計算機組成原理第一章系統(tǒng)概述T

第一章計算機系統(tǒng)概論

一、考試范圍：（一）計算機發(fā)展歷程（二）計算機層次結(jié)構(gòu)1、計算機硬件的基本組成2、計算機軟件的分類3、計算機的工作過程（三）計算機性能指標吞吐量、響應(yīng)時間；CPU時鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時間；MIPS、MFLOPS。1

二、復(fù)習要點了解計算機發(fā)展歷程了解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的硬件基本組成、軟件分類和工作過程。了解計算機性能指標及有關(guān)的計算和術(shù)語解釋

軟件、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。高級語言、匯編語言、機器語言。存儲單元、存儲元件、存儲基元、存儲字、存儲字長、存儲容量。機器字長、指令字長、存儲字長。英文縮寫：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MAR、MDR、I／O、MIPS、CPI、MIPS、MIPS。2一、硬件的發(fā)展第一代電子管時代(1946-1957)

耗電高，體積大，定點計算，機器語言，匯編語言第二代晶體管時代(1958-1964)

變集中處理為分級處理，浮點運算、高級語言第三代中小規(guī)模集成電路時代(1965-1971)

存儲容量大，運算速度快，幾十至幾百萬次/秒第四代大規(guī)模集成電路時代(1971至今)

向大型機和微型機兩個方向發(fā)展現(xiàn)代計算機發(fā)展方向巨型化，微型化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，多媒體化，多核。31.1計算機的發(fā)展歷程二、計算機的分類信號類型分類：模擬計算機和數(shù)字計算機。規(guī)模分類：嵌入式、單片機、微型機、小型機、中型機、大型機和巨型機。發(fā)展歷程分：電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路計算機。指令流和數(shù)據(jù)流：1）單指令流和單數(shù)據(jù)流SISD（馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)）；2）單指令流和多數(shù)據(jù)流SIMD（向量處理機）；3）多指令流和單數(shù)據(jù)流MISD（實際不存在）；4）多指令流和多數(shù)據(jù)流MIMD（多處理機和多計算機系統(tǒng)）。41.1計算機的發(fā)展歷程1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)一、

計算機硬件的基本組成

1、馮·諾依曼計算機

1945年，馮·諾依曼提出了存儲程序的概念，即將程序和數(shù)據(jù)一起存放在存儲器中，稱為馮.諾依曼機。其特點為：

(1)計算機硬件由運算器、存儲器、控制器和輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成。

(2)指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器內(nèi)．并可按地址尋訪。5(3)指令和數(shù)據(jù)均用二進制代碼表示。

(4)指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)在存儲器中的位置。

(5)指令在存儲器內(nèi)按順序存放。通常，指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據(jù)運算結(jié)果或根據(jù)設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序。

(6)早期的馮.諾依曼機以運算器為中心，輸入輸出設(shè)備通過運算器與存儲器傳送數(shù)據(jù)。61.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)2、計算機硬件的組成CPU（包括運算器和控制器）存儲器ROMRAM輸入/輸出設(shè)備(I/O設(shè)備)總線D—BUSA—BUSC—BUS7運算器和控制器

CPU存儲器輸入輸出設(shè)備地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)馮·諾依曼計算機硬件框圖8算術(shù)運算邏輯運算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機器能識別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運行存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)二、

計算機軟件的組成9軟件組成系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)或管理軟件匯編程序高級語言的編譯或解釋程序故障診斷或檢驗程序系統(tǒng)調(diào)試程序數(shù)據(jù)庫管理程序使用者根據(jù)需要采用各類語言編寫的各種應(yīng)用程序，包括各類應(yīng)用軟件包

沒有配備任何軟件的“裸機”無法投入使用，沒有配備足夠的軟件，其功能就不能很好的發(fā)揮。計算機軟件的分類如下：

1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

計算機的語言簡介10自然語言：人類相互交流信息所用的語言

高級語言：由于當前的計算機還不具備理解自然語言的能力，于是人們希望找到一種和自然語言接近并能為計算機接受的語言，這種語言被稱為計算機的高級語言。

匯編語言：用助記符和符號地址表示的語言，屬于低級語言。機器語言：然而目前的通用計算機不會直接執(zhí)行用高級語言編寫的程序，因而要先將其翻譯成機器能執(zhí)行的語言，這種語言被稱為機器語言（由二進制代碼表示的指令組成）。1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

三、計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

計算機系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)．它由硬件和軟件兩大部分組成。讀者必頒清楚地認識到硬件和軟件各自在計算機系統(tǒng)中的地位和作用以及它們相互之間的依存關(guān)系。硬件是指計算機的實體部分。它由看得見摸得著的各種電子元器件及各類光、電、機設(shè)備的實物組成，包括主機、外設(shè)等。軟件是看不見摸不著的，由人們事先編制成的具有各類特殊功能的信息組成。通常把這些信息，諸如各類程序存儲于各類媒體中，如RAM、ROM、磁盤、光盤、磁帶甚至紙帶等。

