計算機組成原理

計算機組成原理

computerorganizationprinciple顧浩趙寶華第1章計算機系統(tǒng)概論

本章要點本章主要介紹計算機系統(tǒng)基本部件的功能與結構，同時介紹了計算機的層次結構，通過本章的學習，讀者對計算機系統(tǒng)應有一個整體的概念。第1章計算機系統(tǒng)概論

1．1計算機系統(tǒng)簡介

1．2圖靈機（了解）

1．3計算機的基本組成

1．4計算機的主要性能指標小結習題1.1計算機系統(tǒng)簡介

1.1.1計算機的硬件和軟件的概念計算機是由硬件和軟件兩大部分組成,能按照事先存儲的程序,自動、高速地對數據進行輸入、處理、輸出和存儲的高度自動化的電子設備。硬件（Hardware）

是計算機系統(tǒng)中的實體部分，由電子的、磁性的、機械的、光的元器件組成，包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。軟件（software）

是指在計算機硬件上運行的各種程序和有關文檔的總稱，含系統(tǒng)軟件、應用軟件和工具軟件三大類。

計算機系統(tǒng)硬件軟件互補程序文檔+系統(tǒng)軟件語言處理程序操作系統(tǒng)工具軟件應用軟件文字處理數據處理計算機輔助軟件……計算機系統(tǒng)的軟件分類1.1.2計算機系統(tǒng)的層次結構

1．虛擬機（VirtualMachine）的概念

應用語言虛擬機M5（應用語言）用應用語言編寫的應用語言程序經應用程序包翻譯成高級語言高級語言虛擬機M4（高級語言）高級語言程序經編譯程序翻譯成匯編語言（或某中間語言程序或機器語言程序）匯編語言虛擬機M3（匯編語言）匯編語言程序經匯編程序翻譯成機器語言程序操作系統(tǒng)虛擬機M2(作業(yè)控制語言)由機器語言程序解釋操作系統(tǒng)命令傳統(tǒng)機器M1（機器語言）由微程序解釋機器指令微程序機器M0（微指令）由硬件直接執(zhí)行虛擬機是一個抽象的計算機，它由軟件實現，并與實際機器一樣，都具有一個指令集并可使用不同的存儲區(qū)域。如，一臺機器上配有C語言和Pascal語言的編譯程序，對C語言的用戶來講，這臺機器就是以C語言為機器語言的虛擬機，對Pascal語言的用戶來講，這臺機器就是以Pascal語言為機器語言的虛擬機。計算機系統(tǒng)的層次結構圖本書的討論范圍翻譯(應用軟件包)翻譯(編譯程序)翻譯(匯編程序)部分解釋(操作系統(tǒng))解釋硬件直接執(zhí)行2.虛擬機的層次結構

從語言的角度來劃分計算機系統(tǒng)的層次結構，那么虛擬機可分成如圖1-2所示的操作系統(tǒng)虛擬機、匯編語言虛擬機、高級語言虛擬機和應用程序虛擬機等層次。虛擬機概念的引入，推動了計算機體系結構的發(fā)展。由于從各層次的虛擬機可方便地識別相應層次的計算機語言，從而擺脫了這些語言必須在同一臺機器上執(zhí)行的情況，為日后的多處理機系統(tǒng)、分布式處理系統(tǒng)、計算機網絡、并行計算機系統(tǒng)等新穎計算機體系結構的出現夯實了基礎。

本書討論的范圍僅局限于傳統(tǒng)機器M1和微程序機器M0的組成原理和設計思想。

廣義語言解釋器作用對象控制信息狀態(tài)信息虛擬計算機觀察者1.1.3計算機體系結構與計算機組成1.計算機體系結構（ComputerArchitecture）計算機體系結構是程序員看得見的計算機的屬性，即概念性的結構與功能特性。通常指用機器語言編程的程序員（也包括匯編語言程序設計者和匯編程序設計者）所看到的傳統(tǒng)機器的屬性，包括指令系統(tǒng)、數據類型、存儲器尋址技術、I/O機理等，大多屬于抽象的屬性。2.計算機組成（ComputerOrganization）是計算機體系結構的邏輯實現，即指如何實現計算機體系結構所體現的屬性，它包含了對許多程序員來說是透明的（即程序員是不知道的）硬件細節(jié)，它包括硬件部件的構造及如何連接這些組件組成一個計算機系統(tǒng)。注:在計算機中,

