大学计算机组织与系统结构-季福坤-课件PPT
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大学计算机组织与系统结构-季福坤-课件PPT,大学计算机,组织,系统,结构,季福坤,课件,ppt
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2019/9/7,第一章,1,第1章 概论,本章学习目标 本章将介绍计算机存储程序控制的概念，详细讲解计算机的硬件和软件组成、计算机的工作过程以及计算机的系统结构。通过本章的学习，应该重点掌握和理解以下内容： 掌握存储程序控制的概念 掌握计算机的硬件、软件基本概念以及它们之间的关系 了解计算机的工作过程、性能评价 掌握计算机的组成和系统结构 了解大中型计算机的典型结构,2019/9/7,第一章,2,第1章 概论,1.1 电子计算机与存储程序控制,1.2 计算机系统,1.3 计算机的工作过程与性能,1.4 计算机系统结构,退出,2019/9/7,第一章,3,1.1 电子计算机与存储程序控制,1.1.1 存储程序概念,1.1.2 计算机的硬件组成,返回目录,2019/9/7,第一章,4,1.1 电子计算机与存储程序控制,1964年2月，以ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）命名的世界上第一台电子计算机诞生了。它是在美国陆军部的主持下，由美国宾西法尼亚大学设计研制出来的。电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确地对各种信息进行处理和存储的电子设备。从今天的角度来看，ENIAC的性能并不好，但是它的历史意义远远超出其实用价值，它是科学发展史上一个重要的里程碑，它揭开了计算机时代的序幕。从第一台电子计算机诞生至今，随着计算机逻辑原件的不断发展，把电子计算机分为电子管、晶体管、集成电路以及大规模集成电路、超大规模集成电路四个发展阶段，称为四代。现在正在研制第五代计算机人工智能计算机，第五代计算机将具有智能的知识信息处理系统，实现对自然语言、图形、图像与文字的综合处理，能积累知识，总结经验，具有再学习的能力。,2019/9/7,第一章,5,1.1.1 存储程序概念,美籍匈牙利数学家约翰冯诺依曼（John Von Neumann）等人于1946年6月在一篇题为关于电子计算机仪器逻辑设计的初步探讨的报告中，首次提出了“存储程序控制”的概念，其内容可以概括为以下三点： 第一，计算机有运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。 第二，计算机内部采用二进制数来表示指令和数据。 第三，采用存储程序方式，这是冯诺依曼思想的核心内容。它意味将事先编好的程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行，这就是“存储程序控制”的基本含义。它是计算机能高速自动运行的基础。,2019/9/7,第一章,6,1.1.2 计算机的硬件组成,根据“存储程序控制”的概念，由运算器、存储器、控制器、输入/输出设备五大基本部件组成的计算机称为冯诺依曼计算机。其典型结构框图如图1-1所示，,图1-1 典型的冯诺依曼计算机结构框图,2019/9/7,第一章,7,早期的冯诺依曼计算机在结构上是以运算器为中心的，但演变到现在，已转向以存储器为中心了。图1-2为计算机最基本的组成框图。,图1-2 计算机最基本的组成框图,2019/9/7,第一章,8,通常将控制器和运算器合称为中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU），中央处理器和主存储器一起组成主机部分，除去主机以外的硬件装置（如输入/输出设备、外部存储器等）称为外围设备或外部设备，简称外设。 1运算器 运算器是对数据信息进行处理的部件，经常执行的运算是算术运算和逻辑运算，所以运算器又称为算术逻辑部件（ALUArithmetic and Logical Unit）。 算术运算包括加、减、乘、除及其复合运算，但最终都可归结为加法和移位两种基本操作，因此，通常把加法器看作运算器的核心。逻辑运算一般指逻辑加、逻辑乘、逻辑取反及异或操作等。 运算器中还有若干个通用寄存器，用来暂存操作数，并存放运算结果。寄存器的存取速度比存储器的存储速度快得多。,2019/9/7,第一章,9,图1-3 运算器结构示意图,2019/9/7,第一章,10,2存储器 存储器是用来存储程序和各种数据信息的记忆部件，是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。 