第1章 计算机系统概论

1、第第1章章 计算机系统概论计算机系统概论2022年7月3日星期日2目录目录1.0 预备知识预备知识1.1 计算机的分类计算机的分类1.2 计算机的发展简史计算机的发展简史1.3 计算机的硬件计算机的硬件1.4 计算机的软件计算机的软件1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构2022年7月3日星期日3学习要求学习要求l了解计算机的发展历程；了解计算机的发展历程；l清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成(五大部五大部件的构成件的构成)、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程；、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程；l了解计算机

2、性能评价指标和相关参数；了解计算机性能评价指标和相关参数；吞吐量、响应时间、吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；执行时间；MIPS、MFLOPS等。等。 l要求要求初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构，为进一步深入学习初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构，为进一步深入学习打下基础。打下基础。 2022年7月3日星期日41.0 预备知识预备知识l问题问题1：一台计算机一般有哪几部分组成？：一台计算机一般有哪几部分组成？显示器、主机箱、键盘、鼠标、音箱等；显示器、主机箱、键盘、鼠标、音箱等；主机箱中有：主机箱中有：主板主板、CPU、光驱、硬盘、内存、

3、显卡、声卡等；、光驱、硬盘、内存、显卡、声卡等； l问题问题2：如何对以上设备分类？：如何对以上设备分类？输入输出设备输入输出设备中央处理设备中央处理设备存储设备存储设备接口转换卡接口转换卡部件连接线部件连接线l问题问题3：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？一个完整的计算机系统应包括一个完整的计算机系统应包括硬件系统硬件系统和和软件系统软件系统两部分。两部分。显示器，键盘，鼠标，音箱显示器，键盘，鼠标，音箱CPU（集处理和控制于一身）（集处理和控制于一身）光驱、硬盘、内存光驱、硬盘、内存显卡、声卡显卡、声卡总线总线2022年7月3日星期日52022年

4、7月3日星期日62022年7月3日星期日7主板主板l主板主板(Mother Board, ain Board, System Board)是一台是一台PC的主的主体所在，主板要完成电脑系统的管理和协调，支持各种体所在，主板要完成电脑系统的管理和协调，支持各种CPU、功、功能卡和各总线接口的正常运行。能卡和各总线接口的正常运行。它是它是PC机的机的“总司令部总司令部”，其上的，其上的CPU、CHIPSET、DRAM、BIOS等决定了它是什么等决定了它是什么“级别级别”，平时我们所说的，平时我们所说的386、486、Pentium机，其判断的标准就是机器所用的主板和机，其判断的标准就是机器所用的主

5、板和CPU。而其他的附件如显示器、声卡、键盘等，基本上是通用的。而其他的附件如显示器、声卡、键盘等，基本上是通用的。l主板芯片可分为数字芯片和模拟芯片两种。主板使用的芯片，除主板芯片可分为数字芯片和模拟芯片两种。主板使用的芯片，除了少数几个是模拟芯片外，大部分都是数字芯片。了少数几个是模拟芯片外，大部分都是数字芯片。 2022年7月3日星期日8l（1）主板上的三大芯片）主板上的三大芯片（2）北桥芯片决定主板性能高低）北桥芯片决定主板性能高低（3）南桥芯片决定主板功能多少）南桥芯片决定主板功能多少（4）BIOS芯片决定主板兼容性好坏芯片决定主板兼容性好坏2022年7月3日星期日92022年7月3

6、日星期日102022年7月3日星期日112022年7月3日星期日12DDR内存条内存条SDRAM内存条内存条Synchronous Dynamic Random Access Memory（同步动态随机存储器） l(Double Data Rate SDRAM)简称DDR，也就是“双倍速率SDRAM”的意思 lDDR2 2022年7月3日星期日13硬盘硬盘2022年7月3日星期日14硬盘数据线硬盘数据线2022年7月3日星期日15DVD光驱光驱2022年7月3日星期日16机内电源插头机内电源插头2022年7月3日星期日171.1计算机的分类计算机的分类一、电子计算机从总体上来说分为两大类。一、

