第一章 计算机系统概述

1、计 算 机 组 成 原 理王 冬TEL：rinciples of Computer Organization 王 冬TEL： 程 情 况 概 述计算机组成原理计算机组成原理前导课前导课后续课后续课计算机系计算机系 统结构统结构微型计算微型计算 机技术机技术承上启下承上启下 软硬件兼容软硬件兼容 汇编语言汇编语言 程序设计程序设计数字逻辑和数字逻辑和 集成电路集成电路1.课课程地位程地位 属属于于专业专业基基础础、核心硬件、核心硬件课课程，必修程，必修计算机组成 2. 授 课 内 容1）计算机由几部分组成2）各部件的组成功能及其原理3）各部件的

2、关系4）整机如何工作信息流角度 1）数据流2）控制流（指令流）动态从程序运行的角度来看：CPU的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。驱动 本章将从存储程序的概念入手，讨论计算机的基本组成与工作原理，使读者对于计算机系统先有一个简单的整体概念，为今后深入讨论各个部件打下基础。 第一章 计算机系统概论1.1 计算机系统简介1.4 计算机的软件1.3 计算机硬件1.2 计算机的基本组成1.5 计算机系统的层次结构1.1 计算机系统简介由具有各类特殊功能的信息（程序）组成1. 计算机系统计算机系统计算机的实体如主机、外设等一、 计算机软、硬件的概念硬件软件1.一般用户观察到的计算

3、机硬件系统不同对象观察到的计算机硬件系统2.专业用户观察到的计算机硬件系统计算机控制器TTLMOS晶体管1门1寄存器1晶体管2外设存储器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TTLMOS晶体管1门1寄存器1晶体管2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3.计算机设计者观察到的计算机硬件系统按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统 系统软件应用软件语言处理程序操作系统服务性程序数据库管理系统网络软件软件计算机系统系能的好坏，很大程度上是由： 的 和 来表征的，而 的发挥又离

4、不开 的支持 。 结论：软硬件在逻辑功能上是等效的问：什么情况下使用硬件实现？什么情况下使用软件实现？注意硬软件之间的关系 硬件、软件的功能划分与逻辑上是等价的(1) 硬件是基础软件是灵魂(2) 硬件与软件之间的功能分配关系常常随着技术发 展而变化(3) 硬件软化软件硬化(4) 软件固化 二、 计算机的分类1.电子计算机 从总体上来说分为两大类 电子模拟计算机 “模拟”就是相似的意思。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。 电子数字计算机 它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。 两者的主要区别 数字计

5、算机数字计算机模拟计算机模拟计算机数据表示方式数据表示方式数字数字0/1电压电压计算方式计算方式数字计数数字计数电压组合和测量值电压组合和测量值控制方式控制方式程序控制程序控制盘上连线盘上连线精度精度高高低低数据存储量数据存储量大大小小逻辑判断能力逻辑判断能力强强无无 二、 计算机的分类2. 计算机按指令和数据流还可以分为： SISD: SIMD: MISD: MIMD:3. 向着“两极”分化 微型化 巨型化 三、计算机系统的层次结构 *8 层次怎么样划分？按硬件、固件、软件的功能划分每一级对应一机器组成和作用？多层次结构的好处？为什么要划分多级层次结构？从各个角度所看到的机器之间的有机联系，

6、分清界面，明确各自功能，以便构成合理、高效的计算机系统三、计算机系统的层次结构 广义语言机器语言、汇编语言、高级语言和应用语言等机器语言计算机能直接识别和执行的语言符号化汇编语言高级语言不针对具体机器的计算机语言三、计算机系统的层次结构高级语言虚拟机器 M3汇编语言虚拟机器 M2操作系统虚拟机器机器语言实际机器 M1微指令系统微程序机器 M0用编译程序翻译成汇编语言程序用汇编程序翻译成机器语言程序用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令软件硬件虚拟机器 M4虚拟机器 M3虚拟机器 M2实际机器 M1微程序机器 M0三、计算机系统的层次结构透明度在计算机中，客观存在的事物或

7、属性从某个角度看不到，就称为“透明”所谓透明实际上就是指那些不属于自己管的部分（不会出现和不需要了解的部分） 。例：数据总线宽度、浮点数表示/乘法程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性计算机体系结构计算机组成实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）（具体指令的实现）四、计算机体系结构和计算机组成1.1 计算机的发明 (1) 图灵机的提出 1936年，英国剑桥大学著名数学家图灵在研究解决数学的一个基础理论问题时，发表了著名的“理想计算机”的论文。（ “论可计算数及其在判定问题中的应用”论文，提出了著名的理论计算机模型图灵

8、机。利用这种计算机，可以把推理化做一些简单的机械动作。）。 1.2 计算机的发展和基本组成 计算机的发展电子管巨大规模集成电路(单片机)计算机的发明过程中有三件事情非常重要：（19121954）v(2) 第一台计算机的制造成功v 世界上第一台通用电子数字计算机是美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的约翰莫克莱博士和他的研究生J普雷斯泊埃克特主持建造的，取名为ENIAC(即电子数字积分计数器)。 v (3) 冯诺依曼计算机模式的提出v 在埃克特与约翰冯诺依曼的一次偶然会面中，他们讨论了ENIAC的工作原理和操作中的问题。冯诺依曼在匈牙利出生,以后移居美国，成为普林斯特大学的数学教授。 冯 诺依曼型计算机电