在计算机系统中，规模较大的存储器往往分为若干级，称为存储系统。图1-4所示的是常见的三级存储系统。主存储器（简称主存或内存）可和CPU直接交换信息，存取速度快但容量较小，一般用来存放当前正在执行的程序和数据。辅助存储器（简称辅存或外存）设置在主机外部，它的存储容量大，但存取速度较慢，一般用来存放暂时不参与运算的程序和数据，这些程序和数据在需要时可传送到主存，因此它是主存的补充和后援。当CPU速度很高时，为了使访问存储器的速度能与CPU的速度相匹配，可在主存和CPU之间增设一级Cache（高速缓冲存储器）。Cache的存取速度比主存更快，但容量更小，用来存放当前正在执行的程序中的活跃部分，以便快速地向CPU提供指令和数据。,2019/9/7,第一章,11,图1-4 三级存储系统,主存的工作方式是按存储单元的地址存放或读取各类信息的。主存由若干存储单元组成，每个单元可存放一串若干位的二进制码表示的信息。该信息的总位数称为一个存储单元的字长。全部存储单元统一编号，称为存储单元的地址。注意，要把存储单元的地址和存储单元里存放的内容（指令和数据）区分开，存储单元地址只有一个，是固定不变的，而存储在其中的信息是可以更换的。,2019/9/7,第一章,12,3控制器 控制器是计算机中发号施令的部件，是计算机的指挥中心，它控制计算机的各部件自动协调地工作。控制器的实质是解释程序，它每次从存储器中读取一条指令，经过分析译码产生一串操作命令发向各个部件，控制各部件动作，使整个计算机连续地、有条不紊地运行。 控制信息是由控制器发出。控制器产生信息的依据来自三个方面，一是指令，它存放在指令寄存器中，是计算机操作的主要依据。二是各部件的状态触发器，其中存放反映机器运行状态的有关信息。机器在运行过程中，根据各部件的即时状态决定下一步操作是按顺序执行下一条指令，还是转移执行其他指令，或者转向其他操作。三是时序电路，它能产生各种时序信号，使控制器的操作命令被有序地发送出去，以保证整个机器协调地工作，不至于造成操作指令间的冲突或先后次序上的错误。,2019/9/7,第一章,13,图1-5是控制器的基本框图。程序的指令一般按顺序执行，控制器采用程序计数器（Program Counter）依次提供指令在存储器中的地址。程序计数器有自动加1的功能，总是指向下一条将要执行的指令地址。指令取出后，暂时存放到指令寄存器中，以便控制器识别操作的种类和决定操作数的地址，即指令寄存器中指令的操作码部分送指令译码器进行译码，确定操作码性质，地址码部分表明操作数的地址。,图1-5 控制器的基本框图,2019/9/7,第一章,14,4输入和输出设备 输入设备与主机之间通过接口连接，主要有以下几个原因：一是输入设备大多数是机电设备，传送数据的速度远远低于主机，因而需要接口做数据缓冲；二是输入设备表示的信息格式与主机不同，需要用接口进行数据格式转换；三是接口还可以向主机报告设备运行的状态，传达主机的命令等。 输出设备用来将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机，如字符、文字、图形、图像、声音等。常见的输出设备有显示器、打印机和绘图仪等，输出设备也需要接口与主机连接。 外存储器也是计算机中重要的外部设备，它既可以作输入设备，也可以作输出设备，此外，它还有存储信息的功能，因此，它常常作为辅助存储器使用，人们常将暂时未使用或等待使用的数据放在其中。 常见的外存储器有磁盘和磁带机等，它们与输入设备一样，也要通过接口与主机相连。,2019/9/7,第一章,15,1.2 计算机系统,1.2.1 计算机软件的基本概念,1.2.3 计算机系统的多层次结构,返回目录,1.2.2 硬件与 软件的关系,2019/9/7,第一章,16,1.2 计算机系统,所谓软件，它是看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各种特殊功能的信息组成，人们将解决问题的方法、思想和过程用程序进行描述。 1.2.1 计算机软件的基本内容 1. 软件的组成 软件是计算机系统的灵魂，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，计算机的功能将不能很好地发挥，计算机的应用范围也将受到很大的影响。 所有软件都是使用某种语言编写、可完成各种功能的程序。计算机语言有机器语言、汇编语言和高级语言之分。机器语言是计算机硬件可直接识别的最低级的语言;汇编语言是采用助记符编程的语言，用汇编语言编写的源程序必须由汇编程序将其翻译成机器语言程序才能被机器执行;高级语言是完全脱离机器硬件结构，根据应用领域的不同要求而设计出的通用程序设计语言，,2019/9/7,第一章,17,计算机软件可分为系统软件和应用软件两大类，如图1-6所示是计算机软件组成图。