計算機組成原理

1、計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系計算機組成原理北京理工大學計算機科學工程系北京理工大學計算機科學工程系趙清杰趙清杰 計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系本課程的本課程的地位地位 本課程在計算機應(yīng)用學科中處本課程在計算機應(yīng)用學科中處于承上啟下的地位，要求先修的于承上啟下的地位，要求先修的課程有：課程有： 計算機基礎(chǔ)計算機基礎(chǔ) 數(shù)字電路數(shù)字電路學習指南學習指南計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系

2、工程系學習指南學習指南本課程的任務(wù)本課程的任務(wù) 討論討論單機系統(tǒng)范圍內(nèi)計算機各單機系統(tǒng)范圍內(nèi)計算機各部件和系統(tǒng)的組成以及內(nèi)部工作部件和系統(tǒng)的組成以及內(nèi)部工作機制機制。通過學習，掌握計算機各。通過學習，掌握計算機各大部件的組成原理、邏輯實現(xiàn)、大部件的組成原理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計方法及其互連構(gòu)成整機系統(tǒng)設(shè)計方法及其互連構(gòu)成整機系統(tǒng)的技術(shù)。為后繼課程的學習打好的技術(shù)。為后繼課程的學習打好基礎(chǔ)?；A(chǔ)。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系學習指南學習指南本課程的重點：五大基本部件的本課程的重點：五大基本部件的原理及實現(xiàn)。原理及實現(xiàn)。本課程的難點：各

3、部件互連構(gòu)成本課程的難點：各部件互連構(gòu)成整機系統(tǒng)，即整機概念的建立。整機系統(tǒng)，即整機概念的建立。本課程的深廣度：主要討論計算本課程的深廣度：主要討論計算機組成中具有共性的問題，要處機組成中具有共性的問題，要處理好抽象概念與具體實例的關(guān)系。理好抽象概念與具體實例的關(guān)系。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系學習指南學習指南參考書參考書蔣本珊電子計算機組成原理蔣本珊電子計算機組成原理北京理工大學出版社，北京理工大學出版社，19991999白中英白中英 計算機組成原理計算機組成原理 北京科北京科學出版社，學出版社，20012001計算機組成原

4、理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系第一章第一章 概論概論計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系第一章第一章 在本章中我們將從存儲程序的在本章中我們將從存儲程序的概念入手，討論電子數(shù)字計算機的概念入手，討論電子數(shù)字計算機的基本組成與工作原理基本組成與工作原理，使大家對于，使大家對于計算機系統(tǒng)先有一個簡單的整體概計算機系統(tǒng)先有一個簡單的整體概念，為今后深入討論各個部件打下念，為今后深入討論各個部件打下基礎(chǔ)?；A(chǔ)。 計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算

5、機科學工程系工程系1.1 電子數(shù)字計算機電子數(shù)字計算機 電子計算機是一種不需要人工直接干預(yù)，能電子計算機是一種不需要人工直接干預(yù)，能夠自動、高速、準確的對各種信息進行處理和夠自動、高速、準確的對各種信息進行處理和存儲的電子設(shè)備。存儲的電子設(shè)備。 可以有非電子計算機（如：光計算機、量子可以有非電子計算機（如：光計算機、量子計算機、超導計算機等）。計算機、超導計算機等）。 可以有非數(shù)字計算機（如：模擬計算機）。可以有非數(shù)字計算機（如：模擬計算機）。 世界上第一臺電子數(shù)字計算機是世界上第一臺電子數(shù)字計算機是1946年年2月月15日問世的日問世的ENIAC。 ENIAC的設(shè)計開始于的設(shè)計開始于1943

6、年年, 該機一直使用該機一直使用到到1955年。年。1 1 電子數(shù)字計算機與存儲程序控制電子數(shù)字計算機與存儲程序控制計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系1 1 電子數(shù)字計算機與存儲程序控制電子數(shù)字計算機與存儲程序控制ENIAC的特點：采用十進制采用十進制20 個個10位的累加器位的累加器用開關(guān)手動編程用開關(guān)手動編程18,000個電子管個電子管重重30 噸噸占地占地170平方米平方米耗電耗電140 KW5,000次次/秒加法運算秒加法運算 計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系1

