計(jì)算機(jī)組成原理

1計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)授課：李凌燕學(xué)時(shí)：48郵箱：lily@2023年2月6日2本課程考查目標(biāo)本課程對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)來說是非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。理解單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)和基本實(shí)現(xiàn)方法。能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對(duì)有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問題進(jìn)行計(jì)算、分析，并能對(duì)一些基本部件進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)。3內(nèi)容說明1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論2、數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算3、存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)4、指令系統(tǒng)5、中央處理器（CPU）6、總線7、輸入輸出系統(tǒng)——書上第七章和第八章的內(nèi)容?考試與成績4第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計(jì)算機(jī)的分類1.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史1.3計(jì)算機(jī)的硬件1.4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)51.1計(jì)算機(jī)的分類一、電子計(jì)算機(jī)

電子模擬計(jì)算機(jī)：“模擬”就是相似的意思，模擬計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運(yùn)算過程也是連續(xù)的。

電子數(shù)字計(jì)算機(jī)：在算盤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是用數(shù)目字來表示數(shù)量的大小，主要特點(diǎn)是按位運(yùn)算，并且不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算。比較內(nèi)容數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0/1電壓計(jì)算方式數(shù)字計(jì)數(shù)電壓組合和測量值控制方式程序控制盤上連線精度高低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大小邏輯判斷能力強(qiáng)無6二、數(shù)字計(jì)算機(jī)根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來劃分，可以劃分為兩類：

專用計(jì)算機(jī)：最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，但是適應(yīng)性很差。通用計(jì)算機(jī)：適應(yīng)性很大，但犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。三、通用計(jì)算機(jī)根據(jù)體積、簡易性、功率損耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機(jī)器價(jià)格等可以分為：超級(jí)計(jì)算機(jī)、大型機(jī)、服務(wù)器、PC機(jī)、單片機(jī)、多核機(jī)六類。

超級(jí)計(jì)算機(jī)：用于科學(xué)計(jì)算，運(yùn)算速度在每秒萬億次以上；

大型機(jī)：大中型企事業(yè)單位作為計(jì)算中心的主機(jī)使用，統(tǒng)一調(diào)度主機(jī)資源，代表產(chǎn)品有IBM360，4300等；7超級(jí)計(jì)算機(jī)（2008.6）IBM公司，服務(wù)于美國能源部，包含122400個(gè)core，最大平均速度1026000GFLOPS。8服務(wù)器：可以滿足部門性的需求，供小型企事業(yè)單位使用，典型產(chǎn)品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列；

PC機(jī)：即微型計(jì)算機(jī)，個(gè)人或家庭使用；

單片機(jī)：只用一片集成電路做成的計(jì)算機(jī)；

多核機(jī)：多于一個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)芯片。多核機(jī)單片機(jī)PC機(jī)91.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史一、計(jì)算機(jī)的五代變化

?第一代（1946—1957年）：電子管計(jì)算機(jī)

?第二代（1958—1964年）：晶體管計(jì)算機(jī)

?第三代（1965—1971年）：中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

?第四代（1972—1990年）：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路

?第五代（1991年至今）：巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

未來計(jì)算機(jī)：？

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有革命性的變化：類似于人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)智能化將進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算機(jī)進(jìn)入知識(shí)處理階段；材料上使用常溫超導(dǎo)材料和光器件；通過控制DNA分子間的生化反應(yīng)構(gòu)造DNA生物計(jì)算機(jī)等……10二、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展

?

20世紀(jì)50～60年代，所有計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器都是由微小的鐵磁體

環(huán)（磁芯）做成；

?1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個(gè)較大容量半導(dǎo)體存

儲(chǔ)器；

?從1970年起，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器經(jīng)歷了11代：單個(gè)芯片1KB、

4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB和1GB。每一代比前一代存儲(chǔ)密度提高4倍，而每位價(jià)格和存取時(shí)間都在下降。11三、微處理器的發(fā)展

?1971年Intel公司開發(fā)出Intel4004，這是第一個(gè)將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品——微處理器誕生了。