,图1-6 计算机软件组成图,2019/9/7,第一章,18,2. 软件的发展过程 和计算机硬件一样，软件也是在不断发展的。在早期的计算机中，用户必须根据机器自身能识别的语言机器语言，编写出机器可直接运行的程序。但直接用机器语言编写程序是非常繁琐的，不但程序很难读懂，而且容易出错；另一方面，由于机器不同，机器语言也不同，因此人们在不同的机器上编程，就必须熟悉不同机器的机器指令，使用极不方便。这些情况大大限制了计算机的应用。20世纪50年代后，为了方便编写程序和提高计算机的使用效率，逐渐形成了用符号表示不同指令的汇编语言，这种语言不用0/1代码编程，改善了程序的可读性，但计算机只认识机器语言而不能识别这些符号，为此，人们又创造了汇编程序，借助于汇编程序，计算机可以自动地把汇编源程序翻译成机器语言表示的目标程序。,2019/9/7,第一章,19,虽然使用汇编语言比使用机器语言编写程序是进了一步，但是汇编语言仍是面向机器的。不同的计算机，其指令系统也不同，人们必须先熟悉这台机器的指令系统，然后再用它的汇编语言来编写程序。为了摆脱对具体机器的依赖，在汇编语言之后又出现了面向问题的高级语言，使用高级语言编程可以不了解机器的结构，与具体的机器无关。高级语言的指令通常是一个英语词汇，直观通用，使程序具有很强的可读性。有影响的高级语言有Basic、Fortran、C、C+、Java等。为了使高级语言编写的源程序在机器上执行，同样需要有一个翻译系统，于是产生了编译程序和解释程序，他们能把高级语言翻译成机器语言。 可见，随着各种高级语言的出现，汇编语言、编译程序、解释程序的产生，逐渐形成了软件系统。,2019/9/7,第一章,20,1.2.2 硬件与软件的关系 一个完整的计算机系统包含硬件和软件两大部分。硬件是计算机系统的物质基础，在硬件高度发展的基础上，才有软件赖以生存的空间和活动场所，没有硬件对软件的支持，软件的功能就无从谈起；同样，软件是计算系统的灵魂，没有软件的硬件“裸机”不能提供给用户使用，就像一堆废铁。因此，硬件和软件是相辅相成的、不可分割的整体。 在早期的计算机中，硬件和软件之间的界限十分清楚，然而，随着计算机技术的不断发展，硬件和软件正朝着相互渗透、相互融合的方向发展，硬件与软的界限变得越来越模糊。,2019/9/7,第一章,21,硬件和软件在逻辑上是相等的。原来一些由硬件实现的操作可以改由软件来实现，称为硬件软化，可以增强系统的功能和适应性；反之，原来由软件实现的操作也可以由硬件来完成，称为软件硬化，可以显著降低软件在时间上的开销。 既然硬件和软件之间不存在一条固定的、一成不变的界限，那么今天的软件可能成为明天的硬件，反之亦然。人们需要根据价格、速度、存储容量、可靠性等因素综合考虑，来确定哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现将更经济、更合理。,2019/9/7,第一章,22,1.2.3 计算机系统的多层次结构 1多层次结构 现代计算机是一个功能复杂的软硬件系统。从计算机使用者的角度，从计算机操作员的角度，从程序设计员的角度和从硬件工程师的角度，所看到的计算机系统具有完全不同的属性。为了更好地表达和分析这些属性之间的联系，以便更恰当地确定软件和硬件之间的界面，使用者与设计者之间的界面，以及各层次计算机语言之间的界面，一般将计算机划分为若干层次，以一种层次结构的观点去看待和分析计算机。在学习使用计算机时，也可选择一个层次(一级语言)去理解和认识计算机。在设计计算机时，也可按层次来组织设计并分级实现，以利于整个系统的设计、调试和维护。图1-7是计算机多层次结构的大致划分。,2019/9/7,第一章,23,图 1-7 计算机系统的多层次结构,2019/9/7,第一章,24,1.3 计算机的工作过程与性能,1.3.1 计算机的工作过程,返回目录,1.3.2 计算机系统的性能评价,2019/9/7,第一章,25,1.3 计算机的工作过程与性能,1.3.1 计算机的工作过程 用计算机解决一个实际问题，一般包含两大过程，一个是上机前的各种准备，另一个是上机运行。上机前的准备工作大致可归纳为以下三个步骤：建立数学模型、确定计算方法和编制解题程序。 程序是一个特定的指令序列，它告诉计算机要做什么，按什么步骤去做。指令是一组二进制信息的代码，用来表示计算机所能完成的基本操作。下面以计算ax+b-c=?