7、.2 存儲程序概念存儲程序概念 馮馮諾依曼等人在諾依曼等人在1946年年6月提出存儲程序概念：月提出存儲程序概念：計算機（指硬件）應(yīng)由計算機（指硬件）應(yīng)由運算器、存儲器、控制運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成；五大基本部件組成；計算機內(nèi)部采用二進制來表示指令和數(shù)據(jù)；計算機內(nèi)部采用二進制來表示指令和數(shù)據(jù)；將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，然后再啟動計算機工作然后再啟動計算機工作，使計算機在不需要人，使計算機在不需要人工干預(yù)的情況下，自動、高速地從存儲器中取工干預(yù)的情況下，自動、高速地從存儲器中取出指令加以

8、執(zhí)行。出指令加以執(zhí)行。1 1 電子數(shù)字計算機與存儲程序控制電子數(shù)字計算機與存儲程序控制計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系1 1 電子數(shù)字計算機與存儲程序控制電子數(shù)字計算機與存儲程序控制目前絕大多數(shù)計算機仍建立在目前絕大多數(shù)計算機仍建立在存儲程序存儲程序概概念的基礎(chǔ)上，稱馮念的基礎(chǔ)上，稱馮諾依曼型計算機。諾依曼型計算機。 也出現(xiàn)了一些突破馮也出現(xiàn)了一些突破馮諾依曼結(jié)構(gòu)的計算諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機，統(tǒng)稱非馮結(jié)構(gòu)計算機，如：數(shù)據(jù)驅(qū)動的機，統(tǒng)稱非馮結(jié)構(gòu)計算機，如：數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)流計算機、需求驅(qū)動的歸約計算機和模數(shù)據(jù)流計算機、需求驅(qū)動的歸約計算機

9、和模式匹配驅(qū)動的智能計算機等。式匹配驅(qū)動的智能計算機等。 計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系1.3 計算機的簡單框圖計算機的簡單框圖中央處理器（中央處理器（CPU）CPU = 運算器運算器 + 控制器控制器主機主機主機主機 = 中央處理器中央處理器 + 主存儲器主存儲器外部設(shè)備外部設(shè)備除去主機以外的硬件裝置（如輸入設(shè)備、輸除去主機以外的硬件裝置（如輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存儲器等）出設(shè)備、外存儲器等）1 1 電子數(shù)字計算機與存儲程序控制電子數(shù)字計算機與存儲程序控制計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大

10、學計算機科學工程系工程系1 1 電子數(shù)字計算機與存儲程序控制電子數(shù)字計算機與存儲程序控制運算器控制器主存儲器主存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備輔助存儲器輔助存儲器CPU控制控制數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址或指令地址或指令主機主機外設(shè)外設(shè)存儲器存儲器計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系2 2 計算機的類型和應(yīng)用計算機的類型和應(yīng)用2.1 計算機的類型計算機的類型 巨、大、中、小、微型機巨、大、中、小、微型機2.2 計算機的應(yīng)用計算機的應(yīng)用 科學計算科學計算 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 過程控制過程控制 計算機輔助設(shè)計與制造計算機輔助設(shè)計與制造 人工智能人工智能計算機組成原理

11、計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系2 2 計算機的類型和應(yīng)用計算機的類型和應(yīng)用2.3 系列機的概念系列機的概念 系列機是指一個廠家生產(chǎn)的，具有相同的系列機是指一個廠家生產(chǎn)的，具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。不同型號的機器。 系列機應(yīng)在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、字符編系列機應(yīng)在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、字符編碼、中斷系統(tǒng)、控制方式、輸入碼、中斷系統(tǒng)、控制方式、輸入/輸出操作輸出操作方式等方面保持統(tǒng)一，從而保證軟件的兼容方式等方面保持統(tǒng)一，從而保證軟件的兼容性。性。 軟件兼容軟件兼容： 向上兼

