计算机组成原理(1-1)

1、计算机组成原理计算机组成原理The Principle of ComputerThe Principle of Computer 教教 材：材：计算机组成原理计算机组成原理（第五版）（第五版） 白中英白中英 参考资料：参考资料：计算机组成原理题解、题库与实验计算机组成原理题解、题库与实验 （第三版）（第三版）白中英、杨春武等白中英、杨春武等 计算机组成原理计算机组成原理（第四版）（第四版） 白中英白中英 计算机组成原理（第计算机组成原理（第2 2版）版） 唐朔飞唐朔飞 计算机组成原理计算机组成原理 王诚编著王诚编著1课程介绍课程介绍 计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学与技术专业的是计算机

2、科学与技术专业的一门核心课程，是计算机技术的最基础的课程之一，一门核心课程，是计算机技术的最基础的课程之一，可为后续相关计算机软件课程的学习打下坚实的基可为后续相关计算机软件课程的学习打下坚实的基础。通过此课程的学习，要使学习者获得计算机结础。通过此课程的学习，要使学习者获得计算机结构及工作原理的知识，建立清楚的计算机概念。构及工作原理的知识，建立清楚的计算机概念。 从课程的定位来看，先导课程是数字逻辑、数从课程的定位来看，先导课程是数字逻辑、数字电路；后续课程是操作系统、系统结构。前面属字电路；后续课程是操作系统、系统结构。前面属硬件，后面属软件，由此可见，组成原理介于硬件硬件，后面属软件，

3、由此可见，组成原理介于硬件和软件之间。和软件之间。2第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 计算机系统不同于一般的电子设备，它是一个计算机系统不同于一般的电子设备，它是一个由硬件、软件组成的复杂的自动化设备。由硬件、软件组成的复杂的自动化设备。n 主要内容：主要内容：u计算机的概念计算机的概念u计算机的分类计算机的分类u计算机的发展简史计算机的发展简史u计算机的硬件计算机的硬件u计算机的软件计算机的软件u计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构34计算机的概念计算机的概念n计算机的概念：计算机的概念： 是一种不需人工直接干预，能自是一种不需人工直接干预，能自动地、高速地、精确地完成数学运算

4、和数据处理动地、高速地、精确地完成数学运算和数据处理及存储的电子设备。及存储的电子设备。n习惯上所称的习惯上所称的“电子计算机电子计算机”是指现在广泛应用的是指现在广泛应用的电子电子数字数字计算机。计算机。n普通计算器不是计算机。普通计算器不是计算机。51.1 1.1 计算机计算机的分类的分类n计算机的分类计算机的分类 电子计算机一般分为电子计算机一般分为电子模拟计算机和电子数电子模拟计算机和电子数字计算机两大类字计算机两大类电子模拟计算机的电子模拟计算机的特点特点是数值由连续量来表示，是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。运算过程也是连续的。 电子数字计算机的主要电子数字计算机的主要特点

5、特点是按位运算，并且不是按位运算，并且不连续地跳动计算。两者区别见后表。连续地跳动计算。两者区别见后表。6比较内容比较内容数字计算机数字计算机模拟计算机模拟计算机数据表示方式数据表示方式数字数字0/1电压电压计算方式计算方式数字计数数字计数电压组合和测量值电压组合和测量值控制方式控制方式程序控制程序控制盘上连线盘上连线精度精度高高低低数据存储量数据存储量大大小小逻辑判断能力逻辑判断能力强强无无数字计算机与模拟计算机的主要区别数字计算机与模拟计算机的主要区别7数字计算机分类数字计算机分类n根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分

6、为两类：和适应性来划分，可以划分为两类：u专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。速的计算机，但是它的适应性很差。u通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。牲了效率、速度和经济性。n通用计算机分类通用计算机分类 u通用计算机可分为以下六类通用计算机可分为以下六类8通用计算机分类通用计算机分类PCPC机机单片机单片机多核机多核机 一般来说，超级计算机主要用于科学计算，其一般来说，超级计算机主要用于科学计算，其运算速度在每秒万亿次以上，数据存储容量很大，运算速度在

7、每秒万亿次以上，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵。单片计算机是只用一片集成结构复杂，价格昂贵。单片计算机是只用一片集成电路做成的计算机，体积小，结构简单，性能指标电路做成的计算机，体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜。较低，价格便宜。 随着巨大规模集成电路的迅速发展，单片机、随着巨大规模集成电路的迅速发展，单片机、多核机等彼此之间的概念也在发生变化，今天的单多核机等彼此之间的概念也在发生变化，今天的单片机可能就是明天的多核机。片机可能就是明天的多核机。 专用计算机是针对某一任务设计的计算机，一专用计算机是针对某一任务设计的计算机，一般来说，其结构比通用机简单。般来说，其结构比通用机简单

