計(jì)算機(jī)組成原理

1、1計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理第一章概論第一章概論 定義定義：電子計(jì)算機(jī)是一種不需要人工直接干預(yù)，能夠自：電子計(jì)算機(jī)是一種不需要人工直接干預(yù)，能夠自動(dòng)、高速、準(zhǔn)確地對各種信息進(jìn)行高速處理和存儲(chǔ)的電子動(dòng)、高速、準(zhǔn)確地對各種信息進(jìn)行高速處理和存儲(chǔ)的電子裝置。裝置。 信息信息：可以是數(shù)值、文字、圖形、聲音、視頻等多種不：可以是數(shù)值、文字、圖形、聲音、視頻等多種不同的信息，其表現(xiàn)手段可以采用數(shù)字形式或模擬量形式。同的信息，其表現(xiàn)手段可以采用數(shù)字形式或模擬量形式。但現(xiàn)代計(jì)算機(jī)大多采用數(shù)字形式。但現(xiàn)代計(jì)算機(jī)大多采用數(shù)字形式。 運(yùn)算運(yùn)算：主要包括算術(shù)和邏輯運(yùn)算。：主要包括算術(shù)和邏輯運(yùn)算。 處理處理：除計(jì)算功

2、能外，還能進(jìn)行搜索、識(shí)別、變換，甚：除計(jì)算功能外，還能進(jìn)行搜索、識(shí)別、變換，甚至聯(lián)想。至聯(lián)想。21.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 1946.2.15第一臺(tái)計(jì)算機(jī)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator-電子數(shù)字積分器和計(jì)算器電子數(shù)字積分器和計(jì)算器)問世。共用了問世。共用了18000個(gè)電個(gè)電子管，子管，6000多個(gè)繼電器，多個(gè)繼電器，7000個(gè)左右的電阻，個(gè)左右的電阻，1000只左右的電容器只左右的電容器，耗電量，耗電量150KW，重達(dá)，重達(dá)30噸，占地面積噸，占地面積170m2，1955.10.2正式退役正式

3、退役。 1.1.1 更新?lián)Q代的計(jì)算機(jī)硬件更新?lián)Q代的計(jì)算機(jī)硬件 根據(jù)組成計(jì)算機(jī)的電子器件，把電子計(jì)算機(jī)分為四個(gè)發(fā)展階段：根據(jù)組成計(jì)算機(jī)的電子器件，把電子計(jì)算機(jī)分為四個(gè)發(fā)展階段： 第一代計(jì)算機(jī)第一代計(jì)算機(jī) 19461957 電子管電子管 第二代計(jì)算機(jī)第二代計(jì)算機(jī) 19581964 晶體管晶體管 第三代計(jì)算機(jī)第三代計(jì)算機(jī) 19651974 中小規(guī)模集成電路：中小規(guī)模集成電路：MSI、SSI 第四代計(jì)算機(jī)第四代計(jì)算機(jī) 19751990 超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路 VLSI 第五代計(jì)算機(jī)第五代計(jì)算機(jī) 1991 超級規(guī)模集成電路超級規(guī)模集成電路 ULSI、ELSI、VHSI 3 計(jì)算機(jī)的發(fā)展遵循一個(gè)

4、定律計(jì)算機(jī)的發(fā)展遵循一個(gè)定律摩爾摩爾(Golden Moore)定律定律：“由于由于硅技術(shù)的不斷改進(jìn)，每硅技術(shù)的不斷改進(jìn)，每18 個(gè)月集成度將翻一翻，速度將提高一倍，個(gè)月集成度將翻一翻，速度將提高一倍，而其價(jià)格將降低一半。而其價(jià)格將降低一半?！?摩爾定律對計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展具有重要意義：摩爾定律對計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展具有重要意義： 定律預(yù)測半導(dǎo)體產(chǎn)品和技術(shù)每經(jīng)過一年半時(shí)間會(huì)加倍，如果你定律預(yù)測半導(dǎo)體產(chǎn)品和技術(shù)每經(jīng)過一年半時(shí)間會(huì)加倍，如果你的速度慢于這個(gè)定律的指標(biāo)，將會(huì)有被淘汰的危險(xiǎn)。的速度慢于這個(gè)定律的指標(biāo)，將會(huì)有被淘汰的危險(xiǎn)。 芯片價(jià)格的持續(xù)下降，一方面迫使公司必須采取正確的價(jià)格策芯片價(jià)格的持續(xù)下

