第一章计算机系统概论

1、计算机组成原理计算机组成原理唐朔飞唐朔飞第版第版第章第章 计算机系统概论计算机系统概论第章第章 系统总线系统总线第章第章 存储器存储器第章第章 输入输出系统输入输出系统第章第章 计算机的运算方法计算机的运算方法第章第章 指令系统指令系统第章第章 CPU CPU 的结构和功能的结构和功能第章第章 控制单元的功能控制单元的功能第第1010章章 控制单元的设计控制单元的设计第章第章 计算机的发展及应用计算机的发展及应用第章第章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 1.1 计算机系统简介计算机系统简介1.4 1.4 本书结构本书结构1.3 1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.2

2、 1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成系统软件系统软件应用软件应用软件计算机软件计算机软件计算机系统计算机系统计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统语言处理程序语言处理程序诊断程序诊断程序各种标准程序库各种标准程序库。MISERPOFFICEOUTLOOK。1.1 1.1 计算机系统简介计算机系统简介一、一、 计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念CPU主存主存外设外设系统系统总总 线线计算机组成计算机组成内部内部总总 线线控制器控制器运算器运算器寄存寄存器组器组CPU组成组成总线系统：各部件之间传送信息的通路和器件总线系统：各部件之间传送信息的通路和器件存储器存储器运算器运算器控制器控制器适

3、配器适配器输入设备输入设备输出设备输出设备系统总线系统总线软件软件系统软件系统软件程序设计语言程序设计语言应用软件：软件包，数据库应用软件：软件包，数据库机器语言机器语言汇编语言汇编语言高级语言高级语言监控程序监控程序操作系统操作系统编辑程序编辑程序解释程序解释程序编译程序编译程序诊断程序诊断程序服务程序服务程序语言处理程序语言处理程序操操作系作系统统用户程序用户程序应用软件包应用软件包工具软件工具软件结果结果计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标程序程序翻译翻译运行运行1. 1. 计算机的解题过程计算机的解题过程二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构高级语言高级语言虚拟机器虚

4、拟机器 M M3 3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 M M2 2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器实际机器 M M1 1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M M0 02. 2. 计算机的层次结构计算机的层次结构用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令软软件件硬硬件件虚拟机器虚拟机器 M M4 4虚拟机器虚拟机器 M3M3虚拟机器虚拟机器 M2M2实际机器实际机器 M1M

5、1微程序机器微程序机器 M0M0程序员所见到的计算机系统的属性程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性概念性的结构与功能特性计算机计算机体系结构体系结构计算机计算机组成组成实现计算机体系结构所体现的属性实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令有无乘法指令如何实现乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、（指令系统、数据类型、寻址技术、I/OI/O机理）机理）（具体指令的实现）（具体指令的实现）三、计算机体系结构和计算机组成三、计算机体系结构和计算机组成1.2 1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成指令和数据用二进制表示指令和

6、数据用二进制表示指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成以运算器为中心以运算器为中心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，可按地址寻访一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点存储程序存储程序典型冯典型冯. .诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 存储器输出输入运算器控制器数据线路控制信号二、计算机硬件框图二、计算机硬件框图1. 1. 以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算ALUALU主存主存辅存辅存CPUCPU主机主机I/OI/

7、O设备设备硬件硬件CUCU2.2.现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图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ALUALUCPUCPU主机主机I/OI/O设备设备CUCU主主存存1.1.上机前的准备上机前的准备 建立数学模型建立数学模型 - -+ +- -+ +- -= =! !x x9 9! !x x7 7! !x x5 5! !x x3 3x xx x9 97 75 53 3sinsin 编制解题程序编制解题程序 确定计算方法确定计算方法程序程序 运算的运算的 全部步骤全部步骤0, 1, 2,0, 1, 2,) )( () )( (2 21 1n ny yn n

8、 x xy yn nx x= =+ += =指令指令 每每 一个步骤一个步骤三、计算机的工作步骤三、计算机的工作步骤取取x x 至运算器中至运算器中乘以乘以x x 在运算器中在运算器中乘以乘以a a 在运算器中在运算器中存存axax2 2 在存储器中在存储器中取取b b 至运算器中至运算器中乘以乘以x x 在运算器中在运算器中加加axax2 2 在运算器中在运算器中加加c c 在运算器中在运算器中= ( (ax + b) )x + c 取取x x 至运算器中至运算器中乘以乘以a a 在运算器中在运算器中加加b b 在运算器中在运算器中乘以乘以x x 在运算器中在运算器中加加c c 在运算器中在

9、运算器中计算计算 ax2 + bx + c编程举例编程举例指令格式指令中应包含的信息：指令中应包含的信息：运算数据的来源运算数据的来源运算结果的去向运算结果的去向执行的操作。执行的操作。操作码操作码地址码地址码指令和数据指令和数据存于主存单存于主存单元的地址元的地址 指令指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 00000010000001000取数取数x至至ACC 10001000000001001乘乘a得得ax ,存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b ,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中

10、40000110000001011加加c得得ax2 + bx + c ,存于存于ACC 50000100000001100将将ax2 + bx +c ,存于主存单元存于主存单元 60001010000001100打印打印 7000110停机停机 8 x原始数据原始数据x 9 a原始数据原始数据a 10 b原始数据原始数据b 11 c原始数据原始数据c 12存放结果存放结果计算计算axax2 2+ +bxbx+ +c c程序清单程序清单存储器存储器：是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。和数据。存储元存储元：存储器的最小组成单位，用以存储存储器的最小