8、。9计算机的应用计算机的应用 计算机所以迅速发展，其生命力在于它的广计算机所以迅速发展，其生命力在于它的广泛应用。目前，计算机的应用范围几乎涉及人类泛应用。目前，计算机的应用范围几乎涉及人类社会的所有领域：从国民经济各部门到个人家庭社会的所有领域：从国民经济各部门到个人家庭生活，从军事部门到民用部门，从科学教育到文生活，从军事部门到民用部门，从科学教育到文化艺术，从生产领域到消费娱乐，无一不是计算化艺术，从生产领域到消费娱乐，无一不是计算机应用的天下。对于这么多的应用，可以归纳为机应用的天下。对于这么多的应用，可以归纳为七个方面。七个方面。10科学计算科学计算自动控制自动控制测量和测试测量和测

9、试 信息处理信息处理教育和卫生教育和卫生家用电器家用电器人工智能人工智能111.2 1.2 计算机的发展简史计算机的发展简史 世界上第一台数字电子计算机是世界上第一台数字电子计算机是19461946年年2 2月月1515日日在美国宾夕法尼亚大学摩尔电工学院诞生的在美国宾夕法尼亚大学摩尔电工学院诞生的ENIACENIAC（Electronic Numerical Integrator and Electronic Numerical Integrator and ComputerComputer）。）。ENIACENIAC是一个庞然大物，它共用了是一个庞然大物，它共用了18,00018,000多

10、个电子管，重达多个电子管，重达3030吨，占地面积吨，占地面积170170平方米，平方米，耗电耗电150150千瓦，运算速度为千瓦，运算速度为5,0005,000次次/ /秒。秒。 缺点：存储容量极小，只能存缺点：存储容量极小，只能存2020个字长为个字长为1010位位的十进制数，所以只能用线路连接的方法来编排程的十进制数，所以只能用线路连接的方法来编排程序，每次解题都要依靠人工来改变接线，准备时间序，每次解题都要依靠人工来改变接线，准备时间大大超过实际计算时间。大大超过实际计算时间。1213 这台计算机是科学史上的一次划时代的创新，这台计算机是科学史上的一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的

11、基础。它奠定了电子计算机的基础。6060多年的发展，从使多年的发展，从使用的器件角度来分，计算机的发展大致经历了五代用的器件角度来分，计算机的发展大致经历了五代的变化。的变化。14151.2.1 1.2.1 计算机的五代变化计算机的五代变化1 1 0 000 000 00000 000 000巨大规模巨大规模集成电路集成电路 19 199191现在现在五1 10 00 000 0000 000 000大规模和超大大规模和超大规模集成电路规模集成电路 1972 1972191990901 000 0001 000 000中小规模中小规模集成电路集成电路 1965 196519711971 1 1

12、00 00000 000晶体管晶体管 1958 195819641964 5 50 0000 000电子管电子管 1946 194619571957速度（次速度（次/ /秒）秒）硬件技术硬件技术时间时间 划代划代三三四四二二一16n第一代为第一代为l946 l946 19571957年，电子管计算机。计算机年，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，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，的基本体系确定了程序设计的基本方法，数据处数据处理机理机

13、开始得到应用。开始得到应用。n第二代为第二代为19581958 19641964年，晶体管计算机。运算速年，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。在此期间，小，成本降低。在此期间，工业控制机工业控制机开始得到应开始得到应用。用。n第三代为第三代为l965l965 19711971年，中小规模集成电路计算年，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。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

14、机种多样化，生产系列化，使用系统在此期间形成机种多样化，生产系列化，使用系统化，化，小型计算机小型计算机开始出现。开始出现。17n第四代为第四代为19711971 19901990年，大规模和超大规模集成年，大规模和超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，速度提高到每秒缩小，成本更进一步降低，速度提高到每秒10001000万万次至次至1 1亿次。由几片大规模集成电路组成的亿次。由几片大规模集成电路组成的微型计微型计算机算机开始出现。开始出现。n第五代为第五代为l991l991年开始的巨大规模集成电路计算机。年开

15、始的巨大规模集成电路计算机。运算速度提高到每秒运算速度提高到每秒1010亿次。由一片巨大规模集成亿次。由一片巨大规模集成电路实现的电路实现的单片计算机单片计算机开始出现。开始出现。 总之，从总之，从19461946年计算机诞生以来，大约每隔五年计算机诞生以来，大约每隔五年运算速度提高年运算速度提高1010倍，可靠性提高倍，可靠性提高l0l0倍，成本降低倍，成本降低1010倍，体积缩小倍，体积缩小1010倍。倍。18 计算机从第三代起，与集成电路技术的发展密计算机从第三代起，与集成电路技术的发展密切相关。切相关。LSILSI的采用，一块集成电路芯片上可以放的采用，一块集成电路芯片上可以放置置10

