计算机组成原理-1 计算机系统概论

计算机组成原理

西安邮电学院计算机学院

董染dodoliang@

本课程的地位及与其他课程关系

教材及参考书

《计算机组成原理》（第三版）科学出版社

《计算机组成原理实验指导书》西安邮电学院

《计算机组成原理》蒋本珊清华大学出版社

《计算机组成原理》唐朔飞高等教育出版社

《计算机组成原理》王闵电子工业出版社

《计算机组成与结构》王爱英清华大学出版社

第一章计算机系统概论

1.1计算机的分类和应用

1.2计算机的硬件

1.3计算机的软件

1.4计算机系统的层次结构

1.1计算机的分类和应用

1.1.1计算机的分类

电子计算机从总体上来说分为两大类：

电子模拟计算机：电子模拟计算机的特点是

数值由连续量来表示，运算

过程也是连续的。

电子数字计算机：电子数字计算机的主要特

点是按位运算，并且不连续

地跳动计算。

电子数字计算机是以近似于人类的“思维过

程”来进行工作的，所以有人把它叫做电脑。它的

发明和发展是20世纪人类最伟大的科学技术成就

之一,也是现代科学技术发展水平的重要标志。

数字计算机又可分为专用计算机和通用计算

机。专用和通用是根据计算机的效率、速度、价

格、运行的经济性和适应性来划分的。专用机是

最有效、最经济和最快速的计算机,它是针对某一

任务设计的计算机，但是它的适应性很差。通用机

适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。

通用计算机又分巨型机、大型机、中型机、

小型机、微型机和单片机六类，见图所示。

假

体

积

功

能

据

效

令

指微型机\

格

彷

V大型机

高巨型机

1.1.2计算机的应用

计算机所以迅速发展,其生命力在于它的

广泛应用。计算机的应用范围几乎涉及人类社

会的所有领域。下面归纳成六个方面来叙述：

★科学计算：科学研究和工程技术计算领域,

是计算机应用最早的领域，也是应用得较广泛

的领域。

★自动控制和测量：自动控制是涉及面极广

的一门学科,应用于工业、农业、科学技术、

国防以至我们日常生活等。

★信息处理：计算机发展初期，仅仅用于数值计

算。后来应用范围逐渐发展到非数值计算领域，可

用来处理文字、表格、图象、声音等各类问题。

★教育和卫生：计算机被誉为“教育史上的第

四次革命”，较多的应用是CAI（计算机辅助教学）。

★家用电器：21世纪，国际互联网络和计算机控

制的设备将广泛应用于家庭。

★人工智能：人工智能，又称“智能模拟”，简单

地说，就是要使计算机能够模仿人的高级思维活动。

1.2计算机的硬件

1.2.1数字计算机的硬件组成

数字计算机主要组成部分：

1.运算器

2.控制器

3.存储器

4.适配器与输入输出设备

图1.2数字计算机

的主要组成结构<>存储器

系

跣

总

线

<>适能毒

1.运算器:

运算器能进行加、减、乘、除等算术运算，还可进

行逻辑运算。考虑到电子器件的特性，计算机中通常采

用二进制数。这是因为二进制数的运算规律非常简单，

在电子线路中比较容易实现，而且设备也最省,其示意

图L3运算器结构示意图

2.存储器:

存储器的功能:保存或“记忆”计算机的有关信息。

存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存

储单元的编号，称为地址。

存储单元：由多个存储位构成一个存储单元，通常由8

个存储位组成。

存储位：存储的是0或1表示的二进制代码，通常由一

个触发器构成。

存储容量：旬诸器所有存储单元的总数。通常用单位

“KB、MB”表示，如64KB,128KB。

内存储器简称内存，是具有一定存储容量的半导体存

储器。相对而言，计算机中配备的存储容量更大的磁

盘存储器、光盘存储器等称为外存储器。

3.控制器

控制器是计算机中发号施令的部件,它控

制计算机的各部件有条不紊地进行工作。具体

地讲,控制器的任务是从内存中取出操作指令

加以分析,然后执行某种操作：

(1)程序

对于比较复杂的算题，计算机在运算前必

须化成一步一步简单的加、减、乘、除等基本

操作来做。每一个基本操作就叫做一条指令，

而解算某一问题的一串指令序列，叫做该问题

的计算程序,简称为程序。

(2)指令的形式

每条指令应当明确告诉控制器，从存储器的

哪个单元取数，并进行何种操作。

指令的内容由两部分组成，即操作的性质和操

作的地址。前者称为操作码，后者称为地址码。

操作码地址码

操作码：指出指令所进行的操作,如加、减、乘、

除、取数、存数等等；

地址码：参加运算的数据应从存储器的哪个单元

取，运算的结果应存到哪个单元。

目1.5指令和数据在

存储器中用二进制市当存储存储器

2

指令操作码3

A

4

加法001

u

减法

0106

乘法0117

除法1008

取数1019

10

存数110

11

打印111

12

停机00013

・

(3)控制器的基本任务

计算机进行计算时，指令必须是按一定的

顺序一条接一条地进行。控制器的基本任务，

就是按照计算程序所排的指令序列，先从存储

器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操

作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性

质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从

存储器取出第二条指令，在执行这第二条指令。

依次类推，通常把取指令的一段时间叫做取指

周期，而把执行指令的一段时间叫做执行周期。

（4）指令流和数据流

由于计算机件使用。和1两个二进制数字，所以使

用“位”（bit）作为数字计算机的最小信息单位。CPU

向存储器送入或从存储器取出信息时，用B（字节）和

W（字）等较大的信息单位来工作。一个“字节”由8位

二进制信息组成，而一个“字”则至少由一个以上的

字节组成。通常把组成一个字的二进制位数叫做字长。

计算机字既可以代表指令，也可以代表数据。如

果某字代表要处理的数据则称为数据字；如果某字为

一条指令则称为指令字。

指令和数据统统放在内存中，从形式上看它们都

是二进制数码。一般来讲，在取指周期中从内存读出

的信息是指令流，它流向控制器；而执行周期中从内

存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。

4.适配器与输入输出设备

输入设备的作用是把人们所熟悉的某种信息形式

变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。

输出设备的作用是把计算机处理的结果变换为人或其

他机器所能接收和识别的信息形式。

计算机的输入/输出设备通常称为外围设备。由

于种类繁多且速度各异，因而它们不是直接地同高速

工作的主机相连接，而是通过适配器部件与主机相连

接。适配器的作用相当与一个转换器，它可以保证外

围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息。

计算机系统中还必须有总线。系统总线是多个系

统部件之间进行数据传送的公共通路。借助系统总线,

计算机在各系统部件之间实现传送地址、数据和控制

信息的操作。

1.2.2计算机系统结构的过去和未来

自1946年在美国宾夕法尼亚大学制成的世界上第一

台电子数字计算机以来，计算机的发展大致经历了五代

的变化：

(1)1946年开始的第一代电子管计算机：

计算机运算速度一般为每秒几千次至几万次，体积

庞大，成本很高，可靠性较低，在此期间，形成了计算

机的基本体系，确定了程序设计的基本方法，数据处理

机开始得到应用。

(2)1958年开始的第二代晶体管计算机：

运算速度提高到几万次至几十万次，可靠性提高，

体积缩小，成本降低，工业控制机开始得到应用。

(3)1965年开始第三代中小规模集成电路计算机:

可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步

下降，运算速度提高到几十万次至几百万次。在此期间,

形成机种多样化，生产系列化，使用系统化，小型计算

机开始出现。

(4)1971年开始的第四代大规模集成电路计算机：

可靠性更进一步提高，体积更进一步缩小，成本更进

一步降低，速度提高到每秒几百万次至几千万次。有几片

大规模集成电路组成的微型机开始出现。

(5)1986年开始的第五代超大规模集成电路计算机:

运算速度提高到每妙几亿次至上百亿次。由一片巨

大规模集成电路实现的单片机开始出现。

总之，从1946年计算机诞生以来，大约每隔五年运算

速度提高10倍，可靠性提高10倍，成本降低10倍，体积缩

小10倍。

计算机的系统结构仍在继续发展，其发展趋势是：

将进入以通信为中心的体系结构。

计算机智能化将进一步发展，进入知识处理阶段。

不仅用多处理机技术来实现并行计算机，而且会出现

计算机的动态结构。

多媒体技术将有重大突破和发展。

1.3计算机的软件

1.3.1软件的组成和分类

计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、

总线和输入/输出设备组成的。这些部件或设备都是由

元件构成的有形物体，称为硬件。

计算程序组织并指挥计算机各个部件高速自动地完

成各种运算。因为它是无形的东西，所以称为软件。

例如用算盘进行运算，算盘本身就是硬件，而运算法

则和解题步骤等就是软件。事实上，利用电子计算机

进行计算、控制或作其他工作时，需要有各种用途的程

序。

因此，凡是用于一台计算机的各种程序，统称为

这台计算机的程序或软件系统。

计算机软件一般分为两大类：一类叫系统程序，

一类叫应用程序

系统程序用来简化程序设计及使用方法，提高计

算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。

它包括以下四类：

各种服务性程序;语言程序;