（a、b、c、x为已知的四个数，分别存放在主存的6-9号单元中；结果存放在主存的10号单元），完成这个运算至少需要六条指令，分成六步：,2019/9/7,第一章,26,第一步，执行取数操作指令，从主存6号单元取出数a，送入累加器中； 第二步，执行乘法操作，将累加器中的数据与9号单元的数据x相乘，结果送入累加器中； 第三步，执行加法指令，从主存7号单元取出数b与累加器中的数相加，结果保留在累加器中； 第四步，执行减法指令，将累加器中的数据与从8号单元中取出的数c相减，结果保留在累加器中； 第五步，执行存数指令，把累加器中的内容存放到主存10号单元； 第六步，执行停机指令计算机停止工作。 程序编好后，顺序存放在主存中。上述六条指令依次存放在主存的0-5号单元中，参加运算的数也必须存放在主存指定的单元中，如图1-8所示。计算机的控制器将逐条完成该程序的执行，从而到结果。,2019/9/7,第一章,27,图1-8 主存中有关单元的内容,2019/9/7,第一章,28,1.3.2 计算机系统的性能评价,表示计算机硬件特性的主要性能指标有以下五个。 1. 字长 在计算机中数据信息和控制信息都是以二进制形式表示的。在机器中若干位二进制代码作为一个整体一起进行处理或运算，我们称之为一个计算机字，简称字。每个字所包括的二进制形式代码的位数称为字长。字长的大小直接影响计算机的功能强弱、精度高低、速度快慢。一般而言，计算机的字长越长，计算机的功能越强，运算精度越高。常见的计算机字长有：8位、16位、32位及64位。大型计算机的字长在48-64位之间，中型计算机字长为32位；小型计算机、微型计算机字长为16-32位。随着计算机的发展，各类计算机的字长都有加长的趋势。目前，已有64位微型计算机面市。计算机内部寄存器、运算器及存储单元的二进制数位数应与字长相同或为字长的整数倍。,2019/9/7,第一章,29,2. 主频率 目前，微型计算机和小型计算机的运算速度可以达到每秒几十万次，大型机则可达到每秒几百万次以至上千万次，而巨型机则指运算速度在每秒一亿次左右的机器。运算速度是计算机的主要性能指标。主频率就是描述运算速度的重要参数。计算机执行每条指令是通过若干步微操作来完成的，这些微操作是按时钟周期的节拍来“动作”的。每个计算机内部均有一个不断地按固定频率产生时钟信号的装置，叫主时钟。主时钟的频率就是主频率。主频(率)的单位是兆赫(MHZ)。一般来说，主频率越高，计算机的运算速度越快。现在微机的主频在几兆赫到一百多兆赫之间。,2019/9/7,第一章,30,3. 存储容量 存储容量是指一个功能完备的存储器所能存储的二进制形式信息的最大数量。度量单位是位、字节、K字节、M字节。1字节（BYTE）=8位（bit）二进制数。1K=1024字节，1M=1024K，1G=1KM。存储器的容量反映了计算机记忆信息的能力。存储器的容量越大，则记忆的信息越多，计算机的功能就越强。内存的容量对计算机至关重要，因为在执行指令时CPU与存储器间进行大量的信息交换，只有在内存中的信息才能与CPU直接交换。 4. 数据传送速率 数据传送速率是指在单位时间内主机与外设之间交换信息的数量。度量单位是“位/秒”或“字节/秒”。一般来讲，数据传送率是针对能连续地写入或读出信息的辅存而言的。由于各种外设工作速度不同，数据传送速率常用主机所能支持的数据输入/输出最大速率表示。,2019/9/7,第一章,31,5. 兼容性 计算机的软件兼容性是指一台计算机上的程序不加任何修改可在另一台计算机上正确运行的特性。它体现了这台计算机与其它型号机器之间直接交流信息的可能程度，一般在同一系列的计算机中，低档机上的程序可以在高档机上正确运行，先生产的计算机上软件可在后生产的计算机上正确运行，我们称之为向上兼容和向后兼容。 上述各项指标虽然能反映出机器的性能，但是对于结构复杂、功能强大的计算机而言，就不太全面了，因为在这些结构中，除CPU之外还包括大量的外部设备，而且系统在运行过程中，用户程序和系统程序的运行在空间和时间上都占有很大的开销。 因此评价一个计算机系统的性能是比较复杂和细致的工作。,2019/9/7,第一章,32,1.4 计算机系统结构,1.4.2 计算机组成和系统结构,返回目录,1.4.3 大中型计算机系统的典型结构,1.4.1 系统结构的概念,2019/9/7,第一章,33,1.4 计算机系统结构,1.4.1 系统结构概念 计算机系统结构（Computer Architecture）也可称为计算机体系结构。1964年Amdahl等人提出了计算机系统结构这个概念，他们把系统结构定义为程序员所看到的一个计算机系统的属性。所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性。它的主要任务是研究软件、硬件功能分配和对软硬件界面的确定。 按照这一定义，不同程序员所看到的计算机有不同的属性。从传统机器级程序员或汇编语言程序员的角度来看，不同的计算机系统具有不同的属性。