計(jì)算機(jī)組成原理第一章系統(tǒng)概述T

1、第第 一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 一、考試范圍：一、考試范圍：（一）計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程（一）計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程（二）計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)（二）計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)1 1、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成2 2、計(jì)算機(jī)軟件的分類、計(jì)算機(jī)軟件的分類3 3、計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程、計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程（三）計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)（三）計(jì)算機(jī)性能指標(biāo) 吞吐量、響應(yīng)時(shí)間；吞吐量、響應(yīng)時(shí)間；CPUCPU時(shí)鐘周期、主頻、時(shí)鐘周期、主頻、CPICPI、CPUCPU執(zhí)行時(shí)間；執(zhí)行時(shí)間；MIPSMIPS、MFLOPSMFLOPS。1 二、復(fù)習(xí)要點(diǎn)二、復(fù)習(xí)要點(diǎn) 了解計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程了解計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的硬

2、件基本組了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的硬件基本組成、軟件分類和工作過(guò)程。成、軟件分類和工作過(guò)程。了解計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)及有關(guān)的計(jì)算和術(shù)語(yǔ)解釋了解計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)及有關(guān)的計(jì)算和術(shù)語(yǔ)解釋 軟件、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。軟件、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言。高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言。存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)元件、存儲(chǔ)基元、存儲(chǔ)字、存儲(chǔ)字存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)元件、存儲(chǔ)基元、存儲(chǔ)字、存儲(chǔ)字長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量。長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量。機(jī)器字長(zhǎng)、指令字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)。機(jī)器字長(zhǎng)、指令字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)。1.英文縮寫：英文縮寫：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MAR、MDR、IO、MIPS、CPI、MIPS、MIPS。2一

3、、硬件的發(fā)展一、硬件的發(fā)展第一代第一代 電子管時(shí)代電子管時(shí)代(1946-1957) 耗電高，體積大，定點(diǎn)計(jì)算，機(jī)器語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言耗電高，體積大，定點(diǎn)計(jì)算，機(jī)器語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言第二代第二代 晶體管時(shí)代晶體管時(shí)代(1958-1964) 變集中處理為分級(jí)處理，浮點(diǎn)運(yùn)算、高級(jí)語(yǔ)言變集中處理為分級(jí)處理，浮點(diǎn)運(yùn)算、高級(jí)語(yǔ)言第三代第三代 中小規(guī)模集成電路時(shí)代中小規(guī)模集成電路時(shí)代(1965-1971) 存儲(chǔ)容量大，運(yùn)算速度快，幾十至幾百萬(wàn)次存儲(chǔ)容量大，運(yùn)算速度快，幾十至幾百萬(wàn)次/秒秒第四代第四代 大規(guī)模集成電路時(shí)代大規(guī)模集成電路時(shí)代(1971至今至今) 向大型機(jī)和微型機(jī)兩個(gè)方向發(fā)展向大型機(jī)和微型機(jī)兩個(gè)方向發(fā)展現(xiàn)

4、代計(jì)算機(jī)發(fā)展方向現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展方向 巨型化，微型化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，多媒體化，多核。巨型化，微型化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，多媒體化，多核。3二、計(jì)算機(jī)的分類二、計(jì)算機(jī)的分類信號(hào)類型分類：模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)。信號(hào)類型分類：模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)。規(guī)模分類：嵌入式、單片機(jī)、微型機(jī)、小型機(jī)、中規(guī)模分類：嵌入式、單片機(jī)、微型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)和巨型機(jī)。型機(jī)、大型機(jī)和巨型機(jī)。發(fā)展歷程分：電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模發(fā)展歷程分：電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。集成電路和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。指令流和數(shù)據(jù)流：指令流和數(shù)據(jù)流：1）單指令流和單數(shù)據(jù)流）單指令流和單數(shù)