5、降，一方面迫使公司必須采取正確的價(jià)格策略，一方面也為計(jì)算機(jī)的普及創(chuàng)造了條件。略，一方面也為計(jì)算機(jī)的普及創(chuàng)造了條件。 定律不僅適用于硬件，同時(shí)也驅(qū)動(dòng)著軟件工業(yè)和市場的發(fā)展。定律不僅適用于硬件，同時(shí)也驅(qū)動(dòng)著軟件工業(yè)和市場的發(fā)展。 以以IntelIntel產(chǎn)品為例，產(chǎn)品為例，見表見表1.11.1 摩爾定律面臨的四大劫難：摩爾定律面臨的四大劫難： 傳統(tǒng)工業(yè)難以適應(yīng)傳統(tǒng)工業(yè)難以適應(yīng) “門門”越來越窄越來越窄 攙質(zhì)的使用接近極限攙質(zhì)的使用接近極限 傳統(tǒng)材料難以適用傳統(tǒng)材料難以適用 四代機(jī)時(shí)期以后的一個(gè)重要特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用四代機(jī)時(shí)期以后的一個(gè)重要特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。大量的計(jì)算機(jī)

6、聯(lián)入到不同規(guī)模的網(wǎng)中，然后可通過。大量的計(jì)算機(jī)聯(lián)入到不同規(guī)模的網(wǎng)中，然后可通過Internet與世與世界各地計(jì)算機(jī)互聯(lián)。界各地計(jì)算機(jī)互聯(lián)。4Interl CPU性能比較性能比較51.1.2 日臻完善的計(jì)算機(jī)軟件日臻完善的計(jì)算機(jī)軟件 1匯編語言階段匯編語言階段(20世紀(jì)世紀(jì)50年代年代) 匯編語言程序是最早的軟件設(shè)計(jì)抽象形式，代表了機(jī)器語言的第匯編語言程序是最早的軟件設(shè)計(jì)抽象形式，代表了機(jī)器語言的第一層抽象。一層抽象。 2程序批處理階段程序批處理階段(20世紀(jì)世紀(jì)60年代年代) 3分時(shí)多用戶階段分時(shí)多用戶階段(20世紀(jì)世紀(jì)70年代年代) 4分布式管理階段分布式管理階段(20世紀(jì)世紀(jì)80年代年代)

7、 5軟件重用階段軟件重用階段(20世紀(jì)世紀(jì)90年代年代) 6Web服務(wù)階段服務(wù)階段(21世紀(jì)初期一現(xiàn)在世紀(jì)初期一現(xiàn)在) 61.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成1.2.1 計(jì)算機(jī)的功能部件計(jì)算機(jī)的功能部件 計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)就是指組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的各種物理裝置，它是就是指組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的各種物理裝置，它是由各種實(shí)實(shí)在在的器件組成的，是計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。由各種實(shí)實(shí)在在的器件組成的，是計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。 計(jì)算機(jī)的硬件計(jì)算機(jī)的硬件(硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng))通常由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、通常由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和控制器等五大部件組成，如圖存儲(chǔ)器和控制

8、器等五大部件組成，如圖1-1所示。所示。 1輸入設(shè)備輸入設(shè)備 2輸出設(shè)備輸出設(shè)備3存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 如圖如圖1-2所示。所示。 I/O設(shè)備設(shè)備7 4運(yùn)算器運(yùn)算器(ALU) 如圖如圖1-3所示。所示。 5控制器控制器 圖圖1-3 運(yùn)算器的簡單框圖運(yùn)算器的簡單框圖81.2.2 馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī) 1945.6 J. .V.Neumunn發(fā)表了一篇著名的論文發(fā)表了一篇著名的論文Electronic Discrete Variable Computer(電子離散變量計(jì)算機(jī)電子離散變量計(jì)算機(jī))，論文中給出，論文中給出了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的雛形，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)。因此，了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的雛形，奠定了現(xiàn)

9、代計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)。因此，J. .V.Neumunn被稱為被稱為“電子計(jì)算機(jī)之父電子計(jì)算機(jī)之父”。 J. .V.Neumunn計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是： 計(jì)算機(jī)采用五大部件計(jì)算機(jī)采用五大部件: : 運(yùn)算器運(yùn)算器 控制器控制器 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 輸入部件輸入部件 輸出部件輸出部件 計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)； 存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序 即將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲(chǔ)器中，然即將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲(chǔ)器中，然后啟動(dòng)后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)不需要人工直接干預(yù)計(jì)算機(jī)不需要人工直接干預(yù)，能夠自動(dòng)、高速、準(zhǔn)確地從存能夠自動(dòng)、高速、準(zhǔn)確地從存儲(chǔ)器中取出指令加以執(zhí)

