roO第3章 计算机组成与工作原理

21世纪高等学校计算机规划教材

2lstCentunUniversil、PlannedTextbookofComputerScience

计算机科学概论

第3章计算机组成与工作原理

精品系列

,这次课的主要内容

•计算机组成结构

•计算机的工作过程

•计算机系统的组成

计算机硬件系统

计算机软件系统

7/11/200910:11AM第0章绪论

2够

精品系列

21世纪高等学校计算机规划教材

2lstCentunI!mversil>PlannedTextbookofComputerScience

第一节计算机组成结构

精品系列

,人民邮电出版社

POSTS&TELECOMPRESS

[3.1.1冯.诺依曼结构

J曹舞流动露鼠匿郭慧需

令。

运算器：负责各种算术运算

和逻辑运算。

存储器：计算机中的记忆部

件。

内存储器：存储现场待操作

的信息与中间结果，包括机

器指令和数据。

外存储器：存储需要长期保

存的各种信息。

输入设备：接收外界向计算

机输送的信息。

7/11/200910:11AM第0章绪论输出设备：将计算机中的儡丝

息向外界输送。精品系列

中33.2计算机系统的硬件组成

现代计算机均遵照冯•诺依曼体系结构，计算机硬件系

统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备以及将

它们连结为有机整体的总线构成。

•中央处理器(CenterProcessingUnit,CPU)

——运算器和控制器的统称

•主机(MainFrame)

——CPU和内存储器的统称

•外部设备(Input/OutputDevice)

——外存储器、输入设备和输出设备的统称

第0章绪论

7/11/200910:11AM5

中3.1.2计算机系统的硬件组成

1.中央处理器(CenterProcessingUnit,CPU)

现在的控制器和运算器是被制造在同一块超大规模集成电路

中的，称为中央处理器,即CPU(CentralProcessingUnit)。

◎CPU是一种超大规模集成电路器件，可以集成几百万个甚

至更多个晶体管。常称之为微处理器(Microprocessor)。

CPU负责从内存中通过地址(Address)找到数据和指令，

解释并执行(execute)这些指令，再将处理的结果存回内存,

或者存入外存，或者送入输出设备加以输出。

•微处理器的主要生产厂商之一是Intel公司，先后推出4004、

8086、80286、80386、80486、Pentium等系列产品。

第0章绪论

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中3.1.2计算机系统的硬件组成

中央处理器(CenterProcessingUnit,CPU)

由算术逻辑单元(ArithmeticLogicalUnit,ALU)>控

制单元(ControlUnit,CU)和寄存器组(RegisterFile)构成。

算术逻辑单元(ALU)：进行算术运算和

逻辑运算的部件。

控制单元(CU)：计算机的指挥中心，

协调各部件自动地工作。

数据寄存器：存放参与运算的操作数和运

算的结果。

程序计数器PC：给出程序中下一条指令在

存储器中的单元地址。

指令寄存器旧：保存当前正在执行的指令。

第0章绪论

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3.1.2计算机系统的硬件组成

(1)运算器

运算器是机器的加工处理部件，是中央处理机的重要组成

部分。运算器与其它部件有着紧密的联系。这种联系影响信

息的传送和加工的速度。

运算器与计算机其他部件的关系：

•与控制器的关系

运算器接收到控制器发来的各种运算控制命令，进行运算,

运算过程中产生的各种信息，包括运算结果特征标志和状态

信息，再反馈给控制器。

­与存储器的关系

存储器可以把参加运算的数据传送给运算器；运算器也可

把运算结果传送给存储器，同时运算器提供存储器的地址。

7/11/200910:11AM第0章绪论

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3.1.2计算机系统的硬件组成

■运算器的功能

运算器的主要功能是实现对数据的算术和逻辑运算。主

要包括对数值数据的算术运算，如执行加、减、乘、除运算,

变更数据的符号等。也包括对各种数据的逻辑运算，例如进

行与、或、求反等运算。

•运算器的组成

运算器的基本结构应包括以下几个部分：

（1）能实现算术和逻辑运算功能的部件ALU；

（2）存放待加工的信息或加工后的结果的通用寄存器组；

（3）按操作要求控制数据输入部件：多路开关或数据锁存器

（4）按操作要求控制数据输出部件：输出移位和多路开关；

（5）计算器与其它部件进行信息传送的总线以及总线接收

器与发送器；总线接收器与发送器通常是由三态门构成的。

7/11/200910:11AM第0章绪论Q«

3.1.2计算机系统的硬件组成

总线

运算器的基本逻辑图

第0章绪论

7/11/200910:11AM10

3.1.2计算机系统的硬件组成

■运算器的工作原理

运算方法的基本思想是：各种复杂的运算处理最终可分解

为四则运算与基本的逻辑运算。四则运算的核心是加法运算，

可通过补码运算化减为加，加减运算与移位的有机配合实现乘

除运算，阶码与尾数的运算组合可以实现浮点运算。

•运算器工作步骤

（1）首先需要明确参加运算的数据来源，运算结果的去向。运

算器能直接运算的数据，通常来自于运算器本身的寄存器；

（2）其次需要明确将要执行的运算功能，是对数值数据的算术

运算功能，还是对逻辑数据的逻辑运算功能。另外一个问题是，

运算器完成一次数据运算过程由多个时间段组成，其时序关系

示意表示在下图；

（3）最后，运算器部件只有和计算机的其他部件连接起来才能

协同完成指令的执行过程，就是说，运算器需要有办法接收其

他部件（例如内存储器或者计算机的输入设备）送来的数据，

才能源源不断地得到参加运算的数据来源；运算器还需要有办

法送出它的运算结果到其他部件（例如内存储器或者计算机的

小/2。翻俄核备），才能体现垠高圜运算处理效能和使用价值「制俗

精品系列

■I3.1.2计算机系统的硬件组成

送出结果运算周期

4■

寄

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运

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输入数据