计算机组成原理第一章概论-电子工业出版社--罗克露

1、主要知识点：主要知识点： （1）计算机系统的组成,主要是硬件系统的组成 （2）计算机的基本设计思想-冯.诺依曼原理 （3）用层次结构的观点描述计算机系统的组成与功能重点与难点重点与难点: 重点是： 计算机硬件系统的组成、冯.诺依曼原理 难点是：层次结构的观点描述计算机系统的组成与功能 计算机的基础理论计算机的基础理论:1936年年, 图灵图灵(英国英国)发表论文发表论文:论文中心思想论文中心思想:论应用于决定问题的可计算数字论应用于决定问题的可计算数字机器需要机器需要:人类的工作可以分解成简单动作人类的工作可以分解成简单动作图灵论题图灵论题这种理想机器被称为这种理想机器被称为“图灵机图灵机”。

2、用于贮存计算结果用于贮存计算结果;表示运算和数字表示运算和数字;对运算和数字进行识别对运算和数字进行识别;计算过程中的下一步做什么计算过程中的下一步做什么;(1) 存存 储储 器器:(2) 一种语言一种语言:(3) 扫扫 描描:(4) 计算意向计算意向:(5) 执行下一步计算。执行下一步计算。 著名的图灵论题：著名的图灵论题： 凡可计算的函数都可用这样的机器来实现凡可计算的函数都可用这样的机器来实现 论题为计算机的产生打下了理论基础论题为计算机的产生打下了理论基础 第一台电子计算机的产生第一台电子计算机的产生1946年年“电子数值积分计算机电子数值积分计算机” (ENIAC) 作用作用: 计算

3、炮弹、火箭等的弹道轨迹计算炮弹、火箭等的弹道轨迹 ENIAC的两大缺点的两大缺点: 没有内部存储器没有内部存储器 不同计算需重新搭配组件不同计算需重新搭配组件计算计算 1计算计算3计算计算 2ENIAC 英国人的观点英国人的观点: 第一台计算机第一台计算机 作用作用: 破译德国破译德国“谜式谜式”密码密码 “ENIAC”与与“巨人巨人”的共同点的共同点: 专用专用 不具有现代计算机特征不具有现代计算机特征 英国于英国于1940年研制的年研制的“巨人巨人” 计算机计算机 现代计算机原型现代计算机原型该结构明确规定该结构明确规定: 计算机由五个组成部分计算机由五个组成部分: 第一台商用计算机第一台

4、商用计算机: IBM 701 (1952年年) EDVAC1952年研制成功年研制成功(Electronic Discrete Variable Automatic Computer) 运算器运算器 冯冯诺依曼诺依曼: 存储程序式通用计算机结构存储程序式通用计算机结构 输入设备输入设备控制器控制器 存储器存储器输出设备输出设备 (冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构)1.1 计算机系统的基本组成与特点计算机系统的基本组成与特点 一、一、计算机系统的基本组成 硬件组成-概括为两句话： 以存储器为中心，由五大部件组成。 见下面的组成框图：运运算算器器输输入入设设备备输输出出设设备备存存储储器器控控制制

5、器器程序请求命令状态命令命令请求地址指令数据结果结果数字计算机的简单框图（1）存储器 功能： 存放程序和数据，具有记忆功能。 （见下图） 特点： 存储单元是基本单位，每个存储单元对应一个地址，地址具有唯一性。 按地址访问、每次对一个单元进行读出或写入。 存储单元存储单元存储单元存储单元存储单元存储单元存储体存储体读写控制电路读写控制电路地地址址译译码码000000000001111111地址总线数据总线读写命令存储器组成框图（2）运算器 功能：对数据进行加工处理，（算术运算、逻辑运算） 特点：根据指令的含义对数据进行处理，运算的操作数通常来自存储器/寄存器。运算的结果存入存储器/寄存器。（3）

6、控制器 功能：对指令进行解释、产生控制信号，控制计算机各个部件协调工作。 特点：是计算机的指挥中心。（4）输入设备和输出设备 功能：完成信息形式的转换，将人所习惯的各种信息形式转换为计算机可以接受的形式，或反之将计算机出来的结果信息转换为人可以接受的信息形式。计算机系统硬件系统软件系统主机存储器中央处理机CPU运算器控制器系统软件应用软件外设计算机系统的组成工作过程如下工作过程如下:(1) 编程、并组织相应数据编程、并组织相应数据存储器存储器(3) 执行程序执行程序(2) 程序和数据输入程序和数据输入 按地址取第一条指令按地址取第一条指令 指令译码指令译码 发出操作命令发出操作命令 根据操作结

7、果设置状态位根据操作结果设置状态位, 如：如：为为0 1 Z为为1 0 Z为正为正 0 S为负为负 1 S标志位标志位(4) 取下一条指令取下一条指令, 重复上述过程重复上述过程操作结果操作结果 指令指令i结果为结果为0 指令指令knoyes 指令指令m结合框图和工作过程结合框图和工作过程 结论结论: 从体系结构的角度从体系结构的角度: 以存储器为中心的结构以存储器为中心的结构 计算机工作原理的实质计算机工作原理的实质: 从控制的角度从控制的角度: 以控制器为中心的结构以控制器为中心的结构(符合符合冯冯 诺依曼体系结构思想诺依曼体系结构思想)(操作性质和时间关系操作性质和时间关系) 信息以电信

