计算机组成原理1.1-1.4

1、计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 1 第一章 概论 计算机的诞生和发展 1.1 计算机系统的组织 1.2 计算机的特点与性能 1.3 计算机的基本概念 1.4 1 1、信息如何表示，才能被计算机识别？、信息如何表示，才能被计算机识别？ 2 2、采用什么工作方式，才能使计算机自动、采用什么工作方式，才能使计算机自动 地对信息进行处理？地对信息进行处理？ 3 3、采用什么部件，使计算机完成相应的功能？、采用什么部件，使计算机完成相应的功能？ 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 3 计算机之父计算机之父： 冯冯 诺依曼诺依曼 美籍匈牙利美籍匈牙利人人 John von Neumann 冯诺

2、依曼体制计算机：按存 储方式工作的计算机统称为冯诺 依曼体制计算机。 19461946年6 6月由冯诺依曼等人 首次提出。 计算机的体系结构发生了许多 变化，但冯诺依曼提出的二进制、 程序存储和程序控制，依然是普遍 遵循的原则。 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 4 冯诺依曼体制的主要思想诺依曼体制的主要思想 1. 采用二进制代码表示数据和指令。采用二进制代码表示数据和指令。 2. 采用存储程序工作方式（采用存储程序工作方式（核心核心）。）。 3. 计算机硬件系统由五大部件构成。计算机硬件系统由五大部件构成。 （运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备）（运算器、存储器、控制器、输入设

3、备和输出设备） 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 5 将程序存将程序存 储于计算储于计算 机的机的存储存储 器中器中 事先编制事先编制 程序程序 运行时自运行时自 动、连续动、连续 地从存储地从存储 器中依次器中依次 取出指令取出指令 并执行并执行 程序员程序员存储器存储器计算机计算机 1.1.2 冯诺依曼结构计算机采用存储程 序 工作方式： 任何要计算机完成的工作都要先 被编写成程序，然后将程序和原 始数据送入主存并启动执行。一 旦程序被启动，计算机应能在不 需操作人员干预下，自动完成逐 条取出指令和执行指令的任务。 冯诺依曼结构是怎样的？ l应该有个主存，用来存 放程序和数据 l应该

4、有一个自动逐条取 出指令的部件 l还应该有具体执行指令 （即运算）的部件 l程序由指令构成 l指令描述如何对数据进 行处理 l应该有将程序和原始数 据输入计算机的部件 l应该有将运算结果输出 计算机的部件 你还能想出更多吗？ IAS计算机结构 西南石油大学西南石油大学 SWPU 冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图 7 算术运算算术运算 逻辑运算逻辑运算 存放数据存放数据 和程序和程序 将信息转换成机将信息转换成机 器能识别的形式器能识别的形式 将结果转换成将结果转换成 人们熟悉的形式人们熟悉的形式 控制程序控制程序 运行运行 存储器存储器 输入设备输入设备运算器运算器 控制器控制器

5、输出设备输出设备 实线为数据线 虚线为控制线和反馈线 西南石油大学西南石油大学 SWPU 冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点 8 1. 计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成 3. 指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示 4. 指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成 6. 以运算器为中心以运算器为中心 2. 指令和数据以同等地位存于存储器可按地址寻访指令和数据以同等地位存于存储器可按地址寻访 5. 存储程序存储程序5. 存储程序存储程序 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 9 控制信息 计算机中的信息 数据信息 控制信息：控制信号（微命令）序列，控制计算机的工作。控

6、制信息：控制信号（微命令）序列，控制计算机的工作。 数据信息：计算机加工处理的对象，分为数值型和非数值型。数据信息：计算机加工处理的对象，分为数值型和非数值型。 信息的数字化表示包含两层含义：信息的数字化表示包含两层含义： 用用数字代码数字代码表示各种信息表示各种信息 用用数字信号数字信号表示数字代码表示数字代码 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 10 一、 用数字代码表示各种信息 二进制代码二进制代码 例例1 用数字代码表示数据用数字代码表示数据 5 - 5 表示为表示为 00000101 表示为表示为 10000101 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 11 例例2 2 用数字

7、代码表示用数字代码表示字符字符(ASCII(ASCII码）码） A A B B 表示为表示为 100 0001100 0001 41H 41H 表示为表示为 100 0010100 0010 42H 42H 例例3 3 用数字代码表示命令、状态用数字代码表示命令、状态 启动启动 停止停止 正在工作正在工作 工作结束工作结束 表示为表示为 00 00 表示为表示为 01 01 表示为表示为 10 10 表示为表示为 11 11 1 1 2 2 表示为表示为 011 011 00010001 31H31H 表示为表示为 011 011 00100010 32H32H 信息的数字化 声音 文字 图像

