计算机组成原理课件

计算机组成原理

computerorganizationprinciple顾浩赵宝华第1章计算机系统概论

本章要点本章主要介绍计算机系统基本部件的功能与结构，同时介绍了计算机的层次结构，通过本章的学习，读者对计算机系统应有一个整体的概念。第1章计算机系统概论

1．1计算机系统简介1．2图灵机（了解）1．3计算机的基本组成1．4计算机的主要性能指标小结习题1.1.2计算机系统的层次结构

1．虚拟机（VirtualMachine）的概念

应用语言虚拟机M5（应用语言）用应用语言编写的应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言高级语言虚拟机M4（高级语言）高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言（或某中间语言程序或机器语言程序）汇编语言虚拟机M3（汇编语言）汇编语言程序经汇编程序翻译成机器语言程序操作系统虚拟机M2(作业控制语言)由机器语言程序解释操作系统命令传统机器M1（机器语言）由微程序解释机器指令微程序机器M0（微指令）由硬件直接执行虚拟机是一个抽象的计算机，它由软件实现，并与实际机器一样，都具有一个指令集并可使用不同的存储区域。如，一台机器上配有C语言和Pascal语言的编译程序，对C语言的用户来讲，这台机器就是以C语言为机器语言的虚拟机，对Pascal语言的用户来讲，这台机器就是以Pascal语言为机器语言的虚拟机。计算机系统的层次结构图本书的讨论范围翻译(应用软件包)翻译(编译程序)翻译(汇编程序)部分解释(操作系统)解释硬件直接执行2.虚拟机的层次结构

从语言的角度来划分计算机系统的层次结构，那么虚拟机可分成如图1-2所示的操作系统虚拟机、汇编语言虚拟机、高级语言虚拟机和应用程序虚拟机等层次。虚拟机概念的引入，推动了计算机体系结构的发展。由于从各层次的虚拟机可方便地识别相应层次的计算机语言，从而摆脱了这些语言必须在同一台机器上执行的情况，为日后的多处理机系统、分布式处理系统、计算机网络、并行计算机系统等新颖计算机体系结构的出现夯实了基础。

本书讨论的范围仅局限于传统机器M1和微程序机器M0的组成原理和设计思想。

广义语言解释器作用对象控制信息状态信息虚拟计算机观察者1.1.3计算机体系结构与计算机组成1.计算机体系结构（ComputerArchitecture）计算机体系结构是程序员看得见的计算机的属性，即概念性的结构与功能特性。通常指用机器语言编程的程序员（也包括汇编语言程序设计者和汇编程序设计者）所看到的传统机器的属性，包括指令系统、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等，大多属于抽象的属性。2.计算机组成（ComputerOrganization）是计算机体系结构的逻辑实现，即指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了对许多程序员来说是透明的（即程序员是不知道的）硬件细节，它包括硬件部件的构造及如何连接这些组件组成一个计算机系统。注:在计算机中,

客观存在的事物或属性从某个角度看不到,就叫”透明”。1.1.3计算机体系结构与计算机组成1.2图灵机

1.2.1图灵机简介英国数学家A.M.Turring于1936年从计算一个数的一般过程着手对计算的本质进行研究，提出了一种理想的计算机的数学模型，实现了对计算本质的真正认识。图灵机（TurringMachine，TM）并不是具体的机器，而是一个通用的计算机模型。目前已成为计算机科学中可计算理论和计算复杂性理论的基础。所谓计算就是计算者（人或机器）对一条两端可无限延长的磁带上的一串0和1进行操作，一步一步地改变磁带上的0或1，经过有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程。图灵机用形式化方法成功地表述了计算这一过程的本质。图灵的研究结果是：可计算性＝图灵可计算性。

1.2.2图灵机的基本模型

DATABD……q1参q2q3q4q5读写头有限状态控制器图1-3图灵机磁带一台标准的确定型单带图灵机由一条双向无限长的磁带（被分割分无穷个小方格）、一个有限状态控制器与一个读写磁头构成。图灵机一步一步地进行工作。工作情况取决于以下三点：1．机器的内部状态。2．读写磁头扫描在磁带哪个方格上。3．读写磁头扫描的方格上有什么信息。冯.诺依曼与ENAICJohnVonNeuman(1903—1957)

1944年参加“ENIAC”计算机研究工作。1953年3月，他领导的小组发表了全新的存储程序式通用电子计算机方案—电子离散变量自动计算机EDVAC。1946年与他人合作提出更完善的计算机设计报告，是以仙农提出的二进制，程序内存以及指令和数据统一存储为基础，奠定了现代计算机体系结构的根基。

1.3.2计算机的主要部件控制器输入设备存储器输出设备运算器计算步骤和原始数据计算结果图1.5存储器为中心的计算机结构框图传统计算机的五大部件:1.输入设备2.输出设备3.存储器4.运算器:又叫ALU5.控制器MM主存储器ALU算术逻辑部件CU控制单元CPUI/O设备主机图1-6现代计算机的组成框图现代计算机的三大部件:1.CPU(运算器+控制器)2.I/O设备3.主存储器MM1.3.3计算机的总线结构运算器控制器存储器输入设备输出设备外存储器地址总线控制总线数据总线图1-7单总线结构的计算机原理图●数据总线：用于传输数据；●地址总线：用于传输内存存储单元的地址；●控制总线：用于传输控制信号。分时和共享是总线的两大基本特点。