客觀存在的事物或屬性從某個角度看不到,就叫”透明”。1.1.3計算機體系結構與計算機組成3.計算機體系結構與計算機組成的關系許多計算機制造商向你提出一系列體系結構相同的計算機，而它們的組成卻有相當大的區(qū)別，即使是同一系列不同型號的機器，其價格和性能也是有極大差異的。一種體系結構(例PC系列機)可有多種組成(表1-1).因此，只知其結構，不知其組成，就選不好性能價格比最合適的機器。本書主要介紹計算機的組成及工作原理。

1.1.3計算機體系結構與計算機組成

1.2圖靈機

1.2.1圖靈機簡介英國數學家A.M.Turring于1936年從計算一個數的一般過程著手對計算的本質進行研究，提出了一種理想的計算機的數學模型，實現了對計算本質的真正認識。圖靈機（TurringMachine，TM）并不是具體的機器，而是一個通用的計算機模型。目前已成為計算機科學中可計算理論和計算復雜性理論的基礎。所謂計算就是計算者（人或機器）對一條兩端可無限延長的磁帶上的一串0和1進行操作，一步一步地改變磁帶上的0或1，經過有限步驟，最后得到一個滿足預先規(guī)定的符號串的變換過程。圖靈機用形式化方法成功地表述了計算這一過程的本質。圖靈的研究結果是：可計算性＝圖靈可計算性。

1.2.2圖靈機的基本模型

DATABD……q1參

q2q3q4q5讀寫頭有限狀態(tài)控制器圖1-3圖靈機磁帶一臺標準的確定型單帶圖靈機由一條雙向無限長的磁帶（被分割分無窮個小方格）、一個有限狀態(tài)控制器與一個讀寫磁頭構成。圖靈機一步一步地進行工作。工作情況取決于以下三點：1．機器的內部狀態(tài)。2．讀寫磁頭掃描在磁帶哪個方格上。3．讀寫磁頭掃描的方格上有什么信息。1.3計算機的基本組成

1.3.1馮.諾依曼計算機的特點

1.“存儲程序”的概念:指令和數據均以二進制碼表示。指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質，地址碼用來表示操作數所在存儲器的位置。指令在存儲器內按順序存放。通常，指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據運算結果或根據設定的條件改變執(zhí)行順序。馮．諾依曼對計算機界的最大貢獻是：首次提出并實現了“存儲程序”概念。本書主要介紹馮．諾依曼結構計算機的組成。

譯碼器PC操作碼操作數地址程序(指令)區(qū)數據區(qū)主存區(qū)指令寄存器+1讀指令讀寫控制器︾︾存儲程序原理示意圖馮.諾依曼與ENAICJohnVonNeuman(1903—1957)

1944年參加“ENIAC”計算機研究工作。1953年3月，他領導的小組發(fā)表了全新的存儲程序式通用電子計算機方案—電子離散變量自動計算機EDVAC。1946年與他人合作提出更完善的計算機設計報告，是以仙農提出的二進制，程序內存以及指令和數據統(tǒng)一存儲為基礎，奠定了現代計算機體系結構的根基。

1.3.2計算機的主要部件控制器輸入設備存儲器輸出設備運算器計算步驟和原始數據計算結果圖1.5存儲器為中心的計算機結構框圖傳統(tǒng)計算機的五大部件:1.輸入設備2.輸出設備3.存儲器4.運算器:又叫ALU5.控制器MM主存儲器ALU算術邏輯部件CU控制單元CPUI/O設備主機圖1-6現代計算機的組成框圖現代計算機的三大部件:1.CPU(運算器+控制器)2.I/O設備3.主存儲器MM1.3.3計算機的總線結構運算器控制器存儲器輸入設備輸出設備外存儲器地址總線控制總線數據總線圖1-7單總線結構的計算機原理圖●數據總線：用于傳輸數據；●地址總線：用于傳輸內存存儲單元的地址；●控制總線：用于傳輸控制信號。分時和共享是總線的兩大基本特點。

