电子数字计算机工作原理

1、1.3 电子数字计算机工作原理 介绍Neumann原理以及Neumann计算机的关键部件及其工作原理。1.3.1 Neumann原理1.3.2 计算机存储器的特点原理1.3.3 开关电路的逻辑运算与算术运算1.3.4 计算机控制器的工作原理1.3.5 一个程序的执行过程1.3.1 Neumann原理在电子时代首先提出将程序存储控制原理运用到计算机中的就是著名的Von Neumann。Neumann。他于1946年6月出版的关于电子计算机逻辑设计的初步讨论报告中提出：（1）指令要像数据那样存放在存储器中，并且可以像数据那样进行处理；（2）要使用二进制；（3）电子数字要采用程序存储控制原理进行工作

2、，所以需要有存储器、计算器、控制器、输入设备和输出设备5部分组成。1.3.2 计算机存储器的特点原理 1. 按照地址进行存取 2. 所存储的内容“取之不尽，新来旧去” 3. 分级存储1. 按照地址进行存取计算机的存储器就像中药铺中的药盒称存储单元，密密麻麻地排在一起，要往里放数据或指令或从中取出数据或指令的方法是预先编号，按照号码进行。这些号码就称为存储单元的地址。00000000地址单元123456711234567212345673123456742. 所存储的内容“取之不尽，新来旧去”现在的存储器都是电或磁元件做成。其存储原理就像磁带一样，存进之后，无论怎样使用（读），都不会消失；但只要

3、存进（写入）新的内容，旧的内容就不复存在。3. 分级存储为解决速度、容量和成本之间的矛盾。目前的计算机存储器一般分为3级：辅助存储器（也称外存，如光盘、磁盘、U盘等）、主存储器（也称内存）和高速缓冲寄存器（cache，简称缓存）。控制器运算器cache主存储器辅助存储器1. 用开关实现门电路2. 逻辑代数的基本定律3. 一位加法电路全加器4. 串行加法电路5. 并行加法电路1.3.2 开关电路的逻辑运算与算术运算1. 用开关实现门电路A B X A B 0 0 00 1 01 0 01 1 1A B X A +B 0 0 00 1 11 0 11 1 1A X A 0 11 0（1）“与”运算

4、和“与门”（2）“或”运算和“或门”（3）“非”运算和“非门”几种基本组合逻辑电路名 称符 号逻辑表达式真 值 表ABX缓冲门X=A0101与非门X=AB=A+B001101011110或非们X=A + B= AB001101011000异或门X=A B=AB+AB001101010110同或门X=A B=A B + A B0011010110012. 逻辑代数的基本定律(1) 关于变量与常量的关系 A + 0A A + 11 A + A1 A00 A1A AA0(2) 重复律 AAA A + AA(3) 吸收律 A + ABA A(A + B)A (4) 分配律 A(B + C) AB +

5、AC A + BC(A + B)( A + C)(5) 交换律 A + BB + A ABBA(6) 结合律 (A + B) + CA + (B + C) (AB)CA(BC) (7) 反演律 ABCA + B + C + A + B + C + ABC3. 一位加法电路全加器0.0.1.1.10101111110被加数加数进位和第i位+.1101被加数加数本位和（Si的中间值）低位进位1全和+1XiYiCi-1CiSiXi Yi Ci-1Ci SiXi Yi Ci-1Ci Si0 0 00 0 10 1 00 1 10 00 10 11 01 0 01 0 11 1 01 1 10 11 0

6、1 01 1Si = XiYiCi-1+ XiYiCi-1+ XiYiCi-1+ XiYiCi-1= Xi + Yi + Ci-1Ci = XiYiCi-1+ XiYiCi-1+ XiYiCi-1+ XiYiCi-1= XiYi +（Xi + Yi）Ci-1XiYiCi-1 SiCiXi=1&=1YiCi&1CiSi4. 串行加法电路4. 串行加法电路中“D触发器的原理”触发器是一种时钟控制的记忆器件，触发器具有一个控制输入讯号(CLOCK, C端)。CLOCK讯号使触发器只在特定时刻才按输入讯号改变输出状态。若触发器只在时钟CLOCK由低电压L到高电压H(H到L)的转换时刻才接收输入，则称这

7、种触发器是上升沿(下降沿)触发的触发器可储存一位的数据5. 并行加法电路6. 加/减法电路当SUB0时，有 BiBiSUB + BiSUBBi0 + Bi1Bi进行的是A + B； 当SUB1时，有 BiBiSUB + BiSUBBi1 + Bi0Bi进行的是A - B。1.3.4 计算机控制器的工作原理1. 控制器的功能2. 控制器的组成及工作过程1. 控制器的功能（1）定序。（2）定时 统一的时间标准时钟和节拍 时钟频率（3）操作控制。控制器应能按指令规定的内容，在规定的节拍向有关部件发出操作控制信号。2. 控制器的组成及工作过程操作控制逻辑指令译码时序部件指令寄存器IR地址处理程序计数器