?1972年開發(fā)出Intel8008，這是第一個(gè)8位微處理器，比4004復(fù)雜一倍。

?1974年開發(fā)出Intel8080，這是第一個(gè)通用微處理器，是為通用微機(jī)而設(shè)計(jì)的中央處理器，而4004和8008是為特殊用途而設(shè)計(jì)的。?20世紀(jì)70年代末才開發(fā)出強(qiáng)大的通用16位微處理器，Intel8086便是其中之一。

?1981年，貝爾實(shí)驗(yàn)室和HP公司開發(fā)出了32位單片微處理器。

?1981年，IBM公司將Intel

8088芯片用于其研制的PC機(jī)（Intel的轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。?1982年，Intel推出了Intel80286微處理器；1985年，推出了32位微處理器Intel80386；1989年，推出Intel80486芯片；1993年，Intel586CPU問世。

?1996年底，Intel推出了PentiumMMX；1998年，PentiumII、至強(qiáng)微處理器Xeon、賽揚(yáng)Celeron；1999年春，PentiumIII；2000年，Pentium4。

?2002年，Intel超線程技術(shù)（Hyper-Threading），邏輯上多處理器；

?現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器。指令集變化提高電腦在多媒體、3D圖形方面的應(yīng)用能力MMX多媒體指令增強(qiáng)技術(shù)，共57條

SSE第二套多媒體專用指令集3DNOW!3D加速指令集

怎么利用這些指令用專業(yè)編譯器1213在90年代是處理器性能的唯一標(biāo)尺長久以來在摩爾定律指引下保持高速發(fā)展CPU速度每18個(gè)月提高一倍而價(jià)格下降為原來的二分之一處理器的頻率進(jìn)入了“G”時(shí)代頻率對(duì)于處理器綜合性能的影響力開始減弱。同樣可以擁有其標(biāo)稱值(PR)性能AMD低頻產(chǎn)品Intel迅馳平臺(tái)低頻移動(dòng)處理器現(xiàn)有工藝下單核頻率難于提升性能沒有質(zhì)的飛躍功耗散熱、成品率、成本控制困難3GHz成為了AMD無法逾越的一道坎Intel發(fā)布3.8GHz的產(chǎn)品宣布停止4GHz的產(chǎn)品計(jì)劃AMD頻率超過2GHz以后無法大幅度提升處理器的頻率提高遭遇瓶頸1480核處理器2007-02-11核心面積275平方毫米主頻3.16GHz電壓0.95V數(shù)據(jù)帶寬1.62Tb/s浮點(diǎn)運(yùn)算能力1.01TFlops相當(dāng)于1萬顆10年前的PentiumPro功耗不過62W比core2duo還低是四核心XeonX53552.66GHz的大約一半，浮點(diǎn)運(yùn)算能力估計(jì)為50-60GFlops(每秒十億次)15古代及近代計(jì)算技術(shù)公元前500年，中國出現(xiàn)算盤1642年，BlaisePascal發(fā)明自動(dòng)進(jìn)位的加法機(jī)器，齒輪驅(qū)動(dòng)撥盤，在窗口顯示結(jié)果。1822年，CharlesBabbage，差分機(jī)（DifferentialEngie）。1833年，分析機(jī)（AnalyticalEngine），通用機(jī)器。

16世紀(jì)，阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)家阿科瓦里茨米（Alkhowarizmi）提出算法概念，并出版以算法為題的書籍。16現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的里程碑1718Turing機(jī)1937年，AlanTuring提出一種“通用”計(jì)算機(jī)的概念，它可以執(zhí)行任何一個(gè)描述好的程序（算法），實(shí)現(xiàn)需要的功能，形成了“可計(jì)算性”概念的基礎(chǔ)。存儲(chǔ)程序的思想，使計(jì)算機(jī)從專用走向通用。正是這一創(chuàng)新，開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)的新時(shí)代，Turing機(jī)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的鼻祖。Turing機(jī)的特點(diǎn)：并不是保存所有問題的結(jié)果；問題的求解由程序或過程給出，程序和過程可以通過語言描述；計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的時(shí)間是有限的。19第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)——ENIAC第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（通用可編程序）18800電子管30噸150平方米150kw5000次十進(jìn)制加法/秒用手工扳動(dòng)開關(guān)和插拔電纜來編程1946年美國賓西法尼亞大學(xué)研制成功電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC

（ElectronicNumerical

IntegratorAndComputer），這臺(tái)機(jī)器于1955年退役。20世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC（1946）212223為了改進(jìn)程序的輸入方式：美國數(shù)學(xué)家馮·諾依曼，提出二進(jìn)制表示方式和存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)構(gòu)想。提出并描述一個(gè)計(jì)算機(jī)模型EDVAC：

ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer

ENIAC的特點(diǎn)：十進(jìn)制表示程序用插線開關(guān)實(shí)現(xiàn)第一臺(tái)vonNeumann系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)241953年，Wilkes提出了微程序控制的基本思想和特點(diǎn)。

微程序有許多優(yōu)點(diǎn)：如易于改變?cè)O(shè)計(jì)；通過仿真其它指令系統(tǒng)，可以保證軟件兼容；微程序設(shè)計(jì)可以減少實(shí)現(xiàn)復(fù)雜指令的成本等等。

但是，由于在很長的一段時(shí)間內(nèi)，用于實(shí)現(xiàn)控制存儲(chǔ)器的技術(shù)和主存的是相同的，而且機(jī)器的指令系統(tǒng)也比較簡單，因而微程序設(shè)計(jì)的優(yōu)勢并不明顯。

當(dāng)控制存儲(chǔ)器采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器工藝，主存儲(chǔ)器采用磁芯技術(shù)時(shí)，這兩種工藝的速度相差十倍，從而為微程序的廣泛使用提供了基礎(chǔ)。IBM360系列的許多機(jī)器都采用了微程序技術(shù)。251965年，Wilkes在他的一篇論文中提出了直接映象Cache的思想。

IBM360/85機(jī)是第一臺(tái)使用Cache的商品計(jì)算機(jī)。從此，Cache作為一種可以有效解決計(jì)算機(jī)處理和存儲(chǔ)之間速度差異的技術(shù)，在后來的機(jī)器中扮演著十分重要的角色。八十年代初，有科學(xué)家分析了高級(jí)語言機(jī)器結(jié)構(gòu)所遇到的一些困難，在此基礎(chǔ)上提出了簡單的機(jī)器結(jié)構(gòu)更有可能獲得高性能的觀點(diǎn)，即RISC（ReducedInstructionSetComputer）的思想。加州大學(xué)Berkeley分校的DavidPatterson開始設(shè)計(jì)具有RISC思想的機(jī)器。八十年代中期，RISC思想和技術(shù)開始普遍被工業(yè)界接受，RISC技術(shù)本身也得到了迅速完善和發(fā)展。1986年，出現(xiàn)了一些商品化的RISC芯片，如整數(shù)處理器MIPS2000。八十年代末，開始注重流水線技術(shù)，以產(chǎn)生時(shí)間并行效益的同時(shí)，也力圖進(jìn)一步開發(fā)出指令間空間并行的效益。26四、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)吞吐量：表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/s）。響應(yīng)時(shí)間：表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間度量，用時(shí)間單位來度量，例如微秒（10-6s）、納秒（10-9s）。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，一般用百分比表示。處理機(jī)字長：指處理機(jī)運(yùn)算器中一次能夠完成二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算的位數(shù)，決定了寄存器和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。當(dāng)前處理機(jī)的字長有8位、16位、32位、64位。字長越長，包含的信息量越多，精度越高，硬件成本也越高。27總線寬度：一般指CPU中運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行互連的內(nèi)部總線二進(jìn)制位數(shù)。存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1個(gè)字節(jié)）。

存儲(chǔ)器容量越大，記憶的二進(jìn)制數(shù)越多。有內(nèi)存容量和輔存容量兩種指標(biāo)。存儲(chǔ)容量越大，能存儲(chǔ)的信息就越多。

1KB=1024B，1MB=1024KB，

1GB=1024MB，1TB=1024GB存儲(chǔ)器帶寬：存儲(chǔ)器的速度指標(biāo)，單位時(shí)間內(nèi)從存儲(chǔ)器讀出的二進(jìn)制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。28CPU執(zhí)行時(shí)間：表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時(shí)間，可用下式計(jì)算：