注意:數據,地址和控制總線并不是三組總線,它們都是系統(tǒng)總線的一部分。1.3.4計算機的工作過程1.程序:是為求解某個特定問題而設計的指令序列。計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程.例:

a＋︱b︱＝a＋bb≥0a－bb＜0計算機的解題步驟可作如下安排：步驟1：取a；步驟2：取b；步驟3：判斷；·若b≥0，執(zhí)行步驟4;若b＜0，執(zhí)行步驟6步驟4：執(zhí)行a＋b；步驟5：轉步驟7；步驟6：執(zhí)行a－b；步驟7：結束。計算機的工作過程可歸結為：取指令→分析指令→執(zhí)行指令→再取下一條指令，直到程序結束的反復循環(huán)過程。1.3.4計算機的工作過程2.指令:程序是由指令組成的。指令是機器所能識別的一組編制成特定格式的代碼串，它要求機器在一個規(guī)定的時間段(指令周期)內，完成一組特定的操作。指令的基本格式可歸結為操作碼OP和操作數地址AD兩部分。⑴指出計算機應完成的一組操作內容，⑵兩個操作數的地址和存放結果的地址及尋址方式。⑶為保證程序執(zhí)行的連續(xù)性，在執(zhí)行當前指令時，還需指出下一條指令的地址。1.3.4計算機的工作過程3.指令的執(zhí)行指令規(guī)定的內容是通過控制器執(zhí)行的。⑴控制器的功能①定序功能——保證按程序規(guī)定的順序執(zhí)行指令。②定時功能——控制器為各部件提供統(tǒng)一節(jié)拍，使各條指令及組成每條指令的基本操作（稱為微操作）都嚴格地按規(guī)定的時間有條不紊地自動執(zhí)行。③操作控制功能——控制器應能按照指令規(guī)定的內容，在相應的節(jié)拍向有關部件發(fā)出操作控制信號。

1.3.4計算機的工作過程⑵控制器的組成分別由指令部件、時序部件和操作控制部件來完成。操作控制器指令指針I(yè)P時序部件指令譯碼地址計算指令寄存器IR…操作控制信號……指令指令……數據數據……指令地址操作數地址+1地址單元nn+1mm+1······操作數送ALU圖1-8控制器工作原理圖指令⑶一條指令的執(zhí)行過程①把指令指針I(yè)P中的指令地址送存儲器，從該地址取出指令送指令寄存器IR；②地址計算部件，根據IR中的地址碼形成操作數地址送存儲器，從該地址取出數據，送到運算器中的寄存器；③將IR中的操作碼OP送指令譯碼器進行譯碼；④在控制器發(fā)出的操作信號的控制下，各有關部件執(zhí)行操作碼OP規(guī)定的操作；⑤指令指針I(yè)P加1。4.計算機的解題過程

取數005加法006減法007存數008停機abca+b-c000102030405060708存儲數據寄存器ALU累加器數據總線(a)(b)圖1-9計算機執(zhí)行過程舉例解題大致要經過程序設計→輸入程序→執(zhí)行程序等步驟?，F以計算a＋b－c為例來說明。具體步驟：⑴執(zhí)行取數指令，從主存5號單元取出數a，送入累加器中。⑵執(zhí)行加法指令，將累加器中的內容a與從主存6號單元取出的數b一起送到算術邏輯部件ALU中相加，結果a＋b保留在累加器中。⑶執(zhí)行減法指令，將累加器中的內容a＋b與從主存7號單元取出的數c一起送到ALU中相減，差保留在累加器中。⑷執(zhí)行存數指令，把累加器中的內容a＋b－c存至主存8號單元。⑸執(zhí)行停機指令，計算機停止工作。1.4計算機的主要性能指標1．主頻主頻即時鐘頻率，是指計算機的CPU在單位時間內發(fā)出的脈沖數目。2．機器字長機器字長是指CPU一次能處理數據的位數。3．主存容量主存容量是指一個主存儲器所能存儲的全部信息量。4．運算速度運算速度是一項綜合性指標，它與許多因素有關。5．兼容性兼容性（compatibility）是指一臺設備、一個程序或一個適配器在功能上能容納或替代以前版本或型號的能力。這個性能指標往往與系列機聯(lián)系在一起的。