5、據(jù)流SISD（馮（馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)）；諾依曼體系結(jié)構(gòu)）；2）單指令流和多數(shù)據(jù)流）單指令流和多數(shù)據(jù)流SIMD（向量處理機(jī)）；（向量處理機(jī)）；3）多指令流和單數(shù)據(jù)流）多指令流和單數(shù)據(jù)流MISD（實(shí)際不存在）；（實(shí)際不存在）；4）多指令流和多數(shù)據(jù)流）多指令流和多數(shù)據(jù)流MIMD（多處理機(jī)和多計(jì)算機(jī)（多處理機(jī)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）。系統(tǒng)）。4一、一、 計(jì)算機(jī)硬件的基本組成計(jì)算機(jī)硬件的基本組成 1、 馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī) 1945年，馮年，馮諾依曼提出了存儲(chǔ)程序的概念，即將程諾依曼提出了存儲(chǔ)程序的概念，即將程序和數(shù)據(jù)一起存放在存儲(chǔ)器中，稱為馮序和數(shù)據(jù)一起存放在存儲(chǔ)器中，稱為馮.諾依曼機(jī)。諾依曼機(jī)。其特點(diǎn)

6、為：其特點(diǎn)為： (1)計(jì)算機(jī)硬件由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和輸入設(shè)計(jì)算機(jī)硬件由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成。備、輸出設(shè)備五大部件組成。 (2)指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器內(nèi)并可按地指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器內(nèi)并可按地址尋訪。址尋訪。5 (3)指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制代碼表示。指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制代碼表示。 (4)指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來(lái)表示操作指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來(lái)表示操作的性質(zhì)，地址碼用來(lái)表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置。的性質(zhì)，地址碼用來(lái)表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置。 (5)指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放。通常，指令是順序執(zhí)指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放。通

7、常，指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果或根據(jù)設(shè)定的行的，在特定條件下，可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果或根據(jù)設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序。條件改變執(zhí)行順序。 (6)早期的馮早期的馮.諾依曼機(jī)以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備諾依曼機(jī)以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備通過(guò)運(yùn)算器與存儲(chǔ)器傳送數(shù)據(jù)。通過(guò)運(yùn)算器與存儲(chǔ)器傳送數(shù)據(jù)。62 2、 計(jì)算機(jī)硬件的組成計(jì)算機(jī)硬件的組成 CPU（包括運(yùn)算器和控制器）（包括運(yùn)算器和控制器） 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 ROM RAM 輸入輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備(I/O設(shè)備設(shè)備) 總線總線 DBUS ABUS CBUS7運(yùn)算器運(yùn)算器和控制和控制器器 CPU存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入輸輸入輸出設(shè)備出設(shè)備8算術(shù)運(yùn)算算術(shù)運(yùn)

8、算邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)存放數(shù)據(jù)和程序和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)將信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的形式器能識(shí)別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式人們熟悉的形式指揮程序指揮程序運(yùn)行運(yùn)行存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備9操作系統(tǒng)或管理軟件操作系統(tǒng)或管理軟件匯編程序匯編程序 高級(jí)語(yǔ)言的編譯或解釋程序高級(jí)語(yǔ)言的編譯或解釋程序故障診斷或檢驗(yàn)程序故障診斷或檢驗(yàn)程序系統(tǒng)調(diào)試程序系統(tǒng)調(diào)試程序 數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序 使用者根據(jù)需要采用各類語(yǔ)言使用者根據(jù)需要采用各類語(yǔ)言編寫的各種應(yīng)用程序，包括各編寫的各種應(yīng)用程序，包括各類應(yīng)用軟件包類應(yīng)用軟件包 沒(méi)有配備任何軟件的沒(méi)有配備任

9、何軟件的“裸機(jī)裸機(jī)”無(wú)法投入使用，沒(méi)有無(wú)法投入使用，沒(méi)有配備足夠的軟件，其功能就不能很好的發(fā)揮。配備足夠的軟件，其功能就不能很好的發(fā)揮。計(jì)算機(jī)軟計(jì)算機(jī)軟件的分類如下：件的分類如下： 計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言簡(jiǎn)介10人類相互交流信息所用的語(yǔ)言人類相互交流信息所用的語(yǔ)言由于當(dāng)前的計(jì)算機(jī)還不具備理解自然由于當(dāng)前的計(jì)算機(jī)還不具備理解自然 語(yǔ)言的能力，于是人們希望找到一種和自然語(yǔ)言語(yǔ)言的能力，于是人們希望找到一種和自然語(yǔ)言 接近并能為計(jì)算機(jī)接受的語(yǔ)言，這種語(yǔ)言被稱為接近并能為計(jì)算機(jī)接受的語(yǔ)言，這種語(yǔ)言被稱為 計(jì)算機(jī)的高級(jí)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)的高級(jí)語(yǔ)言 。用助記符和符號(hào)地址表示的語(yǔ)言，屬于用助記符和符號(hào)地址表示