但是，从高级语言程序员的角度来看，它们的差别不大，即具有相同的属性。通常，在计算机系统中，低层机器的属性对高层机器的程序员来说往往是透明的，比如传统级的概念性结构和功能特性，对高层机器的程序员来说是透明的。由此看出，在层次结构的各个级上都有它的体系结构。,2019/9/7,第一章,34,1.4.2 计算机组成和系统结构 计算机系统结构是指那些能够被程序员所见到的计算机的属性，即概念性的结构与功能特性，通常是指用机器语言编程的程序员（包括汇编程序设计者）所看的传统机器的属性，这些属性包括指令集、数据表示、寻址规则、寄存器定义、终端系统、存储系统、I/O结构等等，基本上都属于抽象的属性。由于计算机具有多层次结构，因此，站在不同层次上的程序员所看到的计算机的具有不同的属性。例如，用高级语言编程的程序员，可以把IBM PC和RS6000两种不同的机器看成是同一属性的机器。但是对于使用汇编语言编程的程序员来说，IBM PC和RS6000是两种截然不同的机器。因为程序员所看到的这两种机器的属性完全不同，所以，认为这两种结构是各不相同的。,2019/9/7,第一章,35,计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流的组成以及逻辑设计等，指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。比如，指令系统体现了机器的属性，这是属于计算机系统结构问题，但指令的实现，即如何取指令、分析指令、取操作数、如何运算、如何送结果等等，这些都属于计算机组成问题。因此，当两台计算机指令相同时，只能认为它们具有相同的系统结构。至于它们如何实现其指令，完全可以不同，即它们的组成方式是不同的。例如，一台机器是否具有乘法指令的功能，这是结构的问题，但是实现乘法指令采用什么方式的问题，则是一个组成问题。实现乘法指令可以采用一个专门的乘法电路，也可以采用连续相加的加法电路来实现，这两者的区别就是计算机组成的区别。究竟采用何种方式来组成计算机，这要考虑各种因素，如乘法指令使用的频度、两种方法的运行速度、电路的体积、价格、可靠性等等。,2019/9/7,第一章,36,1.4.3 大中型计算机的典型结构 大、中型计算机系统的设计目标主要在于系统功能的扩大与效率的提高。图1-9是大、中型计算机系统的典型结构。在系统连接上分为四级：主机、通道、设备控制器和外部设备。,图1-9 大、中型计算机系统的典型结构,2019/9/7,第一章,37,图中的通道是负责I/O操作的主要部件，它可以使CPU的数据处理和外部设备交换信息这两项操作同时进行。每个通道可以连接一台或多台设备控制器，每个设备控制器又可接一台或几台外部设备，这样整个系统就可以连接多台外部设备。这种结构具有较大的扩充变化余地。对较小的计算机系统来说，可将设备控制器与外设合并在一起，将通道与CPU合并在一起；对较大的计算机系统，则单独设置通道部件；对于更大的系统，通道可发展成为具有处理功能的外微处理机。,第1章 概论本章学习目标本章将介绍计算机存储程序控制的概念，详细讲解计算机的硬件和软件组成、计算机的工作过程以及计算机的系统结构。通过本章的学习，应该重点掌握和理解以下内容：掌握存储程序控制的概念掌握计算机的硬件、软件基本概念以及它们之间的关系了解计算机的工作过程、性能评价掌握计算机的组成和系统结构了解大中型计算机的典型结构第1章 概论1.1 电子计算机与存储程序控制1.2 计算机系统 1.3 计算机的工作过程与性能1.4 计算机系统结构退出1.1 电子计算机与存储程序控制1.1.1 存储程序概念 1.1.2 计算机的硬件组成 返回目录1.1 电子计算机与存储程序控制1964年2月，以ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）命名的世界上第一台电子计算机诞生了。它是在美国陆军部的主持下，由美国宾西法尼亚大学设计研制出来的。电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确地对各种信息进行处理和存储的电子设备。从今天的角度来看，ENIAC的性能并不好，但是它的历史意义远远超出其实用价值，它是科学发展史上一个重要的里程碑，它揭开了计算机时代的序幕。从第一台电子计算机诞生至今，随着计算机逻辑原件的不断发展，把电子计算机分为电子管、晶体管、集成电路以及大规模集成电路、超大规模集成电路四个发展阶段，称为四代。现在正在研制第五代计算机人工智能计算机，第五代计算机将具有智能的知识信息处理系统，实现对自然语言、图形、图像与文字的综合处理，能积累知识，总结经验，具有再学习的能力。