1-计算机系统概论

计算机组成原理PrincipleofComputerOrganization(1159006)张惠臻[e-mail]2012年秋季华侨大学计算机科学与技术学院第1章计算机系统概论2012/9/13Zhanghz,CSofHQU2主要内容1.计算机系统概述1.1计算机系统简介1.2计算机系统的层次结构1.3计算机组成与计算机体系结构2.计算机的基本组成2.1计算机硬件组成2.2计算机软件组成3.计算机硬件性能指标3.1机器字长3.2存储容量3.3运行速度4.计算机的发展与应用4.1计算机的发展简史4.2软件技术的兴起与发展4.3计算机的应用2012/9/13Zhanghz,CSofHQU31.1计算机系统简介计算机的分类计算机模拟计算机数字计算机专用计算机通用计算机按性能和灵活性划分数值由连续量表示，运算过程也是连续的；精度和解题能力有限，应用范围较小按位运算，且不连续地跳动计算特定任务2012/9/13Zhanghz,CSofHQU41.1计算机系统简介（2）通用计算机类型2012/9/13Zhanghz,CSofHQU51.1计算机系统简介（3）计算机系统−一个由“硬件+软件”组成的复杂的自动化设备−包含硬件系统和软件系统两大部分硬件：计算机的实体部分，由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成软件：由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成，看不见摸不着，一般通过各类媒介（如光盘、磁盘等）存放硬件与软件的关系−硬件是躯体，是物质基础；软件是灵魂，是硬件功能的完善和补充没有硬件或好的硬件，无从运行软件，无法计算、处理问题没有软件或好的软件，计算机就是个空壳废铁−硬件和软件在逻辑功能上是等价的计算机性能的好坏取决于“软”、“硬”件功能的总和2012/9/13Zhanghz,CSofHQU61.2计算机系统的层次结构现代计算机的解题处理过程−首先，用户用高级语言编写程序，描述问题的求解过程−然后，将程序与数据一起送入计算机中，由计算机将其翻译成机器语言程序−最后，计算机自动运行机器语言程序，输出计算结果计算机高级语言程序翻译机器语言程序运行结果2012/9/13Zhanghz,CSofHQU71.2计算机系统的层次结构（2）机器语言汇编语言高级语言应用语言操作系统微指令系统实际机器M1虚拟机器M2虚拟机器M3微程序机器M0虚拟机器M虚拟机器M4将每条机器指令翻译成一组微指令，构成一个微程序二进制代码（0、1串），直接在物理机器上执行提供汇编语言/高级语言使用与实现中所需的基本操作，管理计算机软硬件资源，方便使用符号式语言，不具有通用性，与机器指令系统相关——汇编器C/C++/Java等，对问题描述接近人类习惯，较强的通用性，翻译成汇编语言——编译器或解释器VHDL/XML等，为满足某种用途而专门设计——应用程序包传统机器M12012/9/13Zhanghz,CSofHQU81.2计算机系统的层次结构（3）虚拟机器M3（高级语言机器）虚拟机器M2（汇编语言机器）虚拟机器M（操作系统机器）传统机器M1（机器语言机器）微程序机器M0（微指令系统）用硬件直接执行微指令用微程序解释机器指令用机器语言解释操作系统用汇编器翻译成机器语言程序用编译器/解释器翻译成汇编语言程序软件硬件2012/9/13Zhanghz,CSofHQU91.3计算机组成与计算机体系结构计算机体系结构−程序员可见的机器属性，即概念性的结构与功能特性程序员特指机器语言/汇编语言程序员−机器属性包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机制等计算机组成−计算机体系结构的逻辑实现具有对程序员透明的实现细节−包含实际机器的数据流和控制流的组成和逻辑设计等−着眼于物理机器内部各事件的排序方式与控制方式，各部件的功能以及相互间的联系2012/9/13Zhanghz,CSofHQU10计算机组成VS.