操作系统;数据库管理系统

应用程序是用户利用计算机来解决某些问题所编

制的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控

制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程

序等等。随着计算机的广泛应用，这类程序的种类越

来越多。

1.3.2软件的发展演变

如同硬件一样，计算机软件也是在不断发

展的，下面以系统程序为例，简要说明软件的

发展演变过程。

1.目的程序

早期计算机中，人们直接用机器语言编写

程序，这种编写程序的方式称为手编程序。这

种用机器语言书写的程序，计算机完全可以识

别并能执行，所以又叫做目的程序。但是用机

器语言编写程序很繁琐，又耗费大量的人力和

时间，容易出错，出错后寻找错误也相当费事,

这就大大限制了计算机的使用。

2.汇编程序

为了编写程序方便翻译和提高机器的使

用效率，人们用一些约定的文字、符号和数

字按规定的格式来表示各种不同的指令，然

后再用这些特殊符号表示的指令来编写程序,

这就是所谓的汇编语言。借助于汇编程序，

计算机本身自动地把符号语言表示的程序（称

为汇编源程序）翻译成用机器语言表示的目的

程序。

3.高级语言程序

为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使

不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人

们又创造了各种接近于数学语言的算法语言。

算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号

以及由这套基本符号构成程序的规则。比较接近数学

语言，直观通用，与具体机器无关，只要稍加学习就能

掌握，便于推广使用计算机。

用算法语言编写的程序称为源程序，这种源程序

是不能由机器直接识别和执行的，必须给计算机配备

一个即懂算法语言又懂机器语言的翻译，才能把源程

序翻译为机器语言。

翻译通常采用下面两种方法：

1.计算机配置一套用机器语言写的编译程序,

它把源程序翻译成目的程序，然后机器执行目的

程序，得出计算结果。但由于目的程序一般不能

独立运行，还需要一种叫做运行系统的辅助软件

来帮助。通常，把编译程序和运行系统和称为编

译系统。

2.使源程序通过所谓的解释系统进行解释执

行，即逐个解释并立即执行源程序的语句,它不是

编出目的程序后再执行，而是直接逐一解释语句

并得出计算结果。

4.作系

为了塞脱用户直接使用机器并独占机器这

种情况，依靠计算机来管理自己和管理用户，于

是人们又创造出操作系统。它是随着硬件和软

件不断发展而逐渐形成的一套软件系统用来管

理计算机资源（如处理器、内存、外部设备和各

种编译、应用程序）和自动调度用户的作业程序,

而使多个用户能有效地共用一套计算机系统。

根据不同使用环境要求，操作系统目前大致

令为批处理操作系统、分时操作系统、网络操

作系统、实时操作系统等多种。

5.数据库管理系统

随着计算机在信息处理、情报检索及各种

管理系统中应用的发展，要求大量处理某些数据,

建立和检索大量的表格。这些数据和表格按一

定的规律组织起来，使得处理更方便,检索更迅速,

用户使用更方便,于是出现了数据库。所谓数据

库就是实现有组织地、动态地存储大量相关数

据，方便多用户访问的计算机软、硬件资源组成

的系统。数据库和数据库管理软件一起,组成了

数据库管理系统。

1.4计算机系统的层次结构

1.4.1多级组成的计算机系统

1.微程序设计级

这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执

行微命令。如果某一个应用程序直接用微命令来编

写，那么可在这一级上运行应用程序。

2一般机器级

也称为机器语言级，由微程序解释机器指令系

统。这一级也是硬件级。

3.操作系统级

由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指

令和广义指令组成，这些广义指令是操作系统定义

和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。

4.汇编语言级

给程序人员提供一种符号形式语言，以减

少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持

和执行。如果应用程序采用汇编语言编写，则

机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不

采用汇编语言编写，则这一级可以不要。

5.高级语言级

面向用户，为方便用户编写应用程序而设

置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和

执行。

图L6计算机冢绣的

高级语言级

层次结构示意图

编碑程序

汇编语言皴

c汇域程序

3级操作系酰级

操作系统

2级TOL藉级|

1级I微程总城星级.

徵程序直接由硬件执行

1.4.2软件与硬件的逻辑等价性

随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋

势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了。因为任

何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任

何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。

对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器

件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。

就目前而言，一些计算机的特点是，把原来明显

地在一般机器级通过编制程序实现的操作，如整数乘

除法指令、浮点运算指令、处理字符串指令等等，改

为直接由硬件完成。

总之，随着大规模集成电路和计算机系统结构的

发展，实体硬件机的功能范围不断在扩大。由于容量

大、价格低、体积小、可以改写的只读存储器提供了

软件固化的良好物质手段