第3至第5級(jí)是系統(tǒng)軟件，第6級(jí)是應(yīng)用軟件。它們之間仍有交叉：第0級(jí)要求一定的數(shù)字邏輯基礎(chǔ)；第2級(jí)涉及匯編語言程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容；第3級(jí)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(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M4(高級(jí)語言機(jī)器)虛擬機(jī)器M3(匯編語言或中間語言機(jī)器)虛擬機(jī)器M2(操作系統(tǒng)語言機(jī)器)實(shí)際機(jī)器M1(機(jī)器語言機(jī)器)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)器語言硬件依靠軟件才存在的機(jī)器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)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)語言匯編語言系統(tǒng)原語機(jī)器指令系統(tǒng)機(jī)器指令時(shí)序硬操作時(shí)序第1級(jí)第0級(jí)第2級(jí)第3級(jí)第4級(jí)第5級(jí)第6級(jí)從語言功能層次劃分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成及其實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對(duì)軟硬件界面的確定

指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（ISA）硬件軟件補(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。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)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件運(yùn)算器控制器寄存器存儲(chǔ)器輸入/輸出接口I/O設(shè)備CPU系統(tǒng)總線主機(jī)RAMROM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，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

x1x2x3…xn-1xn

表示數(shù)的范圍是0≤|ｘ|≤1－2－n符號(hào)小數(shù)點(diǎn)固定于符號(hào)位之后，不需專門存放位置量值(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=0.00...0x=1.00...0

x=0

正0和負(fù)0都是0

X=0.11...1

x=1－2－n

最大

X=0.00...01

x=2－n

最接近0的正數(shù)

X=1.00...01

x=－2－n最接近0的負(fù)數(shù)

X=1.11...1

x=－(1－2－n）)最小

1.定點(diǎn)數(shù)的表示方法（1）定點(diǎn)純整數(shù)

x0

x1x2x3…xn-1xn表示數(shù)的范圍是0≤|ｘ|≤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)量值小數(shù)點(diǎn)固定于最后一位之后，不需專門存放位置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?；鶖?shù),取固定的值,比如10,2等指數(shù)尾數(shù)階符

階碼

數(shù)符

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：

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)的概括？（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2、中央處理器是由哪兩大部件組成？3、主機(jī)又是指什么？4、計(jì)算機(jī)“運(yùn)算速度”指標(biāo)的含義是指每秒鐘能執(zhí)行多少條操作系統(tǒng)的命令。5、利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算部件和控制部件做在一塊集成電路芯片上，這樣的一塊芯片叫做單片機(jī)。6、決定計(jì)算機(jī)計(jì)算精度