10、的語(yǔ)言，屬于低級(jí)語(yǔ)言。低級(jí)語(yǔ)言。然而目前的通用計(jì)算機(jī)不會(huì)直接執(zhí)行用高級(jí)語(yǔ)然而目前的通用計(jì)算機(jī)不會(huì)直接執(zhí)行用高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序，因而要先將其翻譯成機(jī)器能執(zhí)行的語(yǔ)言，言編寫的程序，因而要先將其翻譯成機(jī)器能執(zhí)行的語(yǔ)言，這種語(yǔ)言被稱為機(jī)器語(yǔ)言（由二進(jìn)制代碼表示的指令組這種語(yǔ)言被稱為機(jī)器語(yǔ)言（由二進(jìn)制代碼表示的指令組成）。成）。 三、三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)它由硬件和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)它由硬件和軟件兩大部分組成。讀者必頒清楚地認(rèn)識(shí)到硬件和軟軟件兩大部分組成。讀者必頒清楚地認(rèn)識(shí)到硬件和軟件各自在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用以及它們相互之件各自在計(jì)算機(jī)

11、系統(tǒng)中的地位和作用以及它們相互之間的依存關(guān)系。間的依存關(guān)系。 硬件是指計(jì)算機(jī)的實(shí)體部分。它由看得見(jiàn)摸得著硬件是指計(jì)算機(jī)的實(shí)體部分。它由看得見(jiàn)摸得著的各種電子元器件及各類光、電、機(jī)設(shè)備的實(shí)物組成，的各種電子元器件及各類光、電、機(jī)設(shè)備的實(shí)物組成，包括主機(jī)、外設(shè)等。包括主機(jī)、外設(shè)等。 軟件是看不見(jiàn)摸不著的，由人們事先編制成的具軟件是看不見(jiàn)摸不著的，由人們事先編制成的具有各類特殊功能的信息組成。通常把這些信息，諸如有各類特殊功能的信息組成。通常把這些信息，諸如各類程序存儲(chǔ)于各類媒體中，如各類程序存儲(chǔ)于各類媒體中，如RAMRAM、ROMROM、磁盤、光、磁盤、光盤、磁帶甚至紙帶等。盤、磁帶甚至紙帶等。

12、11 硬件必須依靠軟件來(lái)發(fā)揮其自身的各種功能及硬件必須依靠軟件來(lái)發(fā)揮其自身的各種功能及提高自身的工作效率。軟件甚至還能使硬件發(fā)揮類提高自身的工作效率。軟件甚至還能使硬件發(fā)揮類似人腦思維的功能。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)倘若失去了軟件，似人腦思維的功能。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)倘若失去了軟件，其硬件將一籌莫展，猶如人類失去了大腦。而軟件其硬件將一籌莫展，猶如人類失去了大腦。而軟件必須依托硬件的支撐才能真正施展其才華，一旦失必須依托硬件的支撐才能真正施展其才華，一旦失去了硬件，猶如人類失去了軀體，軟件也毫無(wú)意義。去了硬件，猶如人類失去了軀體，軟件也毫無(wú)意義。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件互依互存，互相發(fā)展，因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬

13、件互依互存，互相發(fā)展，缺一不可。缺一不可。1213高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M3匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M2機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M1微指令系統(tǒng)微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器微程序機(jī)器 M014用編譯程序翻譯用編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言程序成匯編語(yǔ)言程序用匯編程序翻譯用匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序成機(jī)器語(yǔ)言程序用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟軟件件硬硬件件虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M4虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M3虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M2實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M1微程序機(jī)器微程序機(jī)器 M015程序員所見(jiàn)到的計(jì)

14、算機(jī)系統(tǒng)的屬性程序員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)組成組成實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性有無(wú)乘法指令有無(wú)乘法指令如何實(shí)現(xiàn)乘法指令如何實(shí)現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/O機(jī)理）機(jī)理）（具體指令的實(shí)現(xiàn)）（具體指令的實(shí)現(xiàn)）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成四、計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程四、計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程 本節(jié)要求讀者掌握一個(gè)較細(xì)化的計(jì)算機(jī)組成框圖，如本節(jié)要求讀者掌握一個(gè)較細(xì)化的計(jì)算機(jī)組成框圖，如下圖所示。而且要求根據(jù)此圖描述計(jì)算機(jī)內(nèi)部的控