16、001000个元件，个元件，VLSIVLSI达到每个芯片达到每个芯片1 1万个元件，现万个元件，现在的在的ULSIULSI芯片超过了芯片超过了100100万个元件。万个元件。19651965年摩尔观年摩尔观察到芯片上的晶体管数量每年翻一番，察到芯片上的晶体管数量每年翻一番，19701970年这种年这种趋势减慢成每趋势减慢成每1818个月翻一番，这就是人们所说的个月翻一番，这就是人们所说的摩摩尔定律尔定律。191.2.2 1.2.2 半导体存储器的发展半导体存储器的发展 2020世纪世纪50 50 6060年代，所有计算机存储器都是由磁芯年代，所有计算机存储器都是由磁芯做成。每个磁芯一个磁化方向

17、代表做成。每个磁芯一个磁化方向代表1 1，另一个磁化方，另一个磁化方向代表向代表0 0。存储速度相当快，读存储器中的一位只需。存储速度相当快，读存储器中的一位只需1 1微秒。缺点是价格昂贵、体积大，而且读出是破坏性微秒。缺点是价格昂贵、体积大，而且读出是破坏性的，因此必须有读出后立即重写的数据的电路。的，因此必须有读出后立即重写的数据的电路。磁芯、磁表面磁芯、磁表面半导体分离元件半导体分离元件半导体集成电路半导体集成电路20 19701970年，年，仙童半导体公司仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半生产出了第一个较大容量半导体存储器。一个相当于单个磁芯大小的芯片，包含导体存储器。一个相当于单

18、个磁芯大小的芯片，包含了了256256位的存储器。这种芯片是非破坏性的，而且读位的存储器。这种芯片是非破坏性的，而且读写速度比磁芯快得多，读出一位只要写速度比磁芯快得多，读出一位只要7070纳秒，但价格纳秒，但价格比磁芯的贵。比磁芯的贵。 19741974年每位半导体存储器的价格低于磁芯。从此，存年每位半导体存储器的价格低于磁芯。从此，存储器的价格持续快速下跌，但存储密度不断增加。储器的价格持续快速下跌，但存储密度不断增加。 从从19701970年起，半导体存储器经历了年起，半导体存储器经历了1111代：单个芯片代：单个芯片1KB1KB、4KB4KB、16KB16KB、64KB64KB、256

19、KB256KB、1MB1MB、4MB4MB、16MB16MB、256MB256MB和现在的和现在的1GB1GB。每一代比前一代存储密度提高。每一代比前一代存储密度提高4 4倍，而每位价格和存取时间都在下降。倍，而每位价格和存取时间都在下降。 1K=2 1K=210 10 1M=2 1M=21010K=2K=22020 1G=2 1G=21010M=2M=22020K=2K=23030211.2.3 1.2.3 微处理器的发展微处理器的发展 19711971年，年，IntelIntel公司开发出公司开发出Intel 4004Intel 4004。这是第一个。这是第一个将将CPUCPU的所有元件都

20、放入同一块芯片内的产品，于是的所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器微处理器诞生了。诞生了。 Intel 4004 Intel 4004能完成两个能完成两个4 4位数相加，通过重复加位数相加，通过重复加运算完成乘法。运算完成乘法。40044004是微处理器的能力和功能不断是微处理器的能力和功能不断发展的奠基者。发展的奠基者。 4位8位16位32位及以上22 1972年出现了年出现了Intel8008。这是微处理器演变中的另。这是微处理器演变中的另一个主要进步。它是第一个一个主要进步。它是第一个8位微处理器，比位微处理器，比4004复杂一倍。复杂一倍。 1974年出现了年出现了Inte

21、l8080，是第一个，是第一个通用通用的微处理器的微处理器，4004和和8008是为特殊用途而设计的。是为特殊用途而设计的。8080也是也是8位微处理器，但比位微处理器，但比8008更快，有更丰富的指令集和更快，有更丰富的指令集和更强的寻址能力。更强的寻址能力。23 大约在同时，大约在同时，1616位微机被开发出来。但直到位微机被开发出来。但直到2020世纪世纪7070年代末才出现强大的通用年代末才出现强大的通用1616位微处理器，位微处理器， Intel Intel8 80 08686就是其中之一。就是其中之一。 1981 1981年，贝尔实验室和年，贝尔实验室和HPHP公司开发出了公司开发

22、出了3232位单位单片微处理器。片微处理器。 Intel Intel于于19851985年推出了年推出了3232位微处理器位微处理器IntelIntel8 80 0386386。241.2.4 1.2.4 计算机的性能指标计算机的性能指标n机器字长（处理机字长）机器字长（处理机字长） 机器字长机器字长是指是指CPUCPU能一次性处理的数据位数，一能一次性处理的数据位数，一般和般和CPUCPU中的寄存器位数有关。中的寄存器位数有关。字长越长，数的表示范围越大，精度越高，如字长越长，数的表示范围越大，精度越高，如3232位、位、6464位。位。25n存储器容量存储器容量 存储容量存储容量包括主存容