7、电子计算机从总体上来说分为两大类。l电子模拟计算机。电子模拟计算机。“模拟模拟”就是相似的意思。模拟计算机就是相似的意思。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。u以连续变化的电流或电压来表示被运算量的电子计算机。以连续变化的电流或电压来表示被运算量的电子计算机。 l电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。运算，并且不连续地跳动计算。2022年

8、7月3日星期日181.1 计算机的分类计算机的分类数字计算机数字计算机模拟计算机模拟计算机专用计算机专用计算机通用计算机通用计算机处理数字量信息处理数字量信息按位运算，按位运算，不连续地跳动计算不连续地跳动计算处理模拟量信息处理模拟量信息数值连续、运算过程连续数值连续、运算过程连续是针对某一任务设计的最有效、是针对某一任务设计的最有效、最经济和最快速的计算机，但最经济和最快速的计算机，但适应性很差。适应性很差。适应性很大，但适应性很大，但是牺牲了效率、是牺牲了效率、速度和经济性。速度和经济性。单片机单片机微型机微型机服务器服务器大型机大型机超级计算机超级计算机低低高高体积体积功能功能数据存储量

9、数据存储量指令系统指令系统价格价格低低高高简简易易性性分分类类如如P2 P2 图图1.11.1工作站工作站2022年7月3日星期日191.1计算机的分类计算机的分类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2022年7月3日星期日20将运算器、控将运算器、控制器、存储器制器、存储器和输入和输入/输出接输

10、出接口集成在一块口集成在一块芯片中芯片中所有器件制作所有器件制作在一块印刷线在一块印刷线路板上路板上以微机为核心以微机为核心，再配以相应，再配以相应的外部设备、的外部设备、电源、辅助电电源、辅助电路和控制微机路和控制微机工作的软件工作的软件单板机单板机单片机单片机微型计算微型计算机系统机系统v目前，微型计算机与工作站、小型计算机乃至中、大型机之间目前，微型计算机与工作站、小型计算机乃至中、大型机之间的界限已经愈来愈模糊。的界限已经愈来愈模糊。2022年7月3日星期日21世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机1. .IBM: Seaborg6 080个个 CPU 最大平均速度最大平

11、均速度 7.304 TF (1012)2022年7月3日星期日222. .IBM: ASCI White8 192个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.304 TF (1012)世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机IBM: International Business Machine Corp. 国际商业机器公司国际商业机器公司2022年7月3日星期日233. .Linux NetworX : MCR Linux Cluster 2 304个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.634 TF (1012)世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机2022年7

12、月3日星期日244. HP : ASCI Q4 096个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 13.88 TF (1012)世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机2022年7月3日星期日255. .NEC: Earth Simulator5 120个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 35.86 TF (1012)世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机2022年7月3日星期日261.2 计算机的发展简史计算机的发展简史超大规模集成电路超大规模集成电路中小规模中小规模集成电路集成电路晶体管晶体管电子管电子管19721990年年19461957年，年，第一代计算机第一

13、代计算机19651971年年19581964年年第二代计算机第二代计算机巨大规模巨大规模集成电路集成电路1991年年至今至今摩尔定律摩尔定律1.2.1 计算机的五代变化计算机的五代变化2022年7月3日星期日27第一代计算机第一代计算机l第一代计算机第一代计算机(1945年年1958年年)采用电子管。采用电子管。l代表机型：代表机型：ENIAC1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制；年美国宾夕法尼亚大学开始研制；主要是为了解决美陆军提出的弹道计算主要是为了解决美陆军提出的弹道计算问题问题 ；花费花费40万美元；万美元；1955年年10月月2日最后切断电源。日最后切断电源。2022年7月3日星期日

14、28ENIAC2022年7月3日星期日29第二代计算机第二代计算机(19581964)晶体管晶体管2022年7月3日星期日30摩尔定律摩尔定律1964年，英特尔公司创始人戈登年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（摩尔（Gordon Moore）在）在一篇很短的论文里断言：一篇很短的论文里断言：每每18个月，集成电路的性能将提高一个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。这就是著名的摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路集成电路40多年的发展历史准确无误地验证