12、容向上兼容 向下兼容向下兼容 向前兼容向前兼容 向后兼容向后兼容計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系2 2 計算機的類型和應(yīng)用計算機的類型和應(yīng)用時間機器檔次當前機器向后兼容向前兼容向上兼容向下兼容計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成 3.1 計算機的主要部件計算機的主要部件 1.輸入設(shè)備輸入設(shè)備 輸入設(shè)備的任務(wù)是把人們編好的輸入設(shè)備的任務(wù)是把人們編好的程序和原程序和原始數(shù)據(jù)始數(shù)據(jù)送到計算機中去，并且將它們送到計算機中去，并且將它

13、們轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成計算機內(nèi)部所能識別和接受的成計算機內(nèi)部所能識別和接受的信息方式信息方式。常用的有鍵盤、鼠標、掃描儀等。常用的有鍵盤、鼠標、掃描儀等。 2.輸出設(shè)備輸出設(shè)備 輸出設(shè)備的任務(wù)是將計算機的處理輸出設(shè)備的任務(wù)是將計算機的處理結(jié)果結(jié)果以人或其他設(shè)備所能接受的形式送出計算以人或其他設(shè)備所能接受的形式送出計算機。常用的有顯示器、打印機、繪圖儀等。機。常用的有顯示器、打印機、繪圖儀等。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成3.1 計算機的主要部件計算機的主要部件3.存儲器存儲器 存儲器是用來存

14、放存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)程序和數(shù)據(jù)的部件，它是的部件，它是一個記憶裝置，也是計算機能夠?qū)崿F(xiàn)一個記憶裝置，也是計算機能夠?qū)崿F(xiàn)“存儲程存儲程序控制序控制”的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成Cache主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器速度速度快快慢慢三級存儲系統(tǒng)三級存儲系統(tǒng)計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成Cache主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器三級存儲系

15、統(tǒng)三級存儲系統(tǒng)小小大大容量容量計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成Cache主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器三級存儲系統(tǒng)三級存儲系統(tǒng)貴貴賤賤價格價格/位位計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成Cache主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器 主存儲器主存儲器 可由可由CPUCPU直接訪問，用來存放當前正直接訪問，用來存放當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。主存儲器主存儲器

16、主存儲器主存儲器主存儲器主存儲器計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成Cache主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器主存儲器主存儲器主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器 設(shè)置在主機外部，設(shè)置在主機外部，CPUCPU不能直接訪問，用來不能直接訪問，用來存放暫時不參與運行的程序和數(shù)據(jù)，需要時再存放暫時不參與運行的程序和數(shù)據(jù)，需要時再傳送到主存。傳送到主存。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機

17、科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成Cache主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器主存儲器主存儲器主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器CacheCacheCache高速緩沖存儲器（高速緩沖存儲器（CacheCache） CPUCPU可以直接訪問，用來存放當前正在執(zhí)可以直接訪問，用來存放當前正在執(zhí)行的程序中的行的程序中的活躍部分活躍部分，以便快速地向，以便快速地向CPUCPU提提供指令和數(shù)據(jù)。供指令和數(shù)據(jù)。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成

18、計算機系統(tǒng)的硬件組成 4.運算器運算器 運算器是對信息進行處理和運算的部件，運算器是對信息進行處理和運算的部件，經(jīng)常進行的運算是算術(shù)運算和邏輯運算，經(jīng)常進行的運算是算術(shù)運算和邏輯運算，因此運算器的核心是算術(shù)邏輯運算部件因此運算器的核心是算術(shù)邏輯運算部件ALU。 運算器中有若干個寄存器（如累加寄存運算器中有若干個寄存器（如累加寄存器、暫存器等）。器、暫存器等）。 5.控制器控制器 控制器是整個計算機的指揮中心?？刂破魇钦麄€計算機的指揮中心。 控制器中主要包括時序控制信號形成部控制器中主要包括時序控制信號形成部件和一些專用的寄存器。件和一些專用的寄存器。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京

