计算机组成原理2

1、计算机组成原理 ComputerOrganization 推动计算机发展的动力 硬件与软件的关系 二者相互渗透、相互依存、互相配合、互相促进，缺一不可 对于计算机的某一具体功能来说，既可以用硬件实现，也可以 用软件实现。 硬件和软件在逻辑功能上是等效的 实现成本和速度有比较大的差别 回顾 不同对象观察到的计算机硬件系统 一般用户专业用户 计算机设计者 计算机 控制器 TTLMOS 晶体管 1 门 1 寄存器 1 晶体管 2 I/O存储器ALU 寄存器 2寄存器 N 门 K门 2 晶体管 T . . . . . . . . . . . . 系统级 寄存器级 门级 晶体管级 物理级 计算机 控制器

2、 TTLMOS 晶体管 1 门 1 寄存器 1 晶体管 2 I/O存储器ALU 寄存器 2寄存器 N 门 K门 2 晶体管 T . . . . . . . . . . . . 系统级 寄存器级 门级 晶体管级 物理级 计算机的解题过程 最早的计算机 使用机器语言(用0/1代码表示的语言)编写程序 要求程序员对所用计算机的硬件及指令系统十分熟悉 编写程序难度大，操作过程极易出错，程序调试困难 计算机系统层次结构(从语言功能层次划分) 用户编写的用户编写的 高级语言程序高级语言程序 （源程序）（源程序） 运行运行结果结果 翻译成机器翻译成机器 语言程序语言程序 ( (目标程序目标程序) ) 计算机

3、计算机 实际机器实际机器 （机器语言程序）（机器语言程序） 只有机器语言程序可以在机器上执行只有机器语言程序可以在机器上执行 具有两级层次结构的计算机系统 符号式程序设计语言汇编语言 用符号表示操作和指令或数据所在存储空间的地址 20世纪50年代开始出现，使程序员摆脱用繁杂而又容易出错的二进制代码编写程序 机器不能直接识别汇编语言程序 必须先将汇编语言程序翻译成机器语言程序，才能被机器接受并自动运行 翻译过程由汇编程序（计算机系统软件）完成 从用户的角度看，好像存在一台能够直接识别并执行汇编语言程序的机器 计算机系统层次结构 具有两级层次结构的计算机系统 虚拟机：指从用户角度看，好象能直接执行

4、用户编写的源程序的机器 是通过配置软件扩展功能后形成的与实际机无关的机器（是由软件实 现的机器） 虚拟机将提供给用户的功能抽象出来，脱离了物理机（是用户从某个 角度看见的计算机的形象） 计算机系统层次结构 实际机器实际机器M1 （机器语言机器）（机器语言机器） 第一级第一级 机器语言程序直接在机器语言程序直接在M 上执行 上执行 汇编程序将汇编语言程序先翻译成机汇编程序将汇编语言程序先翻译成机 器语言程序，然后在器语言程序，然后在M 上执行 上执行 第二级第二级 虚拟机器虚拟机器M2 （汇编语言机器）（汇编语言机器） 具有三级层次结构的计算机系统 汇编语言本质上仍是一种面向实际机器的语言 每一

5、条语句都与机器语言的某一条语句一一对应 编写程序时，仍要求程序员对实际机器的内部组成和指令系统非常熟悉 程序员必须经过专门的训练，否则无法操作计算机 没有通用性 不利于计算机的广泛应用 计算机系统层次结构 面向问题的高级语言 20世纪60年代开始出现 对问题的描述接近人们的习惯 通用性强，程序员无需了解实际机器的机型、内部具体组成及指令系统， 只要掌握语言本身的语法和语义 实际机器M1本身不能识别高级语言，必须 先翻译成汇编语言程序或其它中间语言程序，然后在M2、M1上执行 或：直接翻译成机器语言程序，然后到M1上执行 计算机系统层次结构 具有三级层次结构的计算机系统 翻译程序：把高级语言程序

6、翻译成机器语言程序的软件 分编译程序、解释程序两种 计算机系统层次结构 实际机器实际机器M1 （机器语言机器）（机器语言机器） 第一级第一级 机器语言程序直接在机器语言程序直接在M 上执行 上执行 汇编程序将汇编语言程序先翻译成机器语汇编程序将汇编语言程序先翻译成机器语 言程序，然后在言程序，然后在M 上执行 上执行 第二级第二级 虚拟机器虚拟机器M2 （汇编语言机器）（汇编语言机器） 将高级语言程序翻译成机器语言程序然后将高级语言程序翻译成机器语言程序然后 在在M 上执行，或翻译成汇编语言程序或其 上执行，或翻译成汇编语言程序或其 它中间语言程序然后在它中间语言程序然后在M2、M 上执行 上