15、着。多年的发展历史准确无误地验证着。摩尔定律有另外一种表述方法，即摩尔定律有另外一种表述方法，即每过每过10年计算机系统性能将年计算机系统性能将会增加会增加100倍，通讯带宽也会提高倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费的资金不会增倍，而花费的资金不会增加加。l返回返回2022年7月3日星期日31微处理器飞速发展微处理器飞速发展80386803868048680486奔腾奔腾奔腾奔腾2代代奔腾奔腾4代代802868028680868086奔腾奔腾3代代IA-64(安腾安腾)400440041971年1978年1983年1985年1989年1993年1997年1999年2000年Moore(摩尔)

16、定律:“微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番”双核双核2006年2001年2022年7月3日星期日321.2.2 半导体存储器的发展半导体存储器的发展l20世纪世纪5060年代，磁芯存储器年代，磁芯存储器价格昂贵，体积大，破坏性读出价格昂贵，体积大，破坏性读出l1970年，半导体存储器年，半导体存储器价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写l1974年之后，半导体存储器年之后，半导体存储器价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。l有关存储器的介绍详见第有关存储器的介绍详见第3章章2022年7月3日星期日331.2.3 微处

17、理器的发展（以微处理器的发展（以Intel为例）为例）l20世纪世纪70年代的处理器年代的处理器4004 8008 8080 8086 8088l20世纪世纪80年代的处理器年代的处理器80286 386TM DX 386TM SX 486TM DX l20世纪世纪90年代的处理器年代的处理器486TM SX Pentium(即所谓的奔腾即所谓的奔腾) Pentium Pro Pentium II Pentium l最近最近10年的处理器年的处理器Pentium 4 Itanium Itanium 22核、核、 3核、核、 4核、核、 6核核2022年7月3日星期日342022年7月3日星期日

18、35高能奔腾高能奔腾二代奔腾2022年7月3日星期日362022年7月3日星期日37双核双核CPUCPU三核三核CPUCPU6 核、8核、10核、16核。超过8核一般称为众核2022年7月3日星期日381.2.4 计算机的性能指标（计算机的性能指标（1/3）l吞吐量吞吐量表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量信息量。l响应时间响应时间从从输入有效输入有效到系统到系统产生响应产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。之间的时间度量，用时间单位来表示。l利用率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，用百分在给定的时间间隔内，系统被实

19、际使用的时间所占的比率，用百分比表示。比表示。l处理机字长（机器字长）处理机字长（机器字长）处理机运算器中处理机运算器中一次一次能够完成能够完成二进制运算的位数二进制运算的位数，如，如32、64位；位；机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。2022年7月3日星期日391.2.4 计算机的性能指标（计算机的性能指标（2/3）l总线宽度总线宽度一般一般指运算器与存储器之间的指运算器与存储器之间的数据数据总线宽度。总线宽度。u注意课本上的表述错误！注意课本上的表述错误！l主存储器容量主存储器容量主存储器所能存储二进制数据的主存储器所能存储二进制数据的

20、位数位数。u或者说或者说“主存储器中所有主存储器中所有存储元存储元的总数目的总数目”，而非，而非“存储单元存储单元”！l主存储器带宽主存储器带宽单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。秒表示。l主频主频/时钟周期时钟周期CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟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（的频率（f）叫）叫CPU的主频。的主频。u度量单位是度量单位是MHz（兆赫兹）、（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。例如（吉赫兹）。例如Pentium系列机为系列机为60MHz2

21、66MHz，而，而Pentium 4升至升至3.6GHz 。主频的倒数称为。主频的倒数称为CPU时钟周期时钟周期（T），即），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。，度量单位是微秒、纳秒。2022年7月3日星期日401.2.4 计算机的性能指标（计算机的性能指标（3/3）lCPU的运算速度的运算速度(可以从以下几个方面衡量可以从以下几个方面衡量) CPU执行时间：执行时间：CPU执行一段程序所占用的执行一段程序所占用的CPU时间；时间；uCPU执行时间执行时间 CPU时钟周期数时钟周期数 CPU时钟周期长时钟周期长CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期数；：执行一条指令所需的平均时钟周期数；MI

