白中英計(jì)算機(jī)組成原理第1章-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論目錄1.0預(yù)備知識1.1計(jì)算機(jī)的分類1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史1.3計(jì)算機(jī)的硬件1.4計(jì)算機(jī)的軟件1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2/1/20232學(xué)習(xí)要求了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程；清楚計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成(五大部件的構(gòu)成)、計(jì)算機(jī)軟件的分類，以及計(jì)算機(jī)的基本工作過程；了解計(jì)算機(jī)性能評價(jià)指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)；吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時(shí)間；MIPS、MFLOPS等。要求初步掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念及基本結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。2/1/202331.0預(yù)備知識問題1：一臺計(jì)算機(jī)一般有哪幾部分組成？顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、音箱、主機(jī)箱等；主機(jī)箱中有：主板、CPU、硬盤、內(nèi)存、顯卡、聲卡等；問題2：如何對以上設(shè)備分類？輸入輸出設(shè)備中央處理設(shè)備存儲設(shè)備接口轉(zhuǎn)換卡部件連接線問題3：有了以上設(shè)備，計(jì)算機(jī)是否能發(fā)揮其功效？一個完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。顯示器，鍵盤，鼠標(biāo)，音箱CPU（集處理和控制于一身）硬盤、內(nèi)存顯卡、聲卡總線2/1/202342/1/202352/1/202362/1/202372/1/202382/1/20239DDR內(nèi)存條SDRAM內(nèi)存條2/1/20231080G硬盤2/1/202311硬盤數(shù)據(jù)線2/1/202312DVD光驅(qū)2/1/202313機(jī)內(nèi)電源插頭2/1/2023141.1計(jì)算機(jī)的分類數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)通用計(jì)算機(jī)處理數(shù)字量信息按位運(yùn)算，不連續(xù)地跳動計(jì)算處理模擬量信息數(shù)值連續(xù)、運(yùn)算過程連續(xù)是針對某一任務(wù)設(shè)計(jì)的最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，但適應(yīng)性很差。適應(yīng)性很大，但犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。單片機(jī)微型機(jī)服務(wù)器大型機(jī)超級計(jì)算機(jī)低高體積功能數(shù)據(jù)存儲量指令系統(tǒng)價(jià)格低高簡易性分類雙核機(jī)如P2圖1.12/1/2023151.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史超大規(guī)模集成電路中小規(guī)模集成電路晶體管電子管1972~1990年1946~1957年，第一代計(jì)算機(jī)1965~1971年1958~1964年第二代計(jì)算機(jī)巨大規(guī)模集成電路1991年~至今摩爾定律1.2.1計(jì)算機(jī)的五代變化2/1/202316第一代計(jì)算機(jī)第一代計(jì)算機(jī)(1946年－1957年)采用電子管。代表機(jī)型：ENIAC（電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)）1941年美國賓夕法尼亞大學(xué)開始研制；它于1946年2月15日在美國宣告誕生主要是為了解決美陸軍提出的彈道計(jì)算問題；ENIAC長30.48米，寬1米，占地面積約170平方米，30個操作臺，約相當(dāng)于10間普通房間的大小，重達(dá)30噸，耗電量150千瓦，造價(jià)48萬美元。包含了17,468真空管7,200水晶二極管,1,500中轉(zhuǎn),70,000電阻器,10,000電容器，1500繼電器，6000多個開關(guān)，每秒執(zhí)行5000次加法或400次乘法，是繼電器計(jì)算機(jī)的1000倍、手工計(jì)算的20萬倍。1955年10月2日最后切斷電源。2/1/202317ENIAC2/1/202318第二代計(jì)算機(jī)(1958－1964)晶體管2/1/2023192/1/202320摩爾定律1964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登.摩爾（GordonMoore）在一篇很短的論文里斷言：每18個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價(jià)格將降低一半。這就是著名的摩爾定律。作為迄今為止半導(dǎo)體發(fā)展史上意義最深遠(yuǎn)的定律，摩爾定律被集成電路40多年的發(fā)展歷史準(zhǔn)確無誤地驗(yàn)證著。摩爾定律有另外一種表述方法，即每過10年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能將會增加100倍，通訊帶寬也會提高100倍，而花費(fèi)的資金不會增加。2/1/2023211.2.2半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展20世紀(jì)50~60年代，磁芯存儲器價(jià)格昂貴，體積大，破壞性讀出1970年，半導(dǎo)體存儲器價(jià)格更加昂貴，體積小，非破壞性讀寫1974年之后，半導(dǎo)體存儲器價(jià)格不斷降低，體積不斷減少，讀寫速度更快。有關(guān)存儲器的介紹詳見第3章2/1/2023221.2.3微處理器的發(fā)展20世紀(jì)70年代的處理器4004（4位）8008（8位）8080（8位通用）8086（16位）808820世紀(jì)80年代的處理器80286386TMDX386TMSX486TMDX20世紀(jì)90年代的處理器486TMSXPentiumPentiumProPentiumIIPentiumⅢ最近10年的處理器Pentium4ItaniumItanium2I系列2/1/2023232/1/2023242/1/2023252/1/202326雙核CPU三核CPU2/1/2023271.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（1/3）吞吐量表征一臺計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量。響應(yīng)時(shí)間從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間度量，用時(shí)間單位來表示。利用率在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占的比率，用百分比表示。處理機(jī)字長（機(jī)器字長）處理機(jī)運(yùn)算器中一次能夠完成二進(jìn)制運(yùn)算的位數(shù)，如32、64位；機(jī)器字長與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度具有一定的相關(guān)性（不一定完全一樣）。2/1/2023281.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（2/3）總線寬度一般指運(yùn)算器與存儲器之間的數(shù)據(jù)總線寬度。注意課本上的表述錯誤！主存儲器容量主存儲器所能存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)?；蛘哒f“主存儲器中所有存儲元的總數(shù)目?！?，而非“存儲單元”?。?位）主存儲器帶寬單位時(shí)間內(nèi)從主存儲器讀出的二進(jìn)制信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。主頻/時(shí)鐘周期CPU主時(shí)鐘的頻率——主頻；其倒數(shù)為CPU的時(shí)鐘周期(T周期)。2/1/2023291.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（3/3）CPU的運(yùn)算速度CPU執(zhí)行時(shí)間：CPU執(zhí)行一般程序所占用的CPU時(shí)間；CPI：執(zhí)行一條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)；MIPS：每秒百萬指令數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)；針對標(biāo)量機(jī)（執(zhí)行一條指令，只得到一個運(yùn)算結(jié)果）MFLOPS：每秒百萬次浮點(diǎn)操作數(shù)，衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能。針對向量機(jī)（執(zhí)行一條向量指令，通?？傻玫蕉鄠€運(yùn)算結(jié)果）其他的性能指標(biāo)主存儲器的讀寫速度、IO的數(shù)據(jù)傳送率、帶寬的均衡性……2/1/2023301.3計(jì)算機(jī)的硬件1.3.1硬件的組成要素用算盤模擬一下計(jì)算機(jī)y=ax+b-c行數(shù)解題步驟和數(shù)據(jù)說明1取數(shù)（9）→算盤（9）表示第9行的數(shù)a，下同2乘法（12）→算盤完成a●x,結(jié)果在算盤上3加法（10）→算盤完成ax＋b,結(jié)果在算盤上4減法（11）→算盤完成y＝ax＋b－c,結(jié)果在算盤上5存數(shù)y→13算盤上的y值記到第13行6輸出把算盤上的y值寫出給人看7停止運(yùn)算完畢，暫停8

