计算机系统概述

微机原理

（计算机原理）

第2讲计算机系统概述

1

第2讲计算机系统概述

e计算机的类型

C计算机的组成

C计算机系统

C计算机内信息的表示

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋2

计算机的类型

©按应用领域划分

桌面计算机

©企业级计算机

C嵌入式计算机

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋3

桌面计算机

生'台式机

自笔记本

…工作站——具有较强图形、图像与视频处理能

力的高性能专用计算机

I8设计者考虑的因素：性能价格比

8性能——良好的交互性能（例如图形用户界面）、

—支持大量的外部设备

Q价格——500$-10000$

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋4

企业级计算机

1■服务器——例如局域网服务器和Internet服务

器。有一个或多个CPU、GB级的内存、几百

GB级的磁盘以及高速网络处理能力。能够同

时处理几十或上百个外部请求

2.机群系统——由PC机或工作站通过Gbps级的

网络连接而成，运行专门的操作系统使所有

机器协同完成计算任务。机群系统具有良好

的可扩展性，可以很容易扩展机器数量

e机群系统与网络系统的区别：在用户看来机群系

统就像一个普通的单机系统

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋5

企业级计算机

3.大型机(mainframe)

§大都是旧M360的后代，仍然在

一些大型机构的数据中心运行着,

有些大型主机的持续运行时间已

经超过了20年

Q大型主机所具有的良好的稳定性

和巨大的I/O处理能力是PC机望

尘莫及的一对于企业级的应用

而言，这些特性的重要性远远高

于花里胡哨的GUI

IBM390

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋6

企业级计算机

设计者考虑的因素

1.可用性——系统提供有效服务的能力

©可用性不同于可靠性，可靠性指系统不出现故

障的能力。任何系统都可能出故障，但是企业

级计算机系统要确保在部件出现故障的情况下

保证系统提供有效服务，通常通过冗余来实现

2.可扩展性为满足服务需求的增长，企业

级计算机必须具有升级计算能力、内存和磁

盘容量以及I/O带宽的能力

3.吞吐量——单位时间内处理的事务数量

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋7

嵌入式计算机

e嵌入在其他设备中，不以计算机的形态出现的计算机

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋8

嵌入式计算机

©嵌入式计算机的应用领域

ARM微处理器市场细分

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋9

嵌入式计算机

©设计者考虑的主要因素

1.成本一嵌入式计算机的价格范围非常广泛，从低于

1美元的8位微处理器到几百美元的64位高性能微处理

器。低端产品对于价格尤为敏感

Q最小存储器需求：存储器是系统成本的一部分，通常

通过优化缩短代码长度实现

2,功耗——对于电池供电的系统尤为重要

3.实时性能——指计算机在确定的时间间隔内对外部事

_件做出恰当反应的能力。许多嵌入式计算机应用于过

程控制、事务处理等有实时要求的领域

Q硬实时：必须满足最终时限

9软实时：允许偶尔违反最终时限

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋10

第2讲计算机系统概述

8计算机的类型

R计算机的组成

△计算机系统

C计算机内信息的表示

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋11

计算机的组成

8冯・诺伊曼计算机由存储器、运算器、控制器、

输入设备和输出设备五部分组成

清华大学电子工程系,12

存储器

8存储器是用来存放程序和数据的、具有记忆功

能的装置（此处的存储器特指主存储器，或内

存）

为了准确地对存储器进行读写，通常以字节/字

为单位将存储器划分为一个个存储单元，并依

次为每个存储单元赋予一个从0开始的序号，

该序号称为存储单元的地址，存储单元的地址

也用二进制数码表示

8每个存储单元的地址都是唯一的，每次读写存

储器时，必须给出存储单元的地址才能访问

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋13

存储器

§存储单元的地址和存储

单元存放的内容（指令或

数据）都是二进制数码，

但它们是完全不同的两

个概念

©地址总线宽度决定地址

的位数，地址的位数决

—I定处理器能够访问的存

储器的最大容量

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋14

存储器

8近年来，几乎所有的计算机都以字节(byte)为

存储单元的编址单位，一个字节由8个二进制

位组成

8字节可以组合成字(word),不同的计算机可能

具有不同的字长

©字长——处理器一次可以直接处理的二进制数

