電子計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

電子計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.1馮·諾依曼計算機(jī)模型

2.1馮·諾依曼計算機(jī)模型（最初的）第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.1馮·諾依曼計算機(jī)模型

馮·諾依曼計算機(jī)模型的特點(diǎn)計算機(jī)由運(yùn)算器、存儲器、輸入/輸出設(shè)備和控制器組成，并以運(yùn)算器為中心連接在一起。存儲器由一組一維排列、線性編址的存儲單元組成，每個存儲單元的位數(shù)是相等且固定的，存儲單元按地址訪問?！俺绦颉笔怯梢粭l一條的指令有序排列而成，而指令由操作碼和地址碼兩部分組成。第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.1馮·諾依曼計算機(jī)模型

馮·諾依曼計算機(jī)模型的特點(diǎn)（續(xù)）指令和數(shù)據(jù)均采用二進(jìn)制數(shù)表示，并以二進(jìn)制數(shù)形式進(jìn)行運(yùn)算。程序（指令）與數(shù)據(jù)是同等地不加區(qū)分地存儲在同一個存儲器中。設(shè)置“程序計數(shù)器PC”來指示下一條將要執(zhí)行的指令的地址。每執(zhí)行完一條指令，程序計數(shù)器就自動加1，指向下一條指令的存儲單元。第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.1馮·諾依曼計算機(jī)模型

馮·諾依曼計算機(jī)模型的改進(jìn)：（現(xiàn)代計算機(jī)）以存儲器為中心連接在一起第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2電子計算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

2.2.1電子計算機(jī)的基本組成1.概述

從組成的角度看，電子計算機(jī)由控制單元、運(yùn)算單元、存儲器、輸入單元和輸出單元組成。在具體實(shí)現(xiàn)時，通常將控制單元和運(yùn)算單元集成在一起，構(gòu)成處理單元（ProcessingUnit，PU）。處理單元也稱處理器（Processor）。

第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2電子計算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

2.2.1電子計算機(jī)的基本組成2.處理單元的組成從邏輯上看，PU主要由算術(shù)邏輯單元ALU、控制單元CU以及一些暫存單元——寄存器組以及內(nèi)部總線組成成。ALU是計算機(jī)的運(yùn)算裝置，它能夠完成“加、減、乘、除”等算術(shù)運(yùn)算和“與、或、非、異或”等邏輯運(yùn)算。一個基本的ALU由加法器、移位電路和若干內(nèi)部寄存器及相應(yīng)的控制邏輯和組成。第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2電子計算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

2.2.1電子計算機(jī)的基本組成2.處理單元的組成

CU是PU的指揮機(jī)構(gòu)，由程序計數(shù)器PC、存放當(dāng)前指令的指令寄存器IR、解釋指令的指令譯碼器ID、發(fā)出各種命令信號的控制信號發(fā)生器及相應(yīng)的控制邏輯組成。CU依據(jù)指令譯碼器產(chǎn)生的一系列操作命令/信號來指揮、協(xié)調(diào)PU乃至計算機(jī)系統(tǒng)中各個部件的工作。

第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2電子計算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

寄存器分為數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器和標(biāo)志寄存器等。最常用的數(shù)據(jù)寄存器是用于存放加法運(yùn)算結(jié)果的累加寄存器ACC，8086中的累加寄存器命名為AX。地址寄存器有基址寄存器、變址寄存器等。標(biāo)志寄存器FR常見的標(biāo)志有進(jìn)位標(biāo)志CF、溢出標(biāo)志OF、輔助進(jìn)位標(biāo)志AF、零標(biāo)志ZF、符號標(biāo)志SF和奇偶標(biāo)志PF等，這些標(biāo)志分別占據(jù)標(biāo)志寄存器FR中的不同位。第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2電子計算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

2.2.1電子計算機(jī)的基本組成3.硬件

硬件指構(gòu)成電子計算機(jī)的物理實(shí)體，如處理器、存儲器（內(nèi)存）、輸入/輸出控制器（接口電路）等芯片及其集成這些芯片的印制線路板——主板，外設(shè)等。其中存儲器包括：可以被處理器直接訪問的主存儲器（簡稱主存或內(nèi)存）和不可被處理器直接訪問的輔助存儲器（簡稱輔存或外存）。第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2電子計算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

2.2.1電子計算機(jī)的基本組成4.軟件廣義上，軟件是“計算機(jī)程序、過程、規(guī)則及與這些程序、過程、規(guī)則有關(guān)的文檔，以及從屬于計算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)?！豹M義上，軟件指發(fā)揮電子計算機(jī)功能的各種程序及相應(yīng)的數(shù)據(jù)。按照性質(zhì)和功能的不同，軟件分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2電子計算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