8、号形式的流动信息以电信号形式的流动 流动过程是受控的流动过程是受控的 受控的表现是受控的表现是: 流动方向流动方向 流动时机流动时机 流动时间流动时间 控制过程的实现控制过程的实现: 电子开关器件电子开关器件 控制的依据控制的依据: 程序中的指令程序中的指令 二、存储程序与冯二、存储程序与冯. .诺依曼（诺依曼（Von NeumannVon Neumann）体制）体制 采用诺依曼体制的计算机称“诺依曼型计算机”，具有以下特点： (1）采用二进制形式表示数据和指令。指令和数据均用二进制形式表示，都同样存储在存储器中。 (2）采用“存储程序”和“程序控制”的设计思想。 “存储程序”的设计思想是诺依

9、曼体制的核心。 “存储程序”和“程序控制”的工作方式，称为控制流（指令流）驱动方式，这是诺依曼型计算机的基本特征。即按指令的执行序列，依次读取指令，根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。程序的执行过程中，始终以控制信息流为驱动工作的因素，而数据信息流则被动的被调用处理。（3）由五大部件组成计算机 运算器：对数据进行加工、处理的部件 控制器：对指令进行解释，产生控制信号， 控制各部件协调工作的部件 存储器：存放程序和数据的部件，数据与指 令均是二进制代码形式存放。 输入设备: 人机交互的接口。 输出设备：人机交互的接口。1.2 1.2 计算机系统的组织计算机系统的组织 1.2.1 硬件系统组

10、成 一、总线 总线是一组连接多个部件，可以分时、共享分时、共享 的公共信息传输线路。 按功能和完成任务， 总线可以划分成以下4种1、CPU内部总线2、部件内总线3、系统总线4、外总线C CP PU UR RA AM MR RO OM MP PI IO OC CT TC C总总线线控控制制逻逻辑辑总总线线扩扩展展板板存存储储模模块块扩扩展展板板打打印印机机接接口口板板显显示示器器接接口口板板外外总总线线系系统统总总线线部部件件内内总总线线（） 局局部部总总线线与与系系统统总总线线结结构构图图 CPU内存设备接口设备接口系统总线（单总线结构）CPU内存设备接口设备接口内存总线系统总线（双总线结构）

11、二、以总线为基础的典型系统结构二、以总线为基础的典型系统结构判定与分配选择通道磁盘控制器磁盘控制器字节多路通道设备控制器设备控制器设备设备设备数组多路通道设备控制器设备控制器设备设备设备CPU主存磁盘磁盘磁盘I/O总线IO总线IO总线存储总线三、采用通道或IOP的大型系统结构四、多机系统紧耦合多机系统C C P P U U 1 1L L M MC C P P U U 2 2L L M M共共 享享 存存 储储 器器I I/ /O OI I/ /O O2. 松耦合多处理机松耦合多处理机 1.2.2 软件系统组成 （略）1.2.3 1.2.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 一、层次结构

12、模型(1) 从软、硬件组成角度划分：（如下图)数学模型、算法用户程序作为软件资源的应用程序语言处理程序（解释、编译）操作系统机器语言（指令系统）微程序控制器硬连逻辑部件硬核系统分析级用户程序级操作系统级传统机器级微程序级从组成角度划分的层次结构模型 自下而上的设计、分析方法： 反映计算机系统逐级生成的过程。 自上而下的设计、分析方法： 反映计算机问题求解的过程。（2） 从使用语言的角度，按逻辑功能划分：（如下图）专用语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机实际机器（机器语言物理机）程序 虚拟机的概念： 通过配置软件后扩充了功能的一台计算机，叫虚拟机。 如： 汇编语言虚拟机、 高级语言虚拟机、专用

13、语言虚拟机（例CAD语言虚拟机）。1.2.4 硬、软件的功能划分与逻辑上的等价硬、软件的功能划分与逻辑上的等价性能性能 软件软件硬件硬件硬件比例少硬件比例少硬件比例增加硬件比例增加在完成相同功能的前提下在完成相同功能的前提下:价格价格技术条件要求技术条件要求性能性能 价格价格技术条件要求技术条件要求硬件硬件软件软件 硬件软化硬件软化: 软件完成较复杂功能软件完成较复杂功能, 以降低以降低硬件开销。硬件开销。 软件硬化软件硬化: 硬件完成较复杂功能硬件完成较复杂功能, 以提高以提高处理速度。处理速度。 软件固化软件固化: 运行微程序实现较复杂功能运行微程序实现较复杂功能,以提高性价比。以提高性价

14、比。功能分配与设计目标、技术条件有关功能分配与设计目标、技术条件有关。 关于关于指令系统的最小功能集合指令系统的最小功能集合1.3 计算机系统的性能指标计算机系统的性能指标1. 基本字长基本字长 指操作数的基本位数。指操作数的基本位数。 它影响计算精度、指令功能。它影响计算精度、指令功能。2. 存储容量存储容量 （1）主存容量）主存容量 指存储单元个数指存储单元个数位数。位数。决定地址位数决定地址位数表明编址单位表明编址单位表示为表示为: 字数字数字长字长(按字编址按字编址) 或或 字节数字节数(按字节编址按字节编址)（2）外存容量）外存容量 常表示为常表示为字节数字节数。 外存容量与地址码位数无关。外存容