计算机组成原理 第一章计算机系统概论

第1章计算机系统概论1.

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计算机的发展、分类及其应用1.2

计算机的组成1.

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计算机的层次结构第1章计算机系统概论学习要点：了解：掌握：计算机的硬件及软件组成计算机系统的层次结构计算机的发展、分类及其应用2计算机：是一种以电子器件为基础的，不需人的直接干预，能够对各种数字化信息进行算术和逻辑运算的快速工具。计算机俗称电脑，是一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。计算机组成：主要指机器级内部数据流和控制流的组成与逻辑设计。它与指令和编程没有直接关系，主要是看硬件系统在逻辑上是如何组织的。本门课程的研究对象：计算机组成31.1计算机的发展、分类与应用一、计算机的发展根据电子计算机所采用的物理器件的发展，一般把电子计算机的发展分成四个阶段，习惯上称为四代。第一代：电子管计算机时代（1946—50年代后期），主要特点是采用电子管作为基本器件。第二代：晶体管计算机时代（50年代中期到60年代后期），主要器件为晶体管。第三代：集成电路计算机时代（60年代中期到70年代前期），采用集成电路作为基本器件。第四代：大规模集成电路计算机时代（70年代初）。4

第一台电子计算机（ABC，Atanasoff-BerryComputer）设计目标是能够解含有29个未知数的线性方程组。电路系统中装有300个电子真空管执行数字计算与逻辑运算。机器上装有两个记忆鼓，使用电容器来进行数值存储，以电量表示数值。数据输入采用打孔读卡，采用二进位制。5

第二台电子计算机（ENIAC，电子数字积分计算机）5000次加法/秒体重28吨占地170M218,800只电子管1500个继电器耗电150KW第一台电子多用途计算机6

计算机从总体上来说分为两大类：模拟计算机和数字计算机。各自主要特点：模拟计算机：由模拟运算器件构成，其变量由连续量（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的。数字计算机：由逻辑电子器件构成，其变量为开关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算模式是离散式的。二、计算机的分类7模拟计算机与数字计算计的主要区别主要区别模拟计算机数字计算机数据表示方式电压、电流等数字0和1计算方式电量组合和测量值数字计算控制方式模拟信号组合控制程序控制精度、抗干扰性低、差高、好数据存储量小、几乎无大逻辑判断能力无强模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，解题能力有限，目前已不使用。8计算机按用途分类：专用计算机和通用计算机专用计算机：为特定应用问题而设计的计算机，针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性，但适应性很差。通用计算机：适应性强，应用面广，但运行效率、速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响。巨型机：用于科学计算，运算速度快、性能高，结构复杂、体积庞大、价格昂贵。大型机中型机小型机微型机：个人计算机，体积小、功耗低、价格低、结构简单、易操作单片机：单片微控制器，为学习、应用和开发提供了便利条件计算机按规模分类：9科学计算：计算量大，数值范围变化大数据处理：当前大部分计算机都由于数据处理计算机控制CAD/CAM/CAI：计算机辅助设计/制造/教学人工智能：指计算机能模仿人脑的高级思维活动，又称“智能模拟”。主要研究课题：计算机学习、专家系统、机器人以及人脑的思维过程。计算机模拟：将理论、实验和计算机三方面紧密结合，利用现代计算机强大的推算能力，通过计算机模拟来解决复杂而能以用解析法和物理模拟实验方法在较短时间内得到满足结果的问题.三、计算机的应用10神威太湖之光浮点运算速度为每秒9.3亿亿次（2016年）11计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。计算机系统＝硬件系统＋软件系统1.2计算机系统的组成计算机硬件（Hardware）是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。计算机软件（Software）主要是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。1983年，IEEE对软件给出了一个较为全面的定义：软件是计算机程序、方法、规范及其相应的文档以及在计算机上运行时所必须的数据。软件是相对于机器硬件而言的。12一、计算机的硬件计算机由五大部件组成：运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备；指令和数据用二进制表示；指令由操作码和地址码组成指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访指令在存储器内按顺序存放。以运算器为中心，目前逐步发展为以存储器为中心