码的位数，它通常取决于处理器内部通用寄存

器的位数和数据总线的宽度。字长通常是字节

的倍数，如8位、16位、32位、64位

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋15

存储器

字节顺序

一由于现代计算机按字节编址，

所以存储多字节数据时必须指

定各个字节的存储顺序

自将最低位的字节存放到最低位

地址、最高位的字节存放到最

高位地址—小端格式(little

endian)

©将最高位的字节存放到最低位

地址、最低位的字节存放到最

高位地址—大端格式(big

endian)

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋16

存储器

字节顺序

△X86采用小端格式，SPARC采用大端格式,

ARM、MIPS支持两种格式

a计算机网络都采用大端字节顺序

△例：32位字1A2B3c4D(16)的存储格式

大端格式(bigendian)小端格式(littleendian)

字节地址0123字节地址0123

内容1A2B3C4D内容4D3C2B1A

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋17

存储器

存储器芯片

AROM——只读存储器，非易失性存储器。主

板上的BIOS即为ROM芯片

△RAM——随机访问存储器，为易失性存储器

©DRAM——容量大，速度慢，常规内存，典型

的访问时间40〜80ns

esRAM——容量小，速度快，Cache（高速缓

存），典型的访问时间v10ns

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋18

运算器

运算器是进行算术运算和逻辑运算的装置，通

常称为ALU------ArithmeticLogicUnit（算术

逻辑单元）

ALU的输入输出接

口：A、B为ALU

的两个输入操作数,

Y为输出结果

Y

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋19

运算器

数据通路(datapath)

eCPU内部通常有一定数

量的高速存储器——寄

存器屋用工保存中间结

果和控制信息

e我小1——通用寄存器

cA、B——ALU输入寄存

器

§Y——ALU输出寄存器

eALU、寄存器以及连接

它们的内部总线，组成

CPU的数据通路

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋20

控制器

控制器是指挥和控制计算机所有部件协调工

作的装置，是整个计算机的控制中枢

控制器的基本组成

0C—OperationController（操作控制器）

ID—InstructionDecoder（指令译码器）

IR—InstructionRegister（指令寄存器）

PC—ProgramCounter（程序计数器）

MAR—MemoryAddressRegister（内存

地址寄存器）

MDR—MemoryDataRegister（内存数

据寄存器）

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋21

控制器

©控制器的功能就是执行指令,

一般而言，控制器执行一条

指令的过程大致分为以下几

个步骤：

1.从存储器取一条指令到

指令寄存器中

2.修改程序计数器，使其

指向后面一条指令

3.对取得的指令进行译码

4.执行指令——由操作控

制器发出控制信号

5.返回第1步

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋22

控制器

取指一译码一执行循环，是计算机操作的核心

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋23

输入设备和输出设备

©输入设备是用来输入程序和原始数据的装置，

其功能是将外界信息转换成机内的表示形式并

传送到计算机内部

Q输出设备用来输出计算机处理结果的装置，其

功能是将处理结果从计算机内部的表示形式转

换成人们所需要的形式并传送到计算机外部

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋24

鼠标一一典型的输入设备

早期机电式鼠标——由滚球、根柱和光栅信号

传感器组成。拖动鼠

标时，带动滚球转动,

滚球又带动辐柱转动,

光栅信号传感器产生

的光电脉冲信号反映

出鼠标器在垂直和水

平方向的位移变化

目前，机电式鼠标已

经被全光学鼠标取代

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋25

显示器典型的输出设备

口早期的显示器采用CRT技术，目前LCD成为主流

e显示屏幕由像素矩阵组成，典型的分辨率为1024x768、

1280x800等

e屏幕上显示的图形存放在帧缓冲区中

Framebuffer

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋26

磁盘一一典型的输入输出设备

8非易失性存储器，可用的存储容量非常大，每

位的价格非常低

8典型的访问时间：5〜15ms

Read/writehead(1persurface)