15、制下圖所示。而且要求根據(jù)此圖描述計(jì)算機(jī)內(nèi)部的控制流和數(shù)據(jù)流的變化，從而初步認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的工作流和數(shù)據(jù)流的變化，從而初步認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的工作過(guò)程。過(guò)程。 圖中主存儲(chǔ)器由存儲(chǔ)體圖中主存儲(chǔ)器由存儲(chǔ)體M、MAR和和MDR組成。存儲(chǔ)組成。存儲(chǔ)體由很多存儲(chǔ)單元組成，用來(lái)存放指令或數(shù)據(jù)，體由很多存儲(chǔ)單元組成，用來(lái)存放指令或數(shù)據(jù)，MAR存放欲訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元的地址，存放欲訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元的地址，MDR存放從存儲(chǔ)單元存放從存儲(chǔ)單元讀出的信息或即將存入某存儲(chǔ)單元的信息。運(yùn)算器由讀出的信息或即將存入某存儲(chǔ)單元的信息。運(yùn)算器由累加器累加器Acc、操作數(shù)寄存器、操作數(shù)寄存器x和算術(shù)邏輯部件和算術(shù)邏輯部件ALU組成，組成，

16、用來(lái)完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破饔捎脕?lái)完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破饔蒔C、IR、CU組成，組成，PC存放欲執(zhí)行指令的地址，存放欲執(zhí)行指令的地址，IR存放欲執(zhí)行的指存放欲執(zhí)行的指令，令，CU用來(lái)發(fā)出各種操作命令。用來(lái)發(fā)出各種操作命令。16171.上機(jī)前的準(zhǔn)備上機(jī)前的準(zhǔn)備 建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型 - -+ +- -+ +- -= =!x9!x7!x5!x3xx9753sin 編制解題程序編制解題程序 確定計(jì)算方法確定計(jì)算方法程序程序 運(yùn)算的運(yùn)算的 全部步驟全部步驟0, 1, 2,)( )(21nyn xynx= =+ += =指令指令 每每 一個(gè)步驟一個(gè)步驟（一）、計(jì)算機(jī)的工作步驟（一）、計(jì)

17、算機(jī)的工作步驟取取x 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中乘以乘以a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中存存ax2 在存儲(chǔ)器中在存儲(chǔ)器中取取b 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加ax2 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中= (ax + b)x + c 取取x 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加b 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中乘以乘以x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中計(jì)算計(jì)算 ax2 + bx + c編程舉例編程舉例000001 0000001000打印打印 停機(jī)停機(jī)取數(shù)取數(shù) ACC存數(shù)存數(shù) ACC 加加 ACC+ ACC乘乘

18、 ACC ACC指令格式舉例指令格式舉例操作碼操作碼地址碼地址碼 打印機(jī)打印機(jī)指令和數(shù)據(jù)存于指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址主存單元的地址 指令指令 注釋注釋操作碼操作碼 地址碼地址碼 00000010000001000取數(shù)取數(shù)x至至ACC 10001000000001001乘乘a得得ax存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011加加c得得ax2 + bx + c,存于存于ACC 50000100000001100將將ax2 + b

19、x + c存于主存單元存于主存單元 60001010000001100打印打印 7000110停機(jī)停機(jī) 8 x原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)x 9 a原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)a 10 b原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)b 11 c原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)c 12存放結(jié)果存放結(jié)果計(jì)算計(jì)算 ax2 + bx + c 程序清單程序清單 ACC MQ X2.計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程(1)運(yùn)算器的基本組成及操作過(guò)程運(yùn)算器的基本組成及操作過(guò)程被加數(shù)被加數(shù)被減數(shù)被減數(shù)被除數(shù)被除數(shù)乘數(shù)乘數(shù)商商加數(shù)加數(shù)減數(shù)減數(shù)被乘數(shù)被乘數(shù)除數(shù)除數(shù)加法加法減法減法乘法乘法除法除法和和差差余數(shù)余數(shù)乘積高位乘積高位乘積低位乘積低位運(yùn)算器MQACCALUX運(yùn)算器MQACC