23、量和外存容量包括主存容量和外存容量 主存容量主存容量是指主存中存放的二进制代码的总数是指主存中存放的二进制代码的总数。 计算公式是：计算公式是： 存储容量存储容量 = = 存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长 一般地，主存容量越大，存放的信息越大，处一般地，主存容量越大，存放的信息越大，处理问题的能力越强。理问题的能力越强。外存容量外存容量是指外存中可以保存的信息总量。是指外存中可以保存的信息总量。n存储器带宽：是存储器的速度指标，单位时间内从存储器带宽：是存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/ /秒表秒表示。示。

24、26n主频主频/时钟周期时钟周期 CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫）叫CPU的主的主频频。 度量单位是度量单位是MHz（兆赫兹）、（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）（吉赫兹） 主频的倒数称为主频的倒数称为CPU时钟周期（时钟周期（T，Clock Cycle），即，即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。，度量单位是微秒、纳秒。n运算速度：运算速度： 计算机的运算速度和许多因素有关系，计算机的运算速度和许多因素有关系，比如机器主频，执行操作的具体类型，主存速度等比如机器主频，执行操作的具体类

25、型，主存速度等等。对应的衡量方法也有多种。等。对应的衡量方法也有多种。27n总线宽度：一般指总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。互连的内部总线二进制位数。nCPU执行时间：表示执行时间：表示CPU执行一般程序所占用的执行一般程序所占用的CPU时间，计算公式时间，计算公式 CPU执行时间执行时间=CPU时钟周期数时钟周期数 CPU时钟周期时钟周期nCPI:Clock cycles Per Instruction 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。均时钟周期数。CPI 执行某

26、段程序所需的执行某段程序所需的CPU时钟周期数时钟周期数 该程序包含的指令条数该程序包含的指令条数 28nMIPSMIPS： 表示平均每秒执行百万条定点指令数表示平均每秒执行百万条定点指令数MIPS MIPS 指令条数指令条数 程序执行时间程序执行时间 10 106 6 时钟频率时钟频率 CPI CPI 10 106 6 nFLOPSFLOPS：表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量：表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。机器浮点操作的性能。FLOPFLOPS S 程序中的浮点操作次数程序中的浮点操作次数 程序执行时间程序执行时间 29n吞吐量：表示一台计算机在某一时间间隔内能

27、够处吞吐量：表示一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。理的信息量。n响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。时间度量，用时间单位来度量。n利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。间所占的比率，用百分比表示。301.3 1.3 计算机的硬件计算机的硬件1.3.1 1.3.1 硬件组成要素硬件组成要素31以计算方程以计算方程 y = ax + b - c y = ax + b - c 来举例理解来举例理解 控制器：人的大脑的操作控制功能控制器

28、：人的大脑的操作控制功能 运算器：相当于算盘功能的部件运算器：相当于算盘功能的部件 存储器：相当于纸的存储器：相当于纸的“记忆记忆”功能部件功能部件 输入设备：交互接口，笔输入设备：交互接口，笔 输出设备：交互接口，纸输出设备：交互接口，纸321.3.2 1.3.2 运算器运算器 运算器的运算器的主要功能主要功能是进行加、减、乘、除等算是进行加、减、乘、除等算术运算和逻辑运算，因此通常称为术运算和逻辑运算，因此通常称为ALUALU（算术逻辑运（算术逻辑运算部件）。算部件）。 计算机中通常采用二进制数，在运算中，当数计算机中通常采用二进制数，在运算中，当数的位数越多时，计算的精度就越高。理论上讲

29、，数的位数越多时，计算的精度就越高。理论上讲，数的位数可以任意多。但是位数越多，所需的电子器的位数可以任意多。但是位数越多，所需的电子器件也越多，因此计算机的运算器长度一般是件也越多，因此计算机的运算器长度一般是8 8位、位、1616位、位、3232位、位、6464位。位。33341.3.3 1.3.3 存储器存储器 存储器的存储器的功能功能是保存和是保存和“记忆记忆”解题的原始数据和解题的原始数据和解题步骤。为此，在运算前需要把参加运算的数据和解题步骤。为此，在运算前需要把参加运算的数据和解题步骤通过输入设备送到存储器中保存起来。解题步骤通过输入设备送到存储器中保存起来。 注意注意：不论是数

