计算机组成原理第一章系统概述

计算机组成原理第一章系统概述1第1页，共42页，2023年，2月20日，星期二

二、复习要点了解计算机发展历程了解计算机系统的层次结构及其相关的硬件基本组成、软件分类和工作过程。了解计算机性能指标及有关的计算和术语解释

软件、系统软件、应用软件。高级语言、汇编语言、机器语言。存储单元、存储元件、存储基元、存储字、存储字长、存储容量。机器字长、指令字长、存储字长。英文缩写：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MAR、MDR、I／O、MIPS、CPI、MIPS、MIPS。2第2页，共42页，2023年，2月20日，星期二一、硬件的发展第一代电子管时代(1946-1957)

耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言第二代晶体管时代(1958-1964)

变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言第三代中小规模集成电路时代(1965-1971)

存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒第四代大规模集成电路时代(1971至今)

向大型机和微型机两个方向发展现代计算机发展方向巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化，多核。1.1计算机的发展历程3第3页，共42页，2023年，2月20日，星期二二、计算机的分类信号类型分类：模拟计算机和数字计算机。规模分类：嵌入式、单片机、微型机、小型机、中型机、大型机和巨型机。发展历程分：电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路计算机。指令流和数据流：1）单指令流和单数据流SISD（冯·诺依曼体系结构）；2）单指令流和多数据流SIMD（向量处理机）；3）多指令流和单数据流MISD（实际不存在）；4）多指令流和多数据流MIMD（多处理机和多计算机系统）。1.1计算机的发展历程4第4页，共42页，2023年，2月20日，星期二1.2计算机系统层次结构一、

计算机硬件的基本组成

1、冯·诺依曼计算机

1945年，冯·诺依曼提出了存储程序的概念，即将程序和数据一起存放在存储器中，称为冯.诺依曼机。其特点为：

(1)计算机硬件由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成。

(2)指令和数据以同等地位存于存储器内．并可按地址寻访。5第5页，共42页，2023年，2月20日，星期二(3)指令和数据均用二进制代码表示。

(4)指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。

(5)指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。

(6)早期的冯.诺依曼机以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据。1.2计算机系统层次结构6第6页，共42页，2023年，2月20日，星期二2、计算机硬件的组成CPU（包括运算器和控制器）存储器ROMRAM输入/输出设备(I/O设备)总线D—BUSA—BUSC—BUS运算器和控制器

CPU存储器输入输出设备地址总线数据总线控制总线1.2计算机系统层次结构7第7页，共42页，2023年，2月20日，星期二冯·诺依曼计算机硬件框图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存储器输入设备运算器控制器输出设备1.2计算机系统层次结构8第8页，共42页，2023年，2月20日，星期二二、

计算机软件的组成软件组成系统软件应用软件操作系统或管理软件汇编程序高级语言的编译或解释程序故障诊断或检验程序系统调试程序数据库管理程序使用者根据需要采用各类语言编写的各种应用程序，包括各类应用软件包

没有配备任何软件的“裸机”无法投入使用，没有配备足够的软件，其功能就不能很好的发挥。计算机软件的分类如下：

1.2计算机系统层次结构9第9页，共42页，2023年，2月20日，星期二

计算机的语言简介自然语言：人类相互交流信息所用的语言

高级语言：由于当前的计算机还不具备理解自然语言的能力，于是人们希望找到一种和自然语言接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为计算机的高级语言。

汇编语言：用助记符和符号地址表示的语言，属于低级语言。机器语言：然而目前的通用计算机不会直接执行用高级语言编写的程序，因而要先将其翻译成机器能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由二进制代码表示的指令组成）。1.2计算机系统层次结构10第10页，共42页，2023年，2月20日，星期二

三、计算机系统层次结构

计算机系统是一个非常复杂的系统．它由硬件和软件两大部分组成。读者必颁清楚地认识到硬件和软件各自在计算机系统中的地位和作用以及它们相互之间的依存关系。硬件是指计算机的实体部分。它由看得见摸得着的各种电子元器件及各类光、电、机设备的实物组成，包括主机、外设等。软件是看不见摸不着的，由人们事先编制成的具有各类特殊功能的信息组成。通常把这些信息，诸如各类程序存储于各类媒体中，如RAM、ROM、磁盘、光盘、磁带甚至纸带等。

