第3章计算机组成

1、第第3章章 计算机组成计算机组成2本讲内容本讲内容3.1 计算机系统组成计算机系统组成（1）硬件系统）硬件系统（2）软件系统）软件系统（3）软硬件系统的关系）软硬件系统的关系3.2 计算机的工作原理计算机的工作原理（1）计算机指令）计算机指令（2）计算机的工作原理）计算机的工作原理3.3 计算机的性能评价计算机的性能评价23 1945 1945年年6 6月冯月冯诺依曼在一篇论文中第一次提出诺依曼在一篇论文中第一次提出了计算机三个主要思想：了计算机三个主要思想：l 计算机由四大部件组成计算机由四大部件组成l 程序和数据存储程序和数据存储l 程序和数据采用二进制数表示程序和数据采用二进制数表示 目

2、前绝大多数计算机仍建立在这个思想的基础目前绝大多数计算机仍建立在这个思想的基础上，称之上，称之冯冯诺依曼型计算机。诺依曼型计算机。冯冯诺依曼模型诺依曼模型34冯冯诺依曼模型诺依曼模型 计算机是一个接计算机是一个接受输入数据，处受输入数据，处理数据，产生输理数据，产生输出数据的黑盒子。出数据的黑盒子。输入输入数据数据输出输出数据数据程序程序 冯冯诺依曼（美籍匈牙利数学家科诺依曼（美籍匈牙利数学家科学家，计算机之父）提出的冯学家，计算机之父）提出的冯诺依曼诺依曼模型着眼于计算机的内部结构。模型着眼于计算机的内部结构。45 硬件硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体；通常是指一切看得见，摸得到的设

3、备实体； 软件软件通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。硬件 软件 56图图3.1 计算机的系统组成计算机的系统组成673.1.1计算机硬件系统计算机硬件系统图图3.2 计算机硬件结构框架计算机硬件结构框架控制控制数据数据78计算机基本组成部件计算机基本组成部件图图3.3 计算机的组成计算机的组成89硬件硬件 主机箱主机箱 主板（扩展槽，适配器，接口，总线）主板（扩展槽，适配器，接口，总线） 中央处理器中央处理器 存储器（一组内存、辅助存储器）存储器（一组内存、辅助存储器）

4、 电源电源 输入输出设备输入输出设备910主机箱主机箱图图3.4 不同型号的计算机机箱后侧系统扩展接口不同型号的计算机机箱后侧系统扩展接口1011主机箱及主板主机箱及主板 图图3.5 主机箱内部组成主机箱内部组成图图3.6 主板主板12 主板也称为主机板，它是一块印刷电路板，集主板也称为主机板，它是一块印刷电路板，集中放置了微型机的主要部件，目前一些常用的接口中放置了微型机的主要部件，目前一些常用的接口电路也放在主板上。电路也放在主板上。主板的主要部件包括：主板的主要部件包括： 处理器芯片、芯片组、一组高速内存储器、基处理器芯片、芯片组、一组高速内存储器、基本输入输出接口、总线及总线接口、扩展

5、槽、其它本输入输出接口、总线及总线接口、扩展槽、其它一些支持电路。一些支持电路。1213硬盘接口硬盘接口总线扩展槽总线扩展槽CPU插座插座输入输出设备接口输入输出设备接口电源插口电源插口只读存储器电源只读存储器电源前面板接口前面板接口13n 基本输入输出接口基本输入输出接口例如：键盘、打印机接口等n 扩展槽:是适配器与微机总线之间的物理连接装置，其中可插入各类适配器。n 其它配套的支持电路其它配套的支持电路 扩展槽扩展槽配套电路配套电路键盘端口键盘端口n 总线及总线接口总线及总线接口 CPU内存条内存条配套芯片配套芯片1415l 中央处理器的内部结构包括运算中央处理器的内部结构包括运算部件（算