30、据还是解题步骤，在存放到存储：不论是数据还是解题步骤，在存放到存储器前，已经变成器前，已经变成0 0和和1 1的二进制代码。的二进制代码。 目前采用的是半导体器件。假定一个数用目前采用的是半导体器件。假定一个数用1616位的位的二进制代码表示，就需要有二进制代码表示，就需要有1616个触发器来保存这些代个触发器来保存这些代码。在存储器中保存一个数的码。在存储器中保存一个数的1616个触发器称为一个个触发器称为一个存存储单元储单元。35 存储器是由多个存储单元组成的。每个存储单元存储器是由多个存储单元组成的。每个存储单元都有编号，称为都有编号，称为“地址地址”。向存储器中存数或者从存储。向存储器

31、中存数或者从存储器中取数，都要按给定的地址来寻找所选的存储单元器中取数，都要按给定的地址来寻找所选的存储单元。 存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容存储容量量。半导体存储器的存储容量有限，因此计算机中又。半导体存储器的存储容量有限，因此计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为为外存储器外存储器。因此，半导体存储器称为。因此，半导体存储器称为内存储器内存储器，简，简称称内存内存。（。（内存内存可以认为是可以认为是CPU可以直接访问的存储可以直接访问的存储器，而器，而外存外存则是则是CPU不能

32、直接访问的存储器，不能直接访问的存储器，CPU必必须通过内存才能访问外存。）须通过内存才能访问外存。）3637n 计算机常用外设计算机常用外设常用外设常用外设键盘键盘鼠标器（鼠标器（MOUSE）显示器（显示器（CRT）打印机（打印机（Printer） 绘图仪绘图仪外存储器外存储器电容式电容式薄膜式薄膜式机械式机械式针式针式光学光学机械机械软盘软盘喷墨喷墨激光激光光盘光盘硬盘硬盘38 存储单位存储单位: 位：位：bit，这是计算机中最小、最基本的存储单，这是计算机中最小、最基本的存储单位，位缩写为小写字母位，位缩写为小写字母 b。 字节：字节：Byte，1Byte=8 bit，即连续的，即连续的

33、8位二进制位二进制代码，字节缩写为大写字母代码，字节缩写为大写字母 B。 1024 B = 1KB = 210B 1024 KB = 1MB = 220B 1024 MB = 1GB = 230B 1024 GB = 1TB = 240B1.3.4 1.3.4 控制器控制器 控制器是计算机中发号施令的部件，它控制计算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。具体来说，控制器机的各部件有条不紊地进行工作。具体来说，控制器的任务是从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行的任务是从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作。某种操作。 39401 1、计算程序、计算程序

34、 运算器只能完成加、减、乘、除四则运算及一运算器只能完成加、减、乘、除四则运算及一些辅助操作。对于比较复杂的运算，计算机在运算些辅助操作。对于比较复杂的运算，计算机在运算前必须化成一步一步简单的加、减、乘、除等基本前必须化成一步一步简单的加、减、乘、除等基本操作来做。每操作来做。每一个基本操作就叫做一条一个基本操作就叫做一条指令指令，而解，而解算某一个问题的一串指令序列，叫做该问题的算某一个问题的一串指令序列，叫做该问题的计算计算程序程序，简称为，简称为程序程序（指令的有序集合）。（指令的有序集合）。注意注意：程序中的指令通常按顺序执行，所以这些指：程序中的指令通常按顺序执行，所以这些指令是顺

35、序地存放在存储器中。令是顺序地存放在存储器中。412 2、指令的形式、指令的形式 每条指令应当明确告诉控制器，从存储器的哪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。由此，指令的内容个单元取数，并进行何种操作。由此，指令的内容由两部分组成，即操作的性质（即由两部分组成，即操作的性质（即操作码操作码）和操作）和操作数的地址（即数的地址（即地址码地址码）。上述指令的格式为：）。上述指令的格式为： 操作码操作码指出指令所进行的操作，如指出指令所进行的操作，如加、减、乘、除加、减、乘、除、取数、存数等等；而、取数、存数等等；而地址码地址码表示参加运算的数据表示参加运算的数据应从

36、存储器的哪个单元中取出，或运算的结果应存应从存储器的哪个单元中取出，或运算的结果应存到哪个单元中去。到哪个单元中去。操作码操作码 地址码地址码 42 指令的操作码和地址码是用二进制代码来表示指令的操作码和地址码是用二进制代码来表示，其中地址码和数据一样，是二进制的，其中地址码和数据一样，是二进制的数码数码，而操，而操作码部分则是二进制代码的作码部分则是二进制代码的编码编码。指令指令操作码操作码加法加法001减法减法010乘法乘法011除法除法100取数取数101存数存数110打印打印111停机停机000指令的操作码定义指令的操作码定义43 指令数码化以后，就可以和数据一样放入存储指令数码化以后

