计算机组成基本原理

计算机组成原理computerorganizationprinciple 顾浩赵宝华 第1章计算机系统概论 本章要点本章主要介绍计算机系统基本部件的功能与结构 同时介绍了计算机的层次结构 通过本章的学习 读者对计算机系统应有一个整体的概念 第1章计算机系统概论 1 1计算机系统简介1 2图灵机 了解 1 3计算机的基本组成1 4计算机的主要性能指标小结习题 1 1计算机系统简介1 1 1计算机的硬件和软件的概念 计算机是由硬件和软件两大部分组成 能按照事先存储的程序 自动 高速地对数据进行输入 处理 输出和存储的高度自动化的电子设备 硬件 Hardware 是计算机系统中的实体部分 由电子的 磁性的 机械的 光的元器件组成 包括运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备五大部分组成 软件 software 是指在计算机硬件上运行的各种程序和有关文档的总称 含系统软件 应用软件和工具软件三大类 1 1 2计算机系统的层次结构 1 虚拟机 VirtualMachine 的概念 虚拟机是一个抽象的计算机 它由软件实现 并与实际机器一样 都具有一个指令集并可使用不同的存储区域 如 一台机器上配有C语言和Pascal语言的编译程序 对C语言的用户来讲 这台机器就是以C语言为机器语言的虚拟机 对Pascal语言的用户来讲 这台机器就是以Pascal语言为机器语言的虚拟机 计算机系统的层次结构图 本书的讨论范围 翻译 应用软件包 翻译 编译程序 翻译 汇编程序 部分解释 操作系统 解释 硬件直接执行 2 虚拟机的层次结构 从语言的角度来划分计算机系统的层次结构 那么虚拟机可分成如图1 2所示的操作系统虚拟机 汇编语言虚拟机 高级语言虚拟机和应用程序虚拟机等层次 虚拟机概念的引入 推动了计算机体系结构的发展 由于从各层次的虚拟机可方便地识别相应层次的计算机语言 从而摆脱了这些语言必须在同一台机器上执行的情况 为日后的多处理机系统 分布式处理系统 计算机网络 并行计算机系统等新颖计算机体系结构的出现夯实了基础 本书讨论的范围仅局限于传统机器M1和微程序机器M0的组成原理和设计思想 广义语言 解释器 作用对象 控制信息 状态信息 虚拟计算机 观察者 1 1 3计算机体系结构与计算机组成 1 计算机体系结构 ComputerArchitecture 计算机体系结构是程序员看得见的计算机的属性 即概念性的结构与功能特性 通常指用机器语言编程的程序员 也包括汇编语言程序设计者和汇编程序设计者 所看到的传统机器的属性 包括指令系统 数据类型 存储器寻址技术 I O机理等 大多属于抽象的属性 2 计算机组成 ComputerOrganization 是计算机体系结构的逻辑实现 即指如何实现计算机体系结构所体现的属性 它包含了对许多程序员来说是透明的 即程序员是不知道的 硬件细节 它包括硬件部件的构造及如何连接这些组件组成一个计算机系统 注 在计算机中 客观存在的事物或属性从某个角度看不到 就叫 透明 1 1 3计算机体系结构与计算机组成 3 计算机体系结构与计算机组成的关系许多计算机制造商向你提出一系列体系结构相同的计算机 而它们的组成却有相当大的区别 即使是同一系列不同型号的机器 其价格和性能也是有极大差异的 一种体系结构 例PC系列机 可有多种组成 表1 1 因此 只知其结构 不知其组成 就选不好性能价格比最合适的机器 本书主要介绍计算机的组成及工作原理 1 1 3计算机体系结构与计算机组成 1 2图灵机1 2 1图灵机简介 英国数学家A M Turring于1936年从计算一个数的一般过程着手对计算的本质进行研究 提出了一种理想的计算机的数学模型 实现了对计算本质的真正认识 图灵机 TurringMachine TM 并不是具体的机器 而是一个通用的计算机模型 目前已成为计算机科学中可计算理论和计算复杂性理论的基础 所谓计算就是计算者 人或机器 对一条两端可无限延长的磁带上的一串0和1进行操作 一步一步地改变磁带上的0或1 经过有限步骤 最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程 