舉例指令參數傳送加減乘除邏輯其他使用頻度(%)執(zhí)行時間(ns)30200204001025002030020250上表是某計算機的使用統(tǒng)計表,按表計算該機的運算速度為:V=1/(0.3×200+0.2×400+0.1×2500+0.2×300+0.2×250)×10-9=1/(60+80+250+60+50)×10-9=2×106條/S=2MIPS5．兼容性系列機的軟件兼容分為向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。向上（下）兼容是指按某檔次機器編制的程序，不加修改地就能運行在比它更高（低）檔的機器上，系列機內的軟件兼容一般是可以做到向上兼容，但向下兼容則要看到什么樣的程度，不是都能做到的；向前（后）兼容是按某個時期投入市場的某種型號機器編制的程序，不加修改地就能運行在它之前（后）投放市場的機器上。對系列機的軟件向下和向前兼容可不作要求，但必須保證向后兼容。向后兼容是軟件兼容的根本保證，也是系列機的根本特征。系列機：指同一廠家生產的具有相同系統(tǒng)結構，但具有不同組成和實現的一系列內不同型號的計算機。

兼容機：指不同廠家生產的具有相同系統(tǒng)結構，與系列機的思想是一致的。圖1-10兼容性示意圖機器檔次當前機器高向上兼容向下兼容低向前兼容向后兼容時間1.5小結本章是全書的序言。主要討論了計算機系統(tǒng)基本部件的功能與結構，同時介紹了計算機的層次結構，并簡要敘述了計算機的工作過程和解題步驟，最后向讀者介紹了計算機的主要性能指標。通過本章的學習，讀者應理解計算機的基本概念、初步了解計算機的組成和工作原理并對計算機系統(tǒng)建立起一個整體的概念。習題1一.選擇題1．在下列四句話中，最能準確反映計算機主要功能的是

。A．計算機可以存儲大量信息B．計算機能代替人的腦力勞動C．計算機是一種信息處理機D．計算機可實現高速運算2．1946年2月，在美國誕生了世界上第一臺電子數字計算機，它的名字叫（1），1949年研制成功的世界上第一臺存儲程序式的計算機稱為（2）。（1）A．EDVACB．EDSACC．ENIACD．UNIVAC-Ⅰ（2）A．EDVACB．EDSACC．ENIACD．UNIVAC-Ⅰ3．計算機硬件能直接執(zhí)行的只能是

。A．符號語言B．機器語言C．匯編語言D．機器語言和匯編語言4．運算器的核心部件是

。A.數據總線B．數據選擇器C.累加寄存器D.算術邏輯運算部件習題15．存儲器主要用來

。A．存放程序B．存放數據C．存放微程序D．存放程序和數據6．目前我們所說的個人臺式商用機屬于

。A．巨型機B．中型機C．小型機D．微型機7．至今為止，計算機中所含所有信息仍以二進制方式表示，其原因是

。A．節(jié)約元件B．運算速度快C．物理器件性能決定D．信息處理方便8．對計算機軟、硬件資源進行管理，是

的功能。A．操作系統(tǒng)B．數據庫管理系統(tǒng)C．語言處理程序D．用戶程序9．企事業(yè)單位用計算機計算、管理職工工資，這屬于計算機的

應用領域。A．科學計算B．數據處理C．過程控制D．輔助設計習題110．微型計算機的發(fā)展以

技術為標志。A．操作系統(tǒng)B．微處理器C．硬盤