第1章-概論-計算機組成原理

第1章概論1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。2本章學習內(nèi)容1.1電子計算機與存儲程序控制1.2計算機的硬件組成1.3計算機系統(tǒng)1.4計算機的工作過程和主要性能指標31.1電子計算機與存儲程序控制電子計算機是一種不需要人工直接干預，能夠自動、高速、準確的對各種信息進行處理和存儲的電子設備。41.1.1電子計算機的發(fā)展

第一代，1946～1959，電子管計算機。第二代，1959～1964，晶體管計算機。第三代，1964～1975，小、中規(guī)模集成電路（SSI，MSI）計算機。第四代，1975～1990，大、超大規(guī)模集成電路（LSI，VLSI）計算機。第五代，1990～200?，甚大規(guī)模集成電路（ULSI）計算機。第六代，200?～20??，極大規(guī)模集成電路（ELSI）計算機。5第一臺電子數(shù)字計算機ENIACENIAC的特點：采用十進制20個10位的累加器用開關手動編程18,000個電子管重30噸占地170平方米耗電140KW5,000次/秒加法運算

61.1.2存儲程序概念

馮·諾依曼等人在1946年6月提出存儲程序概念：計算機（指硬件）應由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成；計算機內(nèi)部采用二進制來表示指令和數(shù)據(jù)；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。7世界上第一臺計算機ENIAC不是存儲程序計算機。EDVAC

馮·諾依曼設計的存儲程序計算機1951年誕生。

EDSAC事實上的第一臺存儲程序計算機1949年誕生。目前絕大多數(shù)計算機仍建立在存儲程序概念的基礎上，稱馮·諾依曼型計算機。也出現(xiàn)了一些突破馮·諾依曼結構的計算機，統(tǒng)稱非馮結構計算機，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式匹配驅(qū)動的智能計算機等。1.1.2存儲程序概念（續(xù)）81.2計算機的硬件組成中央處理器（CPU）CPU=運算器+控制器主機主機=中央處理器+主存儲器外部設備除去主機以外的硬件裝置（如輸入設備、輸出設備、輔助存儲器等）。9運算器控制器主存儲器輸入設備輸出設備輔助存儲器CPU控制數(shù)據(jù)地址或指令主機外設存儲器計算機簡單框圖101.輸入設備輸入設備的任務是把人們編好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計算機中去，并且將它們轉(zhuǎn)換成計算機內(nèi)部所能識別和接受的信息方式。2.輸出設備輸出設備的任務是將計算機的處理結果以人或其他設備所能接受的形式送出計算機。1.2.1計算機的主要部件113.存儲器存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，它是一個記憶裝置，也是計算機能夠?qū)崿F(xiàn)“存儲程序控制”的基礎。在計算機系統(tǒng)中，規(guī)模較大的存儲器往往分成若干級，稱為存儲系統(tǒng)。

4.運算器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運算和邏輯運算，因此運算器的核心是算術邏輯運算部件ALU。1.2.1計算機的主要部件（續(xù)）

125.控制器控制器是根據(jù)從存儲器讀來的指令，產(chǎn)生一系列控制信號，控制其他部件完成指令的功能。在控制器的控制下，各部件協(xié)調(diào)工作，完成指令的功能，這就是整機概念。13

總線是一組能為多個部件服務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?？偩€特點：

共享；分時。1.2.2計算機的總線結構14接口接口外設外設…CPU主存儲器系統(tǒng)總線單總線結構15系統(tǒng)總線按傳送信息的不同可以細分為：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線由單方向的多根信號線組成，用于CPU向主存、外設傳輸?shù)刂沸畔?；?shù)據(jù)總線由雙方向的多根信號線組成，CPU可以沿這些線從主存或外設讀入數(shù)據(jù)，也可以沿這些線向主存或外設送出數(shù)據(jù)；控制總線上傳輸?shù)氖强刂菩畔ⅲ–PU送出的控制命令和主存/外設返回CPU的反饋信號。1.單總線結構16在系統(tǒng)連接上分為四級：主機、通道、設備控制器、外部設備。通道是承擔I/O操作管理的主要部件，能使CPU的數(shù)據(jù)處理和與外部設備交換信息這兩項操作同時進行。每個通道可以接一臺或幾臺設備控制器，每個設備控制器又可接一或幾臺外部設備，這樣整個系統(tǒng)就可以連接很多的外部設備。1.2.3大、中型機的典型結構17第四級第三級第二級大、中型機的典型結構主存CPU通道通道設備控制器設備控制器設備控制器設備控制器外設外設外設外設外設外設外設外設主機…………………第一級181.一般用戶觀察到的計算機硬件系統(tǒng)1.2.4不同對象觀察到的計算機硬件系統(tǒng)192.專業(yè)用戶觀察到的計算機硬件系統(tǒng)203.計算機設計者觀察到的計算機硬件系統(tǒng)211.2.5馮·諾依曼結構和哈佛結構的存儲器設計思想1.馮·諾伊曼結構馮·諾依曼結構也稱普林斯頓結構，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結構。使用馮·諾伊曼結構的中央處理器有很多。如Intel公司的80X86、ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS等都采用了馮·諾伊曼結構。22馮·諾依曼結構的存儲器設計

