計(jì)算機(jī)組成原理(第三版)第一章

1、2021/8/21主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 計(jì)算機(jī)的基本概念計(jì)算機(jī)的基本概念 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬、軟件組成系統(tǒng)硬、軟件組成 層次結(jié)構(gòu)模型層次結(jié)構(gòu)模型 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)第第 1 章章 緒論緒論 2021/8/22生活中常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該包含些什么該包含些什么呢？呢？對(duì)計(jì)算機(jī)我們對(duì)計(jì)算機(jī)我們了解多少？了解多少？它們是如何工作的它們是如何工作的？?2021/8/23計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成2021/8/24硬件部分磁盤(pán)接口典型PC機(jī)主板結(jié)構(gòu)2021/8/25一塊常見(jiàn)的主板一塊常見(jiàn)的主板2021/8/26第第1節(jié)

2、節(jié) 計(jì)算機(jī)的基本概念計(jì)算機(jī)的基本概念 用二進(jìn)制代碼表示程序和數(shù)據(jù)；用二進(jìn)制代碼表示程序和數(shù)據(jù)； 計(jì)算機(jī)采用存儲(chǔ)程序的工作方式；計(jì)算機(jī)采用存儲(chǔ)程序的工作方式； 計(jì)算機(jī)硬件由存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制計(jì)算機(jī)硬件由存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制 器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。馮馮 諾依曼思想：諾依曼思想：P22021/8/271.1.1 存儲(chǔ)程序工作方式存儲(chǔ)程序工作方式1. 事先編制程序事先編制程序其主要含義有三點(diǎn)：其主要含義有三點(diǎn)：P3 指令：指令：計(jì)算機(jī)硬件一步執(zhí)行的操作命令，計(jì)算機(jī)硬件一步執(zhí)行的操作命令，如加法指令。如加法指令。 計(jì)算機(jī)最終執(zhí)行的程序：計(jì)算機(jī)最終執(zhí)行的程序：指令序列。

3、指令序列。 事先編好的求解問(wèn)題的程序最終變成：事先編好的求解問(wèn)題的程序最終變成： 指令序列和需處理的數(shù)據(jù)指令序列和需處理的數(shù)據(jù)。2021/8/282. 事先存儲(chǔ)程序事先存儲(chǔ)程序3. 自動(dòng)、連續(xù)地執(zhí)行程序自動(dòng)、連續(xù)地執(zhí)行程序?qū)⒕幒玫某绦蜃兂勺罱K可執(zhí)行的程序即將編好的程序變成最終可執(zhí)行的程序即二進(jìn)制指令代碼序列存放在存儲(chǔ)器中。二進(jìn)制指令代碼序列存放在存儲(chǔ)器中。在程序已存放在存儲(chǔ)器后，計(jì)算機(jī)就可在程序已存放在存儲(chǔ)器后，計(jì)算機(jī)就可以運(yùn)行該程序，即按一定的順序通常是以運(yùn)行該程序，即按一定的順序通常是指令存放的順序，從存儲(chǔ)器中逐條取出指令存放的順序，從存儲(chǔ)器中逐條取出指令，按指令的要求執(zhí)行操作，直到該指令

4、，按指令的要求執(zhí)行操作，直到該程序執(zhí)行結(jié)束。程序執(zhí)行結(jié)束。2021/8/291.1.2 信息的數(shù)字化表示信息的數(shù)字化表示P3 1. 在計(jì)算機(jī)中用數(shù)字代碼表示各種信息在計(jì)算機(jī)中用數(shù)字代碼表示各種信息 二進(jìn)制代碼二進(jìn)制代碼例例1 用數(shù)字代碼表示數(shù)據(jù)用數(shù)字代碼表示數(shù)據(jù) (四位二進(jìn)制原碼)5 - 5 表示為表示為 0 101 B 表示為表示為 1 101 BB為二進(jìn)制后綴為二進(jìn)制后綴2021/8/210例例2 用數(shù)字代碼表示字符用數(shù)字代碼表示字符 A B 表示為表示為 100 0001 B 表示為表示為 100 0010 B例例3 用數(shù)字代碼表示命令、狀態(tài)用數(shù)字代碼表示命令、狀態(tài) 啟動(dòng)啟動(dòng) 停止停止