11、组成单位，用以存储1 1位二进位二进制代码。制代码。存储单元存储单元：是是CPUCPU访问存储器基本单位，由若干个具访问存储器基本单位，由若干个具有相同操作属性的存储元组成。有相同操作属性的存储元组成。几个基本概念几个基本概念2.2.计算机的解题过程计算机的解题过程(1)(1)存储器的基本组成存储器的基本组成单元地址单元地址：在存储器中用以标识存储单元的唯在存储器中用以标识存储单元的唯一编号，一编号，CPUCPU通过该编号访问相应的存储单元。通过该编号访问相应的存储单元。字存储单元字存储单元：存放一个字的存储单元，相应的：存放一个字的存储单元，相应的单元地址叫字地址。单元地址叫字地址。字节存储

12、单元字节存储单元：存放一个字节的存储单元，相存放一个字节的存储单元，相应的单元地址叫字节地址应的单元地址叫字节地址存储体存储体：存储单元的集合，是存放二进制信息存储单元的集合，是存放二进制信息的地方的地方存储器各个概念之间的关系存储器各个概念之间的关系单元地址单元地址00000001.XXXX存储单元存储单元存储元存储元存储容量存储容量存储体存储体MARMARMDRMDR存储器地址寄存器存储器地址寄存器反映存储单元的个数反映存储单元的个数存储器数据寄存器存储器数据寄存器反映存储字长反映存储字长MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR ACC ACC MQ MQ X X(2)(2)运算器的基本组

13、成及操作过程运算器的基本组成及操作过程运算器运算器MQACCALUX被加数被加数被减数被减数被除数被除数乘数乘数商商加数加数减数减数被乘数被乘数除数除数加法加法减法减法乘法乘法除法除法和和差差余数余数乘积高位乘积高位乘积低位乘积低位运算器运算器MQACCALUXACC ACC 被加数被加数ACCACC初态初态 加法操作过程加法操作过程ACC+XACC+XALUM XM XXACCACCACC指令指令 加加M M 减法操作过程减法操作过程运算器运算器MQACCALUX指令指令 减减M MACC ACC 被减数被减数ACCACC初态初态 M XM XXACC-XACC-XALUACCACCACC运

14、算器运算器MQACCALUXACCACCACC ACC 被乘数被乘数初态初态 MQMMMQMQ指令指令 乘乘M M 乘法操作过程乘法操作过程XACCACCX XALUXXMQMQ00ACCACCACCACCMQMQACCMQ运算器运算器MQACCALUXACC ACC 被除数被除数ACCACC初态初态 ACCACCXXALUMQMQACCMQ余数在余数在ACCACC中中指令指令 除除M MM M X XX 除法操作过程除法操作过程取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCPCIRIRCUCU取指取指执行执行PC PC 存放当前欲执行指令的地址，存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（具

15、有计数功能（PCPC）+ + 1 PC1 PCIR IR 存放当前欲执行的指令存放当前欲执行的指令访存访存访存访存完成完成一条一条指令指令(3)(3)控制器的基本组成控制器的基本组成CU CU 控制单元控制单元PCIRCU12356789以取数指令为例以取数指令为例4(4)(4)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备12356798以存数指令为例以存数指令为例4(4)(4)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRM

16、AR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备(5) (5) axax2 2 + + bxbx + + c c 程序的运行过程程序的运行过程 将程序通过输入设备送至计算机将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址程序首地址 打印结果打印结果 分析指令分析指令 取指令取指令 停机停机 启动程序运行启动程序运行,(PC,(PC )+)+ 1 PC1 PC 执行指令执行指令 MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC位位：这是计算机中所表示的最基本、最小

17、的数据：这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元。单元。字长字长：是计算机能并行传送的最大二进制位数。：是计算机能并行传送的最大二进制位数。字节（字节（ByteByte）：）：是计算机中通用的基本单元，由是计算机中通用的基本单元，由8 8个二进制位组成。个二进制位组成。字字：是计算机内部进行数据处理的基本单位。：是计算机内部进行数据处理的基本单位。1.3 1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标运算速度运算速度= =n ni i = =1 1f fi i t ti iT TM M吉普森法吉普森法主频主频每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPSMIPS执行一条指令所需时钟周

18、期数执行一条指令所需时钟周期数CPICPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPSFLOPS存储容量存储容量：是存储器可以容纳的二进制信息量：是存储器可以容纳的二进制信息量. . 以字节（以字节（bytebyte简写为简写为B B）为单位。常用的单位还有）为单位。常用的单位还有KBKB、MBMB、GBGB等。等。 1Byte1Byte8bit 1KB=1024B 8bit 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB 指令执行时间指令执行时间：是指取指令和执行指令所花时是指取指令和执行指令所花时间的总和间的总和。可靠性可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。作不发生故障的概率。兼容性兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。其他多种系统的性能。性能价格比性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性：是衡量计算机产品优劣的综合性指标。指标。 第篇第篇 概论概论1.4 1.4 本书结构本书结构计算机计算机1.4 1.4 本书