22、PS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。l其他的性能指标其他的性能指标主存储器的读写速度、主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性的数据传送率、带宽的均衡性2022年7月3日星期日411.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.1 硬件组成要素硬件组成要素通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理。原理。l假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算假设给一个算盘、

23、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算y=ax+b-c这样一个题目。这样一个题目。l解题步骤和数据记录在横格纸上，请先看思路过程。解题步骤和数据记录在横格纸上，请先看思路过程。2022年7月3日星期日421.3.1 硬件的组成要素硬件的组成要素ly=ax+b-cy=ax+b-c思路过程：思路过程：l假设假设a=1，b=2，c=3，x=11.在算盘上输入在算盘上输入a=1，x=1，并将，并将ax乘积中间结果乘积中间结果1存放在算盘上存放在算盘上2.然后再输入然后再输入b=2，并将，并将ax+b和的和的中间结果中间结果3存放在算盘上存放在算盘上3.再输入再输入c=3，得出，得出ax+b-c的最后的

24、最后结果为结果为0存放在算盘上存放在算盘上4.最后记录下来最终结果，整个工最后记录下来最终结果，整个工程到此结束程到此结束l纸纸相当于相当于 存储器存储器；保存源数据和结果数据；保存源数据和结果数据；l算盘算盘相当于相当于 运算器运算器；运算、暂存中间结果；运算、暂存中间结果；l笔和手笔和手相当于相当于 输入输入/输出设备输出设备；将数据的输入将数据的输入/输出；输出；l人人相当于相当于 控制器控制器；协调整个计算过程；协调整个计算过程；2022年7月3日星期日43手工模仿计算机工作手工模仿计算机工作2022年7月3日星期日44冯冯诺依曼机的特点诺依曼机的特点l由运算器、存储器、控制器、输入设

25、备和输出设由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五个部分组成；备五个部分组成； l存储器以二进制形式存储指令和数据；存储器以二进制形式存储指令和数据；l指令由指令由操作码和地址码操作码和地址码组成；组成；l存储程序并按地址顺序执行；存储程序并按地址顺序执行；冯冯诺依曼机的核心设计思想，机器自动化工作诺依曼机的核心设计思想，机器自动化工作的关键；的关键；l以以运算器运算器为中心。为中心。2022年7月3日星期日45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指挥程序指

26、挥程序运行运行冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼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控制器控制器输出设备输出设备2022年7月3日星期日46冯冯诺依曼机与现代微机诺依曼机与现代微机冯冯诺依曼机结构诺依曼机结构输入设备输入设备存储器存储器输出设备输出设备运算器运算器控制器控制器输入设备输入设备控制器控制器输出设备输出设备存储器存储器运算器运算器现代微机结构现代微机结构以运算器为中心以运算器为中心以存储器为中心以存储器为中心2022年7月3日星期日47现代计算机的特点现代计算机的特点l 将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称为将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称为CPU；而将；而将

27、CPU、主存储器、输入、主存储器、输入/输出接口和输出接口和系统总线统称为系统总线统称为主机主机；其余的设备均为外设。；其余的设备均为外设。l 以存储器为中心。以存储器为中心。减轻减轻CPU的数据传送负担，提高系统的整体的数据传送负担，提高系统的整体性能；性能；2022年7月3日星期日481.3.2 运算器运算器l功能：功能： 处理所有的算术及逻辑运算。处理所有的算术及逻辑运算。通常称为通常称为ALU(算术逻辑单元算术逻辑单元)l特点：特点：采用二进制数据进行运算；采用二进制数据进行运算；运算器一次可以处理的数据运算器一次可以处理的数据位数称为位数称为机器字长机器字长；机器字长一般为机器字长一