6、术逻部件（算术逻辑单元）、控制部件（控制单元）、寄存器部件辑单元）、控制部件（控制单元）、寄存器部件（快速存储单元）（快速存储单元）。（1）运算部件：）运算部件：算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU），是计算机），是计算机中执行各种算术和逻辑运算的部件。中执行各种算术和逻辑运算的部件。（2）控制部件：）控制部件：通过发送到其他子系统的信号进行通过发送到其他子系统的信号进行各个子系统的控制操作。各个子系统的控制操作。（3）寄存器部件寄存器部件: 用来存放临时数据的高速独立的用来存放临时数据的高速独立的存储单元。存储单元。1516 图图3.7 CPU的内部结构的内部结构CPU 包括三部分：算术逻辑单

7、元包括三部分：算术逻辑单元 (ALU)、控制单元和寄存器。、控制单元和寄存器。控制单元控制单元寄存器寄存器程序计数器程序计数器1617 算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）& 执行算术运算和逻辑运算。执行算术运算和逻辑运算。 算术运算：包括算术运算：包括 加法、减法、乘法和除法等。加法、减法、乘法和除法等。 逻辑运算：包括逻辑运算：包括“非非”、“与与”、“或或”和和“异或异或” 等。等。& 1718u 控制单元是整个计算机的指挥中心，被称为计算机控制单元是整个计算机的指挥中心，被称为计算机的大脑的大脑u控制通过线路的开（高电平）或关（低电平）实现控制通过线路的开（高电平）或关

8、（低电平）实现u控制单元的基本功能：控制单元的基本功能：u从主存中取出指令从主存中取出指令u对指令译码，产生相应的操作控制信号对指令译码，产生相应的操作控制信号u指挥并控制指挥并控制CPU、主存和输入、主存和输入/输出设备之间的数输出设备之间的数据流动据流动 控制单元控制单元1819l寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。lCPU的运算需要多个寄存器的运算需要多个寄存器l常见的寄存器常见的寄存器数据寄存器数据寄存器指令寄存器指令寄存器程序计数器程序计数器用来存放输入数据，用来存放输入数据，运算中间结果和最运算中间结果和最终结果。终结果。存放

9、从内存中取出的存放从内存中取出的指令，指令， 以便于稍后以便于稍后解释和执行它们。解释和执行它们。存放当前指令的地存放当前指令的地址。当前指令执行址。当前指令执行完后，程序计数器完后，程序计数器自动加自动加1，指向下一，指向下一条指令的地址条指令的地址。 寄存器寄存器1920CPU芯片芯片 图图3.8 CPU芯片芯片（a）lntel CORE（b）AMD CPU2021l 存储器主要用于存储程序和各种数据信息，其存储器主要用于存储程序和各种数据信息，其能在计算机运行过程中自动、高速地完成程序或数能在计算机运行过程中自动、高速地完成程序或数据的存储。主要包括主存储器（内存储器、内存）据的存储。主

10、要包括主存储器（内存储器、内存）和辅助存储器（外存储器、外存）。和辅助存储器（外存储器、外存）。2122主存储器分为三种类型：主存储器分为三种类型：l随机存储器随机存储器 (RAM)l只读存储器只读存储器 (ROM)l互补金属氧化物存储器互补金属氧化物存储器(CMOS)主存储器主存储器 RAMROMCMOS主存储器的种类主存储器的种类2223&RAM的特点：的特点：l 计算机中主存的主要组成部分。计算机中主存的主要组成部分。l 用户既可以读，又可以写。用户既可以读，又可以写。l 对所有存储单元的读写时间均相同。对所有存储单元的读写时间均相同。l 具有易失性。若断电或关掉计算机，全部存储