图灵机用形式化方法成功地表述了计算这一过程的本质 图灵的研究结果是 可计算性 图灵可计算性 1 2 2图灵机的基本模型 一台标准的确定型单带图灵机由一条双向无限长的磁带 被分割分无穷个小方格 一个有限状态控制器与一个读写磁头构成 图灵机一步一步地进行工作 工作情况取决于以下三点 1 机器的内部状态 2 读写磁头扫描在磁带哪个方格上 3 读写磁头扫描的方格上有什么信息 1 3计算机的基本组成1 3 1冯 诺依曼计算机的特点 1 存储程序 的概念 指令和数据均以二进制码表示 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所在存储器的位置 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 冯 诺依曼对计算机界的最大贡献是 首次提出并实现了 存储程序 概念 本书主要介绍冯 诺依曼结构计算机的组成 译码器 PC 操作码 操作数地址 程序 指令 区 数据区 主存区 指令寄存器 1 读指令 读 写 控制器 存储程序原理示意图 冯 诺依曼与ENAIC JohnVonNeuman 1903 1957 1944年参加 ENIAC 计算机研究工作 1953年3月 他领导的小组发表了全新的存储程序式通用电子计算机方案 电子离散变量自动计算机EDVAC 1946年与他人合作提出更完善的计算机设计报告 是以仙农提出的二进制 程序内存以及指令和数据统一存储为基础 奠定了现代计算机体系结构的根基 1 3 2计算机的主要部件 传统计算机的五大部件 1 输入设备2 输出设备3 存储器4 运算器 又叫ALU5 控制器 现代计算机的三大部件 1 CPU 运算器 控制器 2 I O设备3 主存储器MM 1 3 3计算机的总线结构 数据总线 用于传输数据 地址总线 用于传输内存存储单元的地址 控制总线 用于传输控制信号 分时和共享是总线的两大基本特点 注意 数据 地址和控制总线并不是三组总线 它们都是系统总线的一部分 1 3 4计算机的工作过程 1 程序 是为求解某个特定问题而设计的指令序列 计算机的工作过程就是执行程序的过程 例 a b a bb 0a bb 0 计算机的解题步骤可作如下安排 步骤1 取a 步骤2 取b 步骤3 判断 若b 0 执行步骤4 若b 0 执行步骤6步骤4 执行a b 步骤5 转步骤7 步骤6 执行a b 步骤7 结束 计算机的工作过程可归结为 取指令 分析指令 执行指令 再取下一条指令 直到程序结束的反复循环过程 1 3 4计算机的工作过程 2 指令 程序是由指令组成的 指令是机器所能识别的一组编制成特定格式的代码串 它要求机器在一个规定的时间段 指令周期 内 完成一组特定的操作 指令的基本格式可归结为操作码OP和操作数地址AD两部分 指出计算机应完成的一组操作内容 两个操作数的地址和存放结果的地址及寻址方式 为保证程序执行的连续性 在执行当前指令时 还需指出下一条指令的地址 1 3 4计算机的工作过程 3 指令的执行指令规定的内容是通过控制器执行的 控制器的功能 定序功能 保证按程序规定的顺序执行指令 定时功能 控制器为各部件提供统一节拍 使各条指令及组成每条指令的基本操作 称为微操作 都严格地按规定的时间有条不紊地自动执行 操作控制功能 控制器应能按照指令规定的内容 在相应的节拍向有关部件发出操作控制信号 1 3 4计算机的工作过程 控制器的组成分别由指令部件 时序部件和操作控制部件来完成 一条指令的执行过程 把指令指针IP中的指令地址送存储器 从该地址取出指令送指令寄存器IR 地址计算部件 根据IR中的地址码形成操作数地址送存储器 从该地址取出数据 送到运算器中的寄存器 将IR中的操作码OP送指令译码器进行译码 在控制器发出的操作信号的控制下 各有关部件执行操作码OP规定的操作 指令指针IP加1 4 计算机的解题过程 解题大致要经过程序设计 输入程序 执行程序等步骤 现以计算a b c为例来说明 具体步骤 执行取数指令 从主存5号单元取出数a 送入累加器中 执行加法指令 