計算機組成原理 第一章計算機系統(tǒng)概論

第1章計算機系統(tǒng)概論1.

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計算機的發(fā)展、分類及其應用1.2

計算機的組成1.

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計算機的層次結構第1章計算機系統(tǒng)概論學習要點：了解：掌握：計算機的硬件及軟件組成計算機系統(tǒng)的層次結構計算機的發(fā)展、分類及其應用2計算機：是一種以電子器件為基礎的，不需人的直接干預，能夠對各種數(shù)字化信息進行算術和邏輯運算的快速工具。計算機俗稱電腦，是一種用于高速計算的電子計算機器，可以進行數(shù)值計算，又可以進行邏輯計算，還具有存儲記憶功能。是能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化智能電子設備。計算機組成：主要指機器級內部數(shù)據(jù)流和控制流的組成與邏輯設計。它與指令和編程沒有直接關系，主要是看硬件系統(tǒng)在邏輯上是如何組織的。本門課程的研究對象：計算機組成31.1計算機的發(fā)展、分類與應用一、計算機的發(fā)展根據(jù)電子計算機所采用的物理器件的發(fā)展，一般把電子計算機的發(fā)展分成四個階段，習慣上稱為四代。第一代：電子管計算機時代（1946—50年代后期），主要特點是采用電子管作為基本器件。第二代：晶體管計算機時代（50年代中期到60年代后期），主要器件為晶體管。第三代：集成電路計算機時代（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)模集成電路計算機時代（70年代初）。4

第一臺電子計算機（ABC，Atanasoff-BerryComputer）設計目標是能夠解含有29個未知數(shù)的線性方程組。電路系統(tǒng)中裝有300個電子真空管執(zhí)行數(shù)字計算與邏輯運算。機器上裝有兩個記憶鼓，使用電容器來進行數(shù)值存儲，以電量表示數(shù)值。數(shù)據(jù)輸入采用打孔讀卡，采用二進位制。5

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

計算機從總體上來說分為兩大類：模擬計算機和數(shù)字計算機。各自主要特點：模擬計算機：由模擬運算器件構成，其變量由連續(xù)量（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續(xù)的。數(shù)字計算機：由邏輯電子器件構成，其變量為開關量（離散的數(shù)字量），采用數(shù)字式按位運算，運算模式是離散式的。二、計算機的分類7模擬計算機與數(shù)字計算計的主要區(qū)別主要區(qū)別模擬計算機數(shù)字計算機數(shù)據(jù)表示方式電壓、電流等數(shù)字0和1計算方式電量組合和測量值數(shù)字計算控制方式模擬信號組合控制程序控制精度、抗干擾性低、差高、好數(shù)據(jù)存儲量小、幾乎無大邏輯判斷能力無強模擬計算機由于受元器件質量影響，其計算精度較低，解題能力有限，目前已不使用。8計算機按用途分類：專用計算機和通用計算機專用計算機：為特定應用問題而設計的計算機，針對某類問題能顯示出最有效、最快速和最經濟的特性，但適應性很差。通用計算機：適應性強，應用面廣，但運行效率、速度和經濟性依據(jù)不同的應用對象會受到不同程度的影響。巨型機：用于科學計算，運算速度快、性能高，結構復雜、體積龐大、價格昂貴。大型機中型機小型機微型機：個人計算機，體積小、功耗低、價格低、結構簡單、易操作單片機：單片微控制器，為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件計算機按規(guī)模分類：9科學計算：計算量大，數(shù)值范圍變化大數(shù)據(jù)處理：當前大部分計算機都由于數(shù)據(jù)處理計算機控制CAD/CAM/CAI：計算機輔助設計/制造/教學人工智能：指計算機能模仿人腦的高級思維活動，又稱“智能模擬”。主要研究課題：計算機學習、專家系統(tǒng)、機器人以及人腦的思維過程。計算機模擬：將理論、實驗和計算機三方面緊密結合，利用現(xiàn)代計算機強大的推算能力，通過計算機模擬來解決復雜而能以用解析法和物理模擬實驗方法在較短時間內得到滿足結果的問題.三、計算機的應用10神威太湖之光浮點運算速度為每秒9.3億億次（2016年）11計算機系統(tǒng)由計算機硬件和計算機軟件組成。計算機系統(tǒng)＝硬件系統(tǒng)＋軟件系統(tǒng)1.2計算機系統(tǒng)的組成計算機硬件（Hardware）是指構成計算機的所有實體部件的集合，通常這些部件由電路（電子元件）、機械等物理部件組成。計算機軟件（Software）主要是一系列按照特定順序組織的計算機數(shù)據(jù)和指令的集合。1983年，IEEE對軟件給出了一個較為全面的定義：軟件是計算機程序、方法、規(guī)范及其相應的文檔以及在計算機上運行時所必須的數(shù)據(jù)。軟件是相對于機器硬件而言的。12一、計算機的硬件計算機由五大部件組成：運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備；指令和數(shù)據(jù)用二進制表示；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器，可按地址尋訪指令在存儲器內按順序存放。以運算器為中心，目前逐步發(fā)展為以存儲器為中心