20、ALUXACC 被加數(shù)被加數(shù)ACC初態(tài)初態(tài) 加法操作過(guò)程加法操作過(guò)程ACC+XALUM XXACCACC指令指令 加加M 減法操作過(guò)程減法操作過(guò)程運(yùn)算器MQACCALUX指令指令 減減MACC 被減數(shù)被減數(shù)ACC初態(tài)初態(tài) M XXACC-XALUACCACC運(yùn)算器MQACCALUXACCACC 被乘數(shù)被乘數(shù)初態(tài)初態(tài) ACCMQMMQ指令指令 乘乘M 乘法操作過(guò)程乘法操作過(guò)程XACCX00ACCALUXMQACCMQACCMQ運(yùn)算器MQACCALUXACC 被除數(shù)被除數(shù)ACC初態(tài)初態(tài) ACCXALUMQACCMQ余數(shù)在余數(shù)在ACC中中指令指令 除除MM XX 除法操作過(guò)程除法操作過(guò)程存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體

21、大樓大樓存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存放一串二進(jìn)制代碼存放一串二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)字存儲(chǔ)字 存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)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)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)按地址尋訪按地址尋訪 存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存儲(chǔ)元件存儲(chǔ)元件（0/1） 房間房間 床位床位（無(wú)人（無(wú)人/ 有人）有人）(2)存儲(chǔ)器的基本組成存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體MAR MDRMARMDR 存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù) 16存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 8 設(shè)設(shè) MAR = 4 位位 MDR = 8 位位存儲(chǔ)器地址寄存器存儲(chǔ)器地址寄存器反映存儲(chǔ)單

22、元的個(gè)數(shù)反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)(2)存儲(chǔ)器的基本組成存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體MAR MDR取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令PCIRCU取指取指執(zhí)行執(zhí)行PC 存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址 具有計(jì)數(shù)功能（具有計(jì)數(shù)功能（PC）+ 1 PCIR 存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存訪存訪存完成完成一條一條指令指令(3)控制器的基本組成控制器的基本組成PCIRCU12356789以取數(shù)指令為例以取數(shù)指令為例4(4)主機(jī)完成一條指令的過(guò)程主機(jī)完成一條指令的過(guò)程CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR

23、存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR運(yùn)算器MQACCALUXI/O12356798以存數(shù)指令為例以存數(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(4)主機(jī)完成一條指令的過(guò)程主機(jī)完成一條指令的過(guò)程(5) ax2 + bx + c 程序的運(yùn)行過(guò)程程序的運(yùn)行過(guò)程 將程序通過(guò)輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī)將程序通過(guò)輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī) 程序首地址程序首地址 打印結(jié)果打印結(jié)果 分析指令分析指令 取指令取指令 停機(jī)停機(jī) 啟動(dòng)程序運(yùn)行啟動(dòng)程序運(yùn)行,(PC )+ 1 PC 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDR ACCPC 計(jì)算機(jī)的工

24、作過(guò)程是本章的重點(diǎn)。人們需將事先編計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程是本章的重點(diǎn)。人們需將事先編好的程序好的程序(指令序列指令序列)送至計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器內(nèi)，然后計(jì)算送至計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器內(nèi)，然后計(jì)算機(jī)按此指令序列逐條完成全部指令的功能，直至程序結(jié)機(jī)按此指令序列逐條完成全部指令的功能，直至程序結(jié)束。因此，要了解計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程，必須首先了解計(jì)束。因此，要了解計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程，必須首先了解計(jì)算機(jī)完成一條指令的信息流程。算機(jī)完成一條指令的信息流程。 1）完成一條指令的信息流程）完成一條指令的信息流程 以取數(shù)指令以取數(shù)指令(即將指令地址碼指示的存儲(chǔ)單元中的操作即將指令地址碼指示的存儲(chǔ)單元中的操作數(shù)取出后送至運(yùn)算器的數(shù)取出后送