111.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

硬件必須依靠軟件來發(fā)揮其自身的各種功能及提高自身的工作效率。軟件甚至還能使硬件發(fā)揮類似人腦思維的功能。計算機系統(tǒng)倘若失去了軟件，其硬件將一籌莫展，猶如人類失去了大腦。而軟件必須依托硬件的支撐才能真正施展其才華，一旦失去了硬件，猶如人類失去了軀體，軟件也毫無意義。因此，計算機系統(tǒng)的軟、硬件互依互存，互相發(fā)展，缺一不可。121.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)13高級語言虛擬機器M3匯編語言虛擬機器M2機器語言實際機器M1微指令系統(tǒng)微程序機器M01.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)14用編譯程序翻譯成匯編語言程序用匯編程序翻譯成機器語言程序用機器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件虛擬機器M4虛擬機器M3虛擬機器M2實際機器M1微程序機器M01.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)15程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計算機體系結(jié)構(gòu)計算機組成實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性有無乘法指令如何實現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/O機理）（具體指令的實現(xiàn)）計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)四、計算機的工作過程本節(jié)要求讀者掌握一個較細化的計算機組成框圖，如下圖所示。而且要求根據(jù)此圖描述計算機內(nèi)部的控制流和數(shù)據(jù)流的變化，從而初步認識計算機內(nèi)部的工作過程。圖中主存儲器由存儲體M、MAR和MDR組成。存儲體由很多存儲單元組成，用來存放指令或數(shù)據(jù)，MAR存放欲訪問的存儲單元的地址，MDR存放從存儲單元讀出的信息或即將存入某存儲單元的信息。運算器由累加器Acc、操作數(shù)寄存器x和算術(shù)邏輯部件ALU組成，用來完成算術(shù)運算和邏輯運算。控制器由PC、IR、CU組成，PC存放欲執(zhí)行指令的地址，IR存放欲執(zhí)行的指令，CU用來發(fā)出各種操作命令。161.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)171.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.上機前的準備建立數(shù)學模型-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序確定計算方法程序—運算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令—每一個步驟（一）、計算機的工作步驟1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)取x

至運算器中乘以x

在運算器中乘以a在運算器中存ax2在存儲器中取b至運算器中乘以x

在運算器中加ax2

在運算器中加c在運算器中=(ax+b)x+c取x

至運算器中乘以a在運算器中加b在運算器中乘以x

在運算器中加c在運算器中計算ax2+bx+c編程舉例1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)0000010000001000打印

停機取數(shù)α[α]ACC存數(shù)β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]

ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式舉例操作碼地址碼

[

]打印機1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000010000001000取數(shù)x至ACC10001000000001001乘a得ax存于ACC中20000110000001010加b得ax+b,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c,存于ACC50000100000001100將ax2+bx+c存于主存單元60001010000001100打印7000110停機8

x原始數(shù)據(jù)x9

a原始數(shù)據(jù)a10

b原始數(shù)據(jù)b11

c原始數(shù)據(jù)c12存放結(jié)果計算ax2+bx+c程序清單1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)ACCMQX2.計算機的解題過程(1)運算器的基本組成及操作過程被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位運算器MQACCALUX1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)運算器MQACCALUXACC被加數(shù)ACC初態(tài)①加法操作過程[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)②減法操作過程運算器MQACCALUX指令減MACC被減數(shù)ACC初態(tài)[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)運算器MQACCALUXACCACC被乘數(shù)初態(tài)ACCMQ[M]MQ指令乘M③乘法操作過程X[ACC]X00ACCALU[X]×[MQ]ACC∥MQACCMQ1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)運算器MQACCALUXACC被除數(shù)ACC初態(tài)[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余數(shù)在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作過程1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)存儲體大樓存儲單元存放一串二進制代碼存儲字存儲單元中二進制代碼的組合存儲字長存儲單元中二進制代碼的位數(shù)每個存儲單元賦予一個地址號按地址尋訪–存儲單元–存儲元件（0/1）–

房間–

床位（無人/

有人）(2)存儲器的基本組成主存儲器存儲體MARMDR1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)MARMDR存儲單元個數(shù)

16存儲字長

8

設(shè)MAR

=

4

位

MDR

=

8

位存儲器地址寄存器反映存儲單元的個數(shù)存儲器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲字長(2)存儲器的基本組成主存儲器存儲體MARMDR1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCU取指執(zhí)行PC存放當前欲執(zhí)行指令的地址具有計數(shù)功能（PC）+