注意:数据,地址和控制总线并不是三组总线,它们都是系统总线的一部分。1.3.4计算机的工作过程2.指令:程序是由指令组成的。指令是机器所能识别的一组编制成特定格式的代码串，它要求机器在一个规定的时间段(指令周期)内，完成一组特定的操作。指令的基本格式可归结为操作码OP和操作数地址AD两部分。⑴指出计算机应完成的一组操作内容，⑵两个操作数的地址和存放结果的地址及寻址方式。⑶为保证程序执行的连续性，在执行当前指令时，还需指出下一条指令的地址。1.3.4计算机的工作过程3.指令的执行指令规定的内容是通过控制器执行的。⑴控制器的功能①定序功能——保证按程序规定的顺序执行指令。②定时功能——控制器为各部件提供统一节拍，使各条指令及组成每条指令的基本操作（称为微操作）都严格地按规定的时间有条不紊地自动执行。③操作控制功能——控制器应能按照指令规定的内容，在相应的节拍向有关部件发出操作控制信号。

1.3.4计算机的工作过程⑵控制器的组成分别由指令部件、时序部件和操作控制部件来完成。操作控制器指令指针IP时序部件指令译码地址计算指令寄存器IR…操作控制信号……指令指令……数据数据……指令地址操作数地址+1地址单元nn+1mm+1······操作数送ALU图1-8控制器工作原理图指令⑶一条指令的执行过程①把指令指针IP中的指令地址送存储器，从该地址取出指令送指令寄存器IR；②地址计算部件，根据IR中的地址码形成操作数地址送存储器，从该地址取出数据，送到运算器中的寄存器；③将IR中的操作码OP送指令译码器进行译码；④在控制器发出的操作信号的控制下，各有关部件执行操作码OP规定的操作；⑤指令指针IP加1。1.4计算机的主要性能指标1．主频主频即时钟频率，是指计算机的CPU在单位时间内发出的脉冲数目。2．机器字长机器字长是指CPU一次能处理数据的位数。3．主存容量主存容量是指一个主存储器所能存储的全部信息量。4．运算速度运算速度是一项综合性指标，它与许多因素有关。5．兼容性兼容性（compatibility）是指一台设备、一个程序或一个适配器在功能上能容纳或替代以前版本或型号的能力。这个性能指标往往与系列机联系在一起的。

举例指令参数传送加减乘除逻辑其他使用频度(%)执行时间(ns)30200204001025002030020250上表是某计算机的使用统计表,按表计算该机的运算速度为:V=1/(0.3×200+0.2×400+0.1×2500+0.2×300+0.2×250)×10-9=1/(60+80+250+60+50)×10-9=2×106条/S=2MIPS5．兼容性系列机的软件兼容分为向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。向上（下）兼容是指按某档次机器编制的程序，不加修改地就能运行在比它更高（低）档的机器上，系列机内的软件兼容一般是可以做到向上兼容，但向下兼容则要看到什么样的程度，不是都能做到的；向前（后）兼容是按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行在它之前（后）投放市场的机器上。对系列机的软件向下和向前兼容可不作要求，但必须保证向后兼容。向后兼容是软件兼容的根本保证，也是系列机的根本特征。系列机：指同一厂家生产的具有相同系统结构，但具有不同组成和实现的一系列内不同型号的计算机。

兼容机：指不同厂家生产的具有相同系统结构，与系列机的思想是一致的。图1-10兼容性示意图机器档次当前机器高向上兼容向下兼容低向前兼容向后兼容时间习题1一.选择题1．在下列四句话中，最能准确反映计算机主要功能的是

。A．计算机可以存储大量信息B．计算机能代替人的脑力劳动C．计算机是一种信息处理机D．计算机可实现高速运算2．1946年2月，在美国诞生了世界上第一台电子数字计算机，它的名字叫（1），1949年研制成功的世界上第一台存储程序式的计算机称为（2）。（1）A．EDVACB．EDSACC．ENIACD．UNIVAC-Ⅰ（2）A．EDVACB．EDSACC．ENIACD．UNIVAC-Ⅰ3．计算机硬件能直接执行的只能是

。A．符号语言B．机器语言C．汇编语言D．机器语言和汇编语言4．运算器的核心部件是

。A.数据总线B．数据选择器C.累加寄存器D.算术逻辑运算部件习题15．存储器主要用来

。A．存放程序B．存放数据C．存放微程序D．存放程序和数据6．目前我们所说的个人台式商用机属于

。A．巨型机B．中型机C．小型机D．微型机7．至今为止，计算机中所含所有信息仍以二进制方式表示，其原因是

。A．节约元件B．运算速度快C．物理器件性能决定D．信息处理方便8．对计算机软、硬件资源进行管理，是

的功能。A．操作系统B．数据库管理系统C．语言处理程序D．用户程序9．企事业单位用计算机计算、管理职工工资，这属于计算机的

应用领域。A．科学计算B．数据处理C．过程控制D．辅助设计习题110．微型计算机的发展以

技术为标志。A．操作系统B．微处理器C．硬盘D．软件二、填空题1．操作系统是一种（1），用于（2），是（3）的接口。（1）A．系统程序B．应用程序C．用户程序