8、 指令 这些信息如何表示？ 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 13 二、 在物理机制上用数字信号表示数字代码 数字型电信号数字型电信号例例1 用电平信号表示数用电平信号表示数字代码字代码 高电平高电平 1 低电平低电平 0 并行传送信息并行传送信息 1 0 1 1 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 14 二、 在物理机制上用数字信号表示数字代码 数字型电信号数字型电信号 例例2 用脉冲信号表示数用脉冲信号表示数字代码字代码 有脉冲有脉冲无脉冲无脉冲 有脉冲有脉冲 101 串行传送信息串行传送信息 10110 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 15 三. 用数字化方法表示信息的

9、主要优点 （1）在物理上容易实现信息的表示与存储）在物理上容易实现信息的表示与存储 （2）抗干扰能力强，可靠性高）抗干扰能力强，可靠性高 （3）数值的表示范围大，表示精度高）数值的表示范围大，表示精度高 （4）表示的信息类型极其广泛）表示的信息类型极其广泛 （5）能用）能用数字逻辑技术数字逻辑技术进行信息处理进行信息处理 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 16 第一章 概论 计算机的诞生和发展 1.1 计算机系统的组织 1.2 计算机的特点与性能 1.3 计算机的基本概念 1.4 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 17 1.3.1 计算机硬件系统 1.3.2 计算机软件系统 1.3

10、.3 系统组成的层次结构 1.3.4 硬件、软件的逻辑等价 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 18 计算机计算机 系统系统 软件 硬件 硬件 “看得见、摸得着 ”的物理载体 软件 程序及其配套的 数据、文档等 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 19 ALUALU 主存主存 缓存缓存CacheCache 辅存辅存 CPUCPU 主机主机 I/OI/O 硬件硬件 CUCU 存储器存储器 输入设备输入设备 运算器运算器 输出设备输出设备 控制器控制器 ALUALU CPU 主机主机 I/OI/O CUCU 主主 存存 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 20 总线：一组连接多个部件总

11、线：一组连接多个部件分时共享分时共享的信息传输线。的信息传输线。 地址总线地址总线：用于传输地址信息，比如：用于传输地址信息，比如：CPUCPU发向主存、外设发向主存、外设等。等。 数据总线：数据总线：双向的多根信号线，用于传输数据双向的多根信号线，用于传输数据信息。信息。 控制总线：控制总线：传输控制信息，包括传输控制信息，包括CPUCPU送出的控制命令和主存送出的控制命令和主存 （或外设）返回（或外设）返回CPUCPU的反馈信号的反馈信号。 何谓何谓I/OI/O接口？接口？ 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 21 在系统连接上分为四级：主机、通道、设备控制器、外部设备。在系统连接上分

12、为四级：主机、通道、设备控制器、外部设备。 第四级第四级第三级第三级第二级第二级 主存主存 CPU 通道通道 通道通道 设备设备 控制器控制器 设备设备 控制器控制器 设备设备 控制器控制器 设备设备 控制器控制器 外设外设 外设外设 外设外设 外设外设 外设外设 外设外设 外设外设 外设外设 主机主机 第一级第一级 多多ALUALU 多多存储体存储体 交叉访问交叉访问 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 22 CPUCPU M M 接口接口 I/OI/O IOPIOP LMLM 接口接口 I/OI/O 系统总线系统总线 I/O总线总线 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 23 处理单

13、元1 处理单元n 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 24 节点1节点n 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 25 1.3.2 计算机的软件系统 软件软件 操作系统 语言处理程序 数据库管理系统 服务性程序 (编辑编辑、调试、调试 、诊断、诊断) 网络软件 系统软件系统软件应用软件应用软件 Office 防毒/杀毒软件 QQ 各类游戏 影音播放器 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 26 硬件 系统软件 1.3.3 计算机系统的层次 应用软件 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 27 一、 从硬、软组成角度划分的层次结构模型 硬件部分 软件部分 软硬界面软硬界面 自下而上 计算