5、正在工作正在工作 工作結(jié)束工作結(jié)束 表示為表示為 00 表示為表示為 01 表示為表示為 10 表示為表示為 11 2021/8/211 2. 在物理機(jī)制上用在物理機(jī)制上用數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)表示數(shù)字代碼表示數(shù)字代碼 數(shù)字型電信號(hào)數(shù)字型電信號(hào)例例1 用電平信號(hào)表示數(shù)字代碼用電平信號(hào)表示數(shù)字代碼 高電平高電平 1 低電平低電平 高電平高電平 0 1 例例2 用脈沖信號(hào)表示數(shù)字代碼用脈沖信號(hào)表示數(shù)字代碼 有脈沖有脈沖無(wú)脈沖無(wú)脈沖 有脈沖有脈沖101實(shí)現(xiàn)并行實(shí)現(xiàn)并行操作操作實(shí)現(xiàn)串行實(shí)現(xiàn)串行操作操作2021/8/212第第 2 節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬、軟件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬、軟件組成1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件系

6、統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)P5CPUCPUM MI/OI/O設(shè)備設(shè)備I/OI/O設(shè)備設(shè)備系系 統(tǒng)統(tǒng) 總總 線線單總線計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單總線計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口2021/8/213CPU結(jié)構(gòu)示意圖主存 及輔存2021/8/2148 0 8 6系系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)簡(jiǎn)圖圖 20位物理地址位物理地址16位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)運(yùn)算器運(yùn)算器寄存器組寄存器組CPU內(nèi)部總線內(nèi)部總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線2021/8/2158086 CPU 硬件實(shí)例 80188應(yīng)用板2021/8/2161. CPU 功能：功能：負(fù)責(zé)讀取與執(zhí)行指令，即執(zhí)行程序。負(fù)責(zé)讀取與執(zhí)行指令，即執(zhí)行程序。 基本組成：基本組成：寄

7、存器、寄存器、ALU、控制器及連接、控制器及連接1）寄存器）寄存器用于存放控制信息，如用于存放控制信息，如PC、IR、PSW用于存放數(shù)據(jù)信息，如通用寄存器、暫用于存放數(shù)據(jù)信息，如通用寄存器、暫存器存器2021/8/2172）算術(shù)邏輯部件）算術(shù)邏輯部件ALU：按指令的要求對(duì)按指令的要求對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行指定的算術(shù)或邏輯運(yùn)算。有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行指定的算術(shù)或邏輯運(yùn)算。3）控制器）控制器：主要根據(jù)指令信息產(chǎn)生控制信號(hào)主要根據(jù)指令信息產(chǎn)生控制信號(hào)(微命令微命令)序列，序列， 控制全機(jī)操作?？刂迫珯C(jī)操作。微命令發(fā)生器微命令發(fā)生器指令信息指令信息時(shí)序信號(hào)時(shí)序信號(hào)微命令序列微命令序列狀態(tài)信息狀態(tài)信息2021/8/218

8、微命令產(chǎn)生方式（指令執(zhí)行控制方式）：微命令產(chǎn)生方式（指令執(zhí)行控制方式）：組合邏輯控制方式：組合邏輯控制方式：微程序控制方式：微程序控制方式：由組合邏輯電由組合邏輯電 路路產(chǎn)生微命令產(chǎn)生微命令由微指令產(chǎn)生微命令由微指令產(chǎn)生微命令2. 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 1）功能）功能: 存放需執(zhí)行的程序及需要處理的存放需執(zhí)行的程序及需要處理的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)，CPU能直接讀出或?qū)懭?。能直接讀出或?qū)懭搿?2）邏輯組成：）邏輯組成：由連續(xù)的單元組成。通常由連續(xù)的單元組成。通常每個(gè)單元存放每個(gè)單元存放8位二進(jìn)制數(shù)即一個(gè)字節(jié)。每個(gè)單位二進(jìn)制數(shù)即一個(gè)字節(jié)。每個(gè)單元有一個(gè)惟一的地址。元有一個(gè)惟一的地址。2021/8/219 000

9、00H 00001H 00002H 00003H FFFFEH FFFFFH主存邏輯組成示意圖主存邏輯組成示意圖地址地址7 0 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器： 指令1 指令2 指令2 指令3 操作數(shù) 指令序列按執(zhí)行順序存放在指令序列按執(zhí)行順序存放在連續(xù)的單元中。由連續(xù)的單元中。由CPU中的中的PC提供指令地址，尋找對(duì)應(yīng)提供指令地址，尋找對(duì)應(yīng)主存單元讀取指令到主存單元讀取指令到CPU執(zhí)執(zhí)行。行。 指令需要處理的操作數(shù)也指令需要處理的操作數(shù)也可存放在主存單元中。由指可存放在主存單元中。由指令提供地址尋找對(duì)應(yīng)單元讀令提供地址尋找對(duì)應(yīng)單元讀取操作數(shù)。取操作數(shù)。主存的一個(gè)重要特點(diǎn)：主存的一個(gè)重要特點(diǎn)：能按地址存放或