10、行。即儲(chǔ)器中取出指令加以執(zhí)行。即存儲(chǔ)存儲(chǔ) 程序程序并并按地址按地址順序執(zhí)行，是順序執(zhí)行，是V.Neumunn型計(jì)算機(jī)的工作原理。型計(jì)算機(jī)的工作原理。9 2早期的馮早期的馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī)圖圖l- -4 典型的馮典型的馮諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖 3現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu) 幾十年來，人們一直試圖突破這一局限性，使計(jì)算機(jī)具有自學(xué)、幾十年來，人們一直試圖突破這一局限性，使計(jì)算機(jī)具有自學(xué)、推理、聯(lián)想、思考等能力，即使計(jì)算機(jī)更智能化、更聰明。推理、聯(lián)想、思考等能力，即使計(jì)算機(jī)更智能化、更聰明?，F(xiàn)代計(jì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐源鎯?chǔ)器為中心，如圖算機(jī)組織結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐源?/p>

11、儲(chǔ)器為中心，如圖1- -5所示。但是現(xiàn)所示。但是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)仍然遵循馮代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)仍然遵循馮諾依曼思想。諾依曼思想。1011 1.3 計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件 軟件：軟件：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用的各種程序各種程序及其及其文擋文擋。 程序程序：計(jì)算任務(wù)的處理對象和規(guī)則的描述。：計(jì)算任務(wù)的處理對象和規(guī)則的描述。 文擋文擋：為了便于了解程序所需要的闡述性資料。：為了便于了解程序所需要的闡述性資料。 軟件的作用軟件的作用 軟件的具體作用有三軟件的具體作用有三： 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中起著指揮和管理作用。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中起著指揮和管理作用。 是用戶和硬件的接口界面。是用戶和硬件的接口界面。

12、是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。 軟件的發(fā)展過程軟件的發(fā)展過程 其發(fā)展過程大致分為三個(gè)階段其發(fā)展過程大致分為三個(gè)階段： 從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)第一個(gè)程序出現(xiàn)到實(shí)用的高級程序設(shè)計(jì)語言出從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)第一個(gè)程序出現(xiàn)到實(shí)用的高級程序設(shè)計(jì)語言出現(xiàn)為第一個(gè)階段現(xiàn)為第一個(gè)階段(1945 1956)。 從實(shí)用的高級程序設(shè)計(jì)語言出現(xiàn)到軟件工程出現(xiàn)為第二階段從實(shí)用的高級程序設(shè)計(jì)語言出現(xiàn)到軟件工程出現(xiàn)為第二階段(1956 1968)。 從軟件工程出現(xiàn)以后迄今為第三階段從軟件工程出現(xiàn)以后迄今為第三階段(1968 )。12在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各種軟件的有機(jī)組合構(gòu)成了軟件系統(tǒng)。基本的軟在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各種軟

13、件的有機(jī)組合構(gòu)成了軟件系統(tǒng)?；镜能浖到y(tǒng)應(yīng)包括系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件兩大類。件系統(tǒng)應(yīng)包括系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件兩大類。1.3.1 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件是一組保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高效、正確運(yùn)行的基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)軟件是一組保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高效、正確運(yùn)行的基礎(chǔ)軟件，包包括括OS和各類語言的編譯程序等。和各類語言的編譯程序等。通常作為系統(tǒng)資源提供給用戶使通常作為系統(tǒng)資源提供給用戶使用。主要有以下幾類：用。主要有以下幾類： 1. OS OS是軟件系統(tǒng)的核心，是軟件系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)管理和控制計(jì)算機(jī)的硬件資源、軟件負(fù)責(zé)管理和控制計(jì)算機(jī)的硬件資源、軟件資源和程序的運(yùn)行，包括并發(fā)控制、內(nèi)存管理、處理機(jī)的進(jìn)程線資源和程序的運(yùn)