CPU執(zhí)行時(shí)間＝CPU時(shí)鐘周期數(shù)×CPU時(shí)鐘周期長（T）主頻/時(shí)鐘周期：CPU的工作節(jié)拍受主時(shí)鐘控制，主時(shí)鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘，主時(shí)鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz、GHz。例如Pentium系列機(jī)為60MHz～266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。

主頻的倒數(shù)稱為CPU時(shí)鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒s

、納秒ns。29CPI：每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)。CPI=MIPS：每秒百萬條指令數(shù)，表示單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)目。MIPS=MFLOPS：每秒百萬次浮點(diǎn)操作次數(shù)，用來衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能。MFLOPS=

MIPS是單位時(shí)間內(nèi)的執(zhí)行指令數(shù)，所以MIPS值越高說明機(jī)器速度越快。

MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用來衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能，而不能體現(xiàn)機(jī)器的整體性能。TFLOPS表示每秒萬億次浮點(diǎn)操作次數(shù)，該技術(shù)指標(biāo)一般在超級(jí)計(jì)算機(jī)中使用。例1.用一臺(tái)50MHz處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，其包含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)如下表所示：求有效CPI、MIPS速率、處理機(jī)程序執(zhí)行時(shí)間tCPU。30指令類型指令數(shù)目平均時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)運(yùn)算450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點(diǎn)運(yùn)算150002控制傳送80002CPI==1.55周期/指令MIPS==32.26（百萬條指令/s）tCPU==3.1ms31例2.下列選項(xiàng)中，描述浮點(diǎn)數(shù)操作速度指標(biāo)的是（）。A.MIPSB.CPIC.IPCD.MFLOPS例3.CPU的CPI與下列哪個(gè)因素?zé)o關(guān)？（）A.時(shí)鐘頻率B.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)C.指令集D.計(jì)算機(jī)組織

CPI是執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期數(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令集、計(jì)算機(jī)組織都會(huì)影響CPI，而時(shí)鐘頻率不會(huì)，但可以加快指令的執(zhí)行速度。如執(zhí)行一條指令需要10個(gè)時(shí)鐘周期，則一臺(tái)主頻為1GHz的CPU，執(zhí)行這條指令比一臺(tái)主頻為100MHz的CPU快。例4.基準(zhǔn)程序A在某計(jì)算機(jī)行的運(yùn)行時(shí)間為100s，其中90s為CPU時(shí)間，其余為I/O時(shí)間。若CPU速度提高50%，I/O速度不變，則運(yùn)行基準(zhǔn)程序A所耗費(fèi)的時(shí)間是？

T=90/1.5+10=60+10=70s32例5.

微機(jī)A和B是采用了不同主頻的CPU芯片，片內(nèi)邏輯電路完全相同。

1）若A機(jī)的CPU主頻為8MHz，B機(jī)為12MHz，則A機(jī)的CPU時(shí)鐘周期為多少？

TA=1/8MHz=0.125s

2）如A機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為0.4MIPS，則A機(jī)的平均指令周期為多少？

A機(jī)的平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5s

3）B機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少？

A機(jī)平均每條指令的時(shí)鐘周期數(shù)=2.5s/0.125s=20，而A機(jī)和B機(jī)的片內(nèi)邏輯電路完全相同，所以B機(jī)平均每條指令的時(shí)鐘周期數(shù)也是20。

TB=1/12MHz=1/12s，

則B機(jī)的平均指令周期=

20×1/12s=5/3s，

B機(jī)的平均指令執(zhí)行速度=3/5MIPS=0.6MIPS331.3計(jì)算機(jī)的硬件一、硬件組成要素

計(jì)算y=ax+b-c：行數(shù)解題步驟和數(shù)據(jù)說明1

取數(shù)（9）→運(yùn)算器（9）表示第9行的數(shù)a，下同2

乘法（12）→運(yùn)算器完成a×x，保存中間結(jié)果3

加法（10）→運(yùn)算器完成a×x+b，保存中間結(jié)果4

減法（11）→運(yùn)算器完成a×x+b-c的計(jì)算，保存結(jié)果5

存數(shù)y→（13）結(jié)果記錄到第13行6

輸出把結(jié)果顯示在屏幕上給程序員看7

停止89a數(shù)據(jù)10b數(shù)據(jù)11c數(shù)據(jù)12x數(shù)據(jù)13y數(shù)據(jù)34二、馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)