14、机系统的 逐级生成过程 自上而下 应用计算机求 解问题的过程 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 28 自下而上的设计、分析方法 设置硬核的依据 软件设计的源头 自上而下的设 计、分析方法 设计算法 编写源程序 操作系统调度下 生成目标程序 机器语言 硬件执行程序 计算机系统抽象层的转换 程序执行结果 不仅取决于 算法、程序编写 而且取决于 语言处理系统 操作系统 ISA 微体系结构 不同计算机课程 处于不同层次 必须将各层次关 联起来解决问题 功能转换：上层是下层的抽象，下层是上层的实现 底层为上层提供支撑环境！ 最高层抽象就是点点鼠标、拖拖图标、敲敲键盘，但这背后有多少层转化啊！ 计算

15、机系统的不同用户 最终用户工作在由应用程序提供的最上面的抽象层 系统管理员工作在由操作系统提供的抽象层 应用程序员工作在由语言处理系统（主要有编译器和汇编器）的抽象层 语言处理系统建立在操作系统之上 系统程序员（实现系统软件）工作在ISA层次，必须对ISA非常了解 编译器和汇编器的目标程序由机器级代码组成 操作系统通过指令直接对硬件进行编程控制 ISA处于软件和硬件的交界面（接口） ISA是对硬件 的抽象 所有软件功 能都建立在 ISA之上 举例说明，你在什么情况（或环境）下是 最终用户、系统管理员、应用程序员和系统程 序员? 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 31 二、 从语言功能角度

16、划分层次结构 机器语言（面向机器）机器语言（面向机器） 汇编语言（面向机器）汇编语言（面向机器）高级语言（面向高级语言（面向用户用户） 专用语言虚拟机 高级语言虚拟机 汇编语言虚拟机 实际机器（机器语言物理机） 程序 v 用机器语言编写程序，并记录在纸带或卡片上 用机器语言编写程序 穿孔表示0，未穿孔表示1 0：0101 0110 1：0010 0100 2： 3： 4： 0110 0111 5： 6： 假设：0010-jxx 若在第4条指令前加入指 令，则需重新计算地址码 （如jxx的目标地址）， 然后重新打孔。不灵活！ 书写、阅读困难！ 太原始了，无法忍受，咋办？ 用符号表示而不用0/1表

17、示！ 输入：按钮、开关； 输出：指示灯等 所有信息都 是0/1序列！ v若用符号表示跳转位置和变量位置，是否简化了 问题？ v于是，汇编语言出现 用助记符表示操作码 用标号表示位置 用助记符表示寄存器 . 用汇编语言开发程序用汇编语言开发程序 0：0101 0110 1：0010 0100 2： 3： 4： 0110 0111 5： 6： 7： add B jxx L0 L0：sub C B： C： 在第4条指令 前加指令时 不用改变 add、jxx和 sub指令中的 地址码！ 你认为用汇编语言编写的优点是： 不会因为增减指令而需要修改其他指令 不需记忆指令码，编写方便 可读性比机器语言强 不

18、过，这带来新的问题，是什么呢？ 人容易了，可机器不认识这些指令了！ 需将汇编语言转 换为机器语言！ 用汇编程序转换 v 汇编语言源程序由汇编指令构成 v 你能用一句话描述什么是汇编指令吗？ 用助记符和标号来表示的指令（与机器指令一一对应） v 指令又是什么呢？ 包含操作码和操作数或其地址码 （机器指令用二进制表示，汇编指令用符号表示） 只能描述：取（或存一个数） 两个数加（或减、乘、除、与、或等） 根据运算结果判断是否转移执行 v 想象用汇编语言编写复杂程序是怎样的情形？ （例如，用汇编语言实现排序（sort）、矩阵相乘） 需要描述的细节太多了！程序会很长很长！而且在不同 结构的机器上就不能运

19、行！ 进一步认识机器级语言进一步认识机器级语言 add B jxx L0 L0：sub C B： C： 机器语言和汇编 语言都是面向机 器结构的语言， 故它们统称为机 器级语言 结论：用汇编语言比机器语言好，但是，还是很麻烦！ 用高级语言开发程序 v 随着技术的发展，出现了许多高级编程语言 它们与具体机器结构无关 面向算法描述，比机器级语言描述能力强得多 高级语言中一条语句对应几条、几十条甚至几百条指令 有“面向过程”和“面向对象”的语言之分 处理逻辑分为三种结构 顺序结构、选择结构、循环结构 有两种转换方式：“编译”和“解释” 编译程序(Complier)：将高级语言源程序转换为机器级目标

