1第一章計算機(jī)系統(tǒng)概論(lxl)

第１章計算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計算機(jī)系統(tǒng)簡介

1.4本書結(jié)構(gòu)

1.3計算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2計算機(jī)的基本組成

主要內(nèi)容計算機(jī)系統(tǒng)中軟件和硬件的基本概念計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)馮諾依曼計算機(jī)的特點(diǎn)計算機(jī)硬件的基本組成計算機(jī)的工作過程計算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)重點(diǎn)及難點(diǎn)重點(diǎn)馮諾依曼計算機(jī)的特點(diǎn)計算機(jī)硬件的基本組成難點(diǎn)計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機(jī)是一種不需要人的直接干預(yù)，能夠?qū)Ω鞣N數(shù)字化信息進(jìn)行自動快速運(yùn)算的通用處理裝置。1.1計算機(jī)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(jī)系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)的實體，如主機(jī)、外設(shè)等一、計算機(jī)的軟硬件概念硬件軟件事先編制的

什么是計算機(jī)？按任務(wù)需要編制成的各種程序如：科學(xué)計算程序等。用來管理整個計算機(jī)系統(tǒng)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1.1系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件系統(tǒng)程序應(yīng)用程序計算機(jī)硬件的功能和結(jié)構(gòu)功能數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)傳送控制1.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)中央處理器（運(yùn)算器）存儲器組織輸入/輸出模塊中央處理器（控制器）系統(tǒng)互連計算機(jī)高級語言程序目標(biāo)程序結(jié)果翻譯運(yùn)行1.12.計算機(jī)的解題過程1.編譯2.解釋

0、1代碼

二、計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1實際上，在計算機(jī)解題過程中，源程序進(jìn)行翻譯變成目標(biāo)程序，最后運(yùn)行出結(jié)果，整個從細(xì)的方面來講，還要分成很多很多很小的步驟，每一步工作都實際上是在層次化的計算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中的某一層進(jìn)行動作的，計算機(jī)的這種層次結(jié)構(gòu)使得不同的用戶在不同的層次上使用計算機(jī)。1.用Word寫文檔2.編寫Word程序

二、計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級語言虛擬機(jī)器M3匯編語言虛擬機(jī)器M2操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器機(jī)器語言實際機(jī)器M1微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器M01.11-10軟件硬件由硬件直接執(zhí)行微指令微指令系統(tǒng)-微程序機(jī)器M0邏輯設(shè)計員用編譯程序翻譯成匯編語言程序高級語言-虛擬機(jī)器M4高級語言程序員用匯編程序翻譯成機(jī)器語言程序匯編語言-虛擬機(jī)器M3匯編語言程序員用機(jī)器指令解釋操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)-虛擬機(jī)器M2操作員用微指令解釋機(jī)器指令機(jī)器指令-實際機(jī)器M1機(jī)器語言程序員2、計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)由軟件實現(xiàn)的虛擬機(jī)器。由硬件實現(xiàn)的實際機(jī)器。是我們將要學(xué)習(xí)的！虛擬機(jī)：是一個由軟件實現(xiàn)的抽象計算機(jī)，不同軟件（語言）角度獲得不同

層次的虛擬機(jī)。應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件、硬件構(gòu)成了計算機(jī)系統(tǒng)的三個層次結(jié)構(gòu)。除了硬件系統(tǒng)，其它層次稱為虛擬機(jī)。從某一層次的觀察者看來，他只通過該層次的語言來了解和使用計算機(jī)，不必關(guān)心下幾層的機(jī)器是如何工作和實現(xiàn)各自功能的。用編譯程序翻譯成匯編語言程序用匯編程序翻譯成機(jī)器語言程序用機(jī)器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件1.1虛擬機(jī)器M4虛擬機(jī)器M3虛擬機(jī)器M2實際機(jī)器M1微程序機(jī)器M0程序員所見到的計算機(jī)系統(tǒng)的屬性即：概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計算機(jī)組成實現(xiàn)計算機(jī)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(jī)理）（具體指令的實現(xiàn)）1.1三、計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計算機(jī)組成計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（舉辦奧運(yùn)會）

