第一章 計算機系統(tǒng)概述

1、計 算 機 組 成 原 理王 冬TEL：rinciples of Computer Organization 王 冬TEL： 程 情 況 概 述計算機組成原理計算機組成原理前導(dǎo)課前導(dǎo)課后續(xù)課后續(xù)課計算機系計算機系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)統(tǒng)結(jié)構(gòu)微型計算微型計算 機技術(shù)機技術(shù)承上啟下承上啟下 軟硬件兼容軟硬件兼容 匯編語言匯編語言 程序設(shè)計程序設(shè)計數(shù)字邏輯和數(shù)字邏輯和 集成電路集成電路1.課課程地位程地位 屬屬于于專業(yè)專業(yè)基基礎(chǔ)礎(chǔ)、核心硬件、核心硬件課課程，必修程，必修計算機組成 2. 授 課 內(nèi) 容1）計算機由幾部分組成2）各部件的組成功能及其原理3）各部件的

2、關(guān)系4）整機如何工作信息流角度 1）數(shù)據(jù)流2）控制流（指令流）動態(tài)從程序運行的角度來看：CPU的基本功能就是對指令流和數(shù)據(jù)流在時間與空間上實施正確的控制。驅(qū)動 本章將從存儲程序的概念入手，討論計算機的基本組成與工作原理，使讀者對于計算機系統(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基礎(chǔ)。 第一章 計算機系統(tǒng)概論1.1 計算機系統(tǒng)簡介1.4 計算機的軟件1.3 計算機硬件1.2 計算機的基本組成1.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1 計算機系統(tǒng)簡介由具有各類特殊功能的信息（程序）組成1. 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機的實體如主機、外設(shè)等一、 計算機軟、硬件的概念硬件軟件1.一般用戶觀察到的計算

3、機硬件系統(tǒng)不同對象觀察到的計算機硬件系統(tǒng)2.專業(yè)用戶觀察到的計算機硬件系統(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3.計算機設(shè)計者觀察到的計算機硬件系統(tǒng)按任務(wù)需要編制成的各種程序用來管理整個計算機系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件語言處理程序操作系統(tǒng)服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件軟件計算機系統(tǒng)系能的好壞，很大程度上是由： 的 和 來表征的，而 的發(fā)揮又離

4、不開 的支持 。 結(jié)論：軟硬件在邏輯功能上是等效的問：什么情況下使用硬件實現(xiàn)？什么情況下使用軟件實現(xiàn)？注意硬軟件之間的關(guān)系 硬件、軟件的功能劃分與邏輯上是等價的(1) 硬件是基礎(chǔ)軟件是靈魂(2) 硬件與軟件之間的功能分配關(guān)系常常隨著技術(shù)發(fā) 展而變化(3) 硬件軟化軟件硬化(4) 軟件固化 二、 計算機的分類1.電子計算機 從總體上來說分為兩大類 電子模擬計算機 “模擬”就是相似的意思。模擬計算機的特點是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算過程也是連續(xù)的。 電子數(shù)字計算機 它是在算盤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是用數(shù)目字來表示數(shù)量的大小。數(shù)字計算機的主要特點是按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算。 兩者的主要區(qū)別 數(shù)字計

5、算機數(shù)字計算機模擬計算機模擬計算機數(shù)據(jù)表示方式數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字?jǐn)?shù)字0/1電壓電壓計算方式計算方式數(shù)字計數(shù)數(shù)字計數(shù)電壓組合和測量值電壓組合和測量值控制方式控制方式程序控制程序控制盤上連線盤上連線精度精度高高低低數(shù)據(jù)存儲量數(shù)據(jù)存儲量大大小小邏輯判斷能力邏輯判斷能力強強無無 二、 計算機的分類2. 計算機按指令和數(shù)據(jù)流還可以分為： SISD: SIMD: MISD: MIMD:3. 向著“兩極”分化 微型化 巨型化 三、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) *8 層次怎么樣劃分？按硬件、固件、軟件的功能劃分每一級對應(yīng)一機器組成和作用？多層次結(jié)構(gòu)的好處？為什么要劃分多級層次結(jié)構(gòu)？從各個角度所看到的機器之間的有機聯(lián)系，