10、讀能按地址存放或讀取單元內(nèi)容，即允許取單元內(nèi)容，即允許CPU直接編址訪問(wèn)。直接編址訪問(wèn)。2021/8/220 3. 輸入輸入/輸出（輸出（I/O）設(shè)備）設(shè)備功能：功能：轉(zhuǎn)換信息轉(zhuǎn)換信息。 輸入：輸入：原始信息原始信息 二進(jìn)制代碼，送入主機(jī)。二進(jìn)制代碼，送入主機(jī)。輸出：輸出：處理結(jié)果處理結(jié)果 人所能接受的形式并輸出。人所能接受的形式并輸出。 例如：輸入設(shè)備鍵盤(pán)，輸出設(shè)備顯示器。例如：輸入設(shè)備鍵盤(pán)，輸出設(shè)備顯示器。 4. 總線總線 功能：功能：一組能為多個(gè)部件分時(shí)共享的信息傳送線一組能為多個(gè)部件分時(shí)共享的信息傳送線路。路。硬盤(pán)等外部存儲(chǔ)器只是硬盤(pán)等外部存儲(chǔ)器只是I/O設(shè)備的一部分。設(shè)備的一部分。2

11、021/8/221CPUCPUM MI/OI/O設(shè)備設(shè)備I/OI/O設(shè)備設(shè)備系系 統(tǒng)統(tǒng) 總總 線線用一組系統(tǒng)總線連接用一組系統(tǒng)總線連接CPUCPU、主存、多個(gè)輸入、主存、多個(gè)輸入/ /輸出輸出設(shè)備，它們通過(guò)總線傳送信息。設(shè)備，它們通過(guò)總線傳送信息。 地址總線地址總線 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 控制總線控制總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線例如：例如：CPU從主存單元讀取操作數(shù)如何通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)從主存單元讀取操作數(shù)如何通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口2021/8/222 5. I/O接口接口系統(tǒng)總線與系統(tǒng)總線與I/O設(shè)備之間的轉(zhuǎn)換邏輯部件設(shè)備之間的轉(zhuǎn)換邏輯部件 基本功能：基本功能：實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)CPU與與

12、I/O設(shè)備之間控制信息、數(shù)設(shè)備之間控制信息、數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息的轉(zhuǎn)換和傳送；還可實(shí)現(xiàn)主存與據(jù)、狀態(tài)信息的轉(zhuǎn)換和傳送；還可實(shí)現(xiàn)主存與I/O設(shè)備設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳送之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳送。 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由三大子系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由三大子系統(tǒng)：CPU、存、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入/輸出系統(tǒng)及連接它們的總線構(gòu)成。輸出系統(tǒng)及連接它們的總線構(gòu)成。CPUCPUM MI/OI/O設(shè)備設(shè)備I/OI/O設(shè)備設(shè)備系系 統(tǒng)統(tǒng) 總總 線線I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口主機(jī)主機(jī)輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)2021/8/2231.2.2 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)P9按軟件配置與功能分為按軟件配置與功能分為系統(tǒng)

13、軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件1、系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)軟件1）操作系統(tǒng)）操作系統(tǒng)功能：功能：管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬、軟件資源及運(yùn)行的管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬、軟件資源及運(yùn)行的程序，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程，為用戶提供軟程序，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程，為用戶提供軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。件的開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。命令行用戶接口（如命令行用戶接口（如DOS）和圖）和圖形用戶接口（如形用戶接口（如Windows X）系統(tǒng)功能調(diào)用（如系統(tǒng)功能調(diào)用（如DOS的的INT 21H，Windows API）提供的用戶界面提供的用戶界面2021/8/224 機(jī)器語(yǔ)言：機(jī)器語(yǔ)言：計(jì)算機(jī)硬件能直接識(shí)別的語(yǔ)言，由二進(jìn)計(jì)算機(jī)硬

14、件能直接識(shí)別的語(yǔ)言，由二進(jìn)制代碼表示的指令組成，它是面向特定機(jī)器結(jié)構(gòu)的內(nèi)制代碼表示的指令組成，它是面向特定機(jī)器結(jié)構(gòu)的內(nèi)部語(yǔ)言。相應(yīng)的指令稱(chēng)為機(jī)器指令。部語(yǔ)言。相應(yīng)的指令稱(chēng)為機(jī)器指令。 匯編語(yǔ)言：匯編語(yǔ)言：用符號(hào)表示的與機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的程序設(shè)用符號(hào)表示的與機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它是面向特定機(jī)器結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，不計(jì)語(yǔ)言。它是面向特定機(jī)器結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，不能通用。如能通用。如80X86匯編語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、8051匯編語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言。2）編譯程序與解釋程序）編譯程序與解釋程序 指令與指令系統(tǒng)：指令與指令系統(tǒng)：一條指令規(guī)定了一種基本操作一條指令規(guī)定了一種基本操作（如傳送、加、減），并提供操作