7、执行 第三级第三级 虚拟机器虚拟机器M3 （高级语言机器）（高级语言机器） 具有三级层次结构的计算机系统 编译：将高级语言程序（源程序）的语句一次全部翻译成机器语言程 序（目标程序）后再执行 源程序不变，则无需重翻译 源程序转换成目标程序后才能执行编译执行 例如：C 解释：翻译一条执行一条 相同语句反复执行也需重翻译 无需生成目标程序即可执行解释执行 例如：BASIC（有解释和编译两种） 汇编语言机器、高级语言机器均是在软件发展过程中由实际机器而向上延伸而形 成虚拟机 计算机系统层次结构 具有四级层次结构的计算机系统 实际机器M1内部向下延伸：微程序机器M0 M0直接将M1中的每一条机器指令翻

8、译成一组微指令，即构成一个微程序 微程序机器M0可看作是对实际机器M1的分解，即用M0的微程序解释并执行 M1的每一条机器指令 与汇编语言机器、高级语言机器不同，微程序机器M0机器也是实 际机器 通常将M1叫做传统机器，将M0叫做微程序机器 计算机系统层次结构 具有四级层次结构的计算机系统 计算机系统层次结构 实际机器实际机器M1 （机器语言机器）（机器语言机器） 第一级第一级 用微程序解释机器指令用微程序解释机器指令 汇编程序将汇编语言程序先翻译成汇编程序将汇编语言程序先翻译成 机器语言程序，然后在机器语言程序，然后在M 上执行 上执行 第二级第二级 虚拟机器虚拟机器M2 （汇编语言机器）（

9、汇编语言机器） 用编译程序或解释程序先翻译成汇编用编译程序或解释程序先翻译成汇编 语言程序或其它中间语言程序语言程序或其它中间语言程序 第三级第三级 虚拟机器虚拟机器M3 （高级语言机器）（高级语言机器） 微程序机器微程序机器M0 （微指令系统）（微指令系统） 第零级第零级 由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令 具有多级层次结构的计算机系统 实际机器与汇编语言虚拟机器之间由操作系统软件构成的虚拟 机器 操作系统为用户使用提供极其方便的条件 控制并管理系统硬件和软件的全部资源 合理组织计算机的工作流程，以提高计算机系统资源的利用率 提供汇编语言、高级语言使用过程中所需的某些基本操作，提供给用

10、户 良好的界面，使用户不必了解硬件和软件的细节 计算机系统层次结构 具有多级层次结构的计算机系统 随着计算机应用和软件技术的发展，在高级语言虚拟机之上又 出现了应用语言虚拟机 使用面向某种应用环境的应用语言编写的程序一般是经应用 程序包翻译成高级语言程序后，再逐级向下实现的 例如，信息处理系统，此时使用计算机的不是程序员，而是用户 计算机系统层次结构 计算机系统层次结构 实际机器实际机器M1 （机器语言机器）（机器语言机器） 第一级第一级 用微程序解释机器指令用微程序解释机器指令 用汇编程序翻译成机器语言程序用汇编程序翻译成机器语言程序 第三级第三级 虚拟机器虚拟机器M3 （汇编语言机器）（汇

11、编语言机器） 用编译程序或解释程序翻译成汇编用编译程序或解释程序翻译成汇编 语言程序或其它中间语言程序语言程序或其它中间语言程序 第四级第四级 虚拟机器虚拟机器M4 （高级语言机器）（高级语言机器） 微程序机器微程序机器M0 （微指令系统）（微指令系统） 第零级第零级 由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令 虚拟机器虚拟机器M2 （操作系统机器）（操作系统机器） 第二级第二级 用机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统 用应用程序包翻译成高级语言程序用应用程序包翻译成高级语言程序第五级第五级 虚拟机器虚拟机器M5 （应用语言机器）（应用语言机器） 硬件研究硬件研究 的对象的对象 软件研究软

