計算機組成原理SWPU1第一章概論計算機的誕生和發展

1.1計算機系統的組織1.2計算機的特點與性能1.3計算機的基本概念1.41、信息如何表示，才能被計算機識別？2、采用什么工作方式，才能使計算機自動地對信息進行處理？3、采用什么部件，使計算機完成相應的功能？

1.1計算機的基本概念計算機組成原理SWPU3計算機之父：

馮?

諾依曼美籍匈牙利人JohnvonNeumann1.1.1計算機與諾依曼體制馮·諾依曼體制計算機：按存儲方式工作的計算機統稱為馮·諾依曼體制計算機。

1946年6月由馮·諾依曼等人首次提出。

計算機的體系結構發生了許多變化，但馮·諾依曼提出的二進制、程序存儲和程序控制，依然是普遍遵循的原則。計算機組成原理SWPU41.1.1計算機與諾依曼體制馮·諾依曼體制的主要思想

1.采用二進制代碼表示數據和指令。2.采用存儲程序工作方式（核心）。3.計算機硬件系統由五大部件構成。

（運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備）計算機組成原理SWPU5將程序存儲于計算機的存儲器中事先編制程序運行時自動、連續地從存儲器中依次取出指令并執行程序員存儲器計算機1.1.2存儲程序工作方式馮·諾依曼結構計算機采用存儲程序工作方式：

任何要計算機完成的工作都要先被編寫成程序，然后將程序和原始數據送入主存并啟動執行。一旦程序被啟動，計算機應能在不需操作人員干預下，自動完成逐條取出指令和執行指令的任務。馮·諾依曼結構是怎樣的？應該有個主存，用來存放程序和數據應該有一個自動逐條取出指令的部件還應該有具體執行指令（即運算）的部件程序由指令構成指令描述如何對數據進行處理應該有將程序和原始數據輸入計算機的部件應該有將運算結果輸出計算機的部件你還能想出更多嗎？IAS計算機結構西南石油大學SWPU馮·諾依曼計算機硬件框圖7算術運算邏輯運算存放數據和程序將信息轉換成機器能識別的形式將結果轉換成人們熟悉的形式控制程序運行存儲器輸入設備運算器控制器輸出設備實線為數據線虛線為控制線和反饋線西南石油大學SWPU馮·諾依曼計算機的特點81.計算機由五大部件組成3.指令和數據用二進制表示4.指令由操作碼和地址碼組成6.以運算器為中心2.指令和數據以同等地位存于存儲器可按地址尋訪

5.存儲程序5.存儲程序缺點：串行處理的工作機制（即逐條執行指令序列）計算機組成原理SWPU9

控制信息

計算機中的信息數據信息控制信息：控制信號（微命令）序列，控制計算機的工作。數據信息：計算機加工處理的對象，分為數值型和非數值型。

信息的數字化表示包含兩層含義：

用數字代碼表示各種信息用數字信號表示數字代碼1.1.3信息的數字化表示（P2

1.1.1）計算機組成原理SWPU10

一、

用數字代碼表示各種信息

二進制代碼例1用數字代碼表示數據

5

-5

表示為00000101

表示為10000101

1.1.2信息的數字化表示計算機組成原理SWPU11例2用數字代碼表示字符(ASCII碼）AB表示為100000141H表示為100001042H例3用數字代碼表示命令、狀態啟動停止正在工作工作結束表示為00表示為01表示為

10表示為111.1.2信息的數字化表示1

2表示為0110001

31H表示為0110010

32H信息的數字化聲音文字圖像指令這些信息如何表示？計算機組成原理SWPU13二、

在物理機制上用數字信號表示數字代碼數字型電信號例1用電平信號表示數字代碼

高電平

1

低電平

0

并行傳送信息1.1.2信息的數字化表示1

0

1

1

計算機組成原理SWPU14二、

在物理機制上用數字信號表示數字代碼數字型電信號例2用脈沖信號表示數字代碼

有脈沖無脈沖有脈沖101串行傳送信息1.1.2信息的數字化表示10110計算機組成原理SWPU15三.用數字化方法表示信息的主要優點（1）在物理上容易實現信息的表示與存儲（2）抗干擾能力強，可靠性高（3）數值的表示范圍大，表示精度高（4）表示的信息類型極其廣泛（5）能用數字邏輯技術進行信息處理1.1.2信息的數字化表示計算機組成原理SWPU16第一章概論計算機的誕生和發展