11、具有易失性。若断电或关掉计算机，全部存储 的信息将会丢失。的信息将会丢失。2324& 随机存储器（随机存储器（RAM ）又分为两大类：）又分为两大类：l 静态静态RAM（SRAM） ：利用触发器来存储信利用触发器来存储信息，当通电的时候信息始终存在，不需要刷新。息，当通电的时候信息始终存在，不需要刷新。存取速度快，但容量较小，价格较高。存取速度快，但容量较小，价格较高。l 动态动态RAM（DRAM）: 利用电容上的电荷存储利用电容上的电荷存储信息，电容上的电荷会泄漏，需要周期性的刷信息，电容上的电荷会泄漏，需要周期性的刷新。存取速度慢，但容量较大，价格较低。新。存取速度慢，但容量较大，

12、价格较低。2425&RAM 的容量、速度：的容量、速度： 衡量衡量RAM容量的单位通常用字节数表示。每容量的单位通常用字节数表示。每1024个字节称为个字节称为1K字节（字节（210=1K），每），每1024K字字节称为节称为1M字节（字节（220=1M），每），每1024M字节称为字节称为1G字节（字节（230=1G）。）。 磁带用两个卷轴承接起来，当磁带运动时，磁带用两个卷轴承接起来，当磁带运动时，可以通过读可以通过读/写磁头来读写磁带上的数据。写磁头来读写磁带上的数据。 磁带是顺序访问的，用户要找一个文件，必磁带是顺序访问的，用户要找一个文件，必须从磁带头开始。须从磁带头开始。

13、磁带磁带3738利用激光技术来存储和读取数据利用激光技术来存储和读取数据 。光存储设备有只读光盘光存储设备有只读光盘(CD-ROM)、可刻录光盘、可刻录光盘 (CD-R)、可重写光盘、可重写光盘(CD-RW)、数字多功能光盘、数字多功能光盘(DVD)。光存储器光存储器38CD-ROM的内容是由制造商写入的。用户不能删除，的内容是由制造商写入的。用户不能删除，也不能写入。也不能写入。CD-ROM 盘所需的费用是可调节的，尤其是大批盘所需的费用是可调节的，尤其是大批量地生产，每个盘片的费用会很便宜的。量地生产，每个盘片的费用会很便宜的。CD-ROM 驱动器被使用来读驱动器被使用来读 CD-ROM

14、盘。盘。CD-ROM 驱动器有不同的速度，如单倍速，多倍驱动器有不同的速度，如单倍速，多倍速等。速等。39CD-ROM的制造需要先使用高能红外激光来制作主的制造需要先使用高能红外激光来制作主盘。激光在主盘上形成一系列的坑和纹间表面。盘。激光在主盘上形成一系列的坑和纹间表面。然后依照主盘，作成相应的模盘。然后依照主盘，作成相应的模盘。最后将溶解的聚碳酸酯树脂注入模盘中制成光盘。最后将溶解的聚碳酸酯树脂注入模盘中制成光盘。4041CD-R 制造时不需要主盘和模盘。制造时不需要主盘和模盘。CD-R盘上的坑和纹间表面是模拟出来的。盘上的坑和纹间表面是模拟出来的。CD-R 是让用户自己制作的光盘。用户只

15、需要一是让用户自己制作的光盘。用户只需要一次写入信息，就可以多次读出信息。次写入信息，就可以多次读出信息。4142CD-RW 技术又称之为可擦写光盘技术。技术又称之为可擦写光盘技术。CD-RW光盘可以写入、擦除、重写。光盘可以写入、擦除、重写。4243lDVD 采用与采用与CD类似的技术。两种盘尺寸相同。类似的技术。两种盘尺寸相同。lDVD 盘的存储量远大于盘的存储量远大于 CD-ROM盘（如单层盘（如单层DVD盘的容量为盘的容量为4,700 MB ，而，而 CD-ROM盘的盘的容量仅为容量仅为650 MB）。）。lDVD 盘更适用于多媒体对存储大容量数据的盘更适用于多媒体对存储大容量数据的需