10b數(shù)據(jù)11c數(shù)據(jù)12x數(shù)據(jù)13y數(shù)據(jù)9a數(shù)據(jù)紙----------存儲器算盤----------運(yùn)算器筆----------輸入/輸出設(shè)備人----------控制器2/1/202331馮·諾依曼機(jī)的特點(diǎn)由運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個部分組成；存儲器以二進(jìn)制形式存儲指令和數(shù)據(jù)；指令由操作碼和地址碼組成；存儲程序并按地址順序執(zhí)行；馮·諾依曼機(jī)的核心設(shè)計(jì)思想，機(jī)器自動化工作的關(guān)鍵；以運(yùn)算器為中心。2/1/202332馮·諾依曼機(jī)與現(xiàn)代微機(jī)馮·諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備存儲器輸出設(shè)備運(yùn)算器控制器輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備存儲器運(yùn)算器現(xiàn)代微機(jī)結(jié)構(gòu)2/1/202333現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)將運(yùn)算器、控制器和片內(nèi)的高速緩存，統(tǒng)稱為CPU；而將CPU、主存儲器、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線統(tǒng)稱為主機(jī)；其余的設(shè)備均為外設(shè)。主機(jī)內(nèi)僅包含主存儲器，輔助存儲器屬于I/O設(shè)備；以存儲器為中心。減輕CPU的數(shù)據(jù)傳送負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能；2/1/2023341.3.2運(yùn)算器功能：