15、數(shù)地址或操作數(shù)，（如傳送、加、減），并提供操作數(shù)地址或操作數(shù)，這些信息用二進(jìn)制代碼表示。指令系統(tǒng)是指一臺(tái)計(jì)算這些信息用二進(jìn)制代碼表示。指令系統(tǒng)是指一臺(tái)計(jì)算機(jī)所有指令的集合。機(jī)所有指令的集合。2021/8/225 源程序：源程序：用某種高級(jí)語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，它用某種高級(jí)語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，它們由相應(yīng)語(yǔ)言的語(yǔ)句組成。源程序必須通過(guò)這種語(yǔ)言的語(yǔ)們由相應(yīng)語(yǔ)言的語(yǔ)句組成。源程序必須通過(guò)這種語(yǔ)言的語(yǔ)言處理程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言程序（即二進(jìn)制指令代碼言處理程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言程序（即二進(jìn)制指令代碼序列），才能在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。序列），才能在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。2）編譯程序與解釋程序）編譯程序與解釋程

16、序 高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言：高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言：是面向用戶，與特定機(jī)器屬是面向用戶，與特定機(jī)器屬性相分離的通用語(yǔ)言。每種語(yǔ)言都有自己的語(yǔ)法規(guī)定性相分離的通用語(yǔ)言。每種語(yǔ)言都有自己的語(yǔ)法規(guī)定與格式，也有適用范圍。如與格式，也有適用范圍。如C、PASCAL、C+。2021/8/226 編譯方式：編譯方式：將源程序輸入計(jì)算機(jī)后，啟動(dòng)并執(zhí)行這將源程序輸入計(jì)算機(jī)后，啟動(dòng)并執(zhí)行這種語(yǔ)言的編譯程序（編譯器），將源程序全部翻譯成機(jī)種語(yǔ)言的編譯程序（編譯器），將源程序全部翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序（目標(biāo)程序）后，才由硬件執(zhí)行。如，匯編器語(yǔ)言程序（目標(biāo)程序）后，才由硬件執(zhí)行。如，匯編器。器。 語(yǔ)言處理方式有兩種類(lèi)型：解釋與編譯語(yǔ)

17、言處理方式有兩種類(lèi)型：解釋與編譯 解釋方式：解釋方式：邊解釋邊執(zhí)行。將源程序輸入計(jì)算機(jī)后邊解釋邊執(zhí)行。將源程序輸入計(jì)算機(jī)后，啟動(dòng)并執(zhí)行這種語(yǔ)言的解釋程序（解釋器），由它逐，啟動(dòng)并執(zhí)行這種語(yǔ)言的解釋程序（解釋器），由它逐句分析源程序，并翻譯成與該語(yǔ)句等價(jià)的機(jī)器指令序列句分析源程序，并翻譯成與該語(yǔ)句等價(jià)的機(jī)器指令序列由硬件執(zhí)行，直到整個(gè)源程序的語(yǔ)句被解釋執(zhí)行完畢。由硬件執(zhí)行，直到整個(gè)源程序的語(yǔ)句被解釋執(zhí)行完畢。如，如，BASIC解釋程序。解釋程序。2021/8/2273）各種軟件平臺(tái)）各種軟件平臺(tái) 將開(kāi)發(fā)及運(yùn)行過(guò)程中所需的各種軟件集成為一個(gè)將開(kāi)發(fā)及運(yùn)行過(guò)程中所需的各種軟件集成為一個(gè)綜合的軟件系統(tǒng)，

18、稱(chēng)為軟件平臺(tái)。綜合的軟件系統(tǒng)，稱(chēng)為軟件平臺(tái)。如：以某種高級(jí)語(yǔ)如：以某種高級(jí)語(yǔ)言編譯系統(tǒng)為核心的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。言編譯系統(tǒng)為核心的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。、應(yīng)用軟件：、應(yīng)用軟件：解決某一應(yīng)用領(lǐng)域問(wèn)題的軟解決某一應(yīng)用領(lǐng)域問(wèn)題的軟件，如科學(xué)計(jì)算軟件、財(cái)會(huì)軟件等。件，如科學(xué)計(jì)算軟件、財(cái)會(huì)軟件等。 總之，系統(tǒng)軟件是負(fù)責(zé)系統(tǒng)調(diào)度管理，提總之，系統(tǒng)軟件是負(fù)責(zé)系統(tǒng)調(diào)度管理，提供開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，為用戶提供各種服務(wù)的一供開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，為用戶提供各種服務(wù)的一類(lèi)軟件。類(lèi)軟件。2021/8/228按任務(wù)需要編制成的各種程序按任務(wù)需要編制成的各種程序用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件語(yǔ)言處理程序