16、要。需要。4344图图3.13 光驱结构光驱结构4445 图图3.9 内存条内存条 （a）U盘盘 （b）硬盘）硬盘 （c）光盘）光盘图图3.10 外存储器外存储器认识内存和外存设备认识内存和外存设备45图图3.14 存储器层次结构存储器层次结构 存储器的层次结构存储器的层次结构速度速度快快慢慢容量容量小小大大4647& 高速缓冲存储器的存取速度比主存快，但比高速缓冲存储器的存取速度比主存快，但比CPU内部的寄存器慢内部的寄存器慢 。& 高速缓冲存储器容量较小，常置于高速缓冲存储器容量较小，常置于CPU和主存和主存之间。之间。主存主存高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）4

17、7nCache用来存放主存中一部分内容的副本（拷贝），用来存放主存中一部分内容的副本（拷贝），即当前正在执行的程序中的活跃部分。即当前正在执行的程序中的活跃部分。nCPU可以直接访问可以直接访问cache ，以便快速地向，以便快速地向CPU提供提供指令和数据。指令和数据。n当当CPU需要程序和数据时，首先检索内部需要程序和数据时，首先检索内部cache ，然后检索外部然后检索外部cache ，再往后是，再往后是RAM。只有前者中。只有前者中找不到所需内容时才继续检索后者。找不到所需内容时才继续检索后者。48494950l 输入设备和输出设备统称为外部设备，简称输入设备和输出设备统称为外部设备，

18、简称I/O设备，是计算机与人或外部事务进行交互的部件。设备，是计算机与人或外部事务进行交互的部件。l（1）输入设备主要用来向计算机输入各种原始数）输入设备主要用来向计算机输入各种原始数据和指令。据和指令。l（2）输出设备主要用于数据的输出，即把计算机）输出设备主要用于数据的输出，即把计算机加工处理的结果（数字形式的编码）变换成人或其加工处理的结果（数字形式的编码）变换成人或其他设备所能接受或识别的信息形式，如数字、文字、他设备所能接受或识别的信息形式，如数字、文字、图形、声音或电压等。图形、声音或电压等。504 输入输入/输出子系统中的设备可以分为两大类：输出子系统中的设备可以分为两大类：非存

19、储设备和存储设备。非存储设备和存储设备。存储设备存储设备非存储设备非存储设备输入设备输入设备输出设备输出设备磁介质存储设备磁介质存储设备光存储设备光存储设备其他存储设备其他存储设备51输入设备输入设备输出设备输出设备 键盘输入设备键盘输入设备 扫描仪扫描仪 音频输入设备音频输入设备 视频输入设备视频输入设备 其他其他 显示器显示器 打印机打印机 其他其他5253图图3.15 常用的输入设备常用的输入设备常用输入设备常用输入设备游游戏戏杆杆触触摸摸屏屏5354图图3.16 常用的输出设备常用的输出设备常用输出设备常用输出设备阴阴极极射射线线管管 显显示示器器投投影影仪仪54半导体存储器半导体存储

20、器磁表面存储器磁表面存储器& 存储设备又称为辅助存储器。用来存放暂时不存储设备又称为辅助存储器。用来存放暂时不参与运行的程序和数据。参与运行的程序和数据。CPU不能直接访问辅助存不能直接访问辅助存储器，需要时将信息先传送到主存。储器，需要时将信息先传送到主存。辅助存储器辅助存储器光存储器光存储器55l 计算机的五大部件在计算机中是采用总线进行计算机的五大部件在计算机中是采用总线进行连接的。总线是计算机中信息和数据传输或交换的连接的。总线是计算机中信息和数据传输或交换的通道。频率被用于衡量总线传输速率，单位为通道。频率被用于衡量总线传输速率，单位为Hz。根据连接的不同，总线可以分为系统总

21、线、内部总根据连接的不同，总线可以分为系统总线、内部总线（同一部件内部连接的总线）和外部总线（主机线（同一部件内部连接的总线）和外部总线（主机和外部设备之间连接的总线）。和外部设备之间连接的总线）。56l 系统总线又称为内总线或板级总线。系统总线又称为内总线或板级总线。CPU和主和主存之间通常通过系统总线连接，包括数据总线、地存之间通常通过系统总线连接，包括数据总线、地址总线和控制总线三组线路。址总线和控制总线三组线路。图图3.17 CPU和内存之间的总线和内存之间的总线主存主存数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线57582数据总线数据总线 ：由双方向的多根信号线组成，由双方向的多