1.1計算機系統的組織1.2計算機的特點與性能1.3計算機的基本概念1.4計算機組成原理SWPU171.3.1計算機硬件系統1.3.2計算機軟件系統1.3.3系統組成的層次結構1.3.4硬件、軟件的邏輯等價計算機系統的組織1.3計算機系統的組織計算機組成原理SWPU18計算機系統軟件硬件硬件“看得見、摸得著”的物理載體軟件程序及其配套的數據、文檔等1.2計算機系統的組織計算機組成原理SWPU19ALU主存緩存Cache輔存CPU主機I/O硬件CU存儲器輸入設備運算器輸出設備控制器ALUCPU主機I/OCU主存一、

常見計算機硬件系統組成1.3.1

硬件系統計算機組成原理SWPU20（1）以總線為基礎的系統結構（單總線結構）總線：一組連接多個部件分時共享的信息傳輸線。地址總線：用于傳輸地址信息，比如：CPU發向主存、外設等。數據總線：雙向的多根信號線，用于傳輸數據信息。控制總線：傳輸控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存（或外設）返回CPU的反饋信號。何謂I/O接口？二.典型的硬件系統結構計算機組成原理SWPU21（2）采用通道的大型系統結構在系統連接上分為四級：主機、通道、設備控制器、外部設備。第四級第三級第二級主存CPU通道通道設備控制器設備控制器設備控制器設備控制器外設外設外設外設外設外設外設外設主機…………………第一級二.典型的硬件系統結構多ALU多存儲體交叉訪問計算機組成原理SWPU22（2）采用IOP的大型系統結構（雙總線結構）_補充CPUM接口I/OIOPLM接口I/O系統總線I/O總線2.典型的硬件系統結構計算機組成原理SWPU23

CPU

LM共享存儲器

I/O

I/O...（3）多機系統緊偶合系統

CPU

LM...結構特點：通過總線或交叉開關矩陣進行多機互連，通過共享存儲器實現多機之間的信息交換2.典型的硬件系統結構處理單元1處理單元n計算機組成原理SWPU24

CPU

LM

CAS

CAS

I/O

I/O（3）多機系統松偶合系統

LM

CPU

MTS消息傳送系統局部總線局部總線結構特點：通過MTS(通信總線或互聯網絡)連接各節點，節點之間以中斷方式傳送信息包。2.典型的硬件系統結構節點1節點n計算機組成原理SWPU251.3.2計算機的軟件系統軟件

操作系統語言處理程序

數據庫管理系統服務性程序(編輯、調試、診斷)網絡軟件系統軟件應用軟件

Office

防毒/殺毒軟件

QQ

各類游戲影音播放器

……計算機組成原理SWPU26硬件系統軟件1.3.3計算機系統的層次應用軟件計算機組成原理SWPU27一、

從硬、軟組成角度劃分的層次結構模型傳統機器級（指令系統）微程序級（微程序控制器）邏輯部件級（硬件邏輯部件）操作系統級（操作系統）語言處理程序（解釋、編譯）應用程序（軟件資源）用戶程序級（用戶程序）系統分析級（數學模型、算法）1.3.3系統組成的層次結構硬件部分軟件部分軟硬界面自下而上計算機系統的逐級生成過程自上而下應用計算機求解問題的過程計算機組成原理SWPU28自下而上的設計、分析方法傳統機器級（指令系統）微程序級（微程序控制器）邏輯部件級（硬件邏輯部件）操作系統級（操作系統）語言處理程序（解釋、編譯）應用程序（軟件資源）用戶程序級（用戶程序）系統分析級（數學模型、算法）1.2.3系統組成的層次結構設置硬核的依據軟件設計的源頭自上而下的設計、分析方法設計算法編寫源程序操作系統調度下生成目標程序機器語言硬件執行程序計算機系統抽象層的轉換程序執行結果

不僅取決于算法、程序編寫而且取決于語言處理系統操作系統ISA微體系結構不同計算機課程處于不同層次必須將各層次關聯起來解決問題功能轉換：上層是下層的抽象，下層是上層的實現底層為上層提供支撐環境！最高層抽象就是點點鼠標、拖拖圖標、敲敲鍵盤，但這背后有多少層轉化啊！計算機系統的不同用戶最終用戶工作在由應用程序提供的最上面的抽象層系統管理員工作在由操作系統提供的抽象層應用程序員工作在由語言處理系統（主要有編譯器和匯編器）的抽象層語言處理系統建立在操作系統之上系統程序員（實現系統軟件）工作在ISA層次，必須對ISA非常了解編譯器和匯編器的目標程序由機器級代碼組成操作系統通過指令直接對硬件進行編程控制ISA處于軟件和硬件的交界面（接口）ISA是對硬件的抽象所有軟件功能都建立在ISA之上舉例說明，你在什么情況（或環境）下是最終用戶、系統管理員、應用程序員和系統程序員?計算機組成原理SWPU31二、