14、行，包括并發(fā)控制、內(nèi)存管理、處理機(jī)的進(jìn)程線程調(diào)度、程調(diào)度、I/O管理和磁盤調(diào)度、文件命名管理和磁盤調(diào)度、文件命名與管理等。與管理等。它是用戶與計(jì)它是用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口，提供了軟件的開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。算機(jī)之間的接口，提供了軟件的開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。 2. 語言處理程序語言處理程序 完成翻譯的程序就稱為語言處理程序。通常有兩種翻譯方式完成翻譯的程序就稱為語言處理程序。通常有兩種翻譯方式： 一種稱為解釋，一種稱為解釋，通過解釋程序?qū)τ贸绦蛟O(shè)計(jì)語言編寫的源程序邊通過解釋程序?qū)τ贸绦蛟O(shè)計(jì)語言編寫的源程序邊解釋邊執(zhí)行。解釋邊執(zhí)行。 13 另一種稱為編譯另一種稱為編譯(Compiler)，編譯程序?qū)⒃?/p>

15、程序全部翻譯為機(jī)器編譯程序?qū)⒃闯绦蛉糠g為機(jī)器語言的目標(biāo)程序后，再執(zhí)行目標(biāo)程序。這是一種更常語言的目標(biāo)程序后，再執(zhí)行目標(biāo)程序。這是一種更常用的方式。用的方式。 3. DBMS 4. 分布式軟件系統(tǒng)分布式軟件系統(tǒng) 它包括分布式操作系統(tǒng)、分布式編譯系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、它包括分布式操作系統(tǒng)、分布式編譯系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分布式算法及軟件包等。分布式算法及軟件包等。 5. 網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng) 它包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、通信軟件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)它包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、通信軟件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)等。等。 6. 各種服務(wù)程序各種服務(wù)程序1.3.2 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 目前應(yīng)用軟件正

16、向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化方向發(fā)展，許多通用的應(yīng)用程目前應(yīng)用軟件正向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化方向發(fā)展，許多通用的應(yīng)用程序可以根據(jù)其功能組成不序可以根據(jù)其功能組成不同的應(yīng)用軟件包，供用戶選擇使用。同的應(yīng)用軟件包，供用戶選擇使用。141.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)1.4.1硬件與軟件的關(guān)系硬件與軟件的關(guān)系 所謂硬件、軟件在邏輯功能上的等效是指任何由硬件實(shí)現(xiàn)的操作所謂硬件、軟件在邏輯功能上的等效是指任何由硬件實(shí)現(xiàn)的操作，在原理上均可用軟件模擬來實(shí)現(xiàn)；同樣，任何由軟件實(shí)現(xiàn)的操作，在原理上均可用軟件模擬來實(shí)現(xiàn)；同樣，任何由軟件實(shí)現(xiàn)的操作，在原理上都可由硬件來實(shí)現(xiàn)。，在原理上都可由硬件來實(shí)現(xiàn)。因此在設(shè)計(jì)一個(gè)

17、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，必因此在設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求、現(xiàn)有技術(shù)與器件條件，首先確定哪些功能直接由須根據(jù)設(shè)計(jì)要求、現(xiàn)有技術(shù)與器件條件，首先確定哪些功能直接由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能通過軟件實(shí)現(xiàn)，這就是硬件和軟件的功能分配硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能通過軟件實(shí)現(xiàn)，這就是硬件和軟件的功能分配。 然后硬件和軟件設(shè)計(jì)者各自根據(jù)分配的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。然后硬件和軟件設(shè)計(jì)者各自根據(jù)分配的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.4.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)，根據(jù)從各種角度所看到的機(jī)器之計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)，根據(jù)從各種角度所看到的機(jī)器之間的有機(jī)聯(lián)系，分清彼此之間的界面，明確各自的功能，以

18、便構(gòu)成間的有機(jī)聯(lián)系，分清彼此之間的界面，明確各自的功能，以便構(gòu)成合理、高效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。合理、高效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的分層方式，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的分層方式，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這里采用圖里采用圖1- -6所示的所示的層次結(jié)構(gòu)。層次結(jié)構(gòu)。 15應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件硬件硬件固件固件16 在多級層次結(jié)構(gòu)中，除了第在多級層次結(jié)構(gòu)中，除了第1級和第級和第2級是實(shí)機(jī)器以外，上面幾層級是實(shí)機(jī)器以外，上面幾層均為虛機(jī)器，均為虛機(jī)器，所謂所謂虛機(jī)器是指用軟件技術(shù)構(gòu)成的機(jī)器。虛機(jī)器是指用軟件技術(shù)構(gòu)成的機(jī)器。1.4.3 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織硬件系統(tǒng)的