22、根信号线组成， CPU可以沿这可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据。通常数据总线的位数取决于字的宽度。如果设送出数据。通常数据总线的位数取决于字的宽度。如果计算机的字长是计算机的字长是32位，就需要位，就需要32位宽度的数据总线，以便位宽度的数据总线，以便同一时刻能够同时传送同一时刻能够同时传送32位的数据。位的数据。2地址总线：地址总线：由单方向的多根信号线组成，用于由单方向的多根信号线组成，用于CPU向主存、向主存、外设传输地址信息。地址总线的位数取决于存储空间的大外设传输地址信息。地址总线的位数取决于存储空

23、间的大小。如果存储容量为小。如果存储容量为2n个字，那么地址总线需要个字，那么地址总线需要n位。位。5859n控制总线：控制总线：传输的是控制信息，包括传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令送出的控制命令和主存和主存/外设反馈给外设反馈给CPU的状态信号。控制总线的位数取决的状态信号。控制总线的位数取决于计算机所需要的控制命令的总数。如果计算机有于计算机所需要的控制命令的总数。如果计算机有2m条控条控制命令，那么控制总线需要制命令，那么控制总线需要m位。位。59l CPU通过系统总线对存储器的内容进行读写，同样通过通过系统总线对存储器的内容进行读写，同样通过总线，实现将总线，实现将CPU内

24、数据写入外设，或由外设读入内数据写入外设，或由外设读入CPU。l 与与CPU和内存的本质不同，输入和内存的本质不同，输入/输出设备都是机电、磁输出设备都是机电、磁性或者光学设备，因此不能直接与连接性或者光学设备，因此不能直接与连接CPU和内存的总线相和内存的总线相连。与连。与CPU和内存相比，输入和内存相比，输入/输出设备的操作速度要慢得多，输出设备的操作速度要慢得多，它是通过一种被称为输入它是通过一种被称为输入/输出控制器或接口的器件连接到总输出控制器或接口的器件连接到总线上的。控制器或者接口，消除了输入线上的。控制器或者接口，消除了输入/输出设备与输出设备与CPU及内及内存在本质上的障碍。

25、存在本质上的障碍。60612输入输出设备不能直接与输入输出设备不能直接与CPU和主存的总线相连。因为输和主存的总线相连。因为输入输出设备往往都是机电、磁性或光学设备，比入输出设备往往都是机电、磁性或光学设备，比CPU和主和主存的速度慢得多。必须要有存的速度慢得多。必须要有“中介中介”来处理速度上的差异，来处理速度上的差异，这个中介被称为设备控制器或接口。这个中介被称为设备控制器或接口。键盘控键盘控制器制器监视器监视器控制器控制器打印机打印机控制器控制器磁盘控磁盘控制器制器图图3.18 I/O设备与总线的连接设备与总线的连接6162设备控制器有两种设备控制器有两种2串行控制器：串行控制器：只有一

26、根数据线连接到设备上。只有一根数据线连接到设备上。2并行控制器：并行控制器：数根数据线连接到设备上。数根数据线连接到设备上。6263计算机软件系统计算机软件系统l 软件是用户与硬件之间的接口界面，它不仅是软件是用户与硬件之间的接口界面，它不仅是指程序，还是计算机中程序、数据、有关文档及它指程序，还是计算机中程序、数据、有关文档及它们之间的联系所表现出来的信息的总称，是运行在们之间的联系所表现出来的信息的总称，是运行在硬件设备上的各种程序、数据及相关资料。软件是硬件设备上的各种程序、数据及相关资料。软件是计算机必不可少的组成部分，计算机的每一步操作计算机必不可少的组成部分，计算机的每一步操作都是