目前，大多数计算机仍然沿用这种体制，称为冯•诺依曼体制。把这种思想称为称为冯•诺依曼思想（存储程序概念）。1、冯·诺依曼结构计算机的特点13算术运算逻辑运算存放数据和程序将信息转换成机器能识别的形式将结果转换成人们熟悉的形式指挥程序运行1）以存储器为中心的计算机硬件框图存储器运算器控制器输入设备输出设备程序数据2、计算机硬件框图14ALUCPU主机I/OControlUnit主存Cache2）现代计算机硬件框图硬件主机I/0设备辅存输入设备输出设备CPU主存控制器Controlunit运算器ALU存储器15三级存储系统较大规模的存储系统通常分为若干级：中央处理器缓冲存储器主存储器辅助存储器16

ACCMQX加法被加数和加数减法被减数差减数乘法乘积高位乘数乘积低位被乘数除法被除数余数商除数运算器的基本组成及操作过程运算器MQACCALUX3）计算机各部分的结构17加法操作过程指令加M[M]X[ACC]+[X]ACC初态ACC被加数运算器MQALUXACC18

减法操作过程指令减M[M]X[ACC]-[X]ACC初态ACC被减数运算器MQALUXACC19存储体存储单元：存放一串二进制代码存储字：存储单元中二进制代码的组合存储字长：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，地址寻访存储单元存储元（0/1）主存储器存储体MARMDR存储器的基本组成20MARMDR

存储单元个数16存储字长8存储器地址寄存器，反映存储单元的个数存储器数据寄存器，反映存储字长主存储器存储体MARMDR

设MAR=4位

MDR=8位21PCIRCU取指执行IR（指令寄存器）：存放当前欲执行的指令访存访存取指令分析指令执行指令完成一条指令控制器的基本组成PC（程序计数器）：存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（PC）+1PCPCIRCU2212356789以取数指令为例4CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O主机完成一条指令的过程23以存数指令为例主机完成一条指令的过程1235674CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O9824

将程序通过输入设备送至计算机

程序首地址

打印结果

分析指令

取指令…

停机

启动程序运行

执行指令MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC程序的运行过程PC(PC)+125①机器字长：CPU一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位数

有关②运算速度主频MIPS每秒执行百万条指令CPI执行一条指令所需时钟周期数FLOPS每秒浮点运算次数3、计算机硬件的主要技术指标③存储容量：存放二进制信息的总数量如：213=1KB221

=256KB主存容量辅存容量存储单元个数×存储字长字节数字节数80G如：MARMDR容量10

81K×8位16

3264K×32位26软件的分类：二、计算机的软件系统软件（Software）：指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。

软件＝程序+数据+文档（2）应用软件：除了系统软件以外的所有软件，是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序浏览器、办公软件、图形图像处理软件、媒体播放软件、实时控制软件、其他应用软件等。（1）系统软件：指管理、监控和维护计算机资源的软件。操作系统：DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX

语言处理程序：机器语言、汇编语言和高级语言数据库管理系统：数据库和管理数据库等软件服务程序：编辑程序、诊断/排错程序、反病毒程序、卸载程序、备份程序、文件压缩程序等

27软件与硬件的功能分配与逻辑上的等价性随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了。任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等。软件的特点：易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约；硬件的特点：可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。28目标程序早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以“识别”并能执行，所以又叫做目的程序。汇编程序为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率，人们发明了汇编语言，即用约定的文字、符号和数字（助记符）按规定的格式来表示各种不同的指令。借助于汇编程序，计算机本身自动地把符号语言表示的程序（称为汇编源程序）翻译成用机器语言表示的目的程序。高级语言为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言（高级程序设计语言）。算法语言是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。29计算机高级语言程序目标程序结果翻译运行计算机的解题过程30编译程序用程序设计语言编写的程序称为源程序，这种源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的“翻译”，才能把源程序翻译为机器语言。通常采用下面两种方法：编译系统：用编译程序将源程序编译成机器语言形式的目的程序，然后在目标系统运行。解释系统：逐个解释并立即执行源程序的语句，它不是编出目的程序后再执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果。311.3计算机系统的层次结构机器语言级（硬件/实际机器）中间级/平台级（汇编语言机器）应用程序级（高级语言机器）微指令系统级（微指令机器）操作系统级（操作系统语言机器）用编译程序翻译成汇编语言程序用汇编程序翻译成机器语言程序用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用硬件直接执行微指令软件硬件32系统结构、组成与实现计算机系统结构(Computerarchitecture）计算机系统的软件与硬件的界面－－指令系统程序员所看到的计算机属性－－外特性（概念性的结构与功能特性）计算机组成(Computerorganization）＝组织计算机系统结构的逻辑实现（具体指令的实现）计算机实现(Computerim