第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

1、第第1章章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論2022年5月3日星期二2目錄目錄1.0 預(yù)備知識(shí)預(yù)備知識(shí)1.1 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史1.3 計(jì)算機(jī)的硬件計(jì)算機(jī)的硬件1.4 計(jì)算機(jī)的軟件計(jì)算機(jī)的軟件1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2022年5月3日星期二31.0 預(yù)備知識(shí)預(yù)備知識(shí)l問題問題1：一臺(tái)計(jì)算機(jī)一般有哪幾部分組成？：一臺(tái)計(jì)算機(jī)一般有哪幾部分組成？顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、音箱、主機(jī)箱等；顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、音箱、主機(jī)箱等；主機(jī)箱中有：主機(jī)箱中有：主板主板、CPU、光驅(qū)、硬盤、內(nèi)存、顯卡、聲卡等；、光驅(qū)、硬盤、內(nèi)存、顯卡、聲卡等； l問題問題

2、2：如何對以上設(shè)備分類？：如何對以上設(shè)備分類？輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備中央處理設(shè)備中央處理設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備接口轉(zhuǎn)換卡接口轉(zhuǎn)換卡部件連接線部件連接線l問題問題3：有了以上設(shè)備，計(jì)算機(jī)是否能發(fā)揮其功效？：有了以上設(shè)備，計(jì)算機(jī)是否能發(fā)揮其功效？一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)和和軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)兩部分。兩部分。顯示器，鍵盤，鼠標(biāo)，音箱顯示器，鍵盤，鼠標(biāo)，音箱CPU（集處理和控制于一身）（集處理和控制于一身）光驅(qū)、硬盤、內(nèi)存光驅(qū)、硬盤、內(nèi)存顯卡、聲卡顯卡、聲卡主板上的印制總線、部件連接總線主板上的印制總線、部件連接總線2022年5月3日星期二42022年5月3日

3、星期二52022年5月3日星期二62022年5月3日星期二72022年5月3日星期二8DDR內(nèi)存條內(nèi)存條SDRAM內(nèi)存條內(nèi)存條2022年5月3日星期二9硬盤硬盤2022年5月3日星期二10硬盤數(shù)據(jù)線硬盤數(shù)據(jù)線2022年5月3日星期二11DVD光驅(qū)光驅(qū)2022年5月3日星期二12機(jī)內(nèi)電源插頭機(jī)內(nèi)電源插頭2022年5月3日星期二132022年5月3日星期二141.1 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)通用計(jì)算機(jī)通用計(jì)算機(jī)處理數(shù)字量信息處理數(shù)字量信息按位運(yùn)算，按位運(yùn)算，不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算處理模擬量信息處理模擬量信息數(shù)值連續(xù)、運(yùn)算過程連續(xù)

4、數(shù)值連續(xù)、運(yùn)算過程連續(xù)是針對某一任務(wù)設(shè)計(jì)的最有效、是針對某一任務(wù)設(shè)計(jì)的最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，但最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，但適應(yīng)性很差。適應(yīng)性很差。適應(yīng)性很大，但適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。速度和經(jīng)濟(jì)性。單片機(jī)單片機(jī)微型機(jī)微型機(jī)中型機(jī)中型機(jī)大型機(jī)大型機(jī)超級計(jì)算機(jī)超級計(jì)算機(jī)低低高高體積體積功能功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)價(jià)格價(jià)格低低高高簡簡易易性性分分類類如如P2 P2 圖圖1.11.1小型機(jī)小型機(jī)2022年5月3日星期二151.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路中小規(guī)模中小規(guī)模集成電路集成電路晶體管晶體管電子管電子