37、，就可以和数据一样放入存储器。存储器的任何位置既可以存放数据也可以存放器。存储器的任何位置既可以存放数据也可以存放指令，不过一般是将指令和数据分开存放。将解题指令，不过一般是将指令和数据分开存放。将解题的程序的程序( (指令序列指令序列) )存放到存储器中称为存放到存储器中称为存储程序存储程序，而控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计而控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务叫做算任务叫做程序控制程序控制。存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行，这就是冯，这就是冯诺依曼型计算机的设计思想，也是机诺依曼型计算机的设计思想，也是机器自动化工作的关键。由于指令和数据放在同一个器

38、自动化工作的关键。由于指令和数据放在同一个存储器，称为存储器，称为冯冯诺依曼结构诺依曼结构，如果指令和数据分，如果指令和数据分别放在两个存储器，称为别放在两个存储器，称为哈佛结构哈佛结构，后者结构的计，后者结构的计算机速度更快。算机速度更快。44 一台计算机通常有几十种甚至上百种基本指令一台计算机通常有几十种甚至上百种基本指令，从而构成了这台计算机的，从而构成了这台计算机的指令系统指令系统。指令系统不指令系统不仅是硬件设计的依据，而且是软件设计的基础。因仅是硬件设计的依据，而且是软件设计的基础。因此，指令系统是衡量计算机性能的一个重要标志。此，指令系统是衡量计算机性能的一个重要标志。453 3

39、、控制器的基本任务、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。控制器的一条接一条地进行。控制器的基本任务基本任务，就是按照，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，再行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令。依次类推。执行第二条指令。

40、依次类推。46 通常把取指令的一段时间叫做通常把取指令的一段时间叫做取指周期取指周期，而把执行，而把执行指令的一段时间叫做指令的一段时间叫做执行周期执行周期。因此，控制器反复。因此，控制器反复交替地处在取指周期与执行周期之中。交替地处在取指周期与执行周期之中。每取出一条每取出一条指令，控制器中的指令计数器就加指令，控制器中的指令计数器就加1 1，从而为取下，从而为取下一条指令做好准备，这也就是指令为什么在存储器一条指令做好准备，这也就是指令为什么在存储器中顺序存放的原因。中顺序存放的原因。 在早期的计算机术语中，通常把运算器和控制在早期的计算机术语中，通常把运算器和控制器合在一起称为器合在一起

41、称为中央处理机中央处理机，简称，简称CPUCPU。目前存储。目前存储器也放入到器也放入到CPUCPU中，称为中，称为中央处理器中央处理器。取出取出指令指令执行执行指令指令474 4、指令流和数据流、指令流和数据流 由于计算机仅使用由于计算机仅使用0 0和和1 1两个二进制数字，所以两个二进制数字，所以使用使用“位位”(bit)(bit)作为数字计算机的信息单位。当作为数字计算机的信息单位。当CPUCPU向存储器存入或从存储器取出信息时，不能存取单向存储器存入或从存储器取出信息时，不能存取单个的个的“位位”，而用，而用B(B(字节字节) )和和W(W(字字) )等较大的信息单位等较大的信息单位来

42、工作。一个来工作。一个“字节字节”由由8 8位二进制信息组成，而一位二进制信息组成，而一个个“字字”则至少由一个以上的字节组成。通常把组成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一个字的二进制位数叫做字长字长。例如微型机的字长。例如微型机的字长可以是可以是8 8位，也可以达到位，也可以达到6464位。位。48 由于计算机使用的信息既有指令又有数据，所由于计算机使用的信息既有指令又有数据，所以计算机字既可以代表指令，也可以代表数据。如以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，则称为果某字代表要处理的数据，则称为数据字数据字；如果某；如果某字为一条指令

43、，则称为字为一条指令，则称为指令字指令字。 49 指令和数据都存放在内存中，从形式上看，它指令和数据都存放在内存中，从形式上看，它们都是二进制数码，似乎很难分清哪些是指令字，们都是二进制数码，似乎很难分清哪些是指令字，哪些是数据字。然而控制器完全可以将它们区分开哪些是数据字。然而控制器完全可以将它们区分开。一般来讲，。一般来讲，取指周期取指周期中从内存读出的信息流是中从内存读出的信息流是指指令流令流，它流向，它流向控制器控制器；而在；而在执行周期执行周期中从内存读出中从内存读出的信息流是的信息流是数据流数据流，它由内存流向，它由内存流向运算器运算器。例如从。例如从地址地址1717号单元读出的信

44、息流是指令流，而从地址号单元读出的信息流是指令流，而从地址912912号单元读出的信息流是数据流。显然，某些号单元读出的信息流是数据流。显然，某些指令进行过程中需要两次访问内存，一次是取指令指令进行过程中需要两次访问内存，一次是取指令，另一次是取数据，如前例中的取数、乘法、加法，另一次是取数据，如前例中的取数、乘法、加法、减法、存数指令就是如此。、减法、存数指令就是如此。1.3.5 1.3.5 适配器与输入输出设备适配器与输入输出设备 输入设备输入设备的的作用作用是把人们所熟悉的某种信息形式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。变换为机器内部所能接收和识别的