8、PC指令n指令n+1数据m数据m+1地址单元nn+1mm+1指令地址数据地址+1地址部分指令部分送运算器控制器存储器操作控制信号控制器的组成： 指令部件（指令寄存器、地址处理部件、指令译码部件、指令计数器） 时序部件 操作控制部件（操作控制逻辑）共同实现。它们的组成如图1.50所示。控制器执行一条指令的过程 “取指令分析指令执行指令”（1）取指令。控制器的程序计数器PC（Program counter）中存放当前指令的地址（如n）。执行一条指令的第一步就是把该地址送到存储器的地址驱动器（图中没有画出），按地址取出指令，送指令寄存器IR（1nstructionRegister）中。同时，PC会自

9、动加1，准备取下一条指令。（2）分析指令。一条指令由两部分组成：一部分称为操作码OP（operation code)，指出该指令要进行什么操作；另一部分称为数据地址码，用于指出要对存放在哪个地址中的数据进行操作（如m）。在分析指令阶段，要将数据地址码送到存储器中取出需要的操作数到运算器，同时把OP送到指令译码部件，翻译成要对哪些部件、进行哪些操作的信号，再通过操作控制逻辑，将指定的信号（和时序信号）送到指定的部件。（3）执行指令。有关部件在控制器发出的操作控制信号的控制下，按照规定的节拍完成规定的操作。1.3.5 一个程序的执行过程1. 为程序分配存储单元 单元地址 单元内容 注 释 2000

10、 MOV A,(2010) ; 取 2 010 单元中的数据到A 2001 MOV B,(2011) ; 取 2 011 单元中的数据到B 2002 JP B 0, 2005 ; 若 B 0,转 2 005 单元，否则执行 2003 ADD A, B ; 将 A 与 B 中内容相加后送 A 2004 JP + 2 ; 转 2 006 2005 SUB A, B ; 将 A 与 B 中内容相减后送 A 2006 MOV(2012), A ; 存 A 中内容到 2 012 单元 2007 OUT(2012) ; 输出 2 012 单元内容 2008 HALT ; 停机 2010 x 2011 y2

11、. 执行程序过程 向程序计数器中送入程序首地址2000，然后启动计算机，计算机从2000单元开始执行程序。 PC内容（2 000）送入存储器，在2000单元取出第一条指令MOV A，(2 010)，送至指令寄存器IR，同时PC加1（得2001），准备取下条指令。指令MOV A，(2 010)把2010单元中的数据（x）送到寄存器A（CPU内部暂存数据的元件）。 PC内容（2 001）送入存储器，在2001单元取出第一条指令MOV B，(2 011)，送至指令寄存器IR，同时PC加1（得2002），准备取下条指令。指令MOV A，(2 011)把2011单元中的数据（y）送到寄存器B（CPU内部

12、的另一个暂存数据的元件）。 PC内容（2 002）送入存储器，在2002单元取出第一条指令JP B 0, 2005，送至指令寄存器IR，同时PC加1（得2003），准备取下条指令。指令JP B 0, 2005首先进行判断：B中的数据小于0时，就跳到2005，即往PC中送入地址2005。2005单元中的指令为：SUB A, B，执行x-y的操作，即加了B中数据的负值（绝对值）：x+（-y），并把结果存在中。同时PC加1（得2004），准备取下条指令。 若B中的值为正，就不跳转，执行2003中的内容：ADD A, B。即把A和B中的数据相加，得x+y，送入A中。同时PC加1（得到2004），准备取

13、下条指令。所以，A中存放的是A与B的绝对值的和。 不管B中数据为正，还是为负，运算后接着执行2004中的指令：JP + 2是跳过两个单元。这个操作是把PC中的内容再加2，得到2006。于是再取出2006中的指令。 2006中的指令：MOV(2012), A是把A中的内容（保存着x+y）送到2012单元。同时PC加1（得2004），准备取下条指令。 2006中的指令：OUT(2012)是把2012中保存着的数据（x+y）输出。同时PC加1（得2007），准备取下条指令。 2007中的指令：HALT，要求停机。到此，一个程序执行结束。1.4 现代计算机系统结构与发展1.4.1 现代计算机系统的模块

14、结构1.4.2 现代计算机系统的层次结构1.4.3 计算机系统的主要性能指标1.4.4 计算机系统的发展1.4.1 现代计算机系统的模块结构输入设备（鼠标、键盘、扫描仪、摄象机、照相机等）运算器（ALU）中央处理器（CPU）主存储器（ROM+RAM）辅助存储器（硬盘、光盘、U盘）输出设备（打印机、显示器、绘图仪等）操作系统（OS）语言处理系统数据库管理系统通信软件服务程序（检查、诊断、排错）通用应用软件（办公软件等）专用应用软件应用软件系统软件外部设备主 机硬件软件计算机系统控制器存储系统支撑软件1.4.2 现代计算机系统的层次结构面向问题语言层汇编语言层部分解释（操作系统）操作系统层微体系结