5、管19721990年年19461957年，年，第一代計(jì)算機(jī)第一代計(jì)算機(jī)19651971年年19581964年年第二代計(jì)算機(jī)第二代計(jì)算機(jī)巨大規(guī)模巨大規(guī)模集成電路集成電路1991年年至今至今摩爾定律摩爾定律1.2.1 計(jì)算機(jī)的五代變化計(jì)算機(jī)的五代變化2022年5月3日星期二16第一代計(jì)算機(jī)第一代計(jì)算機(jī)l第一代計(jì)算機(jī)第一代計(jì)算機(jī)(1945年年1958年年)采用電子管。采用電子管。l代表機(jī)型：代表機(jī)型：ENIAC1941年美國賓夕法尼亞大學(xué)開始研制；年美國賓夕法尼亞大學(xué)開始研制；主要是為了解決美陸軍提出的彈道計(jì)算主要是為了解決美陸軍提出的彈道計(jì)算問題問題 ；花費(fèi)花費(fèi)40萬美元；萬美元；1955年年10

6、月月2日最后切斷電源。日最后切斷電源。2022年5月3日星期二17ENIAC2022年5月3日星期二18第二代計(jì)算機(jī)第二代計(jì)算機(jī)(19581964)晶體管晶體管2022年5月3日星期二192022年5月3日星期二20摩爾定律摩爾定律1964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登.摩爾（摩爾（Gordon Moore）在）在一篇很短的論文里斷言：一篇很短的論文里斷言：每每18個(gè)月，集成電路的性能將提高一個(gè)月，集成電路的性能將提高一倍，而其價(jià)格將降低一半。倍，而其價(jià)格將降低一半。這就是著名的摩爾定律。這就是著名的摩爾定律。作為迄今為止半導(dǎo)體發(fā)展史上意義最深遠(yuǎn)的定律，摩爾定律被作為迄今為止

7、半導(dǎo)體發(fā)展史上意義最深遠(yuǎn)的定律，摩爾定律被集成電路集成電路40多年的發(fā)展歷史準(zhǔn)確無誤地驗(yàn)證著。多年的發(fā)展歷史準(zhǔn)確無誤地驗(yàn)證著。摩爾定律有另外一種表述方法，即摩爾定律有另外一種表述方法，即每過每過10年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能將年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能將會(huì)增加會(huì)增加100倍，通訊帶寬也會(huì)提高倍，通訊帶寬也會(huì)提高100倍，而花費(fèi)的資金不會(huì)增倍，而花費(fèi)的資金不會(huì)增加加。2022年5月3日星期二211.2.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展l20世紀(jì)世紀(jì)5060年代，磁芯存儲(chǔ)器年代，磁芯存儲(chǔ)器價(jià)格昂貴，體積大，破壞性讀出價(jià)格昂貴，體積大，破壞性讀出l1970年，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器年，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器價(jià)格更加昂貴，體積小，非

8、破壞性讀寫價(jià)格更加昂貴，體積小，非破壞性讀寫l1974年之后，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器年之后，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器價(jià)格不斷降低，體積不斷減少，讀寫速度更快。價(jià)格不斷降低，體積不斷減少，讀寫速度更快。l有關(guān)存儲(chǔ)器的介紹詳見第有關(guān)存儲(chǔ)器的介紹詳見第3章章2022年5月3日星期二221.2.3 微處理器的發(fā)展微處理器的發(fā)展l20世紀(jì)世紀(jì)70年代的處理器年代的處理器4004 8008 8080 8086 8088l20世紀(jì)世紀(jì)80年代的處理器年代的處理器80286 386TM DX 386TM SX 486TM DX l20世紀(jì)世紀(jì)90年代的處理器年代的處理器486TM SX Pentium Pentium Pro Pe

9、ntium II Pentium l最近最近10年的處理器年的處理器Pentium 4 Itanium Itanium 2 2022年5月3日星期二23DIPDIP封裝封裝PGAPGA封裝封裝2022年5月3日星期二242022年5月3日星期二252022年5月3日星期二26雙核雙核CPUCPU三核三核CPUCPU2022年5月3日星期二271.2.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（1/3）l吞吐量吞吐量表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量信息量。l響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間從從輸入有效輸入有效到系統(tǒng)到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間度量，用時(shí)間單位