1.1.1 存储程序概念 美籍匈牙利数学家约翰冯诺依曼（John Von Neumann）等人于1946年6月在一篇题为关于电子计算机仪器逻辑设计的初步探讨的报告中，首次提出了“存储程序控制”的概念，其内容可以概括为以下三点： 第一，计算机有运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。 第二，计算机内部采用二进制数来表示指令和数据。 第三，采用存储程序方式，这是冯诺依曼思想的核心内容。它意味将事先编好的程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行，这就是“存储程序控制”的基本含义。它是计算机能高速自动运行的基础。 1.1.2 计算机的硬件组成 根据“存储程序控制”的概念，由运算器、存储器、控制器、输入/输出设备五大基本部件组成的计算机称为冯诺依曼计算机。其典型结构框图如图1-1所示， 图1-1 典型的冯诺依曼计算机结构框图 早期的冯诺依曼计算机在结构上是以运算器为中心的，但演变到现在，已转向以存储器为中心了。图1-2为计算机最基本的组成框图。图1-2 计算机最基本的组成框图 通常将控制器和运算器合称为中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU），中央处理器和主存储器一起组成主机部分，除去主机以外的硬件装置（如输入/输出设备、外部存储器等）称为外围设备或外部设备，简称外设。 1运算器运算器是对数据信息进行处理的部件，经常执行的运算是算术运算和逻辑运算，所以运算器又称为算术逻辑部件（ALUArithmetic and Logical Unit）。算术运算包括加、减、乘、除及其复合运算，但最终都可归结为加法和移位两种基本操作，因此，通常把加法器看作运算器的核心。逻辑运算一般指逻辑加、逻辑乘、逻辑取反及异或操作等。运算器中还有若干个通用寄存器，用来暂存操作数，并存放运算结果。寄存器的存取速度比存储器的存储速度快得多。 图1-3 运算器结构示意图 2存储器 存储器是用来存储程序和各种数据信息的记忆部件，是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。 在计算机系统中，规模较大的存储器往往分为若干级，称为存储系统。图1-4所示的是常见的三级存储系统。主存储器（简称主存或内存）可和CPU直接交换信息，存取速度快但容量较小，一般用来存放当前正在执行的程序和数据。辅助存储器（简称辅存或外存）设置在主机外部，它的存储容量大，但存取速度较慢，一般用来存放暂时不参与运算的程序和数据，这些程序和数据在需要时可传送到主存，因此它是主存的补充和后援。当CPU速度很高时，为了使访问存储器的速度能与CPU的速度相匹配，可在主存和CPU之间增设一级Cache（高速缓冲存储器）。Cache的存取速度比主存更快，但容量更小，用来存放当前正在执行的程序中的活跃部分，以便快速地向CPU提供指令和数据。 图1-4 三级存储系统 主存的工作方式是按存储单元的地址存放或读取各类信息的。主存由若干存储单元组成，每个单元可存放一串若干位的二进制码表示的信息。该信息的总位数称为一个存储单元的字长。全部存储单元统一编号，称为存储单元的地址。注意，要把存储单元的地址和存储单元里存放的内容（指令和数据）区分开，存储单元地址只有一个，是固定不变的，而存储在其中的信息是可以更换的。 3控制器控制器是计算机中发号施令的部件，是计算机的指挥中心，它控制计算机的各部件自动协调地工作。控制器的实质是解释程序，它每次从存储器中读取一条指令，经过分析译码产生一串操作命令发向各个部件，控制各部件动作，使整个计算机连续地、有条不紊地运行。控制信息是由控制器发出。控制器产生信息的依据来自三个方面，一是指令，它存放在指令寄存器中，是计算机操作的主要依据。二是各部件的状态触发器，其中存放反映机器运行状态的有关信息。机器在运行过程中，根据各部件的即时状态决定下一步操作是按顺序执行下一条指令，还是转移执行其他指令，或者转向其他操作。三是时序电路，它能产生各种时序信号，使控制器的操作命令被有序地发送出去，以保证整个机器协调地工作，不至于造成操作指令间的冲突或先后次序上的错误。 图1-5是控制器的基本框图。程序的指令一般按顺序执行，控制器采用程序计数器（Program Counter）依次提供指令在存储器中的地址。程序计数器有自动加1的功能，总是指向下一条将要执行的指令地址。指令取出后，暂时存放到指令寄存器中，以便控制器识别操作的种类和决定操作数的地址，即指令寄存器中指令的操作码部分送指令译码器进行译码，确定操作码性质，地址码部分表明操作数的地址。