28、般为8、16、32、64位，机器字长直接决定着运算的精度和能力，但是所需的电位，机器字长直接决定着运算的精度和能力，但是所需的电子器件也在变化；子器件也在变化；运算器主要由运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成。和各类通用寄存器构成。l运算器结构示意图演示运算器结构示意图演示2022年7月3日星期日491.3.2 运算器运算器(1)(1)运算器的基本组成运算器的基本组成运算器运算器MQACCALUXlALU:算术逻辑单元算术逻辑单元lACC:累加器累加器lMQ：乘商寄存器：乘商寄存器lX：操作数寄存器：操作数寄存器2022年7月3日星期日50 ACC MQ X1.3.2 运算器运算器(1)(1

29、)运算器的基本组成运算器的基本组成运算器运算器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2022年7月3日星期日51运算器运算器MQACCALUXACC ACC 被加数被加数ACC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 M2022年7月3日星期日521.3.3 存储器（存储器（1/2）l组成部分：组成部分：存储体存储体u存储体：由很多存储体：由很多存储单元存储单元组成，每个存储单元又包含

30、多个组成，每个存储单元又包含多个存储元件（存储存储元件（存储元），元），每个存储元件能寄存一位二进制代码每个存储元件能寄存一位二进制代码“0”或或“1”。各种逻辑部件及控制电路各种逻辑部件及控制电路相关的寄存器相关的寄存器MAR和和MDR。l相关的概念相关的概念存储元：用于保存一位存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件；二进制数据的物理器件；存储单元：能够保存一个字数据的器件，由存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元若干个存储元构成；构成；单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号；开始编号；存储容量：一个存储器所能保

31、存的二进制信息的总量。存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。l存储器结构示意图演示存储器结构示意图演示2022年7月3日星期日53MARMARMDRMDR存储器地址寄存器存储器地址寄存器, ,用来存放欲访问的存储用来存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数，单元的地址，其位数对应存储单元的个数，例如例如MAR 10MAR 10位，则位，则2 21010=1024=1024个存储单元个存储单元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, ,用来存放从存储体用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代

32、码。元存入的代码。反映存储字长反映存储字长( (1) )存储器的基本组成存储器的基本组成（补充）（补充）主存储器主存储器存储体存储体MARMARMDRMDR2022年7月3日星期日54存储体存储体存储单元存储单元 存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字存储字 存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长存储字长 存储单元中二进制代码的位数存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0/1）( (2) )存储器的基本组成存储器的基本组成（补充）（补充）主存储器主存储器存储体存储体MAR

33、MARMDRMDR或存储元或存储元2022年7月3日星期日55MARMARMDRMDR 存储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8 设设 MARMAR = = 4 位位 MDRMDR = = 8 位位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( (3) )存储器的基本组成存储器的基本组成（补充）（补充）主存储器主存储器存储体存储体MARMARMDRMDR2022年7月3日星期日561.3.3 存储器（存储器（2/2）l存储器的分类：存储器的分类：外存（辅助存储器）外存（辅助存储器）u磁盘存储器、光盘

34、存储器；磁盘存储器、光盘存储器；uCPU不可直接访问；不可直接访问；内存（主存储器）内存（主存储器）u半导体存储器；半导体存储器；uCPU直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。l两个与主存相关的寄存器两个与主存相关的寄存器MAR(存储器地址寄存器存储器地址寄存器)：接收由：接收由CPU送来的地址信息；送来的地址信息；MDR(存储器数据寄存器存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。：作为外界与存储器之间的数据通路。存储器地址寄存器存储器地址寄存器MARMAR主存储器主存储器存储器数据寄存器存储器数据寄存器MDRMDR202

35、2年7月3日星期日57数据存储的组织形式数据存储的组织形式(补充补充)l1.位位(bit) :位是计算机系统中数据的最小单位位是计算机系统中数据的最小单位l2.字节字节(byte) :8位二进制数组成一个字节位二进制数组成一个字节.字节是衡量信息存储字节是衡量信息存储容量的基本单位容量的基本单位.l3.若干个字节若干个字节构成构成一个存储单元一个存储单元.每一个存储单元都有一个唯一每一个存储单元都有一个唯一的编号的编号,称为称为“地址地址”,通过地址对存储单元进行访问通过地址对存储单元进行访问.l4.字字(word) :字是一个存储单元所存储的字是一个存储单元所存储的内容内容.l5.一个存储单

