1、1.1 计算机系统简介计算机系统简介 1.4 本书结构本书结构 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 计算机的基本组成计算机的基本组成 l计算机系统中计算机系统中软件软件和和硬件硬件的基本概念的基本概念l计算机系统的计算机系统的层次结构层次结构l冯诺依曼计算机冯诺依曼计算机的特点的特点l计算机计算机硬件的基本组成硬件的基本组成l计算机的工作过程计算机的工作过程l计算机系统的计算机系统的性能指标性能指标l重点重点冯诺依曼计算机的特点冯诺依曼计算机的特点计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成 l难点难点计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 计算机是一种不需要人的直
2、接干预，能够对各种数字化信息进行自动快速运算的通用处理装置。由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能 的信息（的信息（程序程序）组成）组成1.计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统计算机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等一、一、计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件 事先编制的事先编制的 什么是什么是计算机？计算机？按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序如：科学计算程序等。如：科学计算程序等。用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件软软件件系统
3、软件系统软件应用软件应用软件系统程序系统程序 应用程序应用程序 计算机硬件的功能和结构计算机硬件的功能和结构 功能功能数据处理数据处理数据存储数据存储数据传送数据传送控制控制内部结构内部结构中央处理器（运算器）中央处理器（运算器）存储器组织存储器组织输入输入/输出模块输出模块中央处理器（控制器）中央处理器（控制器）系系统统互互连连计算机计算机 高级语高级语 言程序言程序 目标目标 程序程序 结果结果翻译翻译 运行运行 2.计算机的解题过程计算机的解题过程1.1.编译编译 2.2.解释解释 0 0、1 1代码代码 二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构 实际上，在计算机解题过程中，实际
4、上，在计算机解题过程中，源程序源程序进进行翻译变成行翻译变成目标程序目标程序，最后运行出，最后运行出结果结果，整个，整个从细的方面来讲，还要分成很多很多很小的步从细的方面来讲，还要分成很多很多很小的步骤，骤，每一步工作都实际上是在层次化的计算机每一步工作都实际上是在层次化的计算机系统当中的某一层进行动作的系统当中的某一层进行动作的，计算机的这种，计算机的这种层次结构使得层次结构使得不同的用户不同的用户在不同的层次上使用在不同的层次上使用计算机。计算机。1.1.用用WordWord写文档写文档 2.2.编写编写WordWord程序程序 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
5、语言虚拟机器虚拟机器 M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 M2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 M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M01-10软件软件硬件硬件由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令微指令系统微指令系统-微程序机器微程序机器M0逻辑设计员逻辑设计员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高级语言高级语言-虚拟机器虚拟机器 M4高级语言程序员高级语言程序员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汇编语言汇编语言-虚拟机器虚拟机器 M3汇编语言程序员汇编语言程序员用机器指令解释操作系统用机器指令解释操作系
6、统操作系统操作系统-虚拟机器虚拟机器 M2操作员操作员用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令机器指令机器指令-实际机器实际机器 M1机器语言程序员机器语言程序员2、计算机系统的层次结构、计算机系统的层次结构由软件实现的由软件实现的虚拟机器虚拟机器。由硬件实现的由硬件实现的实际机器实际机器。是我们将要学习的！是我们将要学习的！虚拟机：虚拟机：是一个由软件实现是一个由软件实现的抽象计算机，的抽象计算机，不同软件（语言）不同软件（语言）角度获得不同角度获得不同层次的虚拟机。层次的虚拟机。应用软件、系统软件、硬件应用软件、系统软件、硬件构成了计算机系统的三个层次结构。构成了计算机系统的三个层次结构。
7、除了硬件系统，其它层次称为除了硬件系统，其它层次称为虚拟机虚拟机。从某一层次的观察者看来，他只通过该层次的语。从某一层次的观察者看来，他只通过该层次的语言来了解和使用计算机，不必关心下几层的机器是如何工作和实现各自功能的。言来了解和使用计算机，不必关心下几层的机器是如何工作和实现各自功能的。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 M4虚拟机器虚拟机器 M
8、3虚拟机器虚拟机器 M2实际机器实际机器 M1微程序机器微程序机器 M0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 即：概念性的结构与功能特性即：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、三、计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成计算机系统结构计算机系统结构（举办奥运会）（举办奥运会）主
9、要研究软件硬件功能分配和对主要研究软件硬件功能分配和对软硬件界面软硬件界面的确定。的确定。计算机组成计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。（奥运村设计图）是计算机系统结构的逻辑实现。（奥运村设计图）当一个计算机系统把软件和硬件功能划分完以后，当一个计算机系统把软件和硬件功能划分完以后，它主要研究计算机各它主要研究计算机各硬件硬件部件的组成和它们之间的关系。部件的组成和它们之间的关系。计算机实现计算机实现是计算机组成的物理实现。（按照设计图施工）是计算机组成的物理实现。（按照设计图施工）对各个部件的硬件物理实现技术。对各个部件的硬件物理实现技术。一个计算机系统结构一个计算机系统结构 有不同的计算