12、件研究 的对象的对象 本课程的本课程的 研究对象研究对象 “透明” 将高级语言程序先翻译成汇编语言程序将高级语言程序先翻译成汇编语言程序 或机器语言程序，再在或机器语言程序，再在M1M1或或M2M2上运行上运行 将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，将汇编语言程序先翻译成机器语言程序， 然后在然后在M1M1上运行上运行 计算机系统层次结构 实际机器实际机器M1M1 机器语言机器语言 虚拟机器虚拟机器M2M2 汇编语言汇编语言 虚拟机器虚拟机器M3M3 高级语言高级语言 机器语言程序直接在机器语言程序直接在M1M1上运行上运行 微指令系统 微程序机器微程序机器M0 M0 微程序微程序 用微程序解释

13、机器指令，由硬件系统用微程序解释机器指令，由硬件系统 直接执行微程序直接执行微程序 第一章 第二节计算机基本组成 TuringVonNeumann 计算机的发展历程 通过建立指令、程序以及通用 机器执行程序的理论模型，证明 了可以制造一种通用的机器计算 所有能想象得到的可计算函数 由三部分组成：一条可可无限延伸无限延伸 纸带，一个在在带子上左右移动的带子上左右移动的 读写头和一个控制装置 图灵机 Oncomputablenumbers,With applicationtoEntscheidungproblem 无限长的纸带分成了一个个的小方 格，每个方格里都有数据。 读写头在纸带上移动，可以读

14、写方 格中的数据。 控制装置有状态寄存器，记录当前 所处的状态，还有固定的运行规则。 控制装置根据读入的数据，结合当 前的状态，按照运行规则决定读写 头的动作，进行移动，并转换进入 新的状态。 图灵机 图灵机不是一种具体的机器,而是一种思想模型 图灵机证明了通用计算理论，理论上证明了研制通用数字计算机 的可行性，同时给出了计算机应有的主要架构； 图灵机模型引入了读写与算法与程序语言的概念，突破了过去的 计算机器的设计理念； 图灵机模型理论是计算学科最核心的理论，通用图灵机的计算能 力就是计算机的极限计算能力，很多问题可以转化到图灵机这个 简单的模型来考虑。 计算机应该如何工作？ 基本工作原理：

15、存储程序控制 指令：使计算机完成某种特定操作的命令 操作码+操作数 程序：程序员按一定算法编写的、能完成某种解算任 务的指令有序序列。 计算机的基本工作原理 存储程序控制工作原理 核心：存储程序存储程序+ +程序控制程序控制 计算机要自动完成解题任务，必须将事先设计好的、用以描述计计算机要自动完成解题任务，必须将事先设计好的、用以描述计 算机解题过程的程序如同数据一样，采用二进制形式存储在机器算机解题过程的程序如同数据一样，采用二进制形式存储在机器 中，计算机在工作时自动高速地从计算机中逐条取出指令并加以中，计算机在工作时自动高速地从计算机中逐条取出指令并加以 执行执行 要点： 1.输入二进制

16、形式表示的数据和指令，存放在存储器中 2.计算机在工作时依次逐条地从存储器中取出指令加以执行 计算机的基本工作原理 计算机里有什么？ 计算机构成的基础 理论已经提出近七 十年了，组成计算 机的关键部件没有 大的改变 ALU:完成算术和逻辑运算 Memory:存放运行时程序及其所需 要的数据的场所。 Input:信息进入计算机的设备。 Output:将处理结果展示给用户的 设备。 Control:CPU的组成部分，它根据 程序指令来指挥ALU，memory以 及I/O运行，共同完成程序功能。 计算机的基本结构- Von Neumann结构 Computer Memory Input Output

17、 ALU Control 五大部件如何组织在一起？ 计算机的基本结构 A 以运算器为核心 的计算机基本结构 B以存储器为核心 的计算机基本结构 典型冯诺依曼计算机硬件组成 现代计算机以存储器为中心 原始的冯诺依曼计算机在结构上以运算器为核心 现代计算机系统结构中，为了改善性能，大多采用以存储器为中心的 体系结构。 冯诺依曼计算机的局限性 冯诺依曼瓶颈：访存 CPU与存储器间的信息通路成为影响系统性能的“瓶颈”，单纯地 依靠提高CPU速度和扩大存储器容量无法解决。 指令的串行执行方式影响了系统速度，即便相关数据已经准备好，也 必须逐条执行指令。 计算机的基本结构 影响并行性的关键：共享数据和串行执行 改进：提高并行性 多处理部件流水处理、阵列机结构 由多个冯诺依曼计算机组成多机系统，支持并行算法结构 颠覆