45、二进制信息形式。目前常用的输入设备是键盘、鼠标、数字扫描仪以及目前常用的输入设备是键盘、鼠标、数字扫描仪以及模数转换器等。模数转换器等。 输出设备输出设备的的作用作用是把计算机处理的结果变换为人是把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式。目前广或其他机器设备所能接收和识别的信息形式。目前广为使用的激光印字机、绘图仪、为使用的激光印字机、绘图仪、CRTCRT显示器等。这些显示器等。这些设备不仅能输出文字符号，而且还能画图作曲线。至设备不仅能输出文字符号，而且还能画图作曲线。至于于“会讲会讲”即输出语言的设备，目前已有高级产品问世即输出语言的设备，目前已有高级产品问世。50

46、 计算机的输入输出设备通常称为计算机的输入输出设备通常称为外围设备外围设备。这。这些外围设备有高速的也有低速的，有机电结构的，也些外围设备有高速的也有低速的，有机电结构的，也有全电子式的。由于种类繁多且速度各异，因而它们有全电子式的。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联系。器部件与主机相联系。 适配器适配器的的作用作用相当于一个转换器。它相当于一个转换器。它可以保证外可以保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息息。外围设备的类型很多

47、，因而有各种类型的适配器。外围设备的类型很多，因而有各种类型的适配器，它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行，它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备联系，以便使主机和外围设备并行协调并行协调地工作。地工作。 51 除了上述各部件外，计算除了上述各部件外，计算机系统中还必须有总线。机系统中还必须有总线。系系统总线统总线是构成计算机系统的是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。进行数据传送的公共通路。借助系统总线，计算机在各借助系统总线，计算机在各系统部件之间实现传送地址系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息

48、的操作。、数据和控制信息的操作。 以上我们对一台计算机以上我们对一台计算机硬件的组成有了一个粗略的硬件的组成有了一个粗略的印象，目的是为后面各章的印象，目的是为后面各章的学习提供一些方便。学习提供一些方便。521.4 1.4 计算机的软件计算机的软件 1.4.1 1.4.1 软件的组成和分类软件的组成和分类 凡是用于一台计算机的各种程序凡是用于一台计算机的各种程序, ,统称为这台计统称为这台计算机的算机的程序程序或或软件系统软件系统。53n计算机软件一般分为两大类：系统程序和应用程序。计算机软件一般分为两大类：系统程序和应用程序。系统程序（系统程序（System SoftwareSystem

49、Software）：用来简化程序设）：用来简化程序设计计, ,简化使用方法简化使用方法, ,提高计算机的使用效率提高计算机的使用效率, ,发挥和发挥和扩大计算机的功能及用途。包括四类：各种服务扩大计算机的功能及用途。包括四类：各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；操作系统；数据库管理系统。；操作系统；数据库管理系统。应用程序应用程序(Application Software)(Application Software)：用户利用计：用户利用计算机来解决某些

50、问题所编制的程序，如工程设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、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。计算机的广泛应用，这类程序的种类越来越多。54n计算机软件一般分为两大类：系统程序和应用程序。计算机软件一般分为两大类：系统程序和应用程序。系统程序（系统程序（System SoftwareSystem Software）：用来简化程序设）：用来简化程序设计计, ,简化使用方法简化使用方法, ,提高计算机的使用效率提高

51、计算机的使用效率, ,发挥和发挥和扩大计算机的功能及用途。包括四类：各种服务扩大计算机的功能及用途。包括四类：各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；操作系统；数据库管理系统。；操作系统；数据库管理系统。应用程序应用程序(Application Software)(Application Software)：用户利用计：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

52、、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。计算机的广泛应用，这类程序的种类越来越多。55561.4.2 1.4.2 软件的发展演变软件的发展演变 下面以系统程序为例，简要说明软件的发展演变下面以系统程序为例，简要说明软件的发展演变过程。过程。 目的程序目的程序汇编语言汇编语言高级语言（算法语言）高级语言（算法语言）目的程序目的程序：早期计算机中，人们直接用机器语言编：早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，这种方式编写的程序称为手编程序。这种写程序，这种方式编写的程序称为

53、手编程序。这种用机器语言书写的程序，计算机完全可以用机器语言书写的程序，计算机完全可以“识别识别”并并能执行，所以又叫做能执行，所以又叫做目的程序目的程序。但却是一件繁琐的。但却是一件繁琐的工作，需要耗费大量的人力和时间，而且容易出错工作，需要耗费大量的人力和时间，而且容易出错，很难寻找出错误，这些情况大大限制了计算机的，很难寻找出错误，这些情况大大限制了计算机的使用。使用。机器语言机器语言：机器能识别的二进制码（：机器能识别的二进制码（EXE文件）。文件）。57汇编语言汇编语言：用一些约定的文字、符号和数字按规定：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