主要研究軟件硬件功能分配和對軟硬件界面的確定。計算機(jī)組成是計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。（奧運(yùn)村設(shè)計圖）當(dāng)一個計算機(jī)系統(tǒng)把軟件和硬件功能劃分完以后，它主要研究計算機(jī)各硬件部件的組成和它們之間的關(guān)系。計算機(jī)實現(xiàn)是計算機(jī)組成的物理實現(xiàn)。（按照設(shè)計圖施工）

對各個部件的硬件物理實現(xiàn)技術(shù)。一個計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有不同的計算機(jī)組成方法。一種計算機(jī)組成有不同的計算機(jī)實現(xiàn)技術(shù)。軟件硬件計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與計算機(jī)組成硬件硬件1-14計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ComputerArchitecture

是從計算機(jī)系統(tǒng)的外部來研究計算機(jī)的一門學(xué)科。從程序員角度觀察到的計算機(jī)外特性——概念性的屬性和功能。對不同虛擬機(jī)層次程序員看到的外特性不完全相同。計算機(jī)組成ComputerOrganization（是我們將要學(xué)習(xí)的）是從計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部來研究計算機(jī)構(gòu)成的。從邏輯設(shè)計人員的角度來研究計算機(jī)各組成部分的構(gòu)成和互聯(lián)。

研究主要內(nèi)容：運(yùn)算方法、CPU組成、主存儲器、輸入/輸出設(shè)備和輸入/輸出接口等。計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與計算機(jī)組成1.2計算機(jī)的基本組成（1）由于計算機(jī)是一種機(jī)器，那么在機(jī)器中信息怎么表示？表示成什么形式，計算機(jī)才能對它進(jìn)行處理？（2）

采用什么樣的工作方式才能使它自動的、連續(xù)的、快速的進(jìn)行工作？（3）為了實現(xiàn)計算機(jī)強(qiáng)大的功能，在硬件上應(yīng)該設(shè)置哪些部件來提供支持？

馮·諾依曼思想的引入1.2計算機(jī)的基本組成1.計算機(jī)由五大部件組成3.指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示4.

指令由操作碼和地址碼組成6.

以運(yùn)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(jī)的特點(diǎn)5.存儲程序算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)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(yùn)行1.2馮·諾依曼計算機(jī)硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線控制線和反饋線1.2馮·諾依曼計算機(jī)硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線控制線和反饋線二、計算機(jī)硬件框圖1.21.以存儲器為中心的計算機(jī)硬件框圖程序存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計算控制線反饋線數(shù)據(jù)線不改變的：存儲程序（精華）改變的是：以存儲器為中心，總線結(jié)構(gòu)，分散控制。ALU主存輔存CPU主機(jī)I/O設(shè)備硬件CU2.現(xiàn)代計算機(jī)硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器1.2ALUCPU主機(jī)I/O設(shè)備CU主存I/O接口高速緩存I/O接口Cache1.上機(jī)前的準(zhǔn)備建立數(shù)學(xué)模型-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序確定計算方法程序——

運(yùn)算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——

每一個步驟1.2三、計算機(jī)的工作步驟取x

至運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中乘以a

在運(yùn)算器中存ax2

在存儲器中取b

至運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中加ax2

在運(yùn)算器中加c

在運(yùn)算器中=(ax

+

b)x

+

c

取x

至運(yùn)算器中乘以a

在運(yùn)算器中加b

在運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中加c

在運(yùn)算器中計算ax2+bx+c1.2編程舉例000001

0000001000打印

停機(jī)取數(shù)α[α]ACC存數(shù)β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式舉例1.2操作碼地址碼