10、机组成方法。有不同的计算机组成方法。一种计算机组成一种计算机组成 有不同的计算机实现技术。有不同的计算机实现技术。应用程序操作系统系统结构实现指令系统组成编译软件软件硬件硬件计算机系统结构计算机系统结构 与与 计算机组成计算机组成硬件硬件硬件硬件1-14计算机系统结构计算机系统结构 Computer Architecture 是从计算机系统的是从计算机系统的外部外部来研究计算机的一门学科。来研究计算机的一门学科。从从程序员程序员角度观察到的计算机外特性角度观察到的计算机外特性 概念性的属性概念性的属性和功能。和功能。对不同虚拟机层次程序员看到的外特性不完全相同。对不同虚拟机层次程序员看到的外特
11、性不完全相同。计算机组成计算机组成 Computer Organization（是我们将要学习的是我们将要学习的）是从计算机系统的是从计算机系统的内部内部来研究计算机构成的。来研究计算机构成的。从从逻辑设计人员逻辑设计人员的角度来研究计算机各组成部分的构成的角度来研究计算机各组成部分的构成和互联。和互联。研究主要内容：研究主要内容：运算方法、运算方法、CPU组成、主存储器、组成、主存储器、输入输入/输出设备和输入输出设备和输入/输出接口等。输出接口等。计算机系统结构计算机系统结构 与与 计算机组成计算机组成（1）由于计算机是一种机器，那么在机器中由于计算机是一种机器，那么在机器中信息怎么表示信
12、息怎么表示？表示成什么形式，计算机才能？表示成什么形式，计算机才能对它进行处理？对它进行处理？（2）采用什么样的工作方式采用什么样的工作方式才能使它自动的、才能使它自动的、连续的、快速的进行工作？连续的、快速的进行工作？（3）为了实现计算机强大的功能，在硬件上为了实现计算机强大的功能，在硬件上应该设置应该设置哪些部件哪些部件来提供支持？来提供支持？冯冯诺依曼思想的引入诺依曼思想的引入1.计算机由计算机由五大部件五大部件组成组成3.指令和数据用指令和数据用二进制二进制表示表示4.指令由指令由操作码操作码和和地址码地址码组成组成6.以运算器为中心以运算器为中心2.指令和数据指令和数据以以同等地位同
13、等地位存于存储器，存于存储器，可可按地址按地址寻访寻访5.存储程序存储程序一、一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点5.存储程序存储程序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 数据线数据线 控制线和反馈线控制线和反馈线 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
14、制器控制器 输出设备输出设备 数据线数据线 控制线和反馈线控制线和反馈线 二、计算机硬件框图二、计算机硬件框图1.以以存储器为中心存储器为中心的计算机硬件框图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 控制线控制线反馈线反馈线数据线数据线不改变的：不改变的：存储程序存储程序（精华）（精华）改变的是：改变的是：以存储器为中心，总线结构，分散控制。以存储器为中心，总线结构，分散控制。ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O设备设备硬件硬件CU2.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
15、算器输出设备输出设备控制器控制器ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存I/OI/O接口接口高高速速缓缓存存I/O I/O 接接口口CacheCache1.上机前的准备上机前的准备 建立数学模型建立数学模型 -+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin 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,)()(21nyn xynx=+=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 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中存存ax2 在在存储器存储器中
16、中取取b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加ax2 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中=(ax +b)x +c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中加加b 在运算器中在运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中计算计算 ax2+bx+c编程举例编程举例000001 0000001000打印打印 停机停机取数取数 ACC存数存数 ACC 加加 ACC+ACC乘乘 ACC ACC指令格式举例指令格式举例操作码操作码地址码地址码 打印机打印机累加器累加器 对应的对应的内容内容 指令和数据存于指令和数据存于主存单元的
17、地址主存单元的地址 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 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
18、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 ax2+bx+c 程序清单程序清单存储体存储体大楼大楼存储单元存储单元 存放一串二进制代码（一条指存放一串二进制代码（一条指令或一个数据）令或一个数据）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主存的工作方式：主存的工作方式：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）房间房间 床位床位（无人（无人/有人）有人）(