19、語(yǔ)言處理程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)服務(wù)性程序服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)軟件軟軟件件2021/8/229應(yīng)用程序用層次的觀點(diǎn)看到的計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)工具用戶操作系統(tǒng)硬件2021/8/230第第 3 節(jié)節(jié) 層次結(jié)構(gòu)模型層次結(jié)構(gòu)模型P121.3.1 從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成角度劃分層次結(jié)構(gòu)從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成角度劃分層次結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，通過(guò)配置軟件擴(kuò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，通過(guò)配置軟件擴(kuò)充功能，形成一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)。通常采用充功能，形成一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)。通常采用層次結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)去分析、設(shè)計(jì)和構(gòu)建它。本節(jié)層次結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)去分析、設(shè)計(jì)和構(gòu)建它。本節(jié)將列舉兩種典型的層次結(jié)果模型。將列舉兩種

20、典型的層次結(jié)果模型。 下面的圖給出了構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件層和下面的圖給出了構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件層和多個(gè)軟件層，以及它們之間的關(guān)系。每層都在多個(gè)軟件層，以及它們之間的關(guān)系。每層都在下一層的基礎(chǔ)上增加功能。下一層的基礎(chǔ)上增加功能。2021/8/231 右圖是從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組右圖是從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成角度劃分的一種層次結(jié)成角度劃分的一種層次結(jié)構(gòu)模型。構(gòu)模型。面向問(wèn)題語(yǔ)言層面向問(wèn)題語(yǔ)言層第第5層層翻譯翻譯(編譯器編譯器)匯編語(yǔ)言層匯編語(yǔ)言層第第4層層翻譯翻譯(匯編器匯編器)操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層第第3層層部分解釋部分解釋(操作系統(tǒng)操作系統(tǒng))指令系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層第第2層層直接執(zhí)行直接執(zhí)行/解釋解釋(微程序微程序

21、)微體系結(jié)構(gòu)層微體系結(jié)構(gòu)層第第1層層1、微體系結(jié)構(gòu)層、微體系結(jié)構(gòu)層 微體系結(jié)構(gòu)層是硬微體系結(jié)構(gòu)層是硬件層次，它主要是從件層次，它主要是從寄存器級(jí)觀察寄存器級(jí)觀察CPU的的結(jié)構(gòu)，分析結(jié)構(gòu)，分析CPU分步分步執(zhí)行指令的詳細(xì)過(guò)程執(zhí)行指令的詳細(xì)過(guò)程。 微體系結(jié)構(gòu)層可看微體系結(jié)構(gòu)層可看作是第作是第2層指令系統(tǒng)層層指令系統(tǒng)層指令的解釋器。指令的解釋器。2021/8/232從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成角度劃分的從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成角度劃分的一種層次結(jié)構(gòu)模型一種層次結(jié)構(gòu)模型面向問(wèn)題語(yǔ)言層面向問(wèn)題語(yǔ)言層第第5層層翻譯翻譯(編譯器編譯器)匯編語(yǔ)言層匯編語(yǔ)言層第第4層層翻譯翻譯(匯編器匯編器)操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層第第3層層部分解釋

22、部分解釋(操作系統(tǒng)操作系統(tǒng))指令系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層第第2層層直接執(zhí)行直接執(zhí)行/解釋解釋(微程序微程序)微體系結(jié)構(gòu)層微體系結(jié)構(gòu)層第第1層層2、指令系統(tǒng)層、指令系統(tǒng)層 指令系統(tǒng)層及上層指令系統(tǒng)層及上層都是抽象層次。指令都是抽象層次。指令系統(tǒng)層定義了硬件與系統(tǒng)層定義了硬件與編譯器的接口。編譯器的接口。 一方面，指令系統(tǒng)一方面，指令系統(tǒng)規(guī)定了由硬件實(shí)現(xiàn)的規(guī)定了由硬件實(shí)現(xiàn)的各種指令功能；另一各種指令功能；另一方面，各種源程序必方面，各種源程序必須通過(guò)編譯器或解釋須通過(guò)編譯器或解釋器轉(zhuǎn)換為硬件能識(shí)別器轉(zhuǎn)換為硬件能識(shí)別與執(zhí)行的指令序列。與執(zhí)行的指令序列。2021/8/233從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成角度劃分的從計(jì)算機(jī)系