Surface7

Surface6

Surface5

Surface4

Surface3

Surface2

Surface1

Surface0

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋27

总线技术

地址总线AB

输

H输

存H

出

入

I/接O

储

I/接O

设

设

口

口

器

备

备

总线一一连接多个功能部件的一组公共信号线

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋28

总线技术

S地址总线(AB)：用来传送CPU输出的地址信号,

确定被访问的存储单元、I/O端口

©地址总线的条数决定微处理器的寻址能力

△数据总线(DB)：用来在CPU与存储器、I/O接

口之间进行数据传送

q数据总线的条数决定微处理器一次最多可以传

送的数据宽度

R控制总线(CB)：用来传送各种控制信号

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋29

第2讲计算机系统概述

8计算机的类型

c计算机的组成

e计算机系统

C计算机内信息的表示

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋30

计算机系统

硬件与软件

C任何完整的计算机系统都是由硬件和软件两

部分组成

©计算机组成讨论的是组成计算机系统所需要

的物理部件与设备，即计算机硬件

C软件是指控制计算机工作所需的各种程序和

数据

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋31

计算机系统

ISA—指令集体系结构

…ISA(lnstructionSetArchitecture)是计算机

硬件与底层软件之间的接口，它是程序员为

使一个二进制机器语言程序正确运行所需要

了解的属性

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋32

计算机系统

机器语言

A计算机硬件的基本功能就是执行指令，指令

在冯・诺伊曼计算机中由二进制数字进行编码

描述完成一个确定任务的指令序列称为程序

A计算机的全部二进制机器指令组成了一种可

供人与计算机进行交流的语言，称为机器语

-、一,

00100000000010000000000000000001

00100001000010000000000000000010机器语言程序

10101100000010000001111101000000

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋33

计算机系统

汇编语言

©使用机器语言编写程序十分困难，于是人们

发明了用助记符表示指令的方法。助记符形

式的指令的集合组成了汇编语言

©汇编语言的助记符形式的指令必须翻译成机

器语言二进制指令才能在计算机上执行，实

现这种翻译的程序称为汇编器(assembler)

addi$s1,$sO,1

addi$s1,$s1,2汇编语言源程序

sw$s1,8000($s0)

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋34

计算机系统

汇编语言____________

addi$s1,$sO,1

addi$s1,$s1,2汇编语言源程序

sw$s1,8000($s0)

Uj匚编器二）

00100000000010000000000000000001

00100001000010000000000000000010_

10101100000010000001111101000000机器语言程序

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋35

计算机系统

高级语言

C汇编语言与机器语言是一一对应的，所以开发

效率仍然十分低下，于是人们发明了高级程序

设计语言，如FORTRAN、C等等

©使高级语言程序在只能运行二进制机器指令的

计算机上运行，有两种途径:

C编译

子解释

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋36

计算机系统

编译

©将高级语言编写的程序翻译成等价的二进制

指令序列来代替，计算机执行等价的机器语

言程序

©实现这种翻译的程序称为编译器(compiler)

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋37

计算机系统

编译

C语言源程序

10111000000000000001000010111011

00000000001000001000011111000011

10100011000000000001000010001001机器语言程序

00011110000000000010000000000001

00001000000100001000010000111000

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋38

计算机系统

。某程序以高级语言程序作为输入数据，顺序

地检查它的每一条语句，并直接执行等价的

I机器语言指令序列，这种方法称为解释

用来解释高级语言语句的程序称为解释器

(interpreter)

