计算机组成原理2

计算机组成原理

Computer

Organization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)用户编写的高级语言程序（源程序）运行结果翻译成机器语言程序(目标程序)计算机实际机器（机器语言程序）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M1（机器语言机器）第一级机器语言程序直接在M１上执行汇编程序将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，然后在M１上执行第二级虚拟机器M2（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M1（机器语言机器）第一级机器语言程序直接在M１上执行汇编程序将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，然后在M１上执行第二级虚拟机器M2（汇编语言机器）将高级语言程序翻译成机器语言程序然后在M１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M2、M１上执行第三级虚拟机器M3（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M0M0直接将M1中的每一条机器指令翻译成一组微指令，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M1（机器语言机器）第一级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机器语言程序，然后在M１上执行第二级虚拟机器M2（汇编语言机器）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第三级虚拟机器M3（高级语言机器）微程序机器M0（微指令系统）第零级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M1（机器语言机器）第一级用微程序解释机器指令用汇编程序翻译成机器语言程序第三级虚拟机器M3（汇编语言机器）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第四级虚拟机器M4（高级语言机器）微程序机器M0（微指令系统）第零级由硬件直接执行微指令虚拟机器M2（操作系统机器）第二级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第五级虚拟机器M5（应用语言机器）硬件研究的对象软件研究的对象本课程的研究对象“透明”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M1或M2上运行将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，然后在M1上运行计算机系统层次结构实际机器M1机器语言虚拟机器M2汇编语言虚拟机器M3高级语言机器语言程序直接在M1上运行微指令系统微程序机器M0微程序用微程序解释机器指令，由硬件系统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：一条可无限延伸纸带，一个在带子上左右移动的读写头和一个控制装置图灵机《Oncomputablenumbers,

WithapplicationtoEntscheidungproblem》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：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+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执行要点：1.输入二进制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---VonNeumann结构ComputerMemoryInputOutputALUControl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：“非冯•诺依曼化”，采用新的体系机构否定控制流驱动方式，设计数据流驱动工作方式的数据流计算机。