10、來表示。之間的時(shí)間度量，用時(shí)間單位來表示。l利用率利用率在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占的比率，用百分在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占的比率，用百分比表示。比表示。l處理機(jī)字長（機(jī)器字長）處理機(jī)字長（機(jī)器字長）處理機(jī)運(yùn)算器中處理機(jī)運(yùn)算器中一次一次能夠完成能夠完成二進(jìn)制運(yùn)算的位數(shù)二進(jìn)制運(yùn)算的位數(shù)，如，如32、64位；位；機(jī)器字長與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度具有一定的相關(guān)性。機(jī)器字長與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度具有一定的相關(guān)性。2022年5月3日星期二281.2.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（2/3）l總線寬度總線寬度一般指運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)總線寬度。一般指運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間的

11、數(shù)據(jù)總線寬度。u注意課本上的表述錯(cuò)誤！注意課本上的表述錯(cuò)誤！l主存儲(chǔ)器容量主存儲(chǔ)器容量主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。u或者說或者說“主存儲(chǔ)器中所有主存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)元存儲(chǔ)元的總數(shù)目。的總數(shù)目?！保嵌恰按鎯?chǔ)單元存儲(chǔ)單元”！l主存儲(chǔ)器帶寬主存儲(chǔ)器帶寬單位時(shí)間內(nèi)從主存儲(chǔ)器讀出的二進(jìn)制信息量，一般用字節(jié)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)從主存儲(chǔ)器讀出的二進(jìn)制信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。秒表示。l主頻主頻/時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期CPU主時(shí)鐘的頻率主時(shí)鐘的頻率主頻；其倒數(shù)為主頻；其倒數(shù)為CPU的時(shí)鐘周期的時(shí)鐘周期(T周期周期)。2022年5月3日星期二291.2.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（計(jì)

12、算機(jī)的性能指標(biāo)（3/3）lCPU執(zhí)行時(shí)間：執(zhí)行時(shí)間：CPU執(zhí)行一般程序所占用的執(zhí)行一般程序所占用的CPU時(shí)間；時(shí)間；CPU執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間 程序的總時(shí)鐘周期數(shù)程序的總時(shí)鐘周期數(shù) CPU時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期lCPI（Cycle Per Instruction）執(zhí)行一條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)；執(zhí)行一條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)；平均平均CPI=某程序某程序總的總的CPU時(shí)鐘周期數(shù)時(shí)鐘周期數(shù) / 該程序包含的指令條數(shù)該程序包含的指令條數(shù) lMIPS（Million Instructions executed Per Second）每秒百萬指令數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)；每秒百萬指令數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行

13、的指令數(shù)；MIPS = 指令數(shù)指令數(shù) / 程序執(zhí)行時(shí)間程序執(zhí)行時(shí)間lFLOPS（Floating-point Operations Per Second）每秒百萬次浮點(diǎn)操作數(shù)，衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能。每秒百萬次浮點(diǎn)操作數(shù)，衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能。l其他的性能指標(biāo)其他的性能指標(biāo)主存儲(chǔ)器的讀寫速度、主存儲(chǔ)器的讀寫速度、IO的數(shù)據(jù)傳送率、帶寬的均衡性的數(shù)據(jù)傳送率、帶寬的均衡性課本課本P5 例例1lIN某某程序中的指令總數(shù)程序中的指令總數(shù)；NC 該程序所包含總的該程序所包含總的CPU時(shí)鐘周期數(shù)時(shí)鐘周期數(shù)；tCPU該程序所需的該程序所需的CPU時(shí)間時(shí)間；T 時(shí)鐘周時(shí)鐘周期，期，f 時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率，T與

14、與f互為互為倒數(shù)倒數(shù)。 2022年5月3日星期二30注意課本上的注意課本上的書寫錯(cuò)誤書寫錯(cuò)誤106=1M課本課本P5 例例2 用一臺(tái)用一臺(tái)50MHz處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，它包處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，它包含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)如下表所示：如下表所示：求有效求有效CPI、MIPS、處理機(jī)程序執(zhí)行時(shí)間、處理機(jī)程序執(zhí)行時(shí)間tCPU。指令類型指令類型指令數(shù)目指令數(shù)目平均時(shí)鐘周期數(shù)平均時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)運(yùn)算整數(shù)運(yùn)算450001數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送320002浮點(diǎn)運(yùn)算浮點(diǎn)運(yùn)算150002控制傳送控制傳送800022022年5月3日星期二31課本課本P5 例