1PCIR存放當前欲執(zhí)行的指令訪存訪存完成一條指令(3)控制器的基本組成PCIRCU1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)12356789以取數(shù)指令為例4(4)主機完成一條指令的過程CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)12356798以存數(shù)指令為例4CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O(4)主機完成一條指令的過程1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(5)ax2+bx+c程序的運行過程將程序通過輸入設(shè)備送至計算機程序首地址打印結(jié)果分析指令取指令…停機啟動程序運行,(PC

)+

1PC執(zhí)行指令

MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC1.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

計算機的工作過程是本章的重點。人們需將事先編好的程序(指令序列)送至計算機的存儲器內(nèi)，然后計算機按此指令序列逐條完成全部指令的功能，直至程序結(jié)束。因此，要了解計算機的工作過程，必須首先了解計算機完成一條指令的信息流程。

1）完成一條指令的信息流程以取數(shù)指令(即將指令地址碼指示的存儲單元中的操作數(shù)取出后送至運算器的ACC中)為例,其信息流程是：取指令PCMARMMDRIR

分析指令OP(IR)CU

執(zhí)行指令A(yù)d(IR)MARMMDRACC

此外，每完成一條指令，還必須為取下條指令作準備，形成下一條指令的地址，即(PC)+1PC。331.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

2）計算機的工作過程計算機的工作過程實質(zhì)就是不斷從存儲器中逐條取出指令，送至控制器，經(jīng)分析后由CU發(fā)出各種操作命令，指揮各部件完成各種操作，直至程序中全部指令執(zhí)行結(jié)束。341.2計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.3主要技術(shù)指標計算機的性能是由多項技術(shù)指標綜合確定的。硬件的主要技術(shù)指標有：機器字長：CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。通常與通用寄存器的位數(shù)有關(guān)。存儲容量：包括主存容量和輔存容量。運算速度：與主頻、執(zhí)行什么樣的操作、主存本身的速度等許多因數(shù)有關(guān)。現(xiàn)在普遍采用單位時間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)來衡量，并用MIPS作為計量單位，即每秒執(zhí)行百萬條指令。也有用CPI及執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期（主頻的倒數(shù)）數(shù)，或用FLOPS即每條浮點運算次數(shù)來衡量運算速度。吞吐量：計算機系統(tǒng)的吞吐量是指流入、處理和流出系統(tǒng)的信息的速率，它主要取決于主存的存取周期。35f=CPI×MIPS×106361.3主要技術(shù)指標四、例題精選

（一）單項選擇題完整的計算機系統(tǒng)應(yīng)包括

。

A．運算器、存儲器、控制器B．外部設(shè)備和主機

C．主機和實用程序D．配套的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)2.至今為止，計算機中的所有信息仍以二進制方式表示的理由是

。

A．節(jié)約元件B．運算速度快

C．物理器件的性能決定D．信息處理方便3.從器件角度看，計算機經(jīng)歷了四代變化。但從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，至今絕大多數(shù)計算機仍屬于

型計算機。

A.并行B.馮.諾依曼C.智能D.實時處理

37DCB4.馮·諾依曼機工作的基本方式的特點是

。

A.多指令流單數(shù)據(jù)流B.按地址訪問并順序執(zhí)行指令

C.堆棧操作D.存貯器按內(nèi)容選擇地址5.帶有處理器的設(shè)備一般稱為

設(shè)備。

A．智能化；B．交互式；

C．遠程通信；D．過程控制。6.用于筆記本電腦的外存儲器是

。

A．軟磁盤B．硬磁盤

C．固態(tài)盤D．光盤7.馮.諾依曼型計算機的基本工作方式是

。

A.微程序方式B.控制流啟動方式

C.多指令流多數(shù)據(jù)流方式D.數(shù)據(jù)流啟動方式38BACB（二）綜合應(yīng)用題

1.1什么是計算機系統(tǒng)?說明計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。答：計算機系統(tǒng)包括硬件和軟件。計算機系統(tǒng)通常有六個層次，由下至上可排序為：第一級微程序機器級，微指令由硬件直接執(zhí)行；第二級傳統(tǒng)機器級，用微程序解釋機器指令；第三級操作系統(tǒng)級，一般用機器語言程序解釋作業(yè)控制語句；第四級匯編語言機器級，這一級由匯編程序支持和執(zhí)行；第五級高級語言機器級，采用高級語言，由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。第六級應(yīng)用語言機器級，采用各種面向問題的應(yīng)用語言。39

1.2畫出計算機硬件基本組成框圖，通過解題過程說明每一功能部件的作用及它們之間的信息流向。答：計算機硬件系統(tǒng)由五大部件組成。控制器指揮各部件協(xié)調(diào)工作；運算器能