從語言功能角度劃分層次結構

機器語言（面向機器）→匯編語言（面向機器）→高級語言（面向用戶）1.2.3系統組成的層次結構用機器語言編寫程序，并記錄在紙帶或卡片上用機器語言編寫程序穿孔表示0，未穿孔表示10：010101101：0010

01002：……3：……4：011001115：……6：……假設：0010-jxx若在第4條指令前加入指令，則需重新計算地址碼（如jxx的目標地址），然后重新打孔。不靈活！書寫、閱讀困難！太原始了，無法忍受，咋辦？用符號表示而不用0/1表示！輸入：按鈕、開關；輸出：指示燈等所有信息都是0/1序列！若用符號表示跳轉位置和變量位置，是否簡化了問題？于是，匯編語言出現用助記符表示操作碼用標號表示位置用助記符表示寄存器…..用匯編語言開發程序0：010101101：0010

01002：……3：……4：01100111

5：……6：……7：……addBjxxL0

……

……

L0：subC……B：……C：……在第4條指令前加指令時不用改變add、jxx和sub指令中的地址碼！你認為用匯編語言編寫的優點是：不會因為增減指令而需要修改其他指令不需記憶指令碼，編寫方便可讀性比機器語言強不過，這帶來新的問題，是什么呢？人容易了，可機器不認識這些指令了！需將匯編語言轉換為機器語言！用匯編程序轉換匯編語言源程序由匯編指令構成你能用一句話描述什么是匯編指令嗎？用助記符和標號來表示的指令（與機器指令一一對應）指令又是什么呢？包含操作碼和操作數或其地址碼

（機器指令用二進制表示，匯編指令用符號表示）只能描述：取（或存一個數）兩個數加（或減、乘、除、與、或等）根據運算結果判斷是否轉移執行想象用匯編語言編寫復雜程序是怎樣的情形？（例如，用匯編語言實現排序（sort）、矩陣相乘）需要描述的細節太多了！程序會很長很長！而且在不同結構的機器上就不能運行！進一步認識機器級語言addBjxxL0

……

……

L0：subC……B：……C：……機器語言和匯編語言都是面向機器結構的語言，故它們統稱為機器級語言結論：用匯編語言比機器語言好，但是，還是很麻煩！用高級語言開發程序隨著技術的發展，出現了許多高級編程語言它們與具體機器結構無關面向算法描述，比機器級語言描述能力強得多高級語言中一條語句對應幾條、幾十條甚至幾百條指令有“面向過程”和“面向對象”的語言之分處理邏輯分為三種結構順序結構、選擇結構、循環結構有兩種轉換方式：“編譯”和“解釋”編譯程序(Complier)：將高級語言源程序轉換為機器級目標程序，執行時只要啟動目標程序即可解釋程序(Interpreter)：將高級語言語句逐條翻譯成機器指令并立即執行，不生成目標文件。現在，幾乎所有程序員都用高級語言編程，但最終要將高級語言轉換為機器語言程序計算機組成原理SWPU36從語言功能劃分的層次結構高級語言:用編譯程序翻譯成匯編語言程序虛擬機器M3匯編語言：用匯編程序翻譯成機器語言程序虛擬機器M2操作系統：用機器語言解釋操作系統虛擬機器機器語言：用微指令解釋機器指令實際機器M1由硬件直接執行微指令微程序機器M01.3.3系統組成的層次結構軟件硬件不同層次語言之間的等價轉換每條指令由操作碼和若干地址碼組成任何高級語言程序最終通過執行若干條指令來完成！開發和運行程序需什么支撐？最早的程序開發很簡單（怎樣簡單？）直接輸入指令和數據，啟動后把第一條指令地址送PC開始執行用高級語言開發程序需要復雜的支撐環境（怎樣的環境？）需要編輯器編寫源程序需要一套翻譯轉換軟件處理各類源程序編譯方式：預處理程序、編譯器、匯編器、鏈接器解釋方式：解釋程序需要一個可以執行程序的界面（環境）GUI方式：圖形用戶界面CUI方式：命令行用戶界面支撐程序開發和運行的環境由系統軟件提供最重要的系統軟件是操作系統和語言處理系統語言處理系統運行在操作系統之上，操作系統利用指令管理硬件語言處理程序人機接口語言的運行時系統操作系統內核指令集體系結構計算機硬件操作系統語言處理系統早期計算機系統的層次最早的計算機用機器語言編程

機器語言稱為第一代程序設計語言（Firstgenerationprogramminglanguage，1GL）后來用匯編語言編程

匯編語言稱為第二代程序設計語言（Secondgenerationprogramminglanguage，2GL）應用程序指令集體系結構計算機硬件匯編程序操作系統指令集體系結構計算機硬件應用程序現代（傳統）計算機系統的層次現代計算機用高級語言編程