27、在软件的控制下执行的，计算机的所有功能都都是在软件的控制下执行的，计算机的所有功能都要通过软件来实现。不装任何软件的计算机被称为要通过软件来实现。不装任何软件的计算机被称为裸机，裸机几乎不能完成任何功能。裸机，裸机几乎不能完成任何功能。6364l 软件是计算机的灵魂，包含程序和文档两部分。软件是计算机的灵魂，包含程序和文档两部分。l （1）程序是一系列按照特定顺序组织的计算机数）程序是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。程序应具有据和指令的集合。程序应具有3个方面的特征：一个方面的特征：一是目的性；二是可执行性；三是程序是代码化的指是目的性；二是可执行性；三是程序是代码化的指令序列

28、。令序列。l （2）文档是了解程序所需的阐述性资料。它是指）文档是了解程序所需的阐述性资料。它是指用自然语言或形式化语言所编写的用来描述程序的用自然语言或形式化语言所编写的用来描述程序的内容、组成、设计、功能规格、开发情况、测试结内容、组成、设计、功能规格、开发情况、测试结构和使用方法的文字资料和图标，如程序设计说明构和使用方法的文字资料和图标，如程序设计说明书、流程图、用户手册等。书、流程图、用户手册等。6465l 程序和文档是软件系统不可分割的两个方面。程序和文档是软件系统不可分割的两个方面。为了开发程序，设计者需要用文档来描述程序的功为了开发程序，设计者需要用文档来描述程序的功能和如何设

29、计开发等，这些信息用于指导设计者编能和如何设计开发等，这些信息用于指导设计者编制程序。当程序编制好后，还要为程序的运行和使制程序。当程序编制好后，还要为程序的运行和使用提供相应的使用说明等相关文档，以便其他人员用提供相应的使用说明等相关文档，以便其他人员使用。使用。6566l 计算机的软件可以分为两大类：系统软件和应计算机的软件可以分为两大类：系统软件和应用软件。用软件。l （1）系统软件是指用于控制与协调计算机本身及）系统软件是指用于控制与协调计算机本身及其外部设备的一类软件，它相当于构建了一个平台，其外部设备的一类软件，它相当于构建了一个平台，在这个平台上，可以通过调动硬件资源的方式，满在

30、这个平台上，可以通过调动硬件资源的方式，满足平台本身及其他应用软件的工作需求。足平台本身及其他应用软件的工作需求。l （2）应用软件是为满足用户不同领域、不同问题）应用软件是为满足用户不同领域、不同问题的应用需求而提供的软件。的应用需求而提供的软件。6667l 系统软件与具体的领域无关，仅在系统一级提系统软件与具体的领域无关，仅在系统一级提供服务。其他软件都要通过系统软件发挥作用，因供服务。其他软件都要通过系统软件发挥作用，因此，系统软件是软件系统的核心。系统软件包括操此，系统软件是软件系统的核心。系统软件包括操作系统、语言处理软件、数据库管理系统和工具系作系统、语言处理软件、数据库管理系统和

31、工具系统等。统等。l （1）操作系统）操作系统l （2）语言处理软件）语言处理软件l （3）数据库管理系统）数据库管理系统l （4）工具软件）工具软件6768l 操作系统是通用型计算机必备软件，是直接运行于操作系统是通用型计算机必备软件，是直接运行于“裸裸机机”上的系统软件，为用户提供友好、方便、有效的人机操上的系统软件，为用户提供友好、方便、有效的人机操作界面。它主要用于进行软硬件资源的控制和管理，调度、作界面。它主要用于进行软硬件资源的控制和管理，调度、监控和维护计算机系统，管理计算机系统中各个硬件之间的监控和维护计算机系统，管理计算机系统中各个硬件之间的协调工作。当多个软件同时运行时，操