19、組織 計(jì)算機(jī)由五大基本部件組成，計(jì)算機(jī)由五大基本部件組成，那么把五大基本部件互連起來構(gòu)成那么把五大基本部件互連起來構(gòu)成計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，就是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織問題計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，就是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織問題。 總線是一組可為多個(gè)功能部件共享的公共信息傳送線路總線是一組可為多個(gè)功能部件共享的公共信息傳送線路。為保證。為保證總線上信息不至于沖突，總線上信息不至于沖突，共享總線的各個(gè)部件共享總線的各個(gè)部件總線發(fā)總線發(fā)送信息送信息，以保證總線上信息每時(shí)每刻都是以保證總線上信息每時(shí)每刻都是惟一的惟一的。但是總線上的各。但是總線上的各個(gè)部件可同時(shí)接收總線上的信息個(gè)部件可同時(shí)接收總線上的信息 CPU內(nèi)部

20、總線內(nèi)部總線 這是一級數(shù)據(jù)線，是用來連接這是一級數(shù)據(jù)線，是用來連接CPU內(nèi)部各寄存器和算術(shù)邏輯部件內(nèi)部各寄存器和算術(shù)邏輯部件的總線。的總線。在微型在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU內(nèi)部總線就是芯片內(nèi)的總線內(nèi)部總線就是芯片內(nèi)的總線。 部件內(nèi)總線部件內(nèi)總線 在計(jì)算機(jī)中，通常按功能模塊制作成插件，在插件上也常采用在計(jì)算機(jī)中，通常按功能模塊制作成插件，在插件上也常采用總線結(jié)構(gòu)連接有關(guān)芯片。這一級屬芯片間的總線?？偩€結(jié)構(gòu)連接有關(guān)芯片。這一級屬芯片間的總線。 17 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 這是連接系統(tǒng)內(nèi)各大部件如這是連接系統(tǒng)內(nèi)各大部件如CPU、主存、主存、I/O設(shè)備等的總線設(shè)備等的總線，它它是連接整機(jī)系統(tǒng)

21、的基是連接整機(jī)系統(tǒng)的基 礎(chǔ)礎(chǔ)。系統(tǒng)總線包括地址線、數(shù)據(jù)線、控制。系統(tǒng)總線包括地址線、數(shù)據(jù)線、控制/狀狀態(tài)信號線。態(tài)信號線。 外總線外總線 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的通信總線計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的通信總線。 按照總線信息傳送方向區(qū)分，總線又可分為按照總線信息傳送方向區(qū)分，總線又可分為單向總線與雙向總線單向總線與雙向總線兩種。兩種。 連接總線的某些部件只能有選擇地將信息傳向另一些部件，稱為連接總線的某些部件只能有選擇地將信息傳向另一些部件，稱為。 連接總線的任何一個(gè)部件可以有選擇地向總線上的任何一個(gè)部件連接總線的任何一個(gè)部件可以有選擇地向總線上的任何一個(gè)部件發(fā)送

22、信息，也可以有選擇地接收總線上任何一發(fā)送信息，也可以有選擇地接收總線上任何一個(gè)部件發(fā)送來的信息個(gè)部件發(fā)送來的信息，這種雙向傳送信息的總線稱為，這種雙向傳送信息的總線稱為。 1819第第7章章43#2021221.5 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和性能指標(biāo) 1.5.1 計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)主要有如下一些特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)主要有如下一些特點(diǎn)： 能自動(dòng)連續(xù)地工作能自動(dòng)連續(xù)地工作 由于計(jì)算機(jī)采用存儲(chǔ)程序工作方式，一旦輸人了編制好的程序，由于計(jì)算機(jī)采用存儲(chǔ)程序工作方式，一旦輸人了編制好的程序，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)后，它就啟動(dòng)計(jì)算機(jī)后，它就能按程序自動(dòng)地執(zhí)行下去，直到完成預(yù)定的任能按程序自動(dòng)地執(zhí)