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋39

第2讲计算机系统概述

8计算机的类型

c计算机的组成

△计算机系统

e计算机内信息的表示

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋40

计算机内信息的表示

整数的表示一符号数的表示

C把二进制数的最高一位定义为符号位，符号位

为。表示正数，符号位为1表示负数

8在计算机中使用的、连同符号位一起数值化了

的数，称为机器数。机器数所表示的真实的数

值，称为真值

76543210

假设机器字长为8位

符号位数值位

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋41

计算机内信息的表示

符号数的表示

8对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、

反码和补码三种。数X的原码记作［X］原，反码

记作［X］反，补码记作［X］补八

8原码：最高位表示符号，数值位用二进制绝对

值表示

分反码：正数的反码与原码相同。将负数的原码

符号位保持不变，其余位取反则得到机器数的

皮码表示

A补码：正数的补码与原码相同。将负数的反码

加1,则得到机器数的补码表示

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋42

计算机内信息的表示

符号数的原码表示

符号符号位

J

真值x=+18=+0010010原码[X]原=00010010

X=-18=-0010010[X]原=10010010

x=+0=+0000000[X]原=00000000

X=-0=-0000000[X]原=10000000

n位原码表示数值的范围是_(2"T-1-1-1),对应的原

码是111…1~011…1

0的原码有两种形式

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋43

计算机内信息的表示

符号数的反码表示

符号符号位

JJ

真值X=+18=+OO1OO1O反码[X]反=00010010

X=-18=-0010010[X]反=11101101

X=+0=+0000000[X]反=00000000

X=-0=-0000000[X]反=11111111

cn位反码表示数值的范围是-（2〃T-1）〜+（2"T-1）,对应的反

码是111…1~011…1

0的反码有两种形式

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋44

计算机内信息的表示

符号数的补码表示

符号符号位

I

真值x=+18=+0010010补码[X]#=00010010

X=-18=-0010010[X]补=11101110

X=+0=4-0000000[X]补=00000000

X=-0=-0000000[X]补=00000000

en位补码表示数值的范围是-2，1〜+（2，1-1）,对应的

补码是100・・・0~011・・.1

-0的补码只有一种形式

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋45

计算机内信息的表示

补码的表数范围

十进制二进制十六进制十进制十六进制

（字长=8）（字长二16）

+127011111117F+327677FFF

+126011111107E+327667FFE

•••••••••••••••

+20000001002+20002

+10000000101+10001

0000000000000000

-111111111FF-1FFFF

-211111110FE-2FFFE

•••••••••・•••••

-1261000001082-327668002

-1271000000181-327678001

-1281000000080-327688000

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋46

计算机内信息的表示

补码加减法的运算规则

[X土Y]补=[X]补+[±Y]补

其中X,Y为正负数均可，符号位参与运算

模(module)就是一个计数系统的最大容量，其大小等于以

进位计数制基数为底，以位数为指数的幕。凡是用器件进行

的运算都是有模运算，运算结果超过模的部分被运算器自动

丢弃。因此，当器件为n位时，X=2n+X(mod2n)

nn

不难验证，[X]#=2+X(mod2)

因此，

[X土Y]补=2n+(X±Y)(mod2n)

=(2n+X)+(2n±Y)