6、分清界面，明確各自功能，以便構(gòu)成合理、高效的計算機系統(tǒng)三、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 廣義語言機器語言、匯編語言、高級語言和應(yīng)用語言等機器語言計算機能直接識別和執(zhí)行的語言符號化匯編語言高級語言不針對具體機器的計算機語言三、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級語言虛擬機器 M3匯編語言虛擬機器 M2操作系統(tǒng)虛擬機器機器語言實際機器 M1微指令系統(tǒng)微程序機器 M0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由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件虛擬機器 M4虛擬機器 M3虛擬機器 M2實際機器 M1微程序機器 M0三、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)透明度在計算機中，客觀存在的事物或

7、屬性從某個角度看不到，就稱為“透明”所謂透明實際上就是指那些不屬于自己管的部分（不會出現(xiàn)和不需要了解的部分） 。例：數(shù)據(jù)總線寬度、浮點數(shù)表示/乘法程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計算機體系結(jié)構(gòu)計算機組成實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性有無乘法指令如何實現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/O機理）（具體指令的實現(xiàn)）四、計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成1.1 計算機的發(fā)明 (1) 圖靈機的提出 1936年，英國劍橋大學(xué)著名數(shù)學(xué)家圖靈在研究解決數(shù)學(xué)的一個基礎(chǔ)理論問題時，發(fā)表了著名的“理想計算機”的論文。（ “論可計算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用”論文，提出了著名的理論計算機模型圖靈

8、機。利用這種計算機，可以把推理化做一些簡單的機械動作。）。 1.2 計算機的發(fā)展和基本組成 計算機的發(fā)展電子管巨大規(guī)模集成電路(單片機)計算機的發(fā)明過程中有三件事情非常重要：（19121954）v(2) 第一臺計算機的制造成功v 世界上第一臺通用電子數(shù)字計算機是美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院的約翰莫克萊博士和他的研究生J普雷斯泊?？颂刂鞒纸ㄔ斓模∶麨镋NIAC(即電子數(shù)字積分計數(shù)器)。 v (3) 馮諾依曼計算機模式的提出v 在埃克特與約翰馮諾依曼的一次偶然會面中，他們討論了ENIAC的工作原理和操作中的問題。馮諾依曼在匈牙利出生,以后移居美國，成為普林斯特大學(xué)的數(shù)學(xué)教授。 馮 諾依曼型計算機電

9、子計算機裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探現(xiàn)代計算機雛形1.2 計算機的基本組成1. 計算機由五大部件組成3. 指令和數(shù)據(jù)用二進制表示4. 指令由操作碼和地址碼組成6. 以運算器為中心2. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器 可按地址尋訪5. 存儲程序一、馮.諾依曼計算機的特點5. 存儲程序算術(shù)運算邏輯運算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機器能識別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運行馮.諾依曼計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備以存儲器為中心的計算機硬件框圖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ALU主存輔

10、存CPU主機I/O硬件CU 現(xiàn)代計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器輸出設(shè)備控制器ALUCPU主機I/OCU主存 現(xiàn)代計算機的特點 v 1）運算速度快v 2）精度高v 3）記憶和邏輯判斷能力v 4）通用性強v 5）自動連續(xù)運算隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了許多改進：v 從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了向量計算機、并行計算機、多處理機等。v 高級語言與機器語言的語義距離縮小，出現(xiàn)了面向高級語言的計算機和直接執(zhí)行高級語言的計算機。v 硬件子系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相適應(yīng)，出現(xiàn)了面向操作系統(tǒng)的計算機和數(shù)據(jù)庫計算機等。v 從傳統(tǒng)的控制驅(qū)動型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動型和需求驅(qū)動型，出現(xiàn)

11、了數(shù)據(jù)流計算機和歸約機。v 為適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計算機，如快速傅里葉變換機器、過程控制計算機等。v 為獲得高可靠性而研制容錯計算機。v 計算機系統(tǒng)功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種功能分布計算機，包括外圍處理機、通信處理機等。v 出現(xiàn)了與大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路相適應(yīng)的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。v 出現(xiàn)了處理非數(shù)值化信息的智能計算機，例如，處理自然語言、聲音、圖形和圖像等信息的計算機。存儲體大樓存儲單元 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按地址尋訪 存儲單元 存儲元件（0/1） 房間 床位（無人/ 有人）1. 存儲