23、統(tǒng)組成角度劃分的一種層次結(jié)構(gòu)模型一種層次結(jié)構(gòu)模型面向問(wèn)題語(yǔ)言層面向問(wèn)題語(yǔ)言層第第5層層翻譯翻譯(編譯器編譯器)匯編語(yǔ)言層匯編語(yǔ)言層第第4層層翻譯翻譯(匯編器匯編器)操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層第第3層層部分解釋部分解釋(操作系統(tǒng)操作系統(tǒng))指令系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層第第2層層直接執(zhí)行直接執(zhí)行/解釋解釋(微程序微程序)微體系結(jié)構(gòu)層微體系結(jié)構(gòu)層第第1層層3、操作系統(tǒng)層、操作系統(tǒng)層 從系統(tǒng)程序員的觀點(diǎn)從系統(tǒng)程序員的觀點(diǎn)來(lái)看，操作系統(tǒng)層指令來(lái)看，操作系統(tǒng)層指令集包括指令系統(tǒng)層的指集包括指令系統(tǒng)層的指令和新增的指令。令和新增的指令。 這些新指令稱(chēng)為系統(tǒng)這些新指令稱(chēng)為系統(tǒng)調(diào)用。它們由操作系統(tǒng)調(diào)用。它們由操作系統(tǒng)解釋?zhuān)搶?/p>

24、的其余指令解釋?zhuān)搶拥钠溆嘀噶?即與第即與第2層指令相同的層指令相同的指令指令)由微體系結(jié)構(gòu)層執(zhí)由微體系結(jié)構(gòu)層執(zhí)行。行。2021/8/234從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成角度劃分的從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成角度劃分的一種層次結(jié)構(gòu)模型一種層次結(jié)構(gòu)模型面向問(wèn)題語(yǔ)言層面向問(wèn)題語(yǔ)言層第第5層層翻譯翻譯(編譯器編譯器)匯編語(yǔ)言層匯編語(yǔ)言層第第4層層翻譯翻譯(匯編器匯編器)操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層第第3層層部分解釋部分解釋(操作系統(tǒng)操作系統(tǒng))指令系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層第第2層層直接執(zhí)行直接執(zhí)行/解釋解釋(微程序微程序)微體系結(jié)構(gòu)層微體系結(jié)構(gòu)層第第1層層4、匯編語(yǔ)言層、匯編語(yǔ)言層 匯編語(yǔ)言層及上層是匯編語(yǔ)言層及上層是提供給解決應(yīng)用問(wèn)題的提供

25、給解決應(yīng)用問(wèn)題的程序員使用的。程序員使用的。 匯編語(yǔ)言程序通過(guò)匯匯編語(yǔ)言程序通過(guò)匯編器翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程編器翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序，再由微體系結(jié)構(gòu)層序，再由微體系結(jié)構(gòu)層執(zhí)行。執(zhí)行。2021/8/235從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成角度劃分的從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成角度劃分的一種層次結(jié)構(gòu)模型一種層次結(jié)構(gòu)模型面向問(wèn)題語(yǔ)言層面向問(wèn)題語(yǔ)言層第第5層層翻譯翻譯(編譯器編譯器)匯編語(yǔ)言層匯編語(yǔ)言層第第4層層翻譯翻譯(匯編器匯編器)操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層第第3層層部分解釋部分解釋(操作系統(tǒng)操作系統(tǒng))指令系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層第第2層層直接執(zhí)行直接執(zhí)行/解釋解釋(微程序微程序)微體系結(jié)構(gòu)層微體系結(jié)構(gòu)層第第1層層5、面向問(wèn)題語(yǔ)言層、面向問(wèn)題語(yǔ)言層