23、行下去，直到完成預(yù)定的任務(wù)為止。務(wù)為止。 運(yùn)算速度快運(yùn)算速度快 運(yùn)算精度高運(yùn)算精度高 具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)能力和邏輯判斷能力具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)能力和邏輯判斷能力 通用性強(qiáng)通用性強(qiáng)1.5.2 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) 基本字長基本字長 基本字長是指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)。字長也是硬件組織的基基本字長是指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)。字長也是硬件組織的基本單位本單位 。23 ，當(dāng)，當(dāng)i位十進(jìn)制數(shù)位十進(jìn)制數(shù)與與j位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)比較時(shí)，存比較時(shí)，存在下列等式：在下列等式： 10i=2j 兩邊取對數(shù)得兩邊取對數(shù)得3 . 32ln10ln ij 主存容量主存容量 主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的最大信息量稱為主存容量。主

24、存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的最大信息量稱為主存容量。計(jì)算機(jī)的處理能計(jì)算機(jī)的處理能力在很大程度上取決于主存容量的大小。力在很大程度上取決于主存容量的大小。 通常以字節(jié)數(shù)表示主存容量通常以字節(jié)數(shù)表示主存容量 。在以字為單位的計(jì)算機(jī)中常用字在以字為單位的計(jì)算機(jī)中常用字?jǐn)?shù)乘以字長表示主存容量，如數(shù)乘以字長表示主存容量，如512K32位位。 24表表1- -1 存儲(chǔ)容量計(jì)量單位存儲(chǔ)容量計(jì)量單位 單位單位通常意義通常意義(通信用通信用)二進(jìn)制表示二進(jìn)制表示K(Kilo)103210=1 024 M(Mega)106220= 210K= 1 048 576 G(Giga)109230= 210M= 220K= 1 07

25、3 741 824T(Tera) 1012240= 210G= 220M= 230K=1 099 511 627 776P(Peta)1015250= 210T= 220G= 230M= 240K=1 125 899 906 842 624 運(yùn)算速度運(yùn)算速度 以加法指令的執(zhí)行時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算。以加法指令的執(zhí)行時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算。 根據(jù)不同指令在程序中出現(xiàn)的頻度，乘上不同的系數(shù)，求得系根據(jù)不同指令在程序中出現(xiàn)的頻度，乘上不同的系數(shù)，求得系統(tǒng)平均值，得到平均運(yùn)算速度。統(tǒng)平均值，得到平均運(yùn)算速度。 具體指明每條指具體指明每條指令的執(zhí)行時(shí)間。令的執(zhí)行時(shí)間。 25 目前計(jì)算機(jī)文獻(xiàn)中常使用每秒平均執(zhí)行的指令

26、條數(shù)目前計(jì)算機(jī)文獻(xiàn)中常使用每秒平均執(zhí)行的指令條數(shù)(IPS)作為運(yùn)算作為運(yùn)算速度單位，如速度單位，如MIPS(每秒鐘百萬條指令每秒鐘百萬條指令)或或MFLOPS(每秒鐘百萬條每秒鐘百萬條浮點(diǎn)運(yùn)算浮點(diǎn)運(yùn)算)。610 執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間指令條數(shù)指令條數(shù)MIPS610 執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)MFLOPS 一般一般MIPS用于描述標(biāo)量運(yùn)算性能指標(biāo)，用于描述標(biāo)量運(yùn)算性能指標(biāo)，MFLOPS描述向量運(yùn)算描述向量運(yùn)算性能指標(biāo)性能指標(biāo)。 有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也用主時(shí)鐘頻率反映速度的快慢。有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也用主時(shí)鐘頻率反映速度的快慢。 所配置的外部設(shè)備及其性能指標(biāo)所配置的外部設(shè)備及其性能指標(biāo) 系統(tǒng)軟件的配置

27、系統(tǒng)軟件的配置 包括操作系統(tǒng)、高級語言、應(yīng)用軟件等，表明了它當(dāng)前的功能。包括操作系統(tǒng)、高級語言、應(yīng)用軟件等，表明了它當(dāng)前的功能。 此外，還有可靠性、可用性、可維護(hù)性、安全性、兼容性等性能此外，還有可靠性、可用性、可維護(hù)性、安全性、兼容性等性能指標(biāo)。指標(biāo)。261.6 計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用1.6.1計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類 計(jì)算機(jī)有多種分類方法計(jì)算機(jī)有多種分類方法： 按處理信息的表示形式不同分按處理信息的表示形式不同分 模擬計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī) 數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī) 按計(jì)算機(jī)字長分按計(jì)算機(jī)字長分 計(jì)算機(jī)字長反映了計(jì)算機(jī)處理信息并行位的能力，可分為計(jì)算機(jī)字長反映了計(jì)算機(jī)處理信息并行位的能