图1-5 控制器的基本框图 4输入和输出设备输入设备与主机之间通过接口连接，主要有以下几个原因：一是输入设备大多数是机电设备，传送数据的速度远远低于主机，因而需要接口做数据缓冲；二是输入设备表示的信息格式与主机不同，需要用接口进行数据格式转换；三是接口还可以向主机报告设备运行的状态，传达主机的命令等。输出设备用来将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机，如字符、文字、图形、图像、声音等。常见的输出设备有显示器、打印机和绘图仪等，输出设备也需要接口与主机连接。外存储器也是计算机中重要的外部设备，它既可以作输入设备，也可以作输出设备，此外，它还有存储信息的功能，因此，它常常作为辅助存储器使用，人们常将暂时未使用或等待使用的数据放在其中。 常见的外存储器有磁盘和磁带机等，它们与输入设备一样，也要通过接口与主机相连。1.2 计算机系统1.2.1 计算机软件的基本概念 1.2.3 计算机系统的多层次结构 返回目录1.2.2 硬件与 软件的关系1.2 计算机系统 所谓软件，它是看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各种特殊功能的信息组成，人们将解决问题的方法、思想和过程用程序进行描述。1.2.1 计算机软件的基本内容1. 软件的组成 软件是计算机系统的灵魂，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，计算机的功能将不能很好地发挥，计算机的应用范围也将受到很大的影响。 所有软件都是使用某种语言编写、可完成各种功能的程序。计算机语言有机器语言、汇编语言和高级语言之分。机器语言是计算机硬件可直接识别的最低级的语言;汇编语言是采用助记符编程的语言，用汇编语言编写的源程序必须由汇编程序将其翻译成机器语言程序才能被机器执行;高级语言是完全脱离机器硬件结构，根据应用领域的不同要求而设计出的通用程序设计语言， 计算机软件可分为系统软件和应用软件两大类，如图1-6所示是计算机软件组成图。 图1-6 计算机软件组成图 2. 软件的发展过程 和计算机硬件一样，软件也是在不断发展的。在早期的计算机中，用户必须根据机器自身能识别的语言机器语言，编写出机器可直接运行的程序。但直接用机器语言编写程序是非常繁琐的，不但程序很难读懂，而且容易出错；另一方面，由于机器不同，机器语言也不同，因此人们在不同的机器上编程，就必须熟悉不同机器的机器指令，使用极不方便。这些情况大大限制了计算机的应用。20世纪50年代后，为了方便编写程序和提高计算机的使用效率，逐渐形成了用符号表示不同指令的汇编语言，这种语言不用0/1代码编程，改善了程序的可读性，但计算机只认识机器语言而不能识别这些符号，为此，人们又创造了汇编程序，借助于汇编程序，计算机可以自动地把汇编源程序翻译成机器语言表示的目标程序。 虽然使用汇编语言比使用机器语言编写程序是进了一步，但是汇编语言仍是面向机器的。不同的计算机，其指令系统也不同，人们必须先熟悉这台机器的指令系统，然后再用它的汇编语言来编写程序。为了摆脱对具体机器的依赖，在汇编语言之后又出现了面向问题的高级语言，使用高级语言编程可以不了解机器的结构，与具体的机器无关。高级语言的指令通常是一个英语词汇，直观通用，使程序具有很强的可读性。有影响的高级语言有Basic、Fortran、C、C+、Java等。为了使高级语言编写的源程序在机器上执行，同样需要有一个翻译系统，于是产生了编译程序和解释程序，他们能把高级语言翻译成机器语言。 可见，随着各种高级语言的出现，汇编语言、编译程序、解释程序的产生，逐渐形成了软件系统。1.2.2 硬件与软件的关系一个完整的计算机系统包含硬件和软件两大部分。硬件是计算机系统的物质基础，在硬件高度发展的基础上，才有软件赖以生存的空间和活动场所，没有硬件对软件的支持，软件的功能就无从谈起；同样，软件是计算系统的灵魂，没有软件的硬件“裸机”不能提供给用户使用，就像一堆废铁。因此，硬件和软件是相辅相成的、不可分割的整体。在早期的计算机中，硬件和软件之间的界限十分清楚，然而，随着计算机技术的不断发展，硬件和软件正朝着相互渗透、相互融合的方向发展，硬件与软的界限变得越来越模糊。硬件和软件在逻辑上是相等的。原来一些由硬件实现的操作可以改由软件来实现，称为硬件软化，可以增强系统的功能和适应性；反之，原来由软件实现的操作也可以由硬件来完成，称为软件硬化，可以显著降低软件在时间上的开销。既然硬件和软件之间不存在一条固定的、一成不变的界限，那么今天的软件可能成为明天的硬件，反之亦然。人们需要根据价格、速度、存储容量、可靠性等因素综合考虑，来确定哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现将更经济、更合理。