25、至運(yùn)算器的ACC中中)為例為例,其信息流程是：其信息流程是： 取指令取指令 PC MAR M MDR IR 分析指令分析指令 OP(IR) CU 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 Ad(IR) MAR M MDR ACC 此外，每完成一條指令，還必須為取下條指令作準(zhǔn)備，此外，每完成一條指令，還必須為取下條指令作準(zhǔn)備，形成下一條指令的地址，即形成下一條指令的地址，即(PC)+1 PC。33 2） 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程實(shí)質(zhì)就是不斷從存儲(chǔ)器中逐條計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程實(shí)質(zhì)就是不斷從存儲(chǔ)器中逐條取出指令，送至控制器，經(jīng)分析后由取出指令，送至控制器，經(jīng)分析后由CU發(fā)出各種操作發(fā)出各種操作命令，指

26、揮各部件完成各種操作，直至程序中全部指命令，指揮各部件完成各種操作，直至程序中全部指令執(zhí)行結(jié)束。令執(zhí)行結(jié)束。34 計(jì)算機(jī)的性能是由多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)綜合確定的。硬件的計(jì)算機(jī)的性能是由多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)綜合確定的。硬件的主要技術(shù)指標(biāo)有：主要技術(shù)指標(biāo)有： 機(jī)器字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng)：CPUCPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。通常與通用寄一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。通常與通用寄存器的位數(shù)有關(guān)。存器的位數(shù)有關(guān)。 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量：包括主存容量和輔存容量。：包括主存容量和輔存容量。 運(yùn)算速度運(yùn)算速度：與主頻、執(zhí)行什么樣的操作、主存本身的：與主頻、執(zhí)行什么樣的操作、主存本身的速度等許多因數(shù)有關(guān)?，F(xiàn)在普遍采用單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行速度等許多因數(shù)有關(guān)。

27、現(xiàn)在普遍采用單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)來(lái)衡量，并用指令的平均條數(shù)來(lái)衡量，并用MIPSMIPS作為計(jì)量單位，即作為計(jì)量單位，即每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令。也有用每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令。也有用CPICPI及執(zhí)行一條指令所需及執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期（主頻的倒數(shù)）數(shù)，或用的時(shí)鐘周期（主頻的倒數(shù)）數(shù)，或用FLOPSFLOPS即每條浮點(diǎn)即每條浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)來(lái)衡量運(yùn)算速度。運(yùn)算次數(shù)來(lái)衡量運(yùn)算速度。 吞吐量吞吐量：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的吞吐量是指流入、處理和流出：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的吞吐量是指流入、處理和流出系統(tǒng)的信息的速率，它主要取決于主存的存取周期。系統(tǒng)的信息的速率，它主要取決于主存的存取周期。35f=CPIMIPS10636四、

28、四、例例 題題 精精 選選（一）單項(xiàng)選擇題（一）單項(xiàng)選擇題完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括 。 A 運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器 B 外部設(shè)備和主機(jī)外部設(shè)備和主機(jī) C 主機(jī)和實(shí)用程序主機(jī)和實(shí)用程序 D配套的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)配套的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng) 2. 至今為止，計(jì)算機(jī)中的所有信息仍以二進(jìn)制方式表示的理至今為止，計(jì)算機(jī)中的所有信息仍以二進(jìn)制方式表示的理由是由是 。 A節(jié)約元件節(jié)約元件 B 運(yùn)算速度快運(yùn)算速度快 C 物理器件的性能決定物理器件的性能決定 D 信息處理方便信息處理方便3. 從器件角度看，計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了四代變化。但從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，從器件角度看，計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了四

29、代變化。但從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，至今絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍屬于至今絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍屬于 型計(jì)算機(jī)。型計(jì)算機(jī)。 A.并行并行 B.馮馮.諾依曼諾依曼 C.智能智能 D.實(shí)時(shí)處理實(shí)時(shí)處理 37DCB4. 馮馮諾依曼機(jī)工作的基本方式的特點(diǎn)是諾依曼機(jī)工作的基本方式的特點(diǎn)是 。 A. 多指令流單數(shù)據(jù)流多指令流單數(shù)據(jù)流 B. 按地址訪問(wèn)并順序執(zhí)行指令按地址訪問(wèn)并順序執(zhí)行指令 C. 堆棧操作堆棧操作 D. 存貯器按內(nèi)容選擇地址存貯器按內(nèi)容選擇地址5. 帶有處理器的設(shè)備一般稱為帶有處理器的設(shè)備一般稱為 設(shè)備。設(shè)備。 A 智能化；智能化； B 交互式；交互式； C 遠(yuǎn)程通信；遠(yuǎn)程通信； D過(guò)程控制。過(guò)程控制。6. 用于筆記本