28、力，可分為8位機(jī)、位機(jī)、16位機(jī)、位機(jī)、32位機(jī)、位機(jī)、4848位機(jī)、位機(jī)、6464位機(jī)等。位機(jī)等。 按其用途分按其用途分 專用機(jī)專用機(jī) 通用機(jī)通用機(jī) 通用機(jī)按規(guī)模、性能和價(jià)格分通用機(jī)按規(guī)模、性能和價(jià)格分 巨型機(jī)巨型機(jī)(Super Computer)：根據(jù)體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)水平分又分四：根據(jù)體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)水平分又分四代代 27 SIMD 具有流水線結(jié)構(gòu)的向量機(jī)具有流水線結(jié)構(gòu)的向量機(jī)(VP) MIMD的共享的共享MM多處理機(jī)系統(tǒng)多處理機(jī)系統(tǒng)(MP) 大規(guī)模并行處理機(jī)系統(tǒng)大規(guī)模并行處理機(jī)系統(tǒng)MPP 此外，價(jià)格與超級小型機(jī)相當(dāng)，但功能接近巨型機(jī)的一類高性能此外，價(jià)格與超級小型機(jī)相當(dāng)，但功能接近巨型機(jī)的一

29、類高性能計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)- -小巨型機(jī)小巨型機(jī)(Mini supercomputer)。 大型機(jī)大型機(jī)(Large scale Computer、Main-frame) 小型機(jī)小型機(jī)(Minicomputer) 1977年以來，在小型機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展而成超級小型機(jī)年以來，在小型機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展而成超級小型機(jī)(Super- -mini Computer) ，與原來小型機(jī)軟件兼容，但性能又高于小型機(jī)。，與原來小型機(jī)軟件兼容，但性能又高于小型機(jī)。 工作站工作站(Workstation) 個(gè)人機(jī)個(gè)人機(jī)(Personal Computer) 以微處理器為以微處理器為CPU而組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，到目前為止分為而組成的計(jì)

30、算機(jī)系統(tǒng)，到目前為止分為4個(gè)階個(gè)階段段： 1971年年 1977年以年以Intel8080、8085，Zilog公司的公司的z-80及及Motorola的的M6800為代表的為代表的8位位P，有較完整的指令系統(tǒng)和較強(qiáng)的，有較完整的指令系統(tǒng)和較強(qiáng)的功能，存儲(chǔ)容量為功能，存儲(chǔ)容量為64KB。已配有簡單的。已配有簡單的OS(如如CP/M)。28 1978年年 1981年，年， 以以16位或準(zhǔn)位或準(zhǔn)32位位P為基礎(chǔ)，采用了為基礎(chǔ)，采用了VM、存儲(chǔ)保護(hù)等小型機(jī)或大型機(jī)上所用的技術(shù)，存儲(chǔ)保護(hù)等小型機(jī)或大型機(jī)上所用的技術(shù)，1MB內(nèi)存，開始使用較內(nèi)存，開始使用較大容量的軟盤和硬盤。大容量的軟盤和硬盤。 20世

31、紀(jì)世紀(jì)80年代初至中期，年代初至中期，IBM公司推出了以公司推出了以80 x86 P 為為CPU的開放式的的開放式的IBM PC機(jī)，主要芯片有機(jī)，主要芯片有8086、80286和和80386，MS- -DOS成為主流成為主流OS，BUS實(shí)際成了國際工業(yè)生產(chǎn)的主要標(biāo)準(zhǔn)，微機(jī)實(shí)際成了國際工業(yè)生產(chǎn)的主要標(biāo)準(zhǔn)，微機(jī)得到了迅速的發(fā)展。得到了迅速的發(fā)展。 20世紀(jì)世紀(jì)80年代后期開始，年代后期開始，RISC技術(shù)出現(xiàn)使技術(shù)出現(xiàn)使P的體系結(jié)構(gòu)發(fā)的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大的變革，出現(xiàn)生了重大的變革，出現(xiàn)RISC與與CISC計(jì)算機(jī)相互學(xué)習(xí)、相互促進(jìn)、計(jì)算機(jī)相互學(xué)習(xí)、相互促進(jìn)、共同發(fā)展的新局面。典型的共同發(fā)展的新局面。典型的P有有Pe