19、理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成 3.2 計算機的總線結(jié)構(gòu)（小、微型機典型結(jié)構(gòu)）計算機的總線結(jié)構(gòu)（小、微型機典型結(jié)構(gòu)） 將各大基本部件，按某種方式連接起來就構(gòu)將各大基本部件，按某種方式連接起來就構(gòu)成了計算機的硬件系統(tǒng)。成了計算機的硬件系統(tǒng)。 目前許多計算機（主要指小、微型計算機）目前許多計算機（主要指小、微型計算機）的各大基本部件之間是用總線（的各大基本部件之間是用總線（Bus）連接起來）連接起來的。的。 總線是一組能為多個部件服務(wù)的公共信息傳總線是一組能為多個部件服務(wù)的公共信息傳送線路，它能分時地發(fā)送與接收各部件的信息。送線

20、路，它能分時地發(fā)送與接收各部件的信息。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成 總線特點：總線特點： 共享共享 分時分時 小型、微型機的設(shè)計目標是以較小小型、微型機的設(shè)計目標是以較小的硬件代價組成具有較強功能的系統(tǒng)，的硬件代價組成具有較強功能的系統(tǒng)，而總線結(jié)構(gòu)正好能滿足這一要求。而總線結(jié)構(gòu)正好能滿足這一要求。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成 以以CPUCPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)為中心

21、的雙總線結(jié)構(gòu)CPU主存儲器主存儲器接口接口接口接口外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)I/O總線總線存儲總線存儲總線接口接口外設(shè)外設(shè)結(jié)構(gòu)簡單。但外設(shè)與主存間必須通過結(jié)構(gòu)簡單。但外設(shè)與主存間必須通過CPUCPU進行信進行信息交換，降低了息交換，降低了CPUCPU的工作效率。的工作效率。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成 接口接口接口接口外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)CPU主存儲器主存儲器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)提高了提高了CPUCPU的工作效率，外設(shè)連接靈活。但信息傳送的工作效率，外設(shè)連接靈活。但信息傳送的吞

22、吐率受到限制，控制邏輯比專用存儲復(fù)雜。的吞吐率受到限制，控制邏輯比專用存儲復(fù)雜。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成 接口接口接口接口外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)CPU主存儲器主存儲器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線存儲總線存儲總線面向存儲器的雙總線結(jié)構(gòu)面向存儲器的雙總線結(jié)構(gòu)保留了單總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，而存取速度大大提高。保留了單總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，而存取速度大大提高。但硬件的代價隨之增加。但硬件的代價隨之增加。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系3 3 計算機系

23、統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成3.3 大、中型機的典型結(jié)構(gòu)大、中型機的典型結(jié)構(gòu) 大、中型計算機系統(tǒng)的設(shè)計目標更著重大、中型計算機系統(tǒng)的設(shè)計目標更著重于于系統(tǒng)功能的擴大與效率的提高系統(tǒng)功能的擴大與效率的提高。 主機可以連接多個通道，每個通道可以主機可以連接多個通道，每個通道可以接一臺或幾臺設(shè)備控制器，每個設(shè)備控制器接一臺或幾臺設(shè)備控制器，每個設(shè)備控制器又可接一臺或幾臺外部設(shè)備，這樣整個系統(tǒng)又可接一臺或幾臺外部設(shè)備，這樣整個系統(tǒng)就可以連接很多的外部設(shè)備。就可以連接很多的外部設(shè)備。 通道是承擔通道是承擔I/O操作管理的主要部件，能操作管理的主要部件，能使使CPU的數(shù)據(jù)處理和外部設(shè)備交換信息這兩的數(shù)

