計(jì)算機(jī)組成原理 第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.

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計(jì)算機(jī)的發(fā)展、分類及其應(yīng)用1.2

計(jì)算機(jī)的組成1.

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計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論學(xué)習(xí)要點(diǎn)：了解：掌握：計(jì)算機(jī)的硬件及軟件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的發(fā)展、分類及其應(yīng)用2計(jì)算機(jī)：是一種以電子器件為基礎(chǔ)的，不需人的直接干預(yù)，能夠?qū)Ω鞣N數(shù)字化信息進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的快速工具。計(jì)算機(jī)俗稱電腦，是一種用于高速計(jì)算的電子計(jì)算機(jī)器，可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，又可以進(jìn)行邏輯計(jì)算，還具有存儲(chǔ)記憶功能。是能夠按照程序運(yùn)行，自動(dòng)、高速處理海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。計(jì)算機(jī)組成：主要指機(jī)器級(jí)內(nèi)部數(shù)據(jù)流和控制流的組成與邏輯設(shè)計(jì)。它與指令和編程沒(méi)有直接關(guān)系，主要是看硬件系統(tǒng)在邏輯上是如何組織的。本門課程的研究對(duì)象：計(jì)算機(jī)組成31.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展、分類與應(yīng)用一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展根據(jù)電子計(jì)算機(jī)所采用的物理器件的發(fā)展，一般把電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展分成四個(gè)階段，習(xí)慣上稱為四代。第一代：電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1946—50年代后期），主要特點(diǎn)是采用電子管作為基本器件。第二代：晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代（50年代中期到60年代后期），主要器件為晶體管。第三代：集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（60年代中期到70年代前期），采用集成電路作為基本器件。第四代：大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（70年代初）。4

第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（ABC，Atanasoff-BerryComputer）設(shè)計(jì)目標(biāo)是能夠解含有29個(gè)未知數(shù)的線性方程組。電路系統(tǒng)中裝有300個(gè)電子真空管執(zhí)行數(shù)字計(jì)算與邏輯運(yùn)算。機(jī)器上裝有兩個(gè)記憶鼓，使用電容器來(lái)進(jìn)行數(shù)值存儲(chǔ)，以電量表示數(shù)值。數(shù)據(jù)輸入采用打孔讀卡，采用二進(jìn)位制。5

第二臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（ENIAC，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)）5000次加法/秒體重28噸占地170M218,800只電子管1500個(gè)繼電器耗電150KW第一臺(tái)電子多用途計(jì)算機(jī)6

計(jì)算機(jī)從總體上來(lái)說(shuō)分為兩大類：模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)。各自主要特點(diǎn)：模擬計(jì)算機(jī)：由模擬運(yùn)算器件構(gòu)成，其變量由連續(xù)量（如：電壓、電流等）來(lái)表示，運(yùn)算過(guò)程也是連續(xù)的。數(shù)字計(jì)算機(jī)：由邏輯電子器件構(gòu)成，其變量為開(kāi)關(guān)量（離散的數(shù)字量），采用數(shù)字式按位運(yùn)算，運(yùn)算模式是離散式的。二、計(jì)算機(jī)的分類7模擬計(jì)算機(jī)與數(shù)字計(jì)算計(jì)的主要區(qū)別主要區(qū)別模擬計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示方式電壓、電流等數(shù)字0和1計(jì)算方式電量組合和測(cè)量值數(shù)字計(jì)算控制方式模擬信號(hào)組合控制程序控制精度、抗干擾性低、差高、好數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小、幾乎無(wú)大邏輯判斷能力無(wú)強(qiáng)模擬計(jì)算機(jī)由于受元器件質(zhì)量影響，其計(jì)算精度較低，解題能力有限，目前已不使用。8計(jì)算機(jī)按用途分類：專用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)：為特定應(yīng)用問(wèn)題而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，針對(duì)某類問(wèn)題能顯示出最有效、最快速和最經(jīng)濟(jì)的特性，但適應(yīng)性很差。通用計(jì)算機(jī)：適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用面廣，但運(yùn)行效率、速度和經(jīng)濟(jì)性依據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象會(huì)受到不同程度的影響。巨型機(jī)：用于科學(xué)計(jì)算，運(yùn)算速度快、性能高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴。大型機(jī)中型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)：個(gè)人計(jì)算機(jī)，體積小、功耗低、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作單片機(jī)：?jiǎn)纹⒖刂破?，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件計(jì)算機(jī)按規(guī)模分類：9科學(xué)計(jì)算：計(jì)算量大，數(shù)值范圍變化大數(shù)據(jù)處理：當(dāng)前大部分計(jì)算機(jī)都由于數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)控制CAD/CAM/CAI：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造/教學(xué)人工智能：指計(jì)算機(jī)能模仿人腦的高級(jí)思維活動(dòng)，又稱“智能模擬”。主要研究課題：計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)、機(jī)器人以及人腦的思維過(guò)程。計(jì)算機(jī)模擬：將理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)三方面緊密結(jié)合，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的推算能力，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)解決復(fù)雜而能以用解析法和物理模擬實(shí)驗(yàn)方法在較短時(shí)間內(nèi)得到滿足結(jié)果的問(wèn)題.三、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用10神威太湖之光浮點(diǎn)運(yùn)算速度為每秒9.3億億次（2016年）11計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件組成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)＝硬件系統(tǒng)＋軟件系統(tǒng)1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)硬件（Hardware）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（電子元件）、機(jī)械等物理部件組成。計(jì)算機(jī)軟件（Software）主要是一系列按照特定順序組織的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)和指令的集合。1983年，IEEE對(duì)軟件給出了一個(gè)較為全面的定義：軟件是計(jì)算機(jī)程序、方法、規(guī)范及其相應(yīng)的文檔以及在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)所必須的數(shù)據(jù)。軟件是相對(duì)于機(jī)器硬件而言的。12一、計(jì)算機(jī)的硬件計(jì)算機(jī)由五大部件組成：運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備；指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示；指令由操作碼和地址碼組成指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器，可按地址尋訪指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放。以運(yùn)算器為中心，目前逐步發(fā)展為以存儲(chǔ)器為中心