32、作系统负责分配和优协调工作。当多个软件同时运行时，操作系统负责分配和优化系统资源，并控制程序的运行。其基本功能主要包括：处化系统资源，并控制程序的运行。其基本功能主要包括：处理机管理、设备管理、存储管理、文件管理和作业管理理机管理、设备管理、存储管理、文件管理和作业管理5项。项。根据其应用领域可分为：桌面操作系统、服务器操作系统和根据其应用领域可分为：桌面操作系统、服务器操作系统和嵌入式操作系统。嵌入式操作系统。6869l 常见的应用软件有：常见的应用软件有：l （1）办公软件，包括文字处理软件、表格处理软）办公软件，包括文字处理软件、表格处理软件、演示文稿处理软件等。件、演示文稿处理软件等。

33、l （2）媒体处理软件，包括声音处理软件、图形图）媒体处理软件，包括声音处理软件、图形图像处理软件、三维及效果图处理软件、用于网页和像处理软件、三维及效果图处理软件、用于网页和动画处理软件等。动画处理软件等。l （3）统计软件，包括）统计软件，包括SPSS、SAS、BMDP等。等。l （4）网络通信软件，包括网页浏览器、下载工具、）网络通信软件，包括网页浏览器、下载工具、远程管理、电子邮件工具、网页设计制作工具。远程管理、电子邮件工具、网页设计制作工具。6970图图3.19 软件系统层次结构软件系统层次结构l 不同软件在计算机中所处的层次不同。不同软件在计算机中所处的层次不同。70713.1.

34、3 软硬件系统之间的关系软硬件系统之间的关系l 计算机硬件是计算机进行各项任务的物质基础，具计算机硬件是计算机进行各项任务的物质基础，具有原子特性；计算机软件是指计算机所需的各种程有原子特性；计算机软件是指计算机所需的各种程序及有关资料，是计算机的灵魂。计算机的硬件和序及有关资料，是计算机的灵魂。计算机的硬件和软件是计算机系统中互相依存的两大部分，它们的软件是计算机系统中互相依存的两大部分，它们的关系主要体现在以下几个方面：关系主要体现在以下几个方面：l （1）硬件和软件互相依存。）硬件和软件互相依存。l （2）硬件和软件无严格界限。）硬件和软件无严格界限。l （3）硬件和软件协同发展。）硬件

35、和软件协同发展。7172 计算机工作的一般过程包括输入（接收来自输入计算机工作的一般过程包括输入（接收来自输入设备的数据和信息）、处理（对数据和信息进行处设备的数据和信息）、处理（对数据和信息进行处理）、输出（由输出设备显示处理结果）和存储（将理）、输出（由输出设备显示处理结果）和存储（将处理结果进行保存）四个阶段。处理结果进行保存）四个阶段。 计算机能够识别并执行的操作命令称为计算机能够识别并执行的操作命令称为“机机器指器指令令”，这些机器指令按照一定顺序排列就组成了，这些机器指令按照一定顺序排列就组成了“程程序序”，计算机按照程序规定的流程依次执行，最终完，计算机按照程序规定的流程依次执行

36、，最终完成要实现的目标。成要实现的目标。72731. 指令和指令集指令和指令集2. 指令的组成指令的组成3. 指令的类型指令的类型4. 指令的执行过程指令的执行过程7374指令：指令：指挥计算机执行某种基本操作的命令称为指令，指挥计算机执行某种基本操作的命令称为指令，是使计算机完成操作的依据。指令规定了计算机执行是使计算机完成操作的依据。指令规定了计算机执行操作的类型和操作数，是能被计算机识别并执行的二操作的类型和操作数，是能被计算机识别并执行的二进制码。一条指令规定一种操作，指令是由一个字节进制码。一条指令规定一种操作，指令是由一个字节或多个字节组成的。或多个字节组成的。 指令集：指令集：C