[

]打印機(jī)累加器

對應(yīng)的內(nèi)容指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000010000001000取數(shù)x至ACC10001000000001001乘a得ax

,存于ACC中20000110000001010加b得ax+b

,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c

,存于ACC50000100000001100將ax2+bx+c

,存于主存單元60001010000001100打印7000110停機(jī)8

x原始數(shù)據(jù)x9

a原始數(shù)據(jù)a10

b原始數(shù)據(jù)b11

c原始數(shù)據(jù)c12存放結(jié)果1.2計算ax2+bx+c

程序清單存儲體大樓存儲單元存放一串二進(jìn)制代碼（一條指令或一個數(shù)據(jù)）存儲字存儲單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲字長存儲單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)每個存儲單元賦予一個地址號主存的工作方式：按地址尋訪–存儲單元–存儲元件（0/1）–

房間–

床位（無人/

有人）(1)存儲器的基本組成1.2MDR主存儲器存儲體MAR2.計算機(jī)的解題過程一個房間中的床位數(shù)MARMDR存儲單元個數(shù)

16存儲字長

8

設(shè)MAR

=

4

位

MDR

=

8

位1.2存儲器地址寄存器存放存儲單元的地址存儲器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲字長(1)存儲器的基本組成MDR主存儲器存儲體MAR注意：MAR<>存儲單元個數(shù)概念術(shù)語ALU（ArithmeticLogicUnit）：算術(shù)邏輯單元ACC（Accumulator）：累加器MQ（Multiplier-QuotientRegister）：乘商寄存器X：操作數(shù)寄存器加［］表示部件中的內(nèi)容例如：［ACC］表示累加器中的內(nèi)容(2)運(yùn)算器的基本組成及操作過程1.2運(yùn)算器MQACCALUX運(yùn)算器的主要部件是ALUALU可進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算ALU運(yùn)算的操作數(shù)總是來源于ACC和X寄存器里的內(nèi)容ACC和X的內(nèi)容送到ALU計算后，結(jié)果會再放到ACC里可以把ACC的值作為下一次運(yùn)算的操作數(shù)再送到ALU進(jìn)行運(yùn)算ACCMQX(2)運(yùn)算器的基本組成及操作過程1.2運(yùn)算器MQACCALUX被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位運(yùn)算器MQACCALUXACC

被加數(shù)ACC初態(tài)①加法操作過程1.2[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M1.2②減法操作過程運(yùn)算器MQACCALUX指令減MACC

被減數(shù)ACC初態(tài)[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC運(yùn)算器MQACCALUXACCACC

被乘數(shù)初態(tài)1.2MQ[M]MQ指令乘M③乘法操作過程X[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ//表示兩個寄存器串接運(yùn)算器MQACCALUXACC

被除數(shù)ACC初態(tài)1.2[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余數(shù)在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作過程概念術(shù)語CU（ControlUnit

）：控制單元

PC（ProgramCounter）：程序計數(shù)器又稱指令計數(shù)器，用來存放指令的地址，以便準(zhǔn)確地指出后繼指令的存儲單元地址。IR（InstructionRegister）：指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。

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）+

1PCIR

存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存完成一條指令1.2(3)控制器的基本組成CU的輸出是一個個控制信號CU的輸入是指令的操作碼12356789以取數(shù)指令為例（取x）4(4)主機(jī)完成一條指令的過程1.2CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O設(shè)備12356798以存數(shù)指令為例（存x）41.2(4)主機(jī)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(yùn)算器MQACCALUXI/O設(shè)備(5)ax2+bx+c

程序的運(yùn)行過程將程序通過輸入設(shè)備送至計算機(jī)程序首地址打印結(jié)果

分析指令

取指令…停機(jī)啟動程序運(yùn)行,(PC

)+

1PC

執(zhí)行指令

1.2MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC1.3計算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.機(jī)器字長2.運(yùn)算速度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)=ni

=1fi

tiTM∑吉普森法主頻（時鐘頻率