目前，大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍然沿用這種體制，稱為馮?諾依曼體制。把這種思想稱為稱為馮?諾依曼思想（存儲(chǔ)程序概念）。1、馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)13算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運(yùn)行1）以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備程序數(shù)據(jù)2、計(jì)算機(jī)硬件框圖14ALUCPU主機(jī)I/OControlUnit主存Cache2）現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件框圖硬件主機(jī)I/0設(shè)備輔存輸入設(shè)備輸出設(shè)備CPU主存控制器Controlunit運(yùn)算器ALU存儲(chǔ)器15三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)較大規(guī)模的存儲(chǔ)系統(tǒng)通常分為若干級(jí)：中央處理器緩沖存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器16

ACCMQX加法被加數(shù)和加數(shù)減法被減數(shù)差減數(shù)乘法乘積高位乘數(shù)乘積低位被乘數(shù)除法被除數(shù)余數(shù)商除數(shù)運(yùn)算器的基本組成及操作過(guò)程運(yùn)算器MQACCALUX3）計(jì)算機(jī)各部分的結(jié)構(gòu)17加法操作過(guò)程指令加M[M]X[ACC]+[X]ACC初態(tài)ACC被加數(shù)運(yùn)算器MQALUXACC18

減法操作過(guò)程指令減M[M]X[ACC]-[X]ACC初態(tài)ACC被減數(shù)運(yùn)算器MQALUXACC19存儲(chǔ)體存儲(chǔ)單元：存放一串二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)字：存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)字長(zhǎng)：存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)，地址尋訪存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)元（0/1）主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARMDR存儲(chǔ)器的基本組成20MARMDR

存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)16存儲(chǔ)字長(zhǎng)8存儲(chǔ)器地址寄存器，反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器，反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARMDR

設(shè)MAR=4位

MDR=8位21PCIRCU取指執(zhí)行IR（指令寄存器）：存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存取指令分析指令執(zhí)行指令完成一條指令控制器的基本組成PC（程序計(jì)數(shù)器）：存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，具有計(jì)數(shù)功能（PC）+1PCPCIRCU2212356789以取數(shù)指令為例4CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O主機(jī)完成一條指令的過(guò)程23以存數(shù)指令為例主機(jī)完成一條指令的過(guò)程1235674CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O9824

將程序通過(guò)輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī)

程序首地址

打印結(jié)果

分析指令

取指令…

停機(jī)

啟動(dòng)程序運(yùn)行

執(zhí)行指令MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC程序的運(yùn)行過(guò)程PC(PC)+125①機(jī)器字長(zhǎng)：CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)，與CPU中的寄存器位數(shù)

有關(guān)②運(yùn)算速度主頻MIPS每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令CPI執(zhí)行一條指令所需時(shí)鐘周期數(shù)FLOPS每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)3、計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)③存儲(chǔ)容量：存放二進(jìn)制信息的總數(shù)量如：213=1KB221