15、例2【解答解答】2022年5月3日星期二32（）nciii=1NNNICPI=CPIII 450001+320002+150002+80002=45000+32000+15000+8000（ 周周期期/指/指令令）=1.55 T指指令令/秒/秒66f5010MIPS32.2610CPI1.55 秒秒-4CCPUNt=31 10f 2012年考研統(tǒng)考題目年考研統(tǒng)考題目 第第12題題l假定基準(zhǔn)程序假定基準(zhǔn)程序A在某計(jì)算機(jī)上的運(yùn)行時(shí)間為在某計(jì)算機(jī)上的運(yùn)行時(shí)間為100秒，其中秒，其中90秒為秒為CPU時(shí)間，其余為時(shí)間，其余為I/O時(shí)間。若時(shí)間。若CPU速度提高速度提高50%，I/O速度不變速度不變，則

16、運(yùn)行基準(zhǔn)程序，則運(yùn)行基準(zhǔn)程序A所消耗的時(shí)間是（所消耗的時(shí)間是（ ） A. 55秒秒 B. 60秒秒 C. 65秒秒 D 70秒秒l【解答解答】l假設(shè)提高速度后假設(shè)提高速度后CPU消耗的時(shí)間為消耗的時(shí)間為X秒，之前秒，之前CPU的速度為的速度為v，則提高后為則提高后為1.5v；lCPU執(zhí)行的指令條數(shù)不變，所以有執(zhí)行的指令條數(shù)不變，所以有 90*V=X*1.5V，則，則 X=60，再加上再加上I/O時(shí)間，共時(shí)間，共70秒秒2022年5月3日星期二33D2012年考研統(tǒng)考題目年考研統(tǒng)考題目 第第43題題l假定某計(jì)算機(jī)的假定某計(jì)算機(jī)的CPU主頻為主頻為80MHz，CPI為為4，l（1）該計(jì)算機(jī)的）該計(jì)

17、算機(jī)的MIPS數(shù)是多少？數(shù)是多少？主頻主頻每秒鐘的時(shí)鐘周期數(shù)；每秒鐘的時(shí)鐘周期數(shù)；CPI每條指令的時(shí)鐘周期數(shù)；每條指令的時(shí)鐘周期數(shù)；MIPS每秒鐘可執(zhí)行的指令條數(shù)；每秒鐘可執(zhí)行的指令條數(shù)；MIPS=主頻主頻 / CPI = 20 2022年5月3日星期二342013年考研統(tǒng)考題目年考研統(tǒng)考題目 第第12題題指令類型指令類型指令數(shù)目指令數(shù)目平均時(shí)鐘周期數(shù)平均時(shí)鐘周期數(shù)A50%2B20%3C10%4D20%52022年5月3日星期二35某計(jì)算機(jī)主頻為某計(jì)算機(jī)主頻為1.2GHz，其指令分為，其指令分為4類，它們在基準(zhǔn)程序中所類，它們在基準(zhǔn)程序中所占比例及占比例及CPI如上表所示，則該機(jī)的如上表所示，

18、則該機(jī)的MIPS數(shù)是（數(shù)是（ ）A、100 B、200 C、400 D、600C2013年考研統(tǒng)考題目年考研統(tǒng)考題目 第第43題題l某某32位計(jì)算機(jī)，位計(jì)算機(jī)，CPU主頻為主頻為80MHz，總線時(shí)，總線時(shí)鐘頻率為鐘頻率為200MHz，。l（1）CPU和總線時(shí)鐘周期各為多少？（各和總線時(shí)鐘周期各為多少？（各1分）分）CPU時(shí)鐘周期為：時(shí)鐘周期為：1 / 80MHz = 1.25 ns總線時(shí)鐘周期為：總線時(shí)鐘周期為：1 / 200MHz = 5 ns2022年5月3日星期二362022年5月3日星期二371.3 計(jì)算機(jī)的硬件計(jì)算機(jī)的硬件1.3.1 硬件的組成要素硬件的組成要素使用計(jì)算器計(jì)算使用計(jì)算