9、子计算机装置逻辑结构初探现代计算机雏形1.2 计算机的基本组成1. 计算机由五大部件组成3. 指令和数据用二进制表示4. 指令由操作码和地址码组成6. 以运算器为中心2. 指令和数据以同等地位存于存储器 可按地址寻访5. 存储程序一、冯.诺依曼计算机的特点5. 存储程序算术运算逻辑运算存放数据和程序将信息转换成机器能识别的形式将结果转换成人们熟悉的形式指挥程序运行冯.诺依曼计算机硬件框图存储器输入设备运算器控制器输出设备以存储器为中心的计算机硬件框图运算器控制器主存储器主存储器输入设备输出设备辅助存储器辅助存储器CPU控制控制数据数据地址或指令地址或指令主机主机外设外设存储器存储器ALU主存辅

10、存CPU主机I/O硬件CU 现代计算机硬件框图存储器输入设备运算器输出设备控制器ALUCPU主机I/OCU主存 现代计算机的特点 v 1）运算速度快v 2）精度高v 3）记忆和逻辑判断能力v 4）通用性强v 5）自动连续运算随着计算机技术的不断发展，计算机系统结构有了许多改进：v 从基于串行算法变为适应并行算法，出现了向量计算机、并行计算机、多处理机等。v 高级语言与机器语言的语义距离缩小，出现了面向高级语言的计算机和直接执行高级语言的计算机。v 硬件子系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应，出现了面向操作系统的计算机和数据库计算机等。v 从传统的控制驱动型改变为数据驱动型和需求驱动型，出现

11、了数据流计算机和归约机。v 为适应特定应用环境而出现了各种专用计算机，如快速傅里叶变换机器、过程控制计算机等。v 为获得高可靠性而研制容错计算机。v 计算机系统功能分散化、专业化，出现了各种功能分布计算机，包括外围处理机、通信处理机等。v 出现了与大规模、超大规模集成电路相适应的计算机系统结构。v 出现了处理非数值化信息的智能计算机，例如，处理自然语言、声音、图形和图像等信息的计算机。存储体大楼存储单元 存放一串二进制代码存储字 存储单元中二进制代码的组合存储字长 存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访 存储单元 存储元件（0/1） 房间 床位（无人/ 有人）1. 存储

12、器的基本组成主存储器存储体MARMDR二、计算机功能部件MARMDR 存储单元个数 16存储字长 8 设 MAR = 4 位 MDR = 8 位存储器地址寄存器反映存储单元的个数存储器数据寄存器反映存储字长主存储器存储体MARMDR取指令分析指令执行指令PCIRCUPCIRCU取指执行PC 存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（PC）+ 1 PCIR 存放当前欲执行的指令访存访存完成一条指令2. 控制器的基本组成 通常将运算器和控制器合称为中央处理器（CPU）3. 微处理器在由超大规模集成电路构成的微型计算机中 ， 往往将 CPU 制成一块芯片 ， 称为微处理器。 现代的微处理器芯片1235

13、6789以取数指令为例4三. 主机完成一条指令的过程CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR运算器MQACCALUXI/Oa+|b| 程序的运行过程程序 a+|b|v1）程序设计）程序设计v2）编辑程序并分配存储单元）编辑程序并分配存储单元v3）把程序和原始数据存入存储单元）把程序和原始数据存入存储单元v4）执行程序）执行程序1）程序设计v包含的指令集合ADD SUB MOV JP OUT HALTv a+|b|？v流程图 ？2）编辑程序并分配存储单元v 单元地址 单元内容 2000 MOV A,(2010) 2001 MOV B,(2011) 2002 JP B0,2005

14、 2003 ADD A,B 2004 JP+2 2005 SUB A-B 2006 MOV (2012),A 2007 OUT (2012) 2008 HALT 2010 a 2011 b3）从程序和原始数据到存储单元送内存，逐条取出 执行，自动计算4）执行程序(1）取指令(2）分析指令(3）执行指令执行完第一条指令, IP ?PCMAR M MDR IROP(IR) CUAd(IR) MAR M MDR ACC（PC）+1 PC1.3 计算机硬件的主要技术指标1.机器字长CPU 一次能处理数据的位数与 CPU 中的 寄存器位数 有关，字长选用字节的整数倍3.运算速度CPU的工作节拍受主时钟控

15、制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz、GHz。1）CPU时钟周期2）主频（CPU时钟频率）通常为字节脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要一个时钟周期2.总线宽度一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数1.3 计算机硬件的主要技术指标3）吞吐量 一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）。 它取决于信息能多快地输入内存，CPU能多快地取指令，数据能多快地从内存取出或者存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。 因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取时间4）CPI

16、（Clock Cycle Per Instruction） 执行一条指令需要的时钟周期数1.3 计算机硬件的主要技术指标5） CPU执行时间CPU执行一段程序所占用的CPU时间CPU执行时间 CPU时钟周期数 CPU时钟周期长 CPU时钟周期数/主频 （指令条数*CPI）/主频 每秒执行百万条指令MIPS6） 吉普森法、MIPS和MFLOPSMIPS=指令条数/（执行时间*106）=主频/CPI每秒执行多少百万次浮点运算MFLOPSMFLOPS=浮点数操作次数/（执行时间*106）=ni =1fi tiTM吉普森法221 = 256KB213 = 1KB如：4.存储容量主存容量辅存容量存储单元个数 存储字长字节数字节数 80GB如：MAR MDR 容量10 816 32存放二进制信息的总数量1K = 2101Byte = 231G = 2301K 8位64K 32位作业（思考题）1) 指令和数据都存于存储器中，计算机如何区分它们 ？ 2) 机器字长、指令字长和存储字长的区别和联系？设某主存容量为128k32位，并且上述三种字长相等。写出下图中个寄存器的位数，并指出哪些寄存器之间有信息通路3) 简单描述计算机层次结构，说明个层次的主要特点4) 某计算机只有Load/Store指令能对存储器就行读/写操作，其他指令只能对寄存器就行操作。根据程序跟踪试验结果，已知每条指令所占