處理所有的算術(shù)及邏輯運(yùn)算。通常稱為ALU(算術(shù)邏輯單元)特點(diǎn)：采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算；運(yùn)算器一次可以處理的數(shù)據(jù)

位數(shù)稱為機(jī)器字長；機(jī)器字長一般為8、16、32、

64位，機(jī)器字長直接決定著運(yùn)算的精度和能力；運(yùn)算器主要由ALU和各類通用寄存器構(gòu)成。運(yùn)算器結(jié)構(gòu)示意圖演示2/1/2023351.3.3存儲器（1/2）功能：保存所有的程序和數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：二進(jìn)制形式保存程序和數(shù)據(jù)；存儲器是按存儲單元組織的，讀寫存儲單元必須給出單元地址；相關(guān)的概念存儲元：用于保存一位0/1二進(jìn)制數(shù)據(jù)的物理器件；存儲單元：能夠保存一個字?jǐn)?shù)據(jù)的器件，由若干個存儲元構(gòu)成；單元地址：能區(qū)分每一個存儲單元的編號，一般從0開始編號；存儲容量：一個存儲器所能保存的二進(jìn)制信息的總量。存儲器結(jié)構(gòu)示意圖演示2/1/2023361.3.3存儲器（2/2）存儲器的分類：外存（輔助存儲器）磁盤存儲器、光盤存儲器；CPU不可直接訪問；內(nèi)存（主存儲器）半導(dǎo)體存儲器；CPU直接訪問，存放當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行所需的所有的程序和數(shù)據(jù)。兩個與主存相關(guān)的寄存器MAR(存儲器地址寄存器)：接收由CPU送來的地址信息；MDR(存儲器數(shù)據(jù)寄存器)：作為外界與存儲器之間的數(shù)據(jù)通路。存儲器地址寄存器MAR主存儲器存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDR2/1/2023371.3.4控制器功能：

根據(jù)所要執(zhí)行指令的功能，按順序發(fā)出各種控制命令，協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)的各個部件的工作。主要任務(wù)：解釋并執(zhí)行指令；控制指令的執(zhí)行順序；負(fù)責(zé)指令執(zhí)行過程中，操作數(shù)的尋址；根據(jù)指令的執(zhí)行，協(xié)調(diào)相關(guān)部件的工作，如運(yùn)算類指令執(zhí)行時(shí)對標(biāo)志寄存器的影響設(shè)置。指令的形式操作碼：指出指令所進(jìn)行的操作，如加、減、數(shù)據(jù)傳送等；地址碼：指出進(jìn)行以上操作的數(shù)據(jù)存放位置。2/1/2023389a數(shù)據(jù)a存放在9號單元指令地址指令數(shù)據(jù)地址數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)運(yùn)算y＝ax＋b－c1取數(shù)存儲器9號地址的數(shù)a送運(yùn)算器A9（9）→

A2乘法完成a*x,結(jié)果保留在運(yùn)算器A12(A)×(12)→

A3加法完成ax＋b,結(jié)果保留在運(yùn)算器A10(A)＋(10)