26、 這一層使用高級(jí)語(yǔ)言這一層使用高級(jí)語(yǔ)言編程解決問(wèn)題。編程解決問(wèn)題。 高級(jí)語(yǔ)言程序通常由高級(jí)語(yǔ)言程序通常由編譯器翻譯成第編譯器翻譯成第3層或?qū)踊虻诘?層語(yǔ)言，個(gè)別有解層語(yǔ)言，個(gè)別有解釋執(zhí)行的。釋執(zhí)行的。 本書(shū)第二篇將分別從本書(shū)第二篇將分別從微體系結(jié)構(gòu)層、指令系微體系結(jié)構(gòu)層、指令系統(tǒng)層、匯編語(yǔ)言層來(lái)討統(tǒng)層、匯編語(yǔ)言層來(lái)討論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成。論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成。2021/8/2361.3.2 從語(yǔ)言功能角度劃分層次結(jié)構(gòu)從語(yǔ)言功能角度劃分層次結(jié)構(gòu) P14虛擬機(jī)：虛擬機(jī)：指通過(guò)配置軟件（如某種語(yǔ)言指通過(guò)配置軟件（如某種語(yǔ)言的編譯器或解釋器）擴(kuò)充機(jī)器功能后所的編譯器或解釋器）擴(kuò)充機(jī)器功能后所形成的一臺(tái)計(jì)算

27、機(jī)。形成的一臺(tái)計(jì)算機(jī)。機(jī)器語(yǔ)言物理機(jī)：機(jī)器語(yǔ)言物理機(jī)：指能識(shí)別與執(zhí)行機(jī)器指能識(shí)別與執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)硬件。語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)硬件。2021/8/237 下圖是從語(yǔ)言功能角度劃分的層次結(jié)構(gòu)模型下圖是從語(yǔ)言功能角度劃分的層次結(jié)構(gòu)模型專(zhuān)用語(yǔ)言虛擬機(jī)專(zhuān)用語(yǔ)言虛擬機(jī)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)機(jī)器語(yǔ)言物理機(jī)（實(shí)際機(jī)器）機(jī)器語(yǔ)言物理機(jī)（實(shí)際機(jī)器）程序程序2021/8/238第第 4 節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程P161.4.1 處理問(wèn)題的步驟處理問(wèn)題的步驟 目前，大型的應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)都采用軟件工程的方目前，大型的應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)都采用軟件工程的方法。但如要解決規(guī)模較小的應(yīng)用

28、問(wèn)題，可采用以下的法。但如要解決規(guī)模較小的應(yīng)用問(wèn)題，可采用以下的基本步驟：基本步驟：1、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)分析2、建立數(shù)學(xué)模型與設(shè)計(jì)算法、建立數(shù)學(xué)模型與設(shè)計(jì)算法3、編寫(xiě)應(yīng)用程序、編寫(xiě)應(yīng)用程序4、編譯為目標(biāo)程序、編譯為目標(biāo)程序5、由硬件執(zhí)行目標(biāo)程序、由硬件執(zhí)行目標(biāo)程序2021/8/2391.4.2 指令執(zhí)行過(guò)程指令執(zhí)行過(guò)程 加法指令加法指令“ADD AX，1000H”的功能是，的功能是，將主存將主存1000H單元的內(nèi)容（源操作數(shù)）與單元的內(nèi)容（源操作數(shù)）與CPU中中AX寄存器的內(nèi)容（目的操作數(shù)）相加，結(jié)果寄存器的內(nèi)容（目的操作數(shù)）相加，結(jié)果送回送回AX中。中。1、取指令與分析指令、取指令與分析指令

29、下面以加法指令為例，說(shuō)明一條指令的執(zhí)行過(guò)程。下面以加法指令為例，說(shuō)明一條指令的執(zhí)行過(guò)程。 按按CPU的程序計(jì)數(shù)器的程序計(jì)數(shù)器PC中的指令地址，從主存單中的指令地址，從主存單元讀取加法指令到指令寄存器元讀取加法指令到指令寄存器IR中，這時(shí)中，這時(shí)PC的內(nèi)容修的內(nèi)容修改為下一條指令地址。然后由指令譯碼器分析改為下一條指令地址。然后由指令譯碼器分析IR中的中的指令，作為產(chǎn)生對(duì)應(yīng)微命令序列的依據(jù)。指令，作為產(chǎn)生對(duì)應(yīng)微命令序列的依據(jù)。2021/8/2402、讀取操作數(shù)、讀取操作數(shù) 在本例中，源操作數(shù)存放在主存在本例中，源操作數(shù)存放在主存1000H單元中，單元中，因此需要讀取地址為因此需要讀取地址為100

30、0H單元的內(nèi)容，并送入單元的內(nèi)容，并送入CPU的一個(gè)暫存器中供下一步計(jì)算用。的一個(gè)暫存器中供下一步計(jì)算用。3、運(yùn)算、運(yùn)算 本例中本例中ADD是指令的操作碼，表示要進(jìn)行加法運(yùn)是指令的操作碼，表示要進(jìn)行加法運(yùn)算。將上一步得到的在算。將上一步得到的在CPU暫存器中的源操作數(shù)與寄暫存器中的源操作數(shù)與寄存器存器AX中的目的操作數(shù)，通過(guò)中的目的操作數(shù)，通過(guò)ALU相加，結(jié)果送回相加，結(jié)果送回AX中。中。2021/8/2414、后繼指令地址、后繼指令地址 本例中，在讀取指令時(shí)本例中，在讀取指令時(shí)PC的內(nèi)容已修改為下一條的內(nèi)容已修改為下一條指令地址。指令地址。 其他指令的執(zhí)行過(guò)程與上述過(guò)程是類(lèi)似其他指令的執(zhí)行過(guò)