?用二進(jìn)制表示

?存儲(chǔ)程序

?按地址自動(dòng)執(zhí)行

?五大部件：

包括控制器、

運(yùn)算器、

存儲(chǔ)器、

輸入設(shè)備、

輸出設(shè)備

?以運(yùn)算器為中心輸入設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)總線（BUS）存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器適配器35

輸出設(shè)備

輸入設(shè)備

運(yùn)算器

控制器

存儲(chǔ)器計(jì)算結(jié)果程序和數(shù)據(jù)控制流CS數(shù)據(jù)流DS地址信號(hào)馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)36三、運(yùn)算器

?進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，通常稱為ALU（算數(shù)邏輯運(yùn)算部件）；

?在計(jì)算機(jī)中參與運(yùn)算的數(shù)是二進(jìn)制的；

?在運(yùn)算中，當(dāng)數(shù)的位數(shù)越多時(shí)，計(jì)算的精度就越高；

?理論上講，數(shù)的位數(shù)可以任意多；

?但是位數(shù)越多，所需的電子器件也越多；

?因此計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器長度一般是

8位、16位、32位、64位。37四、存儲(chǔ)器運(yùn)算過程中，需要保存大量的0、1代碼或者數(shù)據(jù)的器件，目前采用半導(dǎo)體器件——一個(gè)半導(dǎo)體觸發(fā)器有0和1兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，可以記憶一個(gè)二進(jìn)制代碼。

通常，在存儲(chǔ)器中把保存一個(gè)數(shù)的若干個(gè)觸發(fā)器稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成的。每個(gè)存儲(chǔ)單元都有編號(hào)，稱為地址。向存儲(chǔ)器中存數(shù)或者從存儲(chǔ)器中取數(shù)，都要按給定的地址來尋找所選的存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)稱為存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，通常用單位KB，MB，GB，TB等來表示，如64KB，128MB。存儲(chǔ)容量越大，表示計(jì)算機(jī)記憶儲(chǔ)存的信息就越多。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量畢竟有限，因此計(jì)算機(jī)中又配備了存儲(chǔ)容量更大的磁盤存儲(chǔ)器和光盤存儲(chǔ)器，稱為外存儲(chǔ)器，簡稱輔存。相對(duì)而言，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器稱為內(nèi)存儲(chǔ)器，簡稱內(nèi)存（主存）。38五、控制器1.指令的形式指令由兩部分組成：操作的性質(zhì)（操作碼）和操作數(shù)的地址（地址碼）存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行，這就是馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)的所有指令構(gòu)成該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，指令系統(tǒng)不僅是硬件設(shè)計(jì)的依據(jù)，而且是軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是衡量計(jì)算機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。2.控制器的基本任務(wù)

按照計(jì)算程序所排的指令序列，先從存儲(chǔ)器取出一條指令放到控制器中，對(duì)該指令的操作碼由譯碼器進(jìn)行分析判別，然后根據(jù)指令性質(zhì)，執(zhí)行這條指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作。接著從存儲(chǔ)器取出第二條指令，再執(zhí)行這第二條指令。依次類推。393.指令流和數(shù)據(jù)流運(yùn)算器和控制器合在一起稱為中央處理器，簡稱CPU。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)間控制器反復(fù)交替處在取指周期和執(zhí)行周期之中，每取出一條指令，控制器中的指令計(jì)數(shù)器+1，為取下一條指令做好準(zhǔn)備，這就是指令為什么在存儲(chǔ)器中順序存放的原因。指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)放在內(nèi)存中，從形式上看，它們都是二進(jìn)制數(shù)碼，但是控制器可以區(qū)分開哪些是指令，哪些是數(shù)據(jù)。取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，流向控制器；而在執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，由內(nèi)存流向運(yùn)算器。40六、適配器與輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備：把人們所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。輸出設(shè)備：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器設(shè)備所能接收和識(shí)別的信息形式。計(jì)算機(jī)的輸入/輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備。適配器：使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，以便使主機(jī)和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作。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)傳送的公共通路?？傊?，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。這也是人們常說的計(jì)算機(jī)硬件。41主存，I/O接口運(yùn)算器控制器內(nèi)部寄存器組CPU，系統(tǒng)總線主機(jī)輔存I/O設(shè)備外設(shè)計(jì)算機(jī)硬件