2.2.1電子計算機(jī)的基本組成5.固件（軟件硬件化）對于那些不再需要改動而且經(jīng)常被調(diào)用的軟件，為了使其有更快的執(zhí)行速度，可以將其存儲在訪問速度較快的只讀存儲器ROM芯片中,以硬件形式出現(xiàn)的軟件稱為“固件”。，第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2電子計算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

2.2.2計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指程序員所看到的機(jī)器的屬性，即機(jī)器的概念性結(jié)構(gòu)和功能表現(xiàn)。這里，程序員主要是指匯編程序員。

第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一由于“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”概念的提出，又派生出兩個新的重要概念

計算機(jī)組成和計算機(jī)實(shí)現(xiàn)

計算機(jī)組成是計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。一種計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以有多種不同的計算機(jī)組成。計算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種計算機(jī)組成也可以有多種不同的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)。第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一概念性的結(jié)構(gòu)第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一功能特性數(shù)據(jù)表示：硬件能夠直接認(rèn)別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式；寄存器組織：操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存器及專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等；指令系統(tǒng)：機(jī)器指令的操作類型、格式，指令間的排序和控制機(jī)制等；中斷系統(tǒng)：中斷類型、中斷級別和中斷響應(yīng)方式等；存儲系統(tǒng)：最小編址單位、編址方式、主存容量、最大尋址 空間等；處理機(jī)工作狀態(tài)：狀態(tài)的定義和切換方式，如管態(tài)和目態(tài)；輸入輸出系統(tǒng)：連接方式、數(shù)據(jù)交換方式、數(shù)據(jù)交換過程的 控制等；信息保護(hù)，包括信息保護(hù)方式和硬件對信息保護(hù)的支持等。第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2電子計算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

2.2.3計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

為什么要分層？分工與協(xié)作，提高生產(chǎn)率。第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一第5級：應(yīng)用語言虛擬機(jī)第4級：高級語言虛擬機(jī)第3級：匯編語言虛擬機(jī)第2級：操作系統(tǒng)虛擬機(jī)第1級：機(jī)器語言機(jī)器第0級：微程序機(jī)器計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)問題：分幾層為好？第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2電子計算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

2.2.3計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

虛擬機(jī)：因?yàn)橛脩粼谑褂糜嬎銠C(jī)時，看到的就是這些軟件的界面，他并不了解也不必了解物理計算機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及工作原理。這些軟件的界面向用戶提供了他期望讓計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的全部功能。換句話說，這些軟件的界面就是計算機(jī)所具有功能的具體體現(xiàn)。虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)有解釋(Intelpretation)和翻譯(Translation)兩種途徑。

第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一透明性(Transparency)本來存在的事物或?qū)傩裕瑥哪撤N角度看似乎不存在。例如：浮點(diǎn)數(shù)表示、乘法指令對高級語言程序員、應(yīng)用程序員透明對匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員不透明例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序?qū)R編語言程序員、機(jī)器語言程序員透明對硬件設(shè)計者、計算機(jī)維修人員不透明體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以理解為：決定哪些事物對程序員透明，哪些事物對程序員不透明第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.3計算機(jī)系統(tǒng)的分類

2.3.1綜述

1.根據(jù)數(shù)據(jù)表示原理，電子計算機(jī)分為模擬式和數(shù)字式。

2.依據(jù)性能的高低，計算機(jī)分為超級計算機(jī)、大型計算機(jī)、中型計算機(jī)、小型計算機(jī)、工作站和微型計算機(jī)。

3.按照結(jié)構(gòu)集成的不同方式，微型計算機(jī)分為單片機(jī)和單板機(jī)。

4.計算機(jī)按其設(shè)計目的又可分為專用計算機(jī)和通用計算機(jī)

5.根據(jù)計算機(jī)的用途不同，計算機(jī)分為個人計算機(jī)、工控機(jī)、軍用計算機(jī)和嵌入式計算機(jī)第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.4電子計算機(jī)的性能評價

基本字長字：字長：主存儲器容量處理速度主頻存儲器的存取周期功耗吞吐率和響應(yīng)時間輔存容量等等**看書中的解釋（27頁）第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.5電子計算機(jī)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢

2.5.1電子計算機(jī)的特點(diǎn)能在程序控制下自動連續(xù)地工作。運(yùn)算速度快，計算精度高。具有邏輯判斷能力。通用性強(qiáng)。具有很強(qiáng)的“記憶”功能。第23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.5電子計算機(jī)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢

2.5.1電子計算機(jī)的特點(diǎn)2.5.2電子計算機(jī)發(fā)展的動力

應(yīng)用需求：求解疑難問題和改善人機(jī)接口技術(shù)推動：軟件的推動和硬件的推動