31、程與上述過(guò)程是類(lèi)似的。計(jì)算機(jī)正是通過(guò)逐條地執(zhí)行指令來(lái)完成的。計(jì)算機(jī)正是通過(guò)逐條地執(zhí)行指令來(lái)完成整個(gè)程序的運(yùn)行。整個(gè)程序的運(yùn)行。2021/8/242第第5節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)P191. 基本字長(zhǎng)基本字長(zhǎng) 指參與一次運(yùn)算的操作數(shù)的位數(shù)。指參與一次運(yùn)算的操作數(shù)的位數(shù)。 它影響計(jì)算精度、指令功能。它影響計(jì)算精度、指令功能。2. 運(yùn)算速度運(yùn)算速度 （1） CPU時(shí)鐘頻率（時(shí)鐘頻率（MHz） （2）每秒平均執(zhí)行的指令條數(shù)（）每秒平均執(zhí)行的指令條數(shù)（MIPS） （3）定點(diǎn)）定點(diǎn)/浮點(diǎn)四則運(yùn)算時(shí)間浮點(diǎn)四則運(yùn)算時(shí)間2021/8/2433. 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量 （1）主存容量）主存容量 指

32、存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)位數(shù)。指存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)位數(shù)。決定地址位數(shù)決定地址位數(shù)表明編址單位表明編址單位表示為：表示為：字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)（按字節(jié)編址）（按字節(jié)編址）或或 字?jǐn)?shù)字長(zhǎng)字?jǐn)?shù)字長(zhǎng)（按字編址）（按字編址）（2）外存容量）外存容量 常表示為常表示為字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)。 外存容量與地址碼位數(shù)無(wú)關(guān)外存容量與地址碼位數(shù)無(wú)關(guān)。2021/8/244 4. 配置的配置的I/O設(shè)備及性能設(shè)備及性能 5. 處理功能處理功能 （1）指令系統(tǒng)功能（）指令系統(tǒng)功能（尋址方式尋址方式、指令類(lèi)型指令類(lèi)型） （2）系統(tǒng)軟件配置）系統(tǒng)軟件配置2021/8/2451.6 計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用史計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用史一、計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展一、計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生

33、和發(fā)展1946年年 美國(guó)美國(guó) ENIAC1955年退役年退役十進(jìn)制運(yùn)算十進(jìn)制運(yùn)算18 0001 500150301 500多個(gè)電子管多個(gè)電子管多個(gè)繼電器多個(gè)繼電器千瓦千瓦噸噸平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬動(dòng)開(kāi)關(guān)和拔插電纜來(lái)編程用手工搬動(dòng)開(kāi)關(guān)和拔插電纜來(lái)編程2021/8/246世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī) ENIAC(1946)ENIAC(1946)2021/8/247硬件技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的影響硬件技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的影響 100 000 000 超大規(guī)模超大規(guī)模 集成電路集成電路 1978現(xiàn)在現(xiàn)在 10 000 000 大規(guī)模大規(guī)模 集成電路集成電路

34、19721977 1 000 000 中小規(guī)模中小規(guī)模 集成電路集成電路 19651971 200 000 晶體管晶體管 19581964 40 000 電子管電子管 19461957 速度（次速度（次/秒）秒） 硬件技術(shù)硬件技術(shù) 時(shí)間時(shí)間 代代三三四四二二一一2021/8/248二、微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展二、微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展微處理器芯片微處理器芯片存儲(chǔ)器芯片存儲(chǔ)器芯片1971年年 8位位16位位32位位64位位4位（位（4004）1970年年256位位 1K位位16K位位64K位位256K位位1M位位16M位位64M位位4K位位4M位位2021/8/249Moore 定律定律Intel 公司的締造者之一公司的締造者之一 Gordon Moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶體管數(shù)目每三年翻兩番晶體管數(shù)目每三年翻兩番2021/8/250Intel 公司的典型微處理器產(chǎn)品公司的典型微處理器產(chǎn)品8080 8位位 1974年年8086 16位位 1979年年 2.9 萬(wàn)萬(wàn)80286 16位位 1982