20、程序，执行时只要启动目标程序即可 解释程序(Interpreter )：将高级语言语句逐条翻译成机器指 令并立即执行，不生成目标文件。 现在，几乎所有程序员 都用高级语言编程，但 最终要将高级语言转换 为机器语言程序 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 36 从语言功能划分的层次结构从语言功能划分的层次结构 高级语言高级语言: 用用编译程序编译程序翻译成翻译成汇编语言汇编语言程序程序 虚拟机器虚拟机器 M M3 汇编语言：汇编语言： 用用汇编程序汇编程序翻译成翻译成机器语言机器语言程序程序 虚拟机器虚拟机器 M M2 操作系统： 用机器语言解释操作系统 虚拟机器 机器语言：机器语言：用微指

21、令解释机器指令用微指令解释机器指令实际机器实际机器 M M1 由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令 微程序机器微程序机器 M M0 软软 件件 硬硬 件件 不同层次语言之间的等价转换 每条指令由操 作码和若干地 址码组成 任何高级语言程序最终通过执行若干条指令来完成！ 开发和运行程序需什么支撑？ v 最早的程序开发很简单（怎样简单？） 直接输入指令和数据，启动后把第一条指令地址送PC开始执行 v 用高级语言开发程序需要复杂的支撑环境（怎样的环境？） 需要编辑器编写源程序 需要一套翻译转换软件处理各类源程序 编译方式：预处理程序、编译器、汇编器、链接器 解释方式：解释程序 需要一个可以执行程

22、序的界面（环境） GUI方式：图形用户界面 CUI方式：命令行用户界面 支撑程序开发和运行的环境由系统软件提供 最重要的系统软件是操作系统和语言处理系统 语言处理系统运行在操作系统之上，操作系统利用指令管理硬件 语言 处理 程序 人机 接口 语言的运行时系统 操作系统内核 指令集体系结构 计算机硬件 操作 系统 语言处理系统 早期计算机系统的层次 v最早的计算机用机器语言编程 机器语言称为第一代程序设计语 言（First generation programming language ， 1GL ） v后来用汇编语言编程 汇编语言称为第二代程序设计语 言（Second generation p

23、rogramming language ， 2GL ） 应用程序 指令集体系结构 计算机硬件 汇编程序 操作系统 指令集体系结构 计算机硬件 应用程序 现代（传统）计算机系统的层次 v现代计算机用高级语言编程 第三代程序设计语言（3GL）为过程式 语言，编码时需要描述实现过程，即“ 如何做”。 第四代程序设计语言（4GL） 为非过程 化语言，编码时只需说明“做什么”， 不需要描述具体的算法实现细节。 语言处理系统 操作系统 指令集体系结构 计算机硬件 应用程序 可以看出：语言的发展是一 个不断“抽象”的过程，因 而，相应的计算机系统也不 断有新的层次出现 语言处理系统包括：各种语 言处理程序（

24、如编译、汇编、 链接）、运行时系统（如库 函数，调试、优化等功能） 操作系统包括人机交互界面、 提供服务功能的内核例程 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 41 以硬件为基础 用软件扩充其功能 用执行程序体现功能 计算机系统计算机系统 对用户：许多功能即可以用硬件直接实现，也可以在对用户：许多功能即可以用硬件直接实现，也可以在硬件硬件 的支持的支持下用软件实现，功能上是等价的下用软件实现，功能上是等价的 如何恰当地分配硬件、软件的功能？ 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 42 硬件软化硬件软化: 软件软件完成较复杂完成较复杂功能功能, 以降低硬件开销。以降低硬件开销。 软件硬化软件硬

25、化: 硬件硬件完成较复杂完成较复杂功能功能, 以以提高处理速度。提高处理速度。 软件软件固化固化: 运行固化运行固化在在ROM中的中的程序程序实现较实现较复杂复杂 功能，以功能，以提高性价比提高性价比。 功能分配与设计目标、技术条件有关功能分配与设计目标、技术条件有关。 1.3.4 硬、软件的功能划分与逻辑上的等价 如：如： IBM-PC机的机的BIOS固化在系统板上，固化在系统板上， Pentium微处理器将存储管理功能集成于微处理器将存储管理功能集成于CPU芯片中芯片中 固件：任何将程序固化在固件：任何将程序固化在 ROMROM中组成的部件。固件是一种中组成的部件。固件是一种 具有软件特性

26、的硬件，它既具有硬件的快速特点，又有软具有软件特性的硬件，它既具有硬件的快速特点，又有软 件的灵活性特点。件的灵活性特点。 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 43 1.3.4 硬、软件的功能划分与逻辑上的等价 性能性能 软件软件硬件硬件 硬件比例少硬件比例少 硬件比例增加硬件比例增加 在完成相同功能的前提下在完成相同功能的前提下: 价格价格 技术条件要求技术条件要求 性能性能 价格价格 技术条件要求技术条件要求 硬件硬件软件软件 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 44 在程序控制下自动连续地工作在程序控制下自动连续地工作 运算速度快运算速度快 运算精度高运算精度高 存储能力强存储能