将累加器中的内容a与从主存6号单元取出的数b一起送到算术逻辑部件ALU中相加 结果a b保留在累加器中 执行减法指令 将累加器中的内容a b与从主存7号单元取出的数c一起送到ALU中相减 差保留在累加器中 执行存数指令 把累加器中的内容a b c存至主存8号单元 执行停机指令 计算机停止工作 1 4计算机的主要性能指标 1 主频主频即时钟频率 是指计算机的CPU在单位时间内发出的脉冲数目 2 机器字长机器字长是指CPU一次能处理数据的位数 3 主存容量主存容量是指一个主存储器所能存储的全部信息量 4 运算速度运算速度是一项综合性指标 它与许多因素有关 5 兼容性兼容性 compatibility 是指一台设备 一个程序或一个适配器在功能上能容纳或替代以前版本或型号的能力 这个性能指标往往与系列机联系在一起的 举例 上表是某计算机的使用统计表 按表计算该机的运算速度为 V 1 0 3 200 0 2 400 0 1 2500 0 2 300 0 2 250 10 9 1 60 80 250 60 50 10 9 2 106条 S 2MIPS 5 兼容性 系列机的软件兼容分为向上兼容 向下兼容 向前兼容和向后兼容 向上 下 兼容是指按某档次机器编制的程序 不加修改地就能运行在比它更高 低 档的机器上 系列机内的软件兼容一般是可以做到向上兼容 但向下兼容则要看到什么样的程度 不是都能做到的 向前 后 兼容是按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序 不加修改地就能运行在它之前 后 投放市场的机器上 对系列机的软件向下和向前兼容可不作要求 但必须保证向后兼容 向后兼容是软件兼容的根本保证 也是系列机的根本特征 系列机 指同一厂家生产的具有相同系统结构 但具有不同组成和实现的一系列内不同型号的计算机 兼容机 指不同厂家生产的具有相同系统结构 与系列机的思想是一致的 时间 1 5小结 本章是全书的序言 主要讨论了计算机系统基本部件的功能与结构 同时介绍了计算机的层次结构 并简要叙述了计算机的工作过程和解题步骤 最后向读者介绍了计算机的主要性能指标 通过本章的学习 读者应理解计算机的基本概念 初步了解计算机的组成和工作原理并对计算机系统建立起一个整体的概念 习题1 一 选择题1 在下列四句话中 最能准确反映计算机主要功能的是 A 计算机可以存储大量信息B 计算机能代替人的脑力劳动C 计算机是一种信息处理机D 计算机可实现高速运算2 1946年2月 在美国诞生了世界上第一台电子数字计算机 它的名字叫 1 1949年研制成功的世界上第一台存储程序式的计算机称为 2 1 A EDVACB EDSACC ENIACD UNIVAC 2 A EDVACB EDSACC ENIACD UNIVAC 3 计算机硬件能直接执行的只能是 A 符号语言B 机器语言C 汇编语言D 机器语言和汇编语言4 运算器的核心部件是 A 数据总线B 数据选择器C 累加寄存器D 算术逻辑运算部件 习题1 5 存储器主要用来 A 存放程序B 存放数据C 存放微程序D 存放程序和数据6 目前我们所说的个人台式商用机属于 A 巨型机B 中型机C 小型机D 微型机7 至今为止 计算机中所含所有信息仍以二进制方式表示 其原因是 A 节约元件B 运算速度快C 物理器件性能决定D 信息处理方便8 对计算机软 硬件资源进行管理 是的功能 A 操作系统B 数据库管理系统C 语言处理程序D 用户程序9 企事业单位用计算机计算 管理职工工资 这属于计算机的应用领域 A 科学计算B 数据处理C 过程控制D 辅助设计 习题1 10 微型计算机的发展以技术为标志 A 操作系统B 微处理器C 硬盘D 软件二 填空题1 操作系统是一种 1 用于 2 是 3 的接口 1 A 系统程序B 应用程序C 用户程序D 中间件 2 A 编码转换B 操作计算机C 管理和控制计算机的资源D 把高级语言程序翻译成机器语言程序 3 A 软件与硬件B 主机与外设C 用户与计算机D 高级语言与机器语言机2 计算机的硬件包括 五部分 3 存储器分为和 在CPU运行程序时 必须把程序放在 4 存储器的存储容量一般以为单位 一台微机