=[X]补+[±Y]补

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋47

计算机内信息的表示

补码加减法的运算规则

8设计算机字长为8位,X=42,Y=-91,以28

为模，用补码运算求X+Y和X・Y

【解】

[X]补=00101010,[Y]补=10100101,[・Y]补=01011011

[X+Y]补=[X]补+[Y]补

=00101010+10100101=11001111(-49)结果正确

[X-Y]补=[X]补+[-Y]补

=00101010+01011011=10000101(-123)结果错误

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋48

计算机内信息的表示

采用补码，可以将减法用加法实现，省去减法器，简

化硬件

一先对减数进行求补运算（求反加1,也是加法）

自再将求补后的数与被减数相加

C相加的结果即为用补码表示的两数相减结果

计算机中的实现过程

01000100B

-10100101B>01011010

+1

01011011

+01000100

10011111

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋49

计算机内信息的表示

无符号数的表示

C无符号数的最高位不是符号位而是数值的一部

分

机器运算表示符号数表示无符号数

10111001[-71]补185

4)00101011+)[43]补+)43

11100100[-28]补228

无符号数和有符号数的加减运算可以用同一电路完成

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋50

计算机内信息的表示

进位和溢出

C进位：

。在加法过程中,符号位向更高位产生进位

8在减法过程中,符号位向更高位产生借位

10110101

+10001111

进位1111111

01000100

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋51

计算机内信息的表示

进位和溢出

R溢出—运算结果超出范围

©如果

❷符号位相同的两数相加，所得结果的符号位与之相反，

结果溢出

§符号位相异的两数相减，所得结果的符号位与减数相同,

结果溢出

e其他情况，不会产生溢出

10110101

+10001111

01000100

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋52

计算机内信息的表示

进位和溢出

e有符号数运算，出现溢出表示结果为错误的

e无符号数运算，出现进位表示结果为错误的

10110101(181/-75)01000010(66/66)

+10001111(143/413)+01100011(99/99)

101000100(68/68)10100101(165/-91)

溢出且进位，有符号数、无符溢出无进位，有符号数运算结果

号数运算结果均错误错误，无符号数运算结果正确

01000010(66/66)

+11001101(205/・51)

100001111(15/15)

进位无溢出，无符号数运算结果

错误，有符号数运算结果正确

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋53

计算机内信息的表示

浮点数的表示

©任意一个二进制实数X都可以表示成如下一般

格式：

X=±Sx2土J

尾尾阶阶

符数符码

10.01011101x2+5的阶码为+5,表示把尾数的小数

点向右移动5位就是小数点的实际位置

规格化处理：整数部分必须是1

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋54

计算机内信息的表示

eIEEE754标准——二进制浮点运算标准(A

StandardforBinaryFloatingPointArithmetic)

§将阶码以一种偏置形式存放，即将真阶码加上一个常数

偏置值才是格式阶码，以保证偏置后的格式阶码恒为正

s单精度的阶码偏置值为+127,双精度的阶码偏置值为

+1023,扩展精度的阶码偏置值为+16383

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋55

计算机内信息的表示

符号偏置阶码有效数字

4-oo011...111A00...00

011...101A11...11

正数

000...011A00...00

+0000...000A00...00

-0100...000A00...00

100...011A00...00

负数

111...101A11...11

-00111...111A00...00

单精度数的范围：±3.40xl038精度：1.18x10-38

双精度数的范围：±1.80x1()308精度：2.23x10-308

扩展精度数的范围：±1.19x1()4932精度：3.36x10-4932

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋56

计算机内信息的表示

例.写出178.125以单精度浮点数形式存放的机器数

解：178.125(D)=10110010.001(B)

表示成规格化的浮点数为1.0110010001x27

・•・23位有效数字字段为01100100010000000000000

真阶码为111

偏置阶码为1111111+111=10000110

符号位为0

・•.178.125的单精度浮点机器数为

01000011001100100010000000000000

表示成十六进制为43322000(H)

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋57

计算机内信息的表示

十进制数的表示——8421BCD码

8压缩BCD码：每一位用4位二进制表示，

0000〜1001表示。〜9,一个字节表示两位十进

制数

Q非压缩BCD码：用一个字节表示一位十进制数,

高4位总是0000,低4位的0000〜1001表示0〜9

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋58

计算机内信息的表示

非数值数据的表示

A计算机中除了能够处理数值数据以外，还可以

处理文字、语音、图像等各种信息，这些信息

统称为非数值数据

非数值数据在计算机中也必须以二进制形式表

示，非数值数据的表示本质上是编码的过程

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋59

计算机内信息的表示

❸ASCH码一美国标准信息交换代码

ASCII字符表

000001010Oil100101110111

X、

0000NULDLESP0@Pp

0001SOHDC1!1AQaq

0010STXDC2ft2BRbr

0011ETXDC3#3CScs

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注：H表示高3位，L表示低4位。

清华大学电子工程系，马洪兵，2011年秋