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 SWPU1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1.41 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 SWPU3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 冯诺依曼体制计算机：按存储方式工作的计

2、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 SWPU4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、输入设备和输出设备）计算机组成原理计算机组成原理 SWPU

3、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

4、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81. 计算机由五大部件组成计算机由五大

5、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 SWPU9 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：

6、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 SWPU10 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 SWPU11例例2 2 用数字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 42

7、H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指令这些信息如何表示？计算机组成原理计算机组成原理 SWPU13二、 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

8、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 SWPU14二、 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 SWPU15 三. 用数字化方法表示信息的主要优点 （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

9、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 SWPU16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 SWPU171.3.1 计算机硬件系统1.3.2 计算机软件系统1.3.3 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 SWPU18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 SWPU19ALUALU主存主存缓存缓存CacheCach

10、e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ALUALUCPU主机主机I/OI/OCUCU主主存存计算机组成原理计算机组成原理 SWPU20总线：一组连接多个部件总线：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

11、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 SWPU21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 SWPU22CPU

12、CPUM M接口接口I/OI/OIOPIOPLMLM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 SWPU23处理单元1 处理单元n计算机组成原理计算机组成原理 SWPU24节点1节点n计算机组成原理计算机组成原理 SWPU251.3.2 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 SWPU26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

13、组成原理 SWPU27一、 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 SWPU28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

14、拖图标、敲敲键盘，但这背后有多少层转化啊！计算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 SWPU31二、 从语

15、言功能角度划分层次结构 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10：0101 01101：0010 01002： 3： 4： 0110 01115： 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表示！输入：按钮、开关；输出：

16、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 01101：0010 01002： 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

17、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

18、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

19、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 SWPU36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

20、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

21、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 programming 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（3G

22、L）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（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 SWPU41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

23、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 SWPU42 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

24、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 SWPU431.3.4 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

25、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 SWPU44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 SWPU45 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

26、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 SWPU46(1) 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

27、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 Second 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 SWPU473. 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

28、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) ) ，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=13

29、2MB/s33M/8=132MB/s（或（或BpsBps）。）。 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU484. 4. 主存容量 (1) (1) 字节数字节数: : 用字节用字节( (即即Byte)Byte)作单位，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 21010B B，称作千字节，称作千字节(1024B) (1024B) ； 1M(mega)B1M(mega)B2 22020B B，称作兆，称作兆( (百万百万) )字节；字节； 1G(giga)B1G(giga)B2 23030B B，称作吉，称

30、作吉(10(10亿亿) )字节；字节； 1T(tera)B1T(tera)B2 24040B 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 SWPU496. 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、打印机等。