36、元一个存储单元(或一个字或一个字)所包含的二进制所包含的二进制位数位数称为字长称为字长.字长字长 是衡量计算机精度和运算速度的主要技术指标是衡量计算机精度和运算速度的主要技术指标.2022年7月3日星期日581.3.4 控制器控制器l功能：功能：根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算机的各个部件的工作。协调计算机的各个部件的工作。l主要任务：主要任务：解释并执行指令；解释并执行指令；控制指令的执行顺序；控制指令的执行顺序；负责指令执行过程中，操作数的寻址；负责指令执行过程中，操作数的寻址；根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运

37、算类指令执行时对根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。标志寄存器的影响设置。l指令的形式指令的形式操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。2022年7月3日星期日591.3.4 控制器（续）控制器（续）l相关相关概概念念指令指令：计算机的基本操作，例如加减等。一个基本操作就叫做一：计算机的基本操作，例如加减等。一个基本操作就叫做一条指令。条指令。程序程序：解决某一问题的一串指令序列，叫该问题的计算机程序。：解决某

38、一问题的一串指令序列，叫该问题的计算机程序。指令系统指令系统：一台计算机通常有几十种基本指令，从而构成了该计：一台计算机通常有几十种基本指令，从而构成了该计算机的指令系统。它是硬件设计的依据，软件设计的基础。算机的指令系统。它是硬件设计的依据，软件设计的基础。中央处理器中央处理器：运算器和处理器合在一起称为中央处理器（：运算器和处理器合在一起称为中央处理器（CPU）。）。中央处理机中央处理机：将存储器也放入：将存储器也放入CPU，称为中央处理机。，称为中央处理机。数据字数据字：该字代表要处理的数据；：该字代表要处理的数据；指令字指令字：该字为一条指令；：该字为一条指令；指令流指令流：取指周期中

39、，从内存读出的信息流；：取指周期中，从内存读出的信息流；数据流数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。：执行周期中，从内存读出的信息流。2022年7月3日星期日60取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCPCIRIRCUCUPCIRCUCU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1.3.4 控制器的基本组成控制器的基本组成(补充补充)2022年7月3日星期日6112356798以存数指令为例以存数

40、指令为例4CU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主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程2022年7月3日星期日629a数据数据a存放在存放在9号单元号单元指令地址指令地址指令指令数据地址数据地址数据数据计算机运算计算机运算yaxbc1取数取数存储器存储器9号地址的数号地址的数a送运算器送运算器A9（9） A2乘法乘法完成完成 a * x , 结果保留在运算器结果保留在运算器A12(A) (12) A3加法加法完成完成 axb, 结果保留在运算器结果保留在运算器A10(A) (10) A4减法减法完成完成

41、yaxbc, 结果保留在结果保留在A11(A) (11) A5存数存数运算器运算器A中的结果中的结果y送存储器送存储器13号地址号地址13A 136打印打印将将A中的结果经打印机打印出来中的结果经打印机打印出来A Print7停止停止机器停止工作机器停止工作Stop8说明说明10b数据数据b存放在存放在10号单元号单元11c数据数据c存放在存放在11号单元号单元12x数据数据x存放在存放在12号单元号单元13y运算结果运算结果y存放在存放在13号单元号单元操作码操作码地址码地址码说明说明指令操作内容指令操作内容9a数据数据a存放在存放在9号单元号单元2022年7月3日星期日63设指令系统如下，