24、據(jù)處理和外部設(shè)備交換信息這兩項操作同時進行。項操作同時進行。 計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系第四級第四級第三級第三級第二級第二級3 3 計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件組成 主存主存CPU通道通道通道通道設(shè)備設(shè)備控制器控制器設(shè)備設(shè)備控制器控制器設(shè)備設(shè)備控制器控制器設(shè)備設(shè)備控制器控制器外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)主機主機第一級第一級3.3 大、中型機的典型結(jié)構(gòu)大、中型機的典型結(jié)構(gòu)計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系4 4 計算機系統(tǒng)

25、的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 4.1 硬件與軟件硬件與軟件 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)=硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng) 硬件是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件是計硬件是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂。硬件和軟件是相輔相成算機系統(tǒng)的靈魂。硬件和軟件是相輔相成的，不可分割的整體。的，不可分割的整體。 當前計算機的硬件和軟件正朝著互相滲透，當前計算機的硬件和軟件正朝著互相滲透，互相融合的方向發(fā)展，在計算機系統(tǒng)中沒互相融合的方向發(fā)展，在計算機系統(tǒng)中沒有一條明確的硬件與軟件的分界線。硬件有一條明確的硬件與軟件的分界線。硬件和軟件之間的界面是浮動的，對于程序設(shè)和軟件之間的界面是浮動的，對于程序設(shè)計

26、人員來說，計人員來說，硬件和軟件在邏輯上是等價硬件和軟件在邏輯上是等價的的。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系4 4 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 硬件軟化：原來由硬件實現(xiàn)的操作改由硬件軟化：原來由硬件實現(xiàn)的操作改由軟件來實現(xiàn)。它可以增強系統(tǒng)的功能和適軟件來實現(xiàn)。它可以增強系統(tǒng)的功能和適應(yīng)性。應(yīng)性。 軟件硬化：原來由軟件實現(xiàn)的操作改由軟件硬化：原來由軟件實現(xiàn)的操作改由硬件來實現(xiàn)。它可以顯著降低軟件在時間硬件來實現(xiàn)。它可以顯著降低軟件在時間上的開銷。上的開銷。 固件固件是指那些存儲在能永久保存信息的是指那些存儲在能永久保存

27、信息的器件（如器件（如ROM）中的程序，是）中的程序，是具有軟件功具有軟件功能的硬件能的硬件。固件的性能指標介于硬件與軟。固件的性能指標介于硬件與軟件之間，吸收了軟、硬件各自的優(yōu)點，其件之間，吸收了軟、硬件各自的優(yōu)點，其執(zhí)行速度快于軟件，靈活性優(yōu)于硬件，是執(zhí)行速度快于軟件，靈活性優(yōu)于硬件，是軟、硬件結(jié)合的產(chǎn)物，計算機功能的固件軟、硬件結(jié)合的產(chǎn)物，計算機功能的固件化將成為計算機發(fā)展中的一個趨勢?；瘜⒊蔀橛嬎銠C發(fā)展中的一個趨勢。 計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系4 4 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 4.2 計算機軟件的基本

28、內(nèi)容計算機軟件的基本內(nèi)容 系統(tǒng)軟件：包括各種語言的處理程序、系統(tǒng)軟件：包括各種語言的處理程序、操作系統(tǒng)、服務(wù)程序、管理程序等。操作系統(tǒng)、服務(wù)程序、管理程序等。 應(yīng)用軟件：由用戶或第三方軟件公司專應(yīng)用軟件：由用戶或第三方軟件公司專門為解決某個應(yīng)用領(lǐng)域中的具體任務(wù)而編制門為解決某個應(yīng)用領(lǐng)域中的具體任務(wù)而編制的程序。的程序。 在計算機系統(tǒng)中，軟件是在硬件的支持在計算機系統(tǒng)中，軟件是在硬件的支持下工作的，而應(yīng)用軟件又是在系統(tǒng)軟件的支下工作的，而應(yīng)用軟件又是在系統(tǒng)軟件的支持下工作的。持下工作的。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系4 4 計算機