19、器計(jì)算y=ax+b-c已知已知a=123，b=234， c=345，x=456解題步驟：解題步驟：獲取數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)a和數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)x；輸入計(jì)算器，得出結(jié)果；輸入計(jì)算器，得出結(jié)果；繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)b，送入計(jì)算器；，送入計(jì)算器；得到結(jié)果，繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)得到結(jié)果，繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)c；送入計(jì)算器，獲得結(jié)果；送入計(jì)算器，獲得結(jié)果；在紙上記錄結(jié)果；在紙上記錄結(jié)果；l紙紙相當(dāng)于相當(dāng)于 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器；保存源數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)；保存源數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)；l計(jì)算器計(jì)算器相當(dāng)于相當(dāng)于 運(yùn)算器運(yùn)算器；運(yùn)算、暫存中間結(jié)果；運(yùn)算、暫存中間結(jié)果；l筆和手筆和手相當(dāng)于相當(dāng)于 輸入輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備；將數(shù)據(jù)的輸入將數(shù)據(jù)的輸入/輸出

20、；輸出；l人人相當(dāng)于相當(dāng)于 控制器控制器；協(xié)調(diào)整個(gè)計(jì)算過程；協(xié)調(diào)整個(gè)計(jì)算過程；2022年5月3日星期二38馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1. 計(jì)算機(jī)由計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備輸出設(shè)備五個(gè)部分組成；五個(gè)部分組成； 2. 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)；以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)；3. 指令指令由操作碼和地址碼組成；由操作碼和地址碼組成；4. 計(jì)算機(jī)能夠計(jì)算機(jī)能夠存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行； 馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的核心設(shè)計(jì)思想，機(jī)器自動(dòng)諾依曼體系結(jié)構(gòu)的核心設(shè)計(jì)思想，機(jī)器自動(dòng)化工作的關(guān)鍵；化工作的關(guān)鍵；

21、5. 以以運(yùn)算器運(yùn)算器為中心。為中心。2022年5月3日星期二39馮馮諾依曼機(jī)與現(xiàn)代微機(jī)諾依曼機(jī)與現(xiàn)代微機(jī)馮馮諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備輸入設(shè)備存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸入設(shè)備輸入設(shè)備控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器運(yùn)算器運(yùn)算器現(xiàn)代微機(jī)結(jié)構(gòu)現(xiàn)代微機(jī)結(jié)構(gòu)2022年5月3日星期二40現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1. 將運(yùn)算器、控制器和片內(nèi)高速緩存，統(tǒng)稱為將運(yùn)算器、控制器和片內(nèi)高速緩存，統(tǒng)稱為CPU；而將而將CPU、主存儲(chǔ)器、輸入、主存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線統(tǒng)輸出接口和系統(tǒng)總線統(tǒng)稱為稱為主機(jī)主機(jī)；其余的設(shè)備均為外設(shè)。；其余的設(shè)備均為外設(shè)。主機(jī)內(nèi)僅

22、包含主存儲(chǔ)器，即內(nèi)存；主機(jī)內(nèi)僅包含主存儲(chǔ)器，即內(nèi)存；硬盤、光盤等輔助存儲(chǔ)器屬于硬盤、光盤等輔助存儲(chǔ)器屬于I/O設(shè)備；設(shè)備；2. 以存儲(chǔ)器為中心。以存儲(chǔ)器為中心。減輕減輕CPU的數(shù)據(jù)傳送負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能；的數(shù)據(jù)傳送負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能；2022年5月3日星期二411.3.2 運(yùn)算器運(yùn)算器l功能：功能： 處理所有的算術(shù)及邏輯運(yùn)算。處理所有的算術(shù)及邏輯運(yùn)算。通常稱為通常稱為ALU(算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元)l特點(diǎn)：特點(diǎn)：采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算；采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算；運(yùn)算器一次可以處理的數(shù)據(jù)運(yùn)算器一次可以處理的數(shù)據(jù)位數(shù)稱為位數(shù)稱為機(jī)器字長機(jī)器字長；機(jī)器字長一般為機(jī)器字長一般為8、16、3