42、设指令系统如下，试写出该指令序列。试写出该指令序列。指令指令操作码操作码 说明说明加法加法001(A)+(M)-A减法减法010(A)-(M)-A乘法乘法011(A)*(M)-A除法除法100(A)/(M)-A取数取数101(M)-A存数存数110(A)-M打印打印111(A)-显示器显示器停机停机000PC-PC01取数取数92乘法乘法123加法加法104减法减法115存数存数136打印打印7停止停止89a10b11c12x13y141510110010111100001101001010111101101111xxxx000 xxxxa(二进制数二进制数)bcxy如课本如课本P9 P9 图

43、图1.5 1.5 表表1.51.52022年7月3日星期日641.3.4 控制器（续）控制器（续）控制器的基本任务控制器的基本任务l控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。执行指令。取指令的一段时间称为取指周期。取指令的一段时间称为取指周期。执行指令的一段时间称为执行周期。执行指令的一段时间称为执行周期。l控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指周期中从内存读出的信息流是指令流指令流，它流向控

44、制器；而在执行器，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是周期中从内存读出的信息流是数据流数据流，它由内存流向运算器。，它由内存流向运算器。2022年7月3日星期日651.3.4 控制器（续）控制器（续）l控制器的工作周期控制器的工作周期取指令的一段时间称为取指周期。取指令的一段时间称为取指周期。执行指令的一段时间称为执行周期。执行指令的一段时间称为执行周期。l指令按顺序执行的控制部件：指令按顺序执行的控制部件：指令计数器指令计数器每取出一条指令，指令计数器就加每取出一条指令，指令计数器就加1；遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；遇到转移类指令，控制器根据所执行指

45、令设置指令计数器的值；控制器功能示意图演示控制器功能示意图演示1 1条指令的字节数条指令的字节数2022年7月3日星期日66使用计算机的工作过程使用计算机的工作过程 （1）提出问题：计算）提出问题：计算 y=ax+b-c （2）按照指令系统编制程序）按照指令系统编制程序 （3）将指令变为机器代码，送入主存储器）将指令变为机器代码，送入主存储器 （4）控制器控制执行程序）控制器控制执行程序 PC:程序计数器，其位数与程序计数器，其位数与MAR相同。相同。 IR:指令寄存器，其位数与指令寄存器，其位数与MDR相同。相同。用用简化模型简化模型描述使用计算机工作过程描述使用计算机工作过程2022年7月

46、3日星期日67程序计数器程序计数器PC指令寄存器指令寄存器IR控制单元控制单元CUMAR(存储器地址寄存器)MMMDR (存储器数据寄存器)ALU暂存器暂存器X累加器累加器ACC乘商寄存器乘商寄存器MQ高高4位位低低4位位运运算算器器存存储储器器控制字控制字控控制制器器2022年7月3日星期日68PCIRCUMARM.MMDRALUXACCMQ高高4位位低低4位位控制字控制字运运算算器器存存储储器器控控制制器器2022年7月3日星期日69（1 1）指令系统，设有）指令系统，设有6 6条指令条指令汇编语言助记符汇编语言助记符 操作码操作码 地址码地址码 功能功能LMA nLMA n 0001 n

47、0001 n MACC MACCSAM nSAM n 0010 n0010 n ACCM ACCMADD nADD n 0011 n0011 n ACC+MACC ACC+MACCMUL nMUL n 0100 n0100 n ACC ACC* *MACCMACCOUT nOUT n 0101 n0101 n 输出输出MMHLT HLT 0110 0110 停机停机* * * *地址地址n n假设为假设为4 4位的二进制数。位的二进制数。举例：举例：假设简化计算机模型的指令格式如下：假设简化计算机模型的指令格式如下：操作码操作码地址码地址码4位位4位位2022年7月3日星期日701.3.5 适

48、配器与输入输出设备适配器与输入输出设备l输入设备输入设备将人们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将人们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的设备。息形式的设备。l输出设备输出设备把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备。的设备。l适配器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联系，以便使主机和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并行协调地工作，保证外围设备用计算机系统特性要求的形式外围设备并行协调地工作，保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。发送或接收信息。l系统总线系统总线构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。2022年7月3日星期日71 1.4 计算机的软件计算机的软件l系统程序系统程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使