1.2计算机系统层次结构11第11页，共42页，2023年，2月20日，星期二

硬件必须依靠软件来发挥其自身的各种功能及提高自身的工作效率。软件甚至还能使硬件发挥类似人脑思维的功能。计算机系统倘若失去了软件，其硬件将一筹莫展，犹如人类失去了大脑。而软件必须依托硬件的支撑才能真正施展其才华，一旦失去了硬件，犹如人类失去了躯体，软件也毫无意义。因此，计算机系统的软、硬件互依互存，互相发展，缺一不可。1.2计算机系统层次结构12第12页，共42页，2023年，2月20日，星期二高级语言虚拟机器M3汇编语言虚拟机器M2机器语言实际机器M1微指令系统微程序机器M01.2计算机系统层次结构13第13页，共42页，2023年，2月20日，星期二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M01.2计算机系统层次结构14第14页，共42页，2023年，2月20日，星期二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）计算机体系结构和计算机组成1.2计算机系统层次结构15第15页，共42页，2023年，2月20日，星期二四、计算机的工作过程本节要求读者掌握一个较细化的计算机组成框图，如下图所示。而且要求根据此图描述计算机内部的控制流和数据流的变化，从而初步认识计算机内部的工作过程。图中主存储器由存储体M、MAR和MDR组成。存储体由很多存储单元组成，用来存放指令或数据，MAR存放欲访问的存储单元的地址，MDR存放从存储单元读出的信息或即将存入某存储单元的信息。运算器由累加器Acc、操作数寄存器x和算术逻辑部件ALU组成，用来完成算术运算和逻辑运算。控制器由PC、IR、CU组成，PC存放欲执行指令的地址，IR存放欲执行的指令，CU用来发出各种操作命令。1.2计算机系统层次结构16第16页，共42页，2023年，2月20日，星期二1.2计算机系统层次结构17第17页，共42页，2023年，2月20日，星期二1.上机前的准备建立数学模型-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…编制解题程序确定计算方法程序—运算的全部步骤0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令—每一个步骤（一）、计算机的工作步骤1.2计算机系统层次结构第18页，共42页，2023年，2月20日，星期二取x

至运算器中乘以x

在运算器中乘以a在运算器中存ax2在存储器中取b至运算器中乘以x

在运算器中加ax2

在运算器中加c在运算器中=(ax+b)x+c取x

至运算器中乘以a在运算器中加b在运算器中乘以x

在运算器中加c在运算器中计算ax2+bx+c编程举例1.2计算机系统层次结构第19页，共42页，2023年，2月20日，星期二0000010000001000打印

停机取数α[α]ACC存数β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]

ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式举例操作码地址码

[

]打印机1.2计算机系统层次结构第20页，共42页，2023年，2月20日，星期二指令和数据存于主存单元的地址指令注释操作码地址码00000010000001000取数x至ACC10001000000001001乘a得ax存于ACC中20000110000001010加b得ax+b,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c,存于ACC50000100000001100将ax2+bx+c存于主存单元60001010000001100打印7000110停机8

x原始数据x9

a原始数据a10

b原始数据b11

c原始数据c12存放结果计算ax2+bx+c程序清单1.2计算机系统层次结构第21页，共42页，2023年，2月20日，星期二ACCMQX2.计算机的解题过程(1)运算器的基本组成及操作过程被加数被减数被除数乘数商加数减数被乘数除数加法减法乘法除法和差余数乘积高位乘积低位运算器MQACCALUX1.2计算机系统层次结构第22页，共42页，2023年，2月20日，星期二运算器MQACCALUXACC被加数ACC初态①加法操作过程[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M1.2计算机系统层次结构第23页，共42页，2023年，2月20日，星期二②减法操作过程运算器MQACCALUX指令减MACC被减数ACC初态[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC1.2计算机系统层次结构第24页，共42页，2023年，2月20日，星期二运算器MQACCALUXACCACC被乘数初态ACCMQ[M]MQ指令乘M③乘法操作过程X[ACC]X00ACCALU[X]×[MQ]ACC∥MQACCMQ1.2计算机系统层次结构第25页，共42页，2023年，2月20日，星期二运算器MQACCALUXACC被除数ACC初态[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余数在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作过程1.2计算机系统层次结构第26页，共42页，2023年，2月20日，星期二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）(2)存储器的基本组成主存储器存储体MARMDR1.2计算机系统层次结构第27页，共42页，2023年，2月20日，星期二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(2)存储器的基本组成主存储器存储体MARMDR1.2计算机系统层次结构第28页，共42页，2023年，2月20日，星期二取指令分析指令执行指令PCIRCU取指执行PC存放当前欲执行指令的地址具有计数功能（PC）+