23、2、64位，機(jī)器字長直接決定著運(yùn)算的精度和能力；位，機(jī)器字長直接決定著運(yùn)算的精度和能力；運(yùn)算器主要由運(yùn)算器主要由ALU和各類通用寄存器構(gòu)成。和各類通用寄存器構(gòu)成。l運(yùn)算器結(jié)構(gòu)示意圖演示運(yùn)算器結(jié)構(gòu)示意圖演示2022年5月3日星期二421.3.3 存儲(chǔ)器（存儲(chǔ)器（1/2）l功能：保存所有的程序和數(shù)據(jù)。功能：保存所有的程序和數(shù)據(jù)。l特點(diǎn)：特點(diǎn)：二進(jìn)制形式保存程序和數(shù)據(jù)；二進(jìn)制形式保存程序和數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)器是按存儲(chǔ)單元組織的，讀寫存儲(chǔ)單元必須給出單元地址；存儲(chǔ)器是按存儲(chǔ)單元組織的，讀寫存儲(chǔ)單元必須給出單元地址；l相關(guān)的概念相關(guān)的概念存儲(chǔ)元：用于保存一位存儲(chǔ)元：用于保存一位0/1二進(jìn)制數(shù)據(jù)的物理器件；二進(jìn)制

24、數(shù)據(jù)的物理器件；存儲(chǔ)單元：能夠保存一個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)的器件，由若干個(gè)存儲(chǔ)元構(gòu)成；存儲(chǔ)單元：能夠保存一個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)的器件，由若干個(gè)存儲(chǔ)元構(gòu)成；單元地址：能區(qū)分每一個(gè)存儲(chǔ)單元的編號，一般從單元地址：能區(qū)分每一個(gè)存儲(chǔ)單元的編號，一般從0開始編號；開始編號；存儲(chǔ)容量：一個(gè)存儲(chǔ)器所能保存的二進(jìn)制信息的總量。存儲(chǔ)容量：一個(gè)存儲(chǔ)器所能保存的二進(jìn)制信息的總量。l注意：不同系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器組織方式并不一定相同；注意：不同系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器組織方式并不一定相同；2022年5月3日星期二431.3.3 存儲(chǔ)器（存儲(chǔ)器（2/2）l存儲(chǔ)器的分類：存儲(chǔ)器的分類：外存（輔助存儲(chǔ)器）外存（輔助存儲(chǔ)器）u磁盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器；磁盤存儲(chǔ)器、光盤

25、存儲(chǔ)器；uCPU不可直接訪問；不可直接訪問；內(nèi)存（主存儲(chǔ)器）內(nèi)存（主存儲(chǔ)器）u半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；uCPU直接訪問，存放當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行所需的所有的程序和數(shù)據(jù)。直接訪問，存放當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行所需的所有的程序和數(shù)據(jù)。l兩個(gè)與主存相關(guān)的寄存器兩個(gè)與主存相關(guān)的寄存器MAR(存儲(chǔ)器地址寄存器存儲(chǔ)器地址寄存器)：接收由：接收由CPU送來的地址信息；送來的地址信息；MDR(存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器)：作為外界與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)通路。：作為外界與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)通路。存儲(chǔ)器地址寄存器存儲(chǔ)器地址寄存器MARMAR主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器MDRMDR2022年5月3日星期二441