计算机体系结构对于IBMPC与RS6000两种机器−高级语言程序员：认为是同一属性的机器−汇编语言程序员：两种截然不同的机器指令集、数据类型、寻址技术等完全不同−因此，这两种机器的体系结构各不相同指令系统的问题−指令系统体现了机器属性，其中有哪些指令，属于体系结构的问题−指令如何实现，即怎么取指、分析指令、取操作数、运算等，属于计算机组成的问题一台机器是否具备乘法指令，这是计算机体系结构的问题；而怎么实现乘法指令的功能，则是计算机组成的问题，比如可以用专门的乘法电路或者用连续相加的加法电路2012/9/13Zhanghz,CSofHQU11主要内容1.计算机系统概述1.1计算机系统简介1.2计算机系统的层次结构1.3计算机组成与计算机体系结构2.计算机的基本组成2.1计算机硬件组成2.2计算机软件组成3.计算机硬件性能指标3.1机器字长3.2存储容量3.3运行速度4.计算机的发展与应用4.1计算机的发展简史4.2软件技术的兴起与发展4.3计算机的应用2012/9/13Zhanghz,CSofHQU122.1计算机的硬件组成从计算y=ax+b–c开始y数据13x数据12c数据11b数据10a数据98停止运算完毕，停止7输出把y的值写出给人看6存数y→13结果y的值记录到第13行5减法（11）完成y=ax+b-c4加法（10）完成ax+b3乘法（12）完成ax2取数（9）（9）表示第9行的数a，下同1解题步骤与数据说明行数2012/9/13Zhanghz,CSofHQU132.1计算机的硬件组成（2）解题过程的解释−把原始数据及解题步骤记录在纸上，即在纸上“存储”了解题的原始信息，纸作为具有记忆功能的部件——存储器−对数据进行了加、减、乘等算术运算，人脑作为具有计算功能的部件——运算器−用笔将解题信息写在纸上或将运算结果写出来——输入/输出设备−整个过程在人脑的控制下有序进行——控制器计算机硬件的五大组成部件−运算器：完成算术运算和逻辑运算，将暂存中间结果−存储器：存放数据和程序−控制器：控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果−输入设备：将人们熟悉的信息形式转换成机器能识别的形式−输出设备：将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式展示出来2012/9/13Zhanghz,CSofHQU14冯·诺依曼计算机组成结构冯·诺依曼机−1945年，冯·诺依曼在研究EDVAC时提出“存储程序”概念，以此概念为基础研制的计算机统称为冯·诺依曼机−特点：五大组成部件，以运算器为中心数据和指令用二进制数表示，以同等地位存放于存储器中，按地址访问指令由操作码和地址码组成，在存储器中按顺序存放数据线控制线2012/9/13Zhanghz,CSofHQU15冯·诺依曼结构VS.哈佛结构冯·诺依曼结构也叫做普林斯顿结构哈佛结构−将指令和数据分开存储的结构两者的主要区别−指令和数据是否分别存储−是否使用两条独立的总线，分别作为CPU与每个存储器间的专用通信通道，两条总线间毫无关联−哈佛结构目前较多出现在嵌入式应用中2012/9/13Zhanghz,CSofHQU16现代计算机的组成结构以存储器为中心主机I/O设备主存储器CPU运算单元（ALU）控制单元（CU）运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系紧密，将其集成在同一芯片上，称为中央处理器CPU把输入设备与输出设备简称I/O设备现代计算机三大组成部件：CPU主存储器I/O设备主机外部设备2012/9/13Zhanghz,CSofHQU17细化的计算机组成框图了解计算机的工作过程，先分析细化的计算机组成框图2012/9/13Zhanghz,CSofHQU18运算器运算器−常称为算术逻辑运算部件ALU−运算数据格式二进制数：0，低电压或无脉冲；1，高电压或有脉冲长度一般都为2的幂数−运算器最少包括3个寄存器ACC，累加器MQ，乘商寄存器X，操作数寄存器−数据传送将运算结果从ACC送至存储器中的MDR存储器的数据从MDR送至ACC、MQ或X不同机器的运算器