目前，大多數(shù)計算機仍然沿用這種體制，稱為馮?諾依曼體制。把這種思想稱為稱為馮?諾依曼思想（存儲程序概念）。1、馮·諾依曼結構計算機的特點13算術運算邏輯運算存放數(shù)據(jù)和程序將信息轉換成機器能識別的形式將結果轉換成人們熟悉的形式指揮程序運行1）以存儲器為中心的計算機硬件框圖存儲器運算器控制器輸入設備輸出設備程序數(shù)據(jù)2、計算機硬件框圖14ALUCPU主機I/OControlUnit主存Cache2）現(xiàn)代計算機硬件框圖硬件主機I/0設備輔存輸入設備輸出設備CPU主存控制器Controlunit運算器ALU存儲器15三級存儲系統(tǒng)較大規(guī)模的存儲系統(tǒng)通常分為若干級：中央處理器緩沖存儲器主存儲器輔助存儲器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)運算器的基本組成及操作過程運算器MQACCALUX3）計算機各部分的結構17加法操作過程指令加M[M]X[ACC]+[X]ACC初態(tài)ACC被加數(shù)運算器MQALUXACC18

減法操作過程指令減M[M]X[ACC]-[X]ACC初態(tài)ACC被減數(shù)運算器MQALUXACC19存儲體存儲單元：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，地址尋訪存儲單元存儲元（0/1）主存儲器存儲體MARMDR存儲器的基本組成20MARMDR

存儲單元個數(shù)16存儲字長8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，反映存儲字長主存儲器存儲體MARMDR

設MAR=4位

MDR=8位21PCIRCU取指執(zhí)行IR（指令寄存器）：存放當前欲執(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（程序計數(shù)器）：存放當前欲執(zhí)行指令的地址，具有計數(shù)功能（PC）+1PCPCIRCU2212356789以取數(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主機完成一條指令的過程23以存數(shù)指令為例主機完成一條指令的過程1235674CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O9824

將程序通過輸入設備送至計算機

程序首地址

打印結果

分析指令

取指令…

停機

啟動程序運行

執(zhí)行指令MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC程序的運行過程PC(PC)+125①機器字長：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②運算速度主頻MIPS每秒執(zhí)行百萬條指令CPI執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù)FLOPS每秒浮點運算次數(shù)3、計算機硬件的主要技術指標③存儲容量：存放二進制信息的總數(shù)量如：213=1KB221

=256KB主存容量輔存容量存儲單元個數(shù)×存儲字長字節(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、計算機的軟件系統(tǒng)軟件（Software）：指能使計算機工作的程序和程序運行時所需要的數(shù)據(jù)，以及與這些程序和數(shù)據(jù)有關的文字說明和圖表資料，其中文字說明和圖表資料又稱為文檔。

軟件＝程序+數(shù)據(jù)+文檔（2）應用軟件：除了系統(tǒng)軟件以外的所有軟件，是用戶利用計算機及其提供的系統(tǒng)軟件為解決各種實際問題而編制的計算機程序瀏覽器、辦公軟件、圖形圖像處理軟件、媒體播放軟件、實時控制軟件、其他應用軟件等。（1）系統(tǒng)軟件：指管理、監(jiān)控和維護計算機資源的軟件。操作系統(tǒng)：DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX

語言處理程序：機器語言、匯編語言和高級語言數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫和管理數(shù)據(jù)庫等軟件服務程序：編輯程序、診斷/排錯程序、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性隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)軟、硬件界限已經變得模糊了。任何操作可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。對于某一功能采用硬件方案還是軟件方案，取決于器件價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期等。軟件的特點：易于實現(xiàn)各種邏輯和運算功能，但是常受到速度指標和軟件容量的制約；硬件的特點：可以高速實現(xiàn)邏輯和運算功能，但是難以實現(xiàn)復雜功能或計算，受到控制復雜性指標的制約。28目標程序早期計算機中，人們直接用機器語言編寫程序，計算機完全可以“識別”并能執(zhí)行，所以又叫做目的程序。匯編程序為了編寫程序方便翻譯和提高機器的使用效率，人們發(fā)明了匯編語言，即用約定的文字、符號和數(shù)字（助記符）按規(guī)定的格式來表示各種不同的指令。借助于匯編程序，計算機本身自動地把符號語言表示的程序（稱為匯編源程序）翻譯成用機器語言表示的目的程序。高級語言為了進一步實現(xiàn)程序自動化和便于程序交流，使不熟悉具體計算機的人也能很方便地使用計算機，人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學語言的算法語言（高級程序設計語言）。算法語言是指按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構成程序的規(guī)則。29計算機高級語言程序目標程序結果翻譯運行計算機的解題過程30編譯程序用程序設計語言編寫的程序稱為源程序，這種源程序不能由機器直接識別和執(zhí)行，必須給計算機配備一個即懂算法語言又懂機器語言的“翻譯”，才能把源程序翻譯為機器語言。通常采用下面兩種方法：編譯系統(tǒng)：用編譯程序將源程序編譯成機器語言形式的目的程序，然后在目標系統(tǒng)運行。解釋系統(tǒng)：逐個解釋并立即執(zhí)行源程序的語句，它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是直接逐一解釋語句并得出計算結果。311.3計算機系統(tǒng)的層次結構機器語言級（硬件/實際機器）中間級/平臺級（匯編語言機器）應用程序級（高級語言機器）微指令系統(tǒng)級（微指令機器）操作系統(tǒng)級（操作系統(tǒng)語言機器）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用硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件32系統(tǒng)結構、組成與實現(xiàn)計算機系統(tǒng)結構(Computerarchitecture）計算機系統(tǒng)的軟件與硬件的界面－－指令系統(tǒng)程序員所看到的計算機屬性－－外特性（概念性的結構與功能特性）計算機組成(Computerorganization）＝組織計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)（具體指令的實現(xiàn)）計算機實現(xiàn)(Computerim