26、.3.4 控制器控制器l功能功能根據(jù)所要執(zhí)行指令的功能，按順序發(fā)出各種控制命令，根據(jù)所要執(zhí)行指令的功能，按順序發(fā)出各種控制命令，協(xié)協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的工作調(diào)計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的工作。l主要任務(wù)：主要任務(wù)：解釋并執(zhí)行指令；解釋并執(zhí)行指令；控制指令的執(zhí)行順序；控制指令的執(zhí)行順序；負(fù)責(zé)指令執(zhí)行過程中，操作數(shù)的尋址；負(fù)責(zé)指令執(zhí)行過程中，操作數(shù)的尋址；根據(jù)指令的執(zhí)行，協(xié)調(diào)相關(guān)部件的工作根據(jù)指令的執(zhí)行，協(xié)調(diào)相關(guān)部件的工作u如運(yùn)算類指令執(zhí)行時(shí)對標(biāo)志寄存器的影響設(shè)置。如運(yùn)算類指令執(zhí)行時(shí)對標(biāo)志寄存器的影響設(shè)置。l指令的形式指令的形式操作碼：指出指令所進(jìn)行的操作，如加、減、數(shù)據(jù)傳送等；操作碼：指出指令所進(jìn)行的操作，如

27、加、減、數(shù)據(jù)傳送等；地址碼：指出進(jìn)行以上操作的數(shù)據(jù)存放位置。地址碼：指出進(jìn)行以上操作的數(shù)據(jù)存放位置。2022年5月3日星期二451.3.4 控制器（續(xù)）控制器（續(xù)）l控制器工作的周期控制器工作的周期取指周期：取指令的一段時(shí)間取指周期：取指令的一段時(shí)間執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時(shí)間執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時(shí)間l指令按順序執(zhí)行的控制部件：指令按順序執(zhí)行的控制部件：指令計(jì)數(shù)器指令計(jì)數(shù)器每取出一條指令，指令計(jì)數(shù)器就加每取出一條指令，指令計(jì)數(shù)器就加1；遇到轉(zhuǎn)移類指令，控制器根據(jù)所執(zhí)行指令設(shè)置指令計(jì)數(shù)器的值；遇到轉(zhuǎn)移類指令，控制器根據(jù)所執(zhí)行指令設(shè)置指令計(jì)數(shù)器的值；l相關(guān)概念相關(guān)概念數(shù)據(jù)字：該字代表要處理的數(shù)

28、據(jù)；數(shù)據(jù)字：該字代表要處理的數(shù)據(jù)；指令字：該字為一條指令；指令字：該字為一條指令；指令流：取指周期中，從內(nèi)存讀出的信息流；指令流：取指周期中，從內(nèi)存讀出的信息流；數(shù)據(jù)流：執(zhí)行周期中，從內(nèi)存讀出的信息流。數(shù)據(jù)流：執(zhí)行周期中，從內(nèi)存讀出的信息流?？刂破鞴δ苁疽鈭D演示控制器功能示意圖演示2022年5月3日星期二461.3.5 適配器與輸入輸出設(shè)備適配器與輸入輸出設(shè)備l輸入設(shè)備輸入設(shè)備將人們熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二將人們熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式的設(shè)備。進(jìn)制信息形式的設(shè)備。l輸出設(shè)備輸出設(shè)備把計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果變成人或其他機(jī)器設(shè)備所能接收和識(shí)

29、別的信把計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果變成人或其他機(jī)器設(shè)備所能接收和識(shí)別的信息形式的設(shè)備。息形式的設(shè)備。l適配器適配器保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性要求的形式發(fā)送或接收信息。保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性要求的形式發(fā)送或接收信息。l系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。共通路。2022年5月3日星期二47假定機(jī)器字長假定機(jī)器字長8位，主存容量位，主存容量248 bit；使用計(jì)算機(jī)的工作過程使用計(jì)算機(jī)的工作過程 （1）提出問題：計(jì)算）提出問題：計(jì)算 y=axy=ax2 2+bx+c+bx+c （2）按照指令系統(tǒng)編制程