29、系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 4.3 計算機系統(tǒng)的多計算機系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu) 1.多層次結(jié)構(gòu)多層次結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)現(xiàn)代計算機系統(tǒng)是一個硬件與軟是一個硬件與軟件組成的綜合體，件組成的綜合體，我們可以把它看我們可以把它看成是按功能劃分成是按功能劃分的多級層次結(jié)構(gòu)。的多級層次結(jié)構(gòu)。微程序級（實際機器）微程序級（實際機器）機器語言級（實際機器）機器語言級（實際機器）匯編語言級（虛擬機器）匯編語言級（虛擬機器）應(yīng)用語言級（虛擬機器）應(yīng)用語言級（虛擬機器）高級語言級（虛擬機器）高級語言級（虛擬機器）操作系統(tǒng)級（虛擬機器）操作系統(tǒng)級（虛擬機器）數(shù)字邏輯（實際機器）數(shù)字邏輯（實際機器）第第0級

30、級第第1級級第第2級級第第3級級第第4級級第第5級級第第6級級硬操作時序（實際機器）硬操作時序（實際機器）微程序級（實際機器）微程序級（實際機器）機器語言級（實際機器）機器語言級（實際機器）操作系統(tǒng)級（虛擬機器）操作系統(tǒng)級（虛擬機器）匯編語言級（虛擬機器）匯編語言級（虛擬機器）高級語言級（虛擬機器）高級語言級（虛擬機器）應(yīng)用語言級（虛擬機器）應(yīng)用語言級（虛擬機器）硬聯(lián)邏輯硬聯(lián)邏輯微程序微程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)匯編程序匯編程序編譯程序編譯程序應(yīng)用程序應(yīng)用程序計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系4 4 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)

31、構(gòu)2.虛擬機概念虛擬機概念 在計算機系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)中，除第在計算機系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)中，除第0、1、2級外，上面四級均為虛擬機。級外，上面四級均為虛擬機。 虛擬計算機是指這個計算機只對該級的觀虛擬計算機是指這個計算機只對該級的觀察者存在。對某一層次的觀察者來說，他只察者存在。對某一層次的觀察者來說，他只能是通過該層次的語言來了解和使用計算機，能是通過該層次的語言來了解和使用計算機，至于下層是如何工作和實現(xiàn)的就不必關(guān)心了。至于下層是如何工作和實現(xiàn)的就不必關(guān)心了。簡而言之，簡而言之，虛擬計算機即是由軟件實現(xiàn)的機虛擬計算機即是由軟件實現(xiàn)的機器。器。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學

32、計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系4 4 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)4.4 不同對象觀察到的計算機硬件系統(tǒng)不同對象觀察到的計算機硬件系統(tǒng) 一般用戶一般用戶觀察到的觀察到的計算機硬計算機硬件系統(tǒng)件系統(tǒng)計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系4 4 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 專業(yè)用戶專業(yè)用戶觀察到的計觀察到的計算機硬件系算機硬件系統(tǒng)統(tǒng) 計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系4 4 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 計算機設(shè)計算機設(shè)計者觀察

33、到計者觀察到的計算機硬的計算機硬件系統(tǒng)件系統(tǒng) 計算機控制器TTLMOS晶體管1門1寄存器1晶體管2外設(shè)存儲器ALU寄存器2寄存器N門K門2晶體管T. . . . . . . . .系統(tǒng)級寄存器級門級晶體管級物理級計算機控制器TTLMOS晶體管1門1寄存器1晶體管2存儲器ALU寄存器2寄存器N門K門2晶體管T系統(tǒng)級寄存器級門級晶體管級物理級計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 0

34、07STORE 008STORE 008HALTHALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線累加器累加器ALU5 5 計算機的工作過程和主要性能指標計算機的工作過程和主要性能指標5.1 計算機的工作過程計算機的工作過程計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線累加器

35、累加器ALU5 5 計算機的工作過程和主要性能指標計算機的工作過程和主要性能指標LOAD 005LOAD 005a aa aa a取數(shù)指令取數(shù)指令計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線累加器累加器ALU5 5 計算機的工作過程和主要性能指標計算機的工作過程和主要性能指標LO