第三代程序設計語言（3GL）為過程式語言，編碼時需要描述實現過程，即“如何做”。第四代程序設計語言（4GL）

為非過程化語言，編碼時只需說明“做什么”，不需要描述具體的算法實現細節。語言處理系統操作系統指令集體系結構計算機硬件應用程序可以看出：語言的發展是一個不斷“抽象”的過程，因而，相應的計算機系統也不斷有新的層次出現語言處理系統包括：各種語言處理程序（如編譯、匯編、鏈接）、運行時系統（如庫函數，調試、優化等功能）操作系統包括人機交互界面、提供服務功能的內核例程計算機組成原理SWPU41以硬件為基礎用軟件擴充其功能用執行程序體現功能1.3.4硬件、軟件的功能劃分與邏輯等價計算機系統對用戶：許多功能即可以用硬件直接實現，也可以在硬件

的支持下用軟件實現，功能上是等價的如何恰當地分配硬件、軟件的功能？計算機組成原理SWPU42硬件軟化:

軟件完成較復雜功能,以降低硬件開銷。軟件硬化:

硬件完成較復雜功能,以提高處理速度。軟件固化:

運行固化在ROM中的程序實現較復雜功能，以提高性價比。功能分配與設計目標、技術條件有關。1.3.4硬、軟件的功能劃分與邏輯上的等價如：IBM-PC機的BIOS固化在系統板上，Pentium微處理器將存儲管理功能集成于CPU芯片中固件：任何將程序固化在ROM中組成的部件。固件是一種具有軟件特性的硬件，它既具有硬件的快速特點，又有軟件的靈活性特點。計算機組成原理SWPU431.3.4硬、軟件的功能劃分與邏輯上的等價性能軟件硬件硬件比例少硬件比例增加在完成相同功能的前提下:價格技術條件要求性能價格技術條件要求硬件軟件計算機組成原理SWPU44在程序控制下自動連續地工作運算速度快運算精度高存儲能力強通用性強數字計算機的特點1.4.1數字計算機的特點1.4計算機的特點與性能指標計算機組成原理SWPU451.4.2計算機的性能指標

1.基本字長參與一次運算或并行傳送的數的位數；它反映寄存器、ALU和數據總線的位數；字長越長，運算精度就越高，但硬件成本增高。2.運算速度可以用每秒所能執行的指令條數表示；單位：條／秒；目前有三種計算執行速度的方法。計算機組成原理SWPU46CPU的運算速度CPU主頻(又稱時鐘頻率)，通常以MHz(兆赫茲)為單位。

CPU時鐘周期：主頻的倒數

外頻：系統總線的工作頻率，具體是指CPU到芯片組之間的總線速度，是CPU與主板之間同步運行的速度(2)平均每秒執行指令數IPS(lnstructionsPerSecond)。

MIPS：MillionlnstructionsPerSecond，

表示每秒執行百萬條指令(3)平均每條指令的時鐘周期數CPI(ClockcyclesPerlnstruction)(4)MFLOPS:MillionFloatingpointOperationsPerSecond

表示每秒執行多少百萬次浮點運算

計算機組成原理SWPU473.數據通路寬度與數據傳送率（1）數據通路寬度數據總線一次能并行傳送的數據位數。

CPU內部的數據通路寬度一般與等于基本字長；

CPU外部的數據通路寬度取決系統總線；

CPU外部和內部的數據通路寬度有相等和不等。如：Intel8086(16位機)，Intel8088(準16位機)

（2）數據傳送率（或數據總線的帶寬）

數據傳送率=總線數據通路寬度×總線時鐘頻率（B/S)例如：PCI總線寬度32位，總線頻率33MHz，總線帶寬=32×33M/8=132MB/s（或Bps）。1.4.2計算機的性能指標

計算機組成原理SWPU484.主存容量

(1)字節數:用字節(即Byte)作單位，記作B。常用的單位有KB，MB，GB和TB。

lK(kilo)B＝210B，稱作千字節(1024B)；

1M(mega)B＝220B，稱作兆(百萬)字節；

1G(giga)B＝230B，稱作吉(10億)字節；

1T(tera)B＝240B，稱作太(萬億)字節;

1P(pera)B=250B，稱作千萬億字節;

(2)單元數(字數)×位數:用二進制的位(bit)作單位。以前大中型計算機常用這種單位，如：64K×16。

5.外存容量

1.4.2計算機的性能指標

計算機組成原理SWPU496.所配置的外圍設備及其性能指標

由于總線技術、計算機系統結構和網絡技術的發展，使得計算機系統擴展外設變得越來越簡單、可靠。小型計算機常用的外設有磁帶、磁盤、繪圖儀、打印機等。