30、序）按照指令系統(tǒng)編制程序 （3）將指令變?yōu)闄C(jī)器代碼，送入主存儲(chǔ)器）將指令變?yōu)闄C(jī)器代碼，送入主存儲(chǔ)器 （4）控制器控制執(zhí)行程序）控制器控制執(zhí)行程序用用簡化模型簡化模型描述使用計(jì)算機(jī)工作過程描述使用計(jì)算機(jī)工作過程簡化模型簡化模型2022年5月3日星期二484位位程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC指令寄存器指令寄存器IR控制單元控制單元CUMARMMMDRALU暫存器暫存器X累加器累加器ACC乘商寄存器乘商寄存器MQ高高4位位低低4位位4位位運(yùn)運(yùn)算算器器存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器控制命令控制命令控控制制器器幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？注意圖中的以下內(nèi)容：注意圖中的以下內(nèi)容：1 1

31、、各部件的作用、構(gòu)成及其關(guān)系；、各部件的作用、構(gòu)成及其關(guān)系；2 2、每一部分的位數(shù)及數(shù)據(jù)流動(dòng)方向；、每一部分的位數(shù)及數(shù)據(jù)流動(dòng)方向；3 3、總線寬度及不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)位數(shù)；、總線寬度及不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)位數(shù)；2022年5月3日星期二49（1 1）指令系統(tǒng)，設(shè)有）指令系統(tǒng)，設(shè)有5 5條指令條指令匯編語言助記符匯編語言助記符 操作碼操作碼 地址碼地址碼 功能功能取數(shù)指令取數(shù)指令LMA nLMA n 0001 n0001 n MACC MACC存數(shù)指令存數(shù)指令SAM nSAM n 0010 n0010 n ACCM ACCM加法指令加法指令A(yù)DD nADD n 0011 n0011 n ACC+MACC A

32、CC+MACC乘法指令乘法指令MUL nMUL n 0100 n0100 n ACC ACC* *MACCMACC停機(jī)指令停機(jī)指令HLT HLT 0110 0110 停機(jī)停機(jī) * * *假定該簡化模型乘法運(yùn)算中的乘積位數(shù)與乘數(shù)相同。假定該簡化模型乘法運(yùn)算中的乘積位數(shù)與乘數(shù)相同。舉例：舉例：假設(shè)簡化計(jì)算機(jī)模型的指令格式如下：假設(shè)簡化計(jì)算機(jī)模型的指令格式如下：操作碼操作碼地址碼地址碼4位位4位位2022年5月3日星期二50序號序號 指令指令 注釋注釋 0 LMA x ; xACC 1 MUL x ;ACC * xACC 2 MUL a ;ACC * a ACC 3 SAM y ;ACCy 4 LM

33、A x 5 MUL b 6 ADD y 7 ADD c 8 SAM y 9 HLT10 X db ?11 A db ?12 B db ?13 C db ?14 Y db ?0 0001 10101 0100 10102 0100 10113 0010 11104 0001 10105 0100 11006 0011 11107 0011 11018 0010 11109 0110 000010 x11 a12 b13 c14 y(2) (2) 試編制程序，試編制程序， 計(jì)算計(jì)算 y=axy=ax2 2+bx+c+bx+c匯編后內(nèi)存分配情況匯編后內(nèi)存分配情況指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)取數(shù)取數(shù)LMA n（0

34、001） 存數(shù)存數(shù)SAM n（0010）加法加法ADD n（0011）乘法乘法MUL n（0100）停機(jī)停機(jī)HLT n（0110）2022年5月3日星期二51PCIRCUMARM.MMDRALUXACCMQ高高4位位低低4位位控制字控制字運(yùn)運(yùn)算算器器存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器控控制制器器簡化模型演示簡化模型演示2022年5月3日星期二52 1.4 計(jì)算機(jī)的軟件計(jì)算機(jī)的軟件l系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序用來簡化程序設(shè)計(jì)，簡化使用方法，提高計(jì)算機(jī)的使用效率，發(fā)用來簡化程序設(shè)計(jì)，簡化使用方法，提高計(jì)算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途。包括揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途。包括:u服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯(cuò)程序、練習(xí)程序等；服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯(cuò)程序、練習(xí)程序等；u語言類程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等；語言類程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等；u操作系