1PCIR存放当前欲执行的指令访存访存完成一条指令(3)控制器的基本组成PCIRCU1.2计算机系统层次结构第29页，共42页，2023年，2月20日，星期二12356789以取数指令为例4(4)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/O1.2计算机系统层次结构第30页，共42页，2023年，2月20日，星期二12356798以存数指令为例4CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O(4)主机完成一条指令的过程1.2计算机系统层次结构第31页，共42页，2023年，2月20日，星期二(5)ax2+bx+c程序的运行过程将程序通过输入设备送至计算机程序首地址打印结果分析指令取指令…停机启动程序运行,(PC

)+

1PC执行指令

MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC1.2计算机系统层次结构第32页，共42页，2023年，2月20日，星期二

计算机的工作过程是本章的重点。人们需将事先编好的程序(指令序列)送至计算机的存储器内，然后计算机按此指令序列逐条完成全部指令的功能，直至程序结束。因此，要了解计算机的工作过程，必须首先了解计算机完成一条指令的信息流程。

1）完成一条指令的信息流程以取数指令(即将指令地址码指示的存储单元中的操作数取出后送至运算器的ACC中)为例,其信息流程是：取指令PCMARMMDRIR

分析指令OP(IR)CU

执行指令Ad(IR)MARMMDRACC

此外，每完成一条指令，还必须为取下条指令作准备，形成下一条指令的地址，即(PC)+1PC。1.2计算机系统层次结构33第33页，共42页，2023年，2月20日，星期二

2）计算机的工作过程计算机的工作过程实质就是不断从存储器中逐条取出指令，送至控制器，经分析后由CU发出各种操作命令，指挥各部件完成各种操作，直至程序中全部指令执行结束。1.2计算机系统层次结构34第34页，共42页，2023年，2月20日，星期二1.3主要技术指标计算机的性能是由多项技术指标综合确定的。硬件的主要技术指标有：机器字长：CPU一次能处理数据的位数。通常与通用寄存器的位数有关。存储容量：包括主存容量和辅存容量。运算速度：与主频、执行什么样的操作、主存本身的速度等许多因数有关。现在普遍采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，并用MIPS作为计量单位，即每秒执行百万条指令。也有用CPI及执行一条指令所需的时钟周期（主频的倒数）数，或用FLOPS即每条浮点运算次数来衡量运算速度。吞吐量：计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出系统的信息的速率，它主要取决于主存的存取周期。35第35页，共42页，2023年，2月20日，星期二f=CPI×MIPS×1061.3主要技术指标36第36页，共42页，2023年，2月20日，星期二四、例题精选

（一）单项选择题完整的计算机系统应包括

。

A．运算器、存储器、控制器B．外部设备和主机

C．主机和实用程序D．配套的硬件设备和软件系统2.至今为止，计算机中的所有信息仍以二进制方式表示的理由是

。

A．节约元件B．运算速度快

C．物理器件的性能决定D．信息处理方便3.从器件角度看，计算机经历了四代变化。但从系统结构看，至今绝大多数计算机仍属于

型计算机。

A.并行B.冯.诺依曼C.智能D.实时处理

DCB37第37页，共42页，2023年，2月20日，星期二4.冯·诺依曼机工作的基本方式的特点是

。

A.多指令流单数据流B.按地址访问并顺序执行指令

C.堆栈操作D.存贮器按内容选择地址5.带有处理器的设备一般称为

设备。

A．智能化；B．交互式；

C．远程通信；D．过程控制。6.用于笔记本电脑的外存储器是

。

A．软磁盘B．硬磁盘

C．固态盘D．光盘7.冯.诺依