19、1)存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR2.计算机的解题过程计算机的解题过程一个房间中的床位数一个房间中的床位数MARMDR 存储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8 设设 MAR =4 位位 MDR =8 位位存储器地址寄存器存储器地址寄存器存放存储单元的地址存放存储单元的地址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(1)存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR注意：注意：MARMAR存储单元个数存储单元个数 lALU（Arithmetic Logic Unit）：算术逻）：算术逻辑单元辑单元lAC
20、C（Accumulator）：累加器）：累加器lMQ（Multiplier-Quotient Register）：）：乘商寄存器乘商寄存器lX：操作数寄存器：操作数寄存器l加表示部件中的内容加表示部件中的内容 例如：例如：ACC表示累加器中的内容表示累加器中的内容(2)运算器的基本组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运算器的主要部件是运算器的主要部件是ALUALUALUALU可进行算术和逻辑运算可进行算术和逻辑运算ALUALU运算的操作数总是来源于运算的操作数总是来源于ACCACC和和X X寄存器里的内容寄存器里的内容ACCACC和和X X的内容送到的内容送
21、到ALUALU计算后，计算后，结果会再放到结果会再放到ACCACC里里可以把可以把ACCACC的值作为下一次运算的值作为下一次运算的操作数再送到的操作数再送到ALUALU进行运算进行运算 ACC MQ X(2)运算器的基本组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 MQACCALUX 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+X ALU M XXACCACC指令
22、指令 加加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MACC 被减数被减数 ACC初态初态 M XX ACC-X ALUACCACC运算器运算器MQACCALUXACCACC 被乘数被乘数 初态初态 MQ M MQ指令指令 乘乘M 乘法操作过程乘法操作过程X ACC XALU X MQ 00ACCACCMQACCMQ/表示两个寄存器串接表示两个寄存器串接运算器运算器 MQACCALUXACC 被除数被除数 ACC初态初态 ACC X ALUMQACCMQ余数在余数在ACC中中指令指令 除除M M XX 除法操作过程除法操作过程lCU（Control Unit）：控
23、制单元）：控制单元 lPC（Program Counter）：程序计数器）：程序计数器又称指令计数器，用来存放又称指令计数器，用来存放指令的地址指令的地址，以，以便准确地指出后继指令的存储单元地址。便准确地指出后继指令的存储单元地址。lIR（Instruction Register）：指令寄存器）：指令寄存器用来保存用来保存当前当前正在执行的一条正在执行的一条指令指令。取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCIRCUPCIRCU取指取指执行执行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（PC）+1 1 PCIR 存放当前欲执行的指令存放当前欲执
24、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)控制器的基本组成控制器的基本组成CU的输出是一个个控制信号的输出是一个个控制信号 CU的输入是指令的操作码的输入是指令的操作码 12356789以以取数取数指令为例（取指令为例（取x x）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以以存数存数指令为例（存指令为例（存x x）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CP
25、UPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备(5)ax2+bx+c 程序的运行程序的运行过程过程 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 MMDRMDRACCACCPCPC1.机器字长机器字长2.运算速度运算速度CPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与 CPU
26、中的中的 寄存器位数寄存器位数 有关有关=ni=1fi tiTM吉普森法吉普森法主频（时钟频率）主频（时钟频率）每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPS执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPS最重要的性能最重要的性能指标，用来对指标，用来对计算机性能进计算机性能进行综合评测行综合评测 221 =256 KB213 =1 KB如如3.存储容量存储容量主存容量主存容量辅存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长字节数字节数通常用通常用字节数字节数表示表示 例：例：80 GB如如 MAR MDR 容量容量 10 8 16
27、32存放二进制信息的总位数存放二进制信息的总位数反映计算机能容纳信息的能力反映计算机能容纳信息的能力 1K=210 1B=23b1GB=230B1 K 8位位64 K 32位位例例1 1：假设存储单元个数为：假设存储单元个数为256256，即，即256256种状态，种状态，那么多少位能表示这那么多少位能表示这256256种状态呢？种状态呢？2 28 8256 256 所以需要所以需要8 8根地址线根地址线例例2 2：如果：如果1010根地址线，则能对根地址线，则能对2 21010个存储单元寻址个存储单元寻址与地址码位数无关与地址码位数无关 第第篇篇 概论概论计算机计算机 第篇第篇计算机系统的硬件结构计算机系统的硬件结构 计算机计算机 I/O 系统总线系统总线 存储器存储器 CPU CPU内部互连内部互连 ALUCU寄存器寄存器 中央处理器中央处理器第第篇篇 CPU 计算机计算机 I/O系统总线系统总线 存储器存储器 CPU CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器 中央处理器中央处理器寄存器寄存器 和解码器和解码器 控制单元控制单元排队排队逻辑逻辑控制控制 存储器存储器 第篇第篇 CU计算机计算机 I/O系统总线系统总线 存储器存储器 CPU