→

A4減法完成y＝ax＋b－c,結(jié)果保留在A11(A)－(11)→A5存數(shù)運(yùn)算器A中的結(jié)果y送存儲器13號地址13A→136打印將A中的結(jié)果經(jīng)打印機(jī)打印出來A→Print7停止機(jī)器停止工作Stop8說明10b數(shù)據(jù)b存放在10號單元11c數(shù)據(jù)c存放在11號單元12x數(shù)據(jù)x存放在12號單元13y運(yùn)算結(jié)果y存放在13號單元操作碼地址碼說明指令操作內(nèi)容9a數(shù)據(jù)a存放在9號單元2/1/202339設(shè)指令系統(tǒng)如下，試寫出該指令序列。指令操作碼說明加法001(A)+(M)-->A減法010(A)-(M)-->A乘法011(A)*(M)-->A除法100(A)/(M)-->A取數(shù)101(M)-->A存數(shù)110(A)-->M打印111(A)-->顯示器停機(jī)000PC-->PC0……實(shí)際存儲1取數(shù)92乘法123加法104減法115存數(shù)136打印7停止89a10b11c12x13y14……1510110010111100001101001010111101101111xxxx000xxxxa(二進(jìn)制數(shù))bcxy如課本P9圖1.5表1.52/1/2023401.3.4控制器（續(xù)）控制器工作的周期取指周期：取指令的一段時(shí)間執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時(shí)間指令按順序執(zhí)行的控制部件：指令計(jì)數(shù)器每取出一條指令，指令計(jì)數(shù)器就加1；遇到轉(zhuǎn)移類指令，控制器根據(jù)所執(zhí)行指令設(shè)置指令計(jì)數(shù)器的值；相關(guān)概念數(shù)據(jù)字：該字代表要處理的數(shù)據(jù)；指令字：該字為一條指令；指令流：取指周期中，從內(nèi)存讀出的信息流；數(shù)據(jù)流：執(zhí)行周期中，從內(nèi)存讀出的信息流。1條指令的字節(jié)數(shù)2/1/2023411.3.5適配器與輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備將人們熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識別的二進(jìn)制信息形式的設(shè)備。輸出設(shè)備把計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果變成人或其他機(jī)器設(shè)備所能接收和識別的信息形式的設(shè)備。適配器保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性要求的形式發(fā)送或接收信息。系統(tǒng)總線構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。2/1/202342使用計(jì)算機(jī)的工作過程（1）提出問題：計(jì)算y=ax+b-c（2）按照指令系統(tǒng)編制程序（3）將指令變?yōu)闄C(jī)器代碼，送入主存儲器（4）控制器控制執(zhí)行程序

PC:程序計(jì)數(shù)器，其位數(shù)與MAR相同。IR:指令寄存器，其位數(shù)與MDR相同。用簡化模型描述使用計(jì)算機(jī)工作過程2/1/202343程序計(jì)數(shù)器PC指令寄存器IR控制單元CUMARMMMDRALU暫存器X累加器ACC乘商寄存器MQ高4位低4位運(yùn)算器存儲器控制字控制器2/1/202344PCIRCUMARM.MMDRALUXACCMQ高4位低4位控制字101011001010110012a請思考：計(jì)算機(jī)如何區(qū)分從主存中取出的數(shù)據(jù)是指令還是數(shù)據(jù)？運(yùn)算器存儲器控制器2/1/202345（1）指令系統(tǒng)，設(shè)有6條指令匯編語言助記符

操作碼地址碼功能LMAn

0001n[M]→ACCSAMn

0010n[ACC]→MADDn

0011n[ACC]+[M]→ACCMULn

0100n[ACC]*[M]→ACCOUTn

0101n輸出[M]HLT

0110停機(jī)***地址n假設(shè)為4位的二進(jìn)制數(shù)。舉例：假設(shè)簡化計(jì)算機(jī)模型的指令格式如下：操作碼地址碼4位4位2/1/202346序號指令注釋0LMAx;[M]ACC1MULx;[ACC]*[M]ACC2MULa;[ACC]*[M]ACC3SAMy;[ACC][M]4LMAx

5MULb6ADDy7ADDc8SAMy9HLT10Xdb?11Adb?12Bdb?13Cdb?14Ydb?000011010101001010201001011300101110400011010501001100600111110700111101

0010111090110000010x11a12b13c14y(2)試編制程序，計(jì)算y=ax2+bx+c匯編后內(nèi)存分配情況指令系統(tǒng)LMAn0001nSAMn0010

nADDn

0011

nMULn

0100

nOUTn

0101

nHLTn0110

n2/1/202347簡化模型幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？程序計(jì)數(shù)器PC指令寄存器IR累加器A寄存器B算邏部件ALU乘商寄存器MQ存儲器地址寄存器MAR16X8RAMM.M控制單元存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDR簡化模型演示2/1/202348

1.4計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)程序用來簡化程序設(shè)計(jì)，簡化使用方法，提高計(jì)算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途。包括:服務(wù)性程序，如診斷程序