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件421.4計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件計(jì)算機(jī)軟件

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件1.系統(tǒng)軟件：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，包括以下四類：①各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯(cuò)程序、練習(xí)程序等②語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等③操作系統(tǒng)④數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

2.應(yīng)用軟件：用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題而編制的程序，如工程設(shè)計(jì)程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動(dòng)控制程序、企業(yè)管理程序、情報(bào)檢索程序、科學(xué)計(jì)算程序等。一、軟件的組成與分類43二、軟件的發(fā)展演變1.編程語言的發(fā)展

手編程序：機(jī)器語言程序，手工編譯二進(jìn)制碼

匯編程序：符號(hào)語言程序，匯編程序匯編

高級(jí)程序：算法語言/高級(jí)語言，機(jī)器編譯程序/解釋程序2.系統(tǒng)軟件的發(fā)展

操作系統(tǒng)：隨著硬件和軟件的不斷發(fā)展而逐漸形成的一套軟件系統(tǒng)，用來管理計(jì)算機(jī)資源和自動(dòng)調(diào)度用戶的作業(yè)程序，而使多個(gè)用戶能有效的共用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

分布式系統(tǒng)軟件44lw$15,0($2)lw$16,4($2)sw$16,0($)sw$15,4($2)temp=v[k];v[k]=v[k+1];v[k+1]=temp;000010011100011010101111010110001010111101011000000010011100011011000110101011110101高級(jí)語言程序匯編語言程序機(jī)器語言程序控制信號(hào)描述編譯器匯編器機(jī)器解釋同一程序可以在不同復(fù)雜度級(jí)別進(jìn)行表示451.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)不能簡單地認(rèn)為是一種電子設(shè)備，而是一個(gè)十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體，通常由五個(gè)以上不同的級(jí)組成，每一級(jí)都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。第一級(jí)是微程序設(shè)計(jì)級(jí)。

這是一個(gè)實(shí)在的硬件級(jí)，由機(jī)

器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某

一個(gè)應(yīng)用程序直接用微指令來編

寫，那么可在這一級(jí)上運(yùn)行應(yīng)用

程序。第二級(jí)是一般機(jī)器級(jí)，也稱為

機(jī)器語言級(jí)，由微程序解釋機(jī)器

指令系統(tǒng)。這一級(jí)也是硬件級(jí)。46第三級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)，由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機(jī)器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級(jí)也稱為混合級(jí)。第四級(jí)是匯編語言級(jí)，給程序人員提供一種符號(hào)形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫時(shí)，

則機(jī)器必須要有這一級(jí)的功能；

如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編

寫，則這一級(jí)可以不要。第五級(jí)是高級(jí)語言級(jí)，是面向

用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程

序而設(shè)置的。這一級(jí)由各種高級(jí)

語言編譯程序支持和執(zhí)行。47計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成及其實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對(duì)軟硬件界面的確定

指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（ISA）硬件軟件48

外特性:

——指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、尋址方式、寄存器集

性能成本評(píng)價(jià):——運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量、I/O帶寬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究范圍新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):

——并行性、數(shù)據(jù)流、推理機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)界面設(shè)計(jì):

——確定硬件功能49

確定數(shù)據(jù)通路的寬度

確定各種操作對(duì)功能部件的共享程度

確定專用的功能部件

確定功能部件的并行度

設(shè)計(jì)緩沖和排隊(duì)策略

設(shè)計(jì)控制機(jī)構(gòu)

確定采用何種可靠性