15、构层数字逻辑层翻译（编译器）第5层指令系统层翻译（编译器）解释（微程序）或直接执行硬件制作第4层第3层第2层第1层第0层（虚拟机器）（虚拟机器）（虚拟机器）（物理机器）（物理机器）（物理机器）1.4.3 计算机系统的主要性能指标1. 运算速度2. 机器字长3. 存储容量4. 可靠性、可用性和RASIS特性5. 友好性和环保性6. 性能价格比7. 带宽均衡性8. 其他为了提高系统的整体性能，不仅要考虑元器件的性能，更要注意系统体系结构所造成的吞吐量和“瓶颈”环节对性能的影响。此外，还应该考虑计算机系统的汉字处理能力，网络功能，外部设备的配置，系统的可扩充能力，系统软件的配置情况等。1. 运算速度

16、三种方法衡量计算机的运算速度。（1）用统计方法（例如根据不同指令在计算中出现的频繁程度，乘上不同的系数）求出平均的计算速度。（2）针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果）使用MIPS(million instructions per second，每秒百万次指令)作为衡量标准。MIPS定义为：例1.5.1 已知Pentium II处理机的CPI=0.5，试计算Pentium II 450处理机的运算速度。解：由于PentiumII 450处理机fc450MHz，因此可求出：即PentiumII 450处理机的运算速度为900MIPS。显然，主频越高，运算速度就越快。所以，微型计算机一般采

17、用主频来描述运算速度，例如，Pentium/133的主频为133 MHz，Pentium/800的主频为800 MHz，Pentium 4 1.5G的主频为1.5 GHz。（3）针对向量机（执行一条向量指令通常可得到多个运算结果）用MFLOPS(million floating point operations per second，每秒百万次浮点运算)作为衡量标准。 其中，IFN表示程序中的浮点运算次数。MFLOPS和MIPS两个衡量值之间的量值关系，没有统一标准，一般认为在标量计算机中执行一次浮点运算需要25条指令，平均约需3条指令，故有1MFLOPS3MIPS。3. 存储容量名 称KMG

18、TP单 词kilomegagigatetapeta十进制中的意义10310610910121015二进制中的意义2102202302402504. 可靠性、可用性和RASIS特性可靠性和可用性用下面的指标评价： MTBF（mean Time between failure，平均无故障间隔时间）就是从新的产品在规定的工作环境条件下开始工作到出现第一个故障的时间的平均值。MTBF越长表示可靠性越高正确工作能力越强。 MTTR（mean time to repair，平均恢复时间）就是从出现故障到恢复中间的这段时间。MTTR越短表示易恢复性越好，系统的可用性就好。 MTTF（mean time to

19、 failure，平均无故障时间）即系统平均能够正常运行多长时间，才发生一次故障。系统的可靠性越高，平均无故障时间越长。显然有 MTBF=MTTF+MTTR可靠性(Reliability)和可用性(Availability)，加上可维护性(Servicebility)、完整性(Integrality)和安全性(Security)统称RASIS。它们是衡量一个现代化的计算机系统性能的5大功能特性。5. 友好性和环保性友好性：人体工程学、交互性、简便性环保性：环境污染 辐射、噪声、耗电量、废弃物6. 性能价格比性能：硬件、软件的各种综合性能价格：整个硬件、软件系统的价格性价比：“性能/价格”比例越

20、高越好7. 带宽均衡性带宽数据流的最大速度和指令的最大吞吐量。 存储器的存取周期； 处理器的指令吞吐量； 外部设备的处理速度； 接口（计算机与外部设备的通信口）的转接速度； 总线的带宽。1.4.4 计算机系统的发展计算机技术发展的3个方面： 计算机元器件的进步； 计算机系统结构的发展； 计算机应用技术发展。计算机技术发展动力的3个方面： 不断扩展和深化的应用期望和旺盛的市场需求刺激； 分工细化和对科技创新日益高涨的追求； 解决工作“瓶颈”（薄弱环节），不断挖掘计算机系统的潜力。1. Nathan 软件第一定律 “软件是一种可以膨胀到充满整个空间的气体。”换句话说，应用对信息技术需求是没有止境的

21、。而应用的需求主要表现在应用软件的体积上。 2. 摩尔定律1965年有一天，摩尔为了完成电子学杂志(Electronics Magazine)的一篇关于半导体工业的约稿时，突然想到要把几年来芯片的集成度增长的情况总结一下，设想一下将来的情况。于是拿了一把尺子和一张纸，画了个草图（见图3.20）。发现1962年和1965年的芯片的集成度很有规律。于是大胆地预测了1970年芯片的集成度。于是他的论文也就有了内容。他提出，半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量每年将翻一番，原因是工程师可以不断缩小晶体管的尺寸。这就意味着，半导体的性能与容量将以指数级增长，并且这种增长趋势将延续下去。这篇论文发表在当年的第35期电子学上。1975年他又提出修正说，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。后来又发现二者的平均18个月更准确。摩尔定律的实践验证摩尔定律受到科学发展水平的制约CPU集成度是指在CPU芯片的单位面积上集成电子器件数量的程度。如今的CPU大多数是基于场效应管（MOS管）技术制造的，nMOS管的结构如图所示。CPU集成度用MOS管的“制程”衡量。所谓制程，就是指在一定制造工艺下MOS管可以实现的最小“门控导线”(GATE)长度。