232.哈佛結構哈佛結構是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結構。CPU首先到指令存儲器中讀取指令內(nèi)容，譯碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)。哈佛結構的處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。目前使用哈佛結構的中央處理器也有很多，如MOTOROLA公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。24哈佛結構的存儲器設計251.3計算機系統(tǒng)

一個完整的計算機系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。硬件通常是指一切看得見，摸得到的設備實體；軟件通常是泛指各類程序和文件，它們實際上是由一些算法以及其在計算機中的表示所構成的。26硬件是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎，軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂。硬件和軟件是相輔相成的，不可分割的整體。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，對于程序設計人員來說，硬件和軟件在邏輯上是等價的。1.3.1硬件與軟件的關系27

固件是指那些存儲在能永久保存信息的器件（如ROM）中的程序，是具有軟件功能的硬件。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，其執(zhí)行速度快于軟件，靈活性優(yōu)于硬件，是軟、硬件結合的產(chǎn)物。固件28系列機是指一個廠家生產(chǎn)的，具有相同的系統(tǒng)結構，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。系列機的軟件兼容分為向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容四種。向上（下）兼容指的是按某檔次機器編制的程序，不加修改就能運行在比它更高（低）檔的機器上；向前（后）兼容是指按某個時期投入市場的某種型號機器編制的程序，不加修改就能運行在它之前（后）投入市場的機器上。1.3.2系列機和軟件兼容29兼容性示意圖30現(xiàn)代計算機系統(tǒng)是一個硬件與軟件組成的綜合體，可以把它看成是按功能劃分的多級層次結構。第0級硬件組成的實體第一級微程序級第二級傳統(tǒng)機器級第三級操作系統(tǒng)級第四級匯編語言級第五級高級語言級第六級應用語言級

1.3.3計算機系統(tǒng)的多層次結構31計算機系統(tǒng)的多層次結構32實際機器是指由硬件或固件實現(xiàn)的機器，如圖1-10中的第0～二級。虛擬機器是指以軟件或以軟件為主實現(xiàn)的機器，如圖1-10中的第三～六級。虛擬機器只對該級的觀察者存在，即在某一級觀察者看來，他只需要通過該級的語言來了解和使用計算機，至于下級是如何工作和實現(xiàn)就不必關心了。如高級語言級及應用語言級的用戶，可以不了解機器的具體組成，不必熟悉指令系統(tǒng)，直接用所指定的語言描述所要解決的問題。1.3.4實際機器和虛擬機器331.4計算機的工作過程和主要性能指標

為使計算機按預定要求工作，首先要編制程序。程序是一個特定的指令序列，它告訴計算機要做哪些事，按什么步驟去做。指令是一組二進制信息的代碼，用來表示計算機所能完成的基本操作。衡量一臺計算機的性能是由多項技術指標綜合確定的，不能片面強調(diào)某一項指標。341.4.1計算機的工作過程將編制好的程序放在主存中，由控制器控制逐條取出指令執(zhí)行。以采用單累加寄存器結構的運算器為例，計算a+b-c=?35計算機執(zhí)行過程實例36執(zhí)行取數(shù)指令，從主存5號單元取出數(shù)a，送入累加寄存器中；執(zhí)行加法指令，將累加寄存器中的內(nèi)容a與從主存6號單元取出數(shù)b一起送到ALU中相加，結果a+b保留在累加寄存器中；執(zhí)行減法指令，將累加寄存器中的內(nèi)容a+b與從主存7號單元取出的數(shù)c一起送到ALU中相減，結果a+b-c保留在累加寄存器中；執(zhí)行存數(shù)指令，把累加寄存器的內(nèi)容a+b-c存至主存8號單元；執(zhí)行停機指令，計算機停止工作。計算機的執(zhí)行步驟371.機器字長機器字長是指參與運算的數(shù)的基本位數(shù)，它是由加法器、寄存器的位數(shù)決定的。在計算機中為了更靈活地表達和處理信息，又以字節(jié)為基本單位，用大寫字母B表示。一個字節(jié)等于8位二進制位。1.4.2計算機的主要性能指標38數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送信息的位數(shù)，稱為數(shù)據(jù)通路寬度。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。這里所說的數(shù)據(jù)通路寬度是指外部數(shù)據(jù)總線的寬度，它與CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線寬度（內(nèi)部寄存器的大?。┯锌赡懿煌?。2.數(shù)據(jù)通路寬度39主存儲器所能存儲的全部信息量稱為主存容量。通常，以字節(jié)數(shù)來表示存儲容量，這樣的計算機稱為字節(jié)編址的計算機，也有一些計算機是以字