=256KB主存容量輔存容量存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)×存儲(chǔ)字長(zhǎng)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)80G如：MARMDR容量10

81K×8位16

3264K×32位26軟件的分類：二、計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)軟件（Software）：指能使計(jì)算機(jī)工作的程序和程序運(yùn)行時(shí)所需要的數(shù)據(jù)，以及與這些程序和數(shù)據(jù)有關(guān)的文字說(shuō)明和圖表資料，其中文字說(shuō)明和圖表資料又稱為文檔。

軟件＝程序+數(shù)據(jù)+文檔（2）應(yīng)用軟件：除了系統(tǒng)軟件以外的所有軟件，是用戶利用計(jì)算機(jī)及其提供的系統(tǒng)軟件為解決各種實(shí)際問(wèn)題而編制的計(jì)算機(jī)程序?yàn)g覽器、辦公軟件、圖形圖像處理軟件、媒體播放軟件、實(shí)時(shí)控制軟件、其他應(yīng)用軟件等。（1）系統(tǒng)軟件：指管理、監(jiān)控和維護(hù)計(jì)算機(jī)資源的軟件。操作系統(tǒng)：DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX

語(yǔ)言處理程序：機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫(kù)和管理數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件服務(wù)程序：編輯程序、診斷/排錯(cuò)程序、反病毒程序、卸載程序、備份程序、文件壓縮程序等

27軟件與硬件的功能分配與邏輯上的等價(jià)性隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢(shì)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。任何操作可以由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來(lái)完成。對(duì)于某一功能采用硬件方案還是軟件方案，取決于器件價(jià)格、速度、可靠性、存儲(chǔ)容量、變更周期等。軟件的特點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)各種邏輯和運(yùn)算功能，但是常受到速度指標(biāo)和軟件容量的制約；硬件的特點(diǎn)：可以高速實(shí)現(xiàn)邏輯和運(yùn)算功能，但是難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能或計(jì)算，受到控制復(fù)雜性指標(biāo)的制約。28目標(biāo)程序早期計(jì)算機(jī)中，人們直接用機(jī)器語(yǔ)言編寫程序，計(jì)算機(jī)完全可以“識(shí)別”并能執(zhí)行，所以又叫做目的程序。匯編程序?yàn)榱司帉懗绦蚍奖惴g和提高機(jī)器的使用效率，人們發(fā)明了匯編語(yǔ)言，即用約定的文字、符號(hào)和數(shù)字（助記符）按規(guī)定的格式來(lái)表示各種不同的指令。借助于匯編程序，計(jì)算機(jī)本身自動(dòng)地把符號(hào)語(yǔ)言表示的程序（稱為匯編源程序）翻譯成用機(jī)器語(yǔ)言表示的目的程序。高級(jí)語(yǔ)言為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化和便于程序交流，使不熟悉具體計(jì)算機(jī)的人也能很方便地使用計(jì)算機(jī)，人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語(yǔ)言的算法語(yǔ)言（高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言）。算法語(yǔ)言是指按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號(hào)以及由這套基本符號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則。29計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言程序目標(biāo)程序結(jié)果翻譯運(yùn)行計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程30編譯程序用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫的程序稱為源程序，這種源程序不能由機(jī)器直接識(shí)別和執(zhí)行，必須給計(jì)算機(jī)配備一個(gè)即懂算法語(yǔ)言又懂機(jī)器語(yǔ)言的“翻譯”，才能把源程序翻譯為機(jī)器語(yǔ)言。通常采用下面兩種方法：編譯系統(tǒng)：用編譯程序?qū)⒃闯绦蚓幾g成機(jī)器語(yǔ)言形式的目的程序，然后在目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行。解釋系統(tǒng)：逐個(gè)解釋并立即執(zhí)行源程序的語(yǔ)句，它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是直接逐一解釋語(yǔ)句并得出計(jì)算結(jié)果。311.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)（硬件/實(shí)際機(jī)器）中間級(jí)/平臺(tái)級(jí)（匯編語(yǔ)言機(jī)器）應(yīng)用程序級(jí)（高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器）微指令系統(tǒng)級(jí)（微指令機(jī)器）操作系統(tǒng)級(jí)（操作系統(tǒng)語(yǔ)言機(jī)器）用編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言程序用匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令用硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件32系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Computerarchitecture）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件與硬件的界面－－指令系統(tǒng)程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性－－外特性（概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性）計(jì)算機(jī)組成(Computerorganization）＝組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)（具體指令的實(shí)現(xiàn)）計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(Computerim