36、AD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba aa+ba+b加法指令加法指令a a b b計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線累加器累加器ALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba+ba+bb b5 5 計算

37、機的工作過程和主要性能指標計算機的工作過程和主要性能指標SUB 007SUB 007c cc ca+b-ca+b-c減法指令減法指令計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線累加器累加器ALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba+ba+bb

38、 bSUB 007SUB 007c cc ca+b-ca+b-c5 5 計算機的工作過程和主要性能指標計算機的工作過程和主要性能指標STORE 008STORE 008a+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-c存數(shù)指令存數(shù)指令計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線

39、數(shù)據(jù)總線累加器累加器ALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba+ba+bb bSUB 007SUB 007c cc ca+b-ca+b-cSTORE 008STORE 008a+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-c5 5 計算機的工作過程和主要性能指標計算機的工作過程和主要性能指標HALTHALT停機指令停機指令計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系5 5 計算機的工作過程和主要性能指標計算機的工作過程和主要性能指標5.2 計算機的主要性能指標計算機的主要性能指標 1.基本字長基

40、本字長 基本字長是指參與運算的數(shù)的基本位數(shù)，基本字長是指參與運算的數(shù)的基本位數(shù)，它是由加法器、寄存器、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)決它是由加法器、寄存器、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)決定的。定的。 在計算機中為了更靈活地表達和處理信息，在計算機中為了更靈活地表達和處理信息，許多計算機又以許多計算機又以字節(jié)字節(jié)（Byte）為基本單位，）為基本單位，一個字節(jié)等于一個字節(jié)等于8位二進制位二進制位位（bit）。）。 不同的計算機，字（不同的計算機，字（Word）可以不相同，）可以不相同，但對于系列機來說，在同一系列中，字卻是但對于系列機來說，在同一系列中，字卻是固定的，如固定的，如80X86系列中，一個字等于系列中，一個字等于1

41、6位；位；IBM303X系列中，一個字等于系列中，一個字等于32位。位。 計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系5 5 計算機的工作過程和主要性能指標計算機的工作過程和主要性能指標 2.數(shù)據(jù)通路寬度數(shù)據(jù)通路寬度 數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送的位數(shù)，稱為數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送的位數(shù)，稱為數(shù)據(jù)通路寬度數(shù)據(jù)通路寬度。 它影響到信息的傳送能力，它影響到信息的傳送能力，從而影響計算機的有效處理速度。從而影響計算機的有效處理速度。CPU內(nèi)部內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路寬度一般等于基本字長，而外部的數(shù)據(jù)通路寬度一般等于基本字長，而外部數(shù)據(jù)通路寬度則取決于系統(tǒng)總線。數(shù)

42、據(jù)通路寬度則取決于系統(tǒng)總線。 內(nèi)、外數(shù)據(jù)通路寬度相等的內(nèi)、外數(shù)據(jù)通路寬度相等的CPU有：有：Intel 8086、80286、80486等；等； 外部外部內(nèi)部的內(nèi)部的CPU有：有：8088、80386SX等；等； 外部外部內(nèi)部的內(nèi)部的CPU有：有：Pentium等。等。計算機組成原理計算機組成原理2003.2北京理工大學計算機科學北京理工大學計算機科學工程系工程系5 5 計算機的工作過程和主要性能指標計算機的工作過程和主要性能指標 3.主存容量主存容量 一個主存儲器所能存儲的全部信息量稱為主一個主存儲器所能存儲的全部信息量稱為主存容量存容量。衡量主存容量單位有兩種：。衡量主存容量單位有兩種： 字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)。這類計算機稱為。這類計算機稱為字節(jié)編址字節(jié)編址的計算機。每的計算機。每1024個字節(jié)稱為個字節(jié)稱為1K字節(jié)（字節(jié)（210=1K），每），每1024K字節(jié)字節(jié)