54、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，这就是所谓的符号表示的指令来编写程序，这就是所谓的汇编语汇编语言言。用汇编语言编写的程序即。用汇编语言编写的程序即汇编语言源程序汇编语言源程序。速。速度快，汇编程序小。度快，汇编程序小。高级语言（算法语言）高级语言（算法语言）：指按实际需要规定好的一：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。套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则。面向用户，脱离具体机器，代码效率低，执行速度面向用户，脱离具体机器，代码效率低，执行速度慢，对机器不直接，编译程序庞大。有影响的算法慢，对机器不直接，编译程序庞大。有影

55、响的算法语言：语言：BASICBASIC，FORTRANFORTRAN，C C，C+C+，JAVAJAVA等。等。58n汇编语言与机器语言的转换汇编语言与机器语言的转换汇编程序汇编程序：把汇编语言编写的程序（把汇编语言编写的程序（源程序源程序）翻）翻译成机器硬件能执行的程序（译成机器硬件能执行的程序（目标程序目标程序）的程序的程序称为称为汇编程序汇编程序，即负责翻译，即负责翻译汇编语言源程序汇编语言源程序的程的程序叫汇编程序。借助该程序，计算机可自动地将序叫汇编程序。借助该程序，计算机可自动地将符号语言表示的程序（符号语言表示的程序（汇编语言源程序汇编语言源程序）翻译成）翻译成用机器语言表示的

56、目的程序，从而实现了程序设用机器语言表示的目的程序，从而实现了程序设计工作的部分自动化。计工作的部分自动化。59n高级语言与机器语言的转换高级语言与机器语言的转换 编译程序编译程序：将高级语言源程序在计算机内转换成：将高级语言源程序在计算机内转换成目标程序的程序。由于目的程序一般不能独立运目标程序的程序。由于目的程序一般不能独立运行，还需要一种叫运行系统的辅助程序来帮助。行，还需要一种叫运行系统的辅助程序来帮助。通常，把编译程序和运行系统合称为通常，把编译程序和运行系统合称为编译系统编译系统。解释程序解释程序：计算机系统逐条读取用高级语言编写：计算机系统逐条读取用高级语言编写的源程序语句，每读

57、一条，就执行与该条语句相的源程序语句，每读一条，就执行与该条语句相对应的一组机器指令，直到结束。不产生目标码对应的一组机器指令，直到结束。不产生目标码。执行该过程的程序称为。执行该过程的程序称为解释程序解释程序。60源程序源程序：指用算法语言编写的程序。这种源程序：指用算法语言编写的程序。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配备一个即懂算法语言又懂机器语言的“翻译翻译”，才能把源程序翻译为机器语言。才能把源程序翻译为机器语言。n硬件与软件：相辅相成，互为依托。硬件与软件：相辅相成，互为依托。61 随着计

58、算机技术的日益发展，人们又创造出一随着计算机技术的日益发展，人们又创造出一类程序，叫做类程序，叫做操作系统操作系统。它是随着硬件和软件不断。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，用来管理计算机发展而逐渐形成的一套软件系统，用来管理计算机资源资源( (如处理器、内存、外部设备和各种编译、应如处理器、内存、外部设备和各种编译、应用程序用程序) )和自动调度用户的作业程序，而使多个用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。操作系统的出现户能有效地共用一套计算机系统。操作系统的出现，使计算机的使用效率成倍地提高，并且为用户提，使计算机的使用效率成倍地提高，并且为

59、用户提供了方便的使用手段和满意的服务质量。供了方便的使用手段和满意的服务质量。 根据使用环境的要求不同，操作系统目前大致根据使用环境的要求不同，操作系统目前大致分为：批处理操作系统、分时操作系统、网络操作分为：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。系统、实时操作系统等。62 随着计算机在信息处理、情报检索及各种管理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，于是出现了数据库。和检索大量的表格，于是出现了数据库。数据库数据库：实现有组织地、动态地存储大量相关数据：实现有组织

60、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，方便多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统。统。数据库数据库和和数据库管理软件数据库管理软件一起，组成了一起，组成了数据库管理数据库管理系统系统。631.5.1 1.5.1 多级组成的计算机系统多级组成的计算机系统 本教材中，提出了五级结构。也有教材提到六本教材中，提出了五级结构。也有教材提到六级结构，那就是指最下面的第级结构，那就是指最下面的第0 0级级硬联逻辑级，硬联逻辑级，是计算机的内核，由门、触发器等逻辑电路组成。是计算机的内核，由门、触发器等逻辑电路组成。1.5 1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构