37、PU能执行的各种不同指令的集合称为能执行的各种不同指令的集合称为CPU的指令集。的指令集。CPU可完成的各类功能也都反映在可完成的各类功能也都反映在CPU所所支持的各类指令集中。支持的各类指令集中。指令和指令集指令和指令集7475 指令通常由操作码和地址码两部分组成。指令通常由操作码和地址码两部分组成。操作码操作码指明计算机执行某种操作的性质和功能，是指明计算机指明计算机执行某种操作的性质和功能，是指明计算机要执行操作的二进制编码；要执行操作的二进制编码；地址码地址码，指出该指令源操作，指出该指令源操作数的地址、运算结果的地址及下一条要执行的指令地址。数的地址、运算结果的地址及下一条要执行的指

38、令地址。指令的组成指令的组成7576计算机的指令集是硬件和软件之间的接口。计算机的指令集是硬件和软件之间的接口。（1）数据传送指令）数据传送指令（2）算术指令）算术指令（3）逻辑指令）逻辑指令（4）移位指令）移位指令（5）转移指令）转移指令（6）I/O指令指令（7）其他指令）其他指令指令的类型指令的类型7677 计算机执行指令一般分为两个阶段：计算机执行指令一般分为两个阶段：第一阶段，第一阶段，将要执行的指令从内存中取到将要执行的指令从内存中取到CPU内（内（取指周期取指周期）；）；第二阶段，第二阶段，将将CPU取入的指令进行分析译码，判断取入的指令进行分析译码，判断该条指令要完成的操作，然后

39、向各部件发出完成该该条指令要完成的操作，然后向各部件发出完成该操作的控制性好，完成该指令的功能（操作的控制性好，完成该指令的功能（执行周期执行周期）。）。指令的执行过程指令的执行过程7778 CPU从内存读出一条指令到从内存读出一条指令到CPU内执行，执行内执行，执行完毕后再从内存读出下一条指令到完毕后再从内存读出下一条指令到CPU内执行。内执行。CPU不断地取指令并执行指令，就是程序的执行过程。不断地取指令并执行指令，就是程序的执行过程。 在计算机中，程序与数据均以二进制形式存储，在计算机中，程序与数据均以二进制形式存储，根据程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动完根据程序编排的顺序，一步

40、一步地取出指令，自动完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。即成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。即CPU是利用重复的是利用重复的机器周期机器周期来执行程序中的指令。来执行程序中的指令。7879图图3.20 机器周期的步骤机器周期的步骤机器周期机器周期 CPU利用重复的机器周期来执行指令。简化的周利用重复的机器周期来执行指令。简化的周期包括期包括3步：步：7980 取指令取指令 在取指令阶段，控制单元命令系统取出一条指在取指令阶段，控制单元命令系统取出一条指令放在指令寄存器令放在指令寄存器I中，程序计数器中，程序计数器PC加加1。 译码译码 把指令置于指令寄存器后进行译码，以确定这把

41、指令置于指令寄存器后进行译码，以确定这是一条什么样的指令。是一条什么样的指令。 执行执行 译码完毕后，控制单元发送命令到译码完毕后，控制单元发送命令到CPU的某个的某个部件，完成指令所确定的功能。部件，完成指令所确定的功能。机器周期机器周期80计算机工作，即通用计算机通过执行程序来计算机工作，即通用计算机通过执行程序来处理数据。处理数据。程序是指令的有序集合。程序是指令的有序集合。程序和数据都放在主存中。程序和数据都放在主存中。程序执行程序执行8182一条指令由操作码和地址码两部分组成。一条指令由操作码和地址码两部分组成。1程序执行的实例程序执行的实例828307007107207320020

42、1202074主存主存Load 200 R1Load 200 R1 Halt HaltLoad 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3Store 202 R3Store 202 R3+14-10R1R2R3IPC070执行前主存和寄存器中的内容执行前主存和寄存器中的内容8384070071072073200201202074主存主存Load 200 R1Load 200 R1 Halt HaltLoad 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3Store 202 R3Store 202 R3+14-10Load 200 R1Load 200 R1取数指令取数指令R1R2R3IPC070Load 200 R1Load 200 R1071+14第一条指令执行后第一条指令执行后n每一个存储单元都有惟一的标识符每一个存储单元都有惟一的标识符地址地址84070071