30、電腦的外存儲(chǔ)器是用于筆記本電腦的外存儲(chǔ)器是 。 A 軟磁盤軟磁盤 B 硬磁盤硬磁盤 C 固態(tài)盤固態(tài)盤 D 光盤光盤 7. 馮馮. 諾依曼型計(jì)算機(jī)的基本工作方式是諾依曼型計(jì)算機(jī)的基本工作方式是 。 A. 微程序方式微程序方式 B. 控制流啟動(dòng)方式控制流啟動(dòng)方式 C. 多指令流多數(shù)據(jù)流方式多指令流多數(shù)據(jù)流方式 D. 數(shù)據(jù)流啟動(dòng)方式數(shù)據(jù)流啟動(dòng)方式38BACB（二）綜合應(yīng)用題（二）綜合應(yīng)用題 1.1 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?說(shuō)明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。說(shuō)明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。 答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件。答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常有六個(gè)層次，由下至上可排序?yàn)椋河?jì)算機(jī)系統(tǒng)

31、通常有六個(gè)層次，由下至上可排序?yàn)椋?第一級(jí)微程序機(jī)器級(jí)，微指令由硬件直接執(zhí)行；第一級(jí)微程序機(jī)器級(jí)，微指令由硬件直接執(zhí)行； 第二級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)，用微程序解釋機(jī)器指令；第二級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)，用微程序解釋機(jī)器指令； 第三級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)，一般用機(jī)器語(yǔ)言程序解釋作業(yè)控制語(yǔ)句；第三級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)，一般用機(jī)器語(yǔ)言程序解釋作業(yè)控制語(yǔ)句；第四級(jí)匯編語(yǔ)言機(jī)器級(jí)，這一級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行；第四級(jí)匯編語(yǔ)言機(jī)器級(jí)，這一級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行； 第五級(jí)高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器級(jí)，采用高級(jí)語(yǔ)言，由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯第五級(jí)高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器級(jí)，采用高級(jí)語(yǔ)言，由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序支持和執(zhí)行。程序支持和執(zhí)行。 第六級(jí)應(yīng)用語(yǔ)言機(jī)器級(jí)，采用各種面向問(wèn)題的應(yīng)用

32、語(yǔ)言。第六級(jí)應(yīng)用語(yǔ)言機(jī)器級(jí)，采用各種面向問(wèn)題的應(yīng)用語(yǔ)言。39 1.2 畫出計(jì)算機(jī)硬件基本組成框圖，通過(guò)解題過(guò)程說(shuō)畫出計(jì)算機(jī)硬件基本組成框圖，通過(guò)解題過(guò)程說(shuō)明每一功能部件的作用及它們之間的信息流向。明每一功能部件的作用及它們之間的信息流向。 答：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由五大部件組成?？刂破髦笓]各答：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由五大部件組成?？刂破髦笓]各部件協(xié)調(diào)工作；運(yùn)算器能完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；部件協(xié)調(diào)工作；運(yùn)算器能完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；存儲(chǔ)器用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)；輸入設(shè)備可將人們熟悉存儲(chǔ)器用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)；輸入設(shè)備可將人們熟悉的信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的信息；輸出設(shè)備可將機(jī)器的信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的信息；輸出設(shè)備

33、可將機(jī)器運(yùn)行結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們能接受的信息。運(yùn)行結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們能接受的信息。40計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成41 1.3 什么是硬件什么是硬件?什么是軟件什么是軟件?兩者誰(shuí)更重要兩者誰(shuí)更重要? 為什么？為什么？ 答：硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)體部分，它由看得見(jiàn)摸得答：硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)體部分，它由看得見(jiàn)摸得著的各種電子元器件及各類光、電、機(jī)設(shè)備的實(shí)物組著的各種電子元器件及各類光、電、機(jī)設(shè)備的實(shí)物組成，包括主機(jī)和外部設(shè)備等。成，包括主機(jī)和外部設(shè)備等。 軟件是指用來(lái)充分發(fā)揮硬件功能，提高機(jī)器工作效軟件是指用來(lái)充分發(fā)揮硬件功能，提高機(jī)器工作效率，便于人們使用機(jī)器，指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作的率，便于人們使用機(jī)器，指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工