结构有所不同2012/9/13Zhanghz,CSofHQU19运算器的四则运算过程表示规定−M表示存储器地址号，[M]表示其中内容值；X/MQ/ACC表示寄存器，[X]/[MQ]/[ACC]表示对应的内容值−假设ACC中已存有前一时刻的运算结果，并作为下一个运算的操作数加法[M]→X[ACC]＋[X]→ACC减法[M]→X[ACC]－[X]→ACC乘法[M]→MQ[ACC]→X0→ACC[X]×[MQ]→ACC//MQ除法[M]→X[ACC]÷[X]→MQ余数R在ACC中2012/9/13Zhanghz,CSofHQU20控制器控制器−计算机的神经中枢，控制计算机各部件有条不紊地工作−控制器的基本任务：周而复始地完成下列三个过程：按照计算机程序编排好的指令序列，从存储器中取出一条指令——取指过程对指令进行分析，确定要完成的操作，并按寻址特征找出操作数的地址——分析过程根据操作数地址及指令的操作码，完成相应的操作——执行过程−控制器的组成程序计数器PC：用于存放当前将要执行的指令，具有自动加1的功能，能够自动形成下一条指令的地址指令寄存器IR：存放当前的指令，其内容来自主存的MDR控制单元CU：分析当前指令所要完成的操作，并发出各种微操作命令序列2012/9/13Zhanghz,CSofHQU21控制器的操作——指令指令——计算机实现某种操作（控制或运算）的一条代码−由操作码和操作数地址组成，以二进制码的形式顺序存放在存储器中−解决某个问题的一串指令的序列，形成该问题的计算程序−“程序控制”的概念控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务指令操作码加法减法乘法除法取数存数打印停机001010011100101110111000指令系统−一台计算机通常有几十种基本指令，它们构成了该计算机的指令系统−指令系统是衡量计算机性能的重要标志2012/9/13Zhanghz,CSofHQU22从指令的执行过程看计算机的工作过程主要分为3个阶段−取指：根据当前PC值，从存储地址中取得指令，通过MDR送至IR中[PC]→MAR，[PC]+1→PC；[MAR]→MDR；[MDR]→IR−分析：CU分析IR中的指令，确定操作类型和操作数地址[IR]→CU：OP[IR]→ALU，AD[IR]→MAR；[MAR]→MDR；[MDR]→X或MQ或ACC−执行：ALU部件处理数据，完成操作计算机的工作过程，就是按存储器中存放的指令顺序反复不断地取指、分析、执行，直到遇到停机指令为止2012/9/13Zhanghz,CSofHQU23存储器存储器的功能−保存或“记忆”解决问题所需的数据和解题方法步骤存储器的组成−以主存储器为例，包括存储体、各种逻辑部件及控制电路等−存储体←存储单元←存储元件存储元件，也称存储元，每个能存储一位二进制代码0或1存储单元，可存储一串二进制数，称为一个存储字，其位数称为存储字长存储字代表的二进制码，可以是数值、字符等，也可以表示指令−存储地址对每个存储单元进行编号，其编号称为该存储单元的地址2012/9/13Zhanghz,CSofHQU24存储器（2）主存储器的工作方式−按存储单元的地址号来实现对存储字各位的写入和读出——按地址存取方式（访存）−为实现上述访存方式，主存需配置两个寄存器MAR（MemoryAddressRegister），存储器地址寄存器MDR（MemoryDataRegister），存储器数据寄存器−MAR存放要访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数设MAR为16位，则有216=64K个存储单元−MDR存放从某个存储单元取出的或准备往某个存储单元存入的内容，其位数与存储字长相等2012/9/13Zhanghz,CSofHQU25I/O设备输入设备−把人们熟悉的某种信息形式转换为机器内部能接收和识别的二进制信息形式−常见的输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、模数转换器等输出设备−把计算机处理的结