27、力强 通用性强通用性强 数字计算机 的特点 1.4.1 数字计算机的特点 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 45 1.1.基本字长 参与一次运算或并行传送的数的位数；参与一次运算或并行传送的数的位数； 它反映寄存器、它反映寄存器、ALUALU和数据总线的位数；和数据总线的位数； 字长越长，运算精度就越高，但硬件成本增高字长越长，运算精度就越高，但硬件成本增高。 2.2.运算速度 可以用每秒所能执行的指令条数可以用每秒所能执行的指令条数表示；表示； 单位：单位： 条条秒；秒； 目前有三种计算执行速度的方法。目前有三种计算执行速度的方法。 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 46 (1)

28、 CPU主频(又称时钟频率)，通常以MHz(兆赫兹)为单位。 CPU时钟周期：主频的倒数 外频：系统总线的工作频率，具体是指CPU到芯片组之间的总 线速度，是CPU与主板之间同步运行的速度 (2)平均每秒执行指令数IPS(lnstructions Per Second)。 MIPS：Million lnstructions Per Second， 表示每秒执行百万条指令表示每秒执行百万条指令 (3)平均每条指令的时钟周期数CPI(Clock cyclesPer lnstruction) (4) MFLOPS: Million Floating point Operations Per Seco

29、nd 表示每秒执行多少百万次浮点运算表示每秒执行多少百万次浮点运算 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 47 3. 3. 数据通路宽度与数据传送率 （1 1）数据通路宽度）数据通路宽度 数据总线一次能并行传送的数据位数。数据总线一次能并行传送的数据位数。 v CPUCPU内部的数据通路宽度一般与等于基本字长；内部的数据通路宽度一般与等于基本字长； v CPUCPU外部的数据通路宽度取决系统总线；外部的数据通路宽度取决系统总线； v CPUCPU外部和内部的数据通路宽度有相等和不等。外部和内部的数据通路宽度有相等和不等。 如：如：Intel8086(16Intel8086(16位机位机) )

30、 ，Intel8088(Intel8088(准准1616位机位机) ) （2 2）数据传送率（或数据总线的带宽）数据传送率（或数据总线的带宽） 数据传送率数据传送率= =总线数据通路宽度总线数据通路宽度总线时钟频率总线时钟频率（B/S)B/S) 例如：例如：PCIPCI总线宽度总线宽度3232位，总线频率位，总线频率33MHz33MHz， 总线带宽总线带宽=32=3233M/8=132MB/s33M/8=132MB/s（或（或BpsBps）。）。 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 48 4. 4. 主存容量 (1) (1) 字节数字节数: : 用字节用字节( (即即Byte)Byte)作

31、单位，记作作单位，记作B B。 常用的单位有常用的单位有KBKB，MBMB，GBGB和和TBTB。 lK(kilo)BlK(kilo)B2 210 10B B，称作千字节 ，称作千字节(1024B) (1024B) ； 1M(mega)B1M(mega)B2 220 20B B，称作兆 ，称作兆( (百万百万) )字节；字节； 1G(giga)B1G(giga)B2 230 30B B，称作吉 ，称作吉(10(10亿亿) )字节；字节； 1T(tera)B1T(tera)B2 240 40B B，称作太 ，称作太( (万亿万亿) )字节字节; 1P(pera)B=250B，称作千万亿字节，称作

32、千万亿字节; (2) (2) 单元数单元数( (字数字数) )位数位数: : 用二进制的位用二进制的位(bit)(bit)作单位。作单位。 以前大中型计算机常用这种单位，如：以前大中型计算机常用这种单位，如：64K64K16。 5. 5. 外存容量 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU 49 6. 6. 所配置的外围设备及其性能指标 由于总线技术、计算机系统结构和网络技术的发展，由于总线技术、计算机系统结构和网络技术的发展， 使得计算机系统扩展外设变得越来越简单、可靠。使得计算机系统扩展外设变得越来越简单、可靠。 小型计算机常用的外设有磁带、磁盘、绘图仪、打印小型计算机常用的外设有磁带、磁盘、绘图仪、打印 机等。机等。 微型计算机常用的外设有软盘、硬盘、打印机等。微型计算机常用的外设有软盘、硬盘、