12、器的基本組成主存儲器存儲體MARMDR二、計算機功能部件MARMDR 存儲單元個數(shù) 16存儲字長 8 設(shè) MAR = 4 位 MDR = 8 位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取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCUPCIRCU取指執(zhí)行PC 存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址 具有計數(shù)功能（PC）+ 1 PCIR 存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存完成一條指令2. 控制器的基本組成 通常將運算器和控制器合稱為中央處理器（CPU）3. 微處理器在由超大規(guī)模集成電路構(gòu)成的微型計算機中 ， 往往將 CPU 制成一塊芯片 ， 稱為微處理器。 現(xiàn)代的微處理器芯片1235

13、6789以取數(shù)指令為例4三. 主機完成一條指令的過程CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR運算器MQACCALUXI/Oa+|b| 程序的運行過程程序 a+|b|v1）程序設(shè)計）程序設(shè)計v2）編輯程序并分配存儲單元）編輯程序并分配存儲單元v3）把程序和原始數(shù)據(jù)存入存儲單元）把程序和原始數(shù)據(jù)存入存儲單元v4）執(zhí)行程序）執(zhí)行程序1）程序設(shè)計v包含的指令集合ADD SUB MOV JP OUT HALTv a+|b|？v流程圖 ？2）編輯程序并分配存儲單元v 單元地址 單元內(nèi)容 2000 MOV A,(2010) 2001 MOV B,(2011) 2002 JP B0,2005

14、 2003 ADD A,B 2004 JP+2 2005 SUB A-B 2006 MOV (2012),A 2007 OUT (2012) 2008 HALT 2010 a 2011 b3）從程序和原始數(shù)據(jù)到存儲單元送內(nèi)存，逐條取出 執(zhí)行，自動計算4）執(zhí)行程序(1）取指令(2）分析指令(3）執(zhí)行指令執(zhí)行完第一條指令, IP ?PCMAR M MDR IROP(IR) CUAd(IR) MAR M MDR ACC（PC）+1 PC1.3 計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.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(guān)，字長選用字節(jié)的整數(shù)倍3.運算速度CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控

15、制，主時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz、GHz。1）CPU時鐘周期2）主頻（CPU時鐘頻率）通常為字節(jié)脈沖或T周期，即主頻的倒數(shù)，它是CPU中最小的時間單位，每個動作至少需要一個時鐘周期2.總線寬度一般指CPU中運算器與存儲器之間進行互連的內(nèi)部總線二進制位數(shù)1.3 計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)3）吞吐量 一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）。 它取決于信息能多快地輸入內(nèi)存，CPU能多快地取指令，數(shù)據(jù)能多快地從內(nèi)存取出或者存入，以及所得結(jié)果能多快地從內(nèi)存送給一臺外部設(shè)備。 因此，系統(tǒng)吞吐量主要取決于主存的存取時間4）CPI

16、（Clock Cycle Per Instruction） 執(zhí)行一條指令需要的時鐘周期數(shù)1.3 計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)5） CPU執(zhí)行時間CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間CPU執(zhí)行時間 CPU時鐘周期數(shù) CPU時鐘周期長 CPU時鐘周期數(shù)/主頻 （指令條數(shù)*CPI）/主頻 每秒執(zhí)行百萬條指令MIPS6） 吉普森法、MIPS和MFLOPSMIPS=指令條數(shù)/（執(zhí)行時間*106）=主頻/CPI每秒執(zhí)行多少百萬次浮點運算MFLOPSMFLOPS=浮點數(shù)操作次數(shù)/（執(zhí)行時間*106）=ni =1fi tiTM吉普森法221 = 256KB213 = 1KB如：4.存儲容量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) 80GB如：MAR MDR 容量10 816 32存放二進制信息的總數(shù)量1K = 2101Byte = 231G = 2301K 8位64K 32位作業(yè)（思考題）1) 指令和數(shù)據(jù)都存于存儲器中，計算機如何區(qū)分它們 ？ 2) 機器字長、指令字長和存儲字長的區(qū)別和聯(lián)系？設(shè)某主存容量為128k32位，并且上述三種字長相等。寫出下圖中個寄存器的位數(shù)，并指出哪些寄存器之間有信息通路3) 簡單描述計算機層次結(jié)構(gòu)，說明個層次的主要特點4) 某計算機只有Load/Store指令能對存儲器就行讀/寫操作，其他指令只能對寄存器就行操作。根據(jù)程序跟蹤試驗結(jié)果，已知每條指令所占