1.2.3 计算机系统的多层次结构1多层次结构 现代计算机是一个功能复杂的软硬件系统。从计算机使用者的角度，从计算机操作员的角度，从程序设计员的角度和从硬件工程师的角度，所看到的计算机系统具有完全不同的属性。为了更好地表达和分析这些属性之间的联系，以便更恰当地确定软件和硬件之间的界面，使用者与设计者之间的界面，以及各层次计算机语言之间的界面，一般将计算机划分为若干层次，以一种层次结构的观点去看待和分析计算机。在学习使用计算机时，也可选择一个层次(一级语言)去理解和认识计算机。在设计计算机时，也可按层次来组织设计并分级实现，以利于整个系统的设计、调试和维护。图1-7是计算机多层次结构的大致划分。图 1-7 计算机系统的多层次结构 1.3 计算机的工作过程与性能1.3.1 计算机的工作过程返回目录1.3.2 计算机系统的性能评价1.3 计算机的工作过程与性能1.3.1 计算机的工作过程 用计算机解决一个实际问题，一般包含两大过程，一个是上机前的各种准备，另一个是上机运行。上机前的准备工作大致可归纳为以下三个步骤：建立数学模型、确定计算方法和编制解题程序。 程序是一个特定的指令序列，它告诉计算机要做什么，按什么步骤去做。指令是一组二进制信息的代码，用来表示计算机所能完成的基本操作。下面以计算ax+b-c=?（a、b、c、x为已知的四个数，分别存放在主存的6-9号单元中；结果存放在主存的10号单元），完成这个运算至少需要六条指令，分成六步：第一步，执行取数操作指令，从主存6号单元取出数a，送入累加器中；第二步，执行乘法操作，将累加器中的数据与9号单元的数据x相乘，结果送入累加器中；第三步，执行加法指令，从主存7号单元取出数b与累加器中的数相加，结果保留在累加器中；第四步，执行减法指令，将累加器中的数据与从8号单元中取出的数c相减，结果保留在累加器中；第五步，执行存数指令，把累加器中的内容存放到主存10号单元；第六步，执行停机指令计算机停止工作。 程序编好后，顺序存放在主存中。上述六条指令依次存放在主存的0-5号单元中，参加运算的数也必须存放在主存指定的单元中，如图1-8所示。计算机的控制器将逐条完成该程序的执行，从而到结果。图1-8 主存中有关单元的内容 1.3.2 计算机系统的性能评价 表示计算机硬件特性的主要性能指标有以下五个。1. 字长 在计算机中数据信息和控制信息都是以二进制形式表示的。在机器中若干位二进制代码作为一个整体一起进行处理或运算，我们称之为一个计算机字，简称字。每个字所包括的二进制形式代码的位数称为字长。字长的大小直接影响计算机的功能强弱、精度高低、速度快慢。一般而言，计算机的字长越长，计算机的功能越强，运算精度越高。常见的计算机字长有：8位、16位、32位及64位。大型计算机的字长在48-64位之间，中型计算机字长为32位；小型计算机、微型计算机字长为16-32位。随着计算机的发展，各类计算机的字长都有加长的趋势。目前，已有64位微型计算机面市。计算机内部寄存器、运算器及存储单元的二进制数位数应与字长相同或为字长的整数倍。2. 主频率 目前，微型计算机和小型计算机的运算速度可以达到每秒几十万次，大型机则可达到每秒几百万次以至上千万次，而巨型机则指运算速度在每秒一亿次左右的机器。运算速度是计算机的主要性能指标。主频率就是描述运算速度的重要参数。计算机执行每条指令是通过若干步微操作来完成的，这些微操作是按时钟周期的节拍来“动作”的。每个计算机内部均有一个不断地按固定频率产生时钟信号的装置，叫主时钟。主时钟的频率就是主频率。主频(率)的单位是兆赫(MHZ)。一般来说，主频率越高，计算机的运算速度越快。现在微机的主频在几兆赫到一百多兆赫之间。3. 存储容量 存储容量是指一个功能完备的存储器所能存储的二进制形式信息的最大数量。度量单位是位、字节、K字节、M字节。1字节（BYTE）=8位（bit）二进制数。1K=1024字节，1M=1024K，1G=1KM。存储器的容量反映了计算机记忆信息的能力。存储器的容量越大，则记忆的信息越多，计算机的功能就越强。内存的容量对计算机至关重要，因为在执行指令时CPU与存储器间进行大量的信息交换，只有在内存中的信息才能与CPU直接交换。 4. 数据传送速率 数据传送速率是指在单位时间内主机与外设之间交换信息的数量。度量单位是“位/秒”或“字节/秒”。一般来讲，数据传送率是针对能连续地写入或读出信息的辅存而言的。由于各种外设工作速度不同，数据传送速率常用主机所能支持的数据输入/输出最大速率表示。5. 兼容性 计算机的软件兼容性是指一台计算机上的程序不加任何修改可在另一台计算机上正确运行的特性。它体现了这台计算机与其它型号机器之
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