計算機組成原理：緒論

第1章緒論讓我們了解計算機了解哪些??計算機的發(fā)展歷史計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機的軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)計算機的特點和性能指標(biāo)計算機的分類與應(yīng)用電子計算機分類按其信息的表示形式和處理方式分類：電子模擬計算機以連續(xù)變化的量即模擬量表示數(shù)據(jù)，通過電流或電壓的物理變化過程實現(xiàn)運算。受到元器件精度的影響，使其運算精度較低，解題能力有限，信息存儲困難，因而應(yīng)用面窄。電子數(shù)字計算機以離散量即數(shù)字量表示數(shù)據(jù)，應(yīng)用算術(shù)運算法則實現(xiàn)運算。由于具有很強的邏輯判斷功能、龐大的存儲能力，以及計算、模擬、分析問題、操作機器、處理事務(wù)等能力，因而得到了極其廣泛的應(yīng)用。1.1計算機的發(fā)展歷史電子計算機的誕生第一臺電子計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandComputer）于1946年在美國誕生。①每秒5000次加法運算；②每秒50次乘法運算；③平方和立方計算；④Sin和Cos函數(shù)數(shù)值運算；⑤其它更復(fù)雜的計算。1955年退役十進(jìn)制運算180001500150301500多個電子管多個繼電器千瓦噸平方英尺5000次加法／秒用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程電腦始祖

—馮·諾依曼馮·諾依曼提出了新的改進(jìn)方案：一是用二進(jìn)制代替十進(jìn)制，進(jìn)一步提高電子元件的運算速度；二是存儲程序(StoredProgram)，即把程序放在計算機內(nèi)部的存儲器中，換言之，把能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的程序放在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)內(nèi)部，程序和該程序處理的數(shù)據(jù)用同樣的方式儲存，即把程序本身當(dāng)作數(shù)據(jù)來對待。馮·諾依曼的改進(jìn)方案被稱為“愛達(dá)法”(EDVAC)，即離散變量自動電子計算機(ElectronicDisereteVariableComputer)的簡稱。1945年6月，他寫了一篇題為《關(guān)于離散變量自動電子計算機的草案》的論文，第一次提出了在數(shù)字計算機內(nèi)部的存儲器中存放程序的概念(StoredProgramConcept)，這是所有現(xiàn)代電子計算機的范式，被稱為“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”。按這一結(jié)構(gòu)建造的電腦稱為存儲程序計算機(StoredProgramComputer)，又稱為通用計算機。時至今日，所有的電腦都逃脫不了馮·諾依曼的掌心，我們所有的電腦，都有一個共同的名字，叫“馮·諾依曼機器”，它超越了品牌、國界、速度和歲月。1.1.1更新?lián)Q代的計算機硬件（1）電子管時代（1946年－1959年）（2）晶體管時代（1959年－1964年）（3）中、小規(guī)模集成電路時代（1964年－1975年）（4）超、大規(guī)模集成電路時代（1975年－1990年）（5）超級規(guī)模集成電路時代（1990年－現(xiàn)在）代硬件技術(shù)速度（次/秒）一電子管40,000二晶體管200,000三中小規(guī)模集成電路1,000,000四大規(guī)模集成電路10,000,000超大規(guī)模集成電路100,000,000小規(guī)模集成電路SSI10-100個元件或1-10個邏輯門中規(guī)模集成電路MSI100-1000個元件或10-100個邏輯門大規(guī)模集成電路LSI10^3-10^5個元件或100-10000個邏輯門超大規(guī)模集成電路VLSI10^6-10^7個元件或10000個邏輯門特大規(guī)模集成電路ULSI10^7-10^9個元件巨大規(guī)模集成電路GSI10^9個以上元件2023/12/1310電子管時代（1946～1959）運算速度：5千～4萬（次/秒）在電子管時代，計算機以電子管作為基本邏輯單元，主存儲器采用汞延遲線、磁鼓等材料，數(shù)據(jù)用定點表示。我國有:103機、104機、119機2023/12/1311晶體管時代（1957～1964）運算速度：幾十萬～百萬（次/秒）2023/12/1312晶體管時代的計算機主要以晶體管代替電子管作為基本邏輯元件，主存儲器由磁芯構(gòu)成，引入了浮點運算硬件加強科學(xué)計算能力。我國推出：DJS-5機、DJS-121機、DJS-108機2023/12/1313中小規(guī)模集成電路時代

（1965～1975）

運算速度：百萬～幾百萬（次/秒）2023/12/1314在中小規(guī)模集成電路（MSI、SSI）時代，集成電路器件成為了計算機的主要邏輯元件，由半導(dǎo)體存儲器替代磁芯存儲器作為主存儲器。此階段采用多處理器并行結(jié)構(gòu)的大型、巨型機和物美價廉的小型機得到快速發(fā)展。本階段典型的計算機有：IBM公司的IBM360系列（1964年）、CDC公司的CDC6600（1964年）和DEC公司的PDP-8（1964年）。我國在此時期也推出了大、中、小型計算機，如150機（1973年）、DJS-130機（1974年，并形成了100系列機）、220機（1973年-1981年，200系列機）和182機（1976年，180系列機）。2023/12/1316第一臺迷你計算機PDP-8

2023/12/1317超大規(guī)模集成電路時代（1975～1990）運算速度：幾百萬～幾千萬億（次/秒）此時半導(dǎo)體存儲器已完全替代了磁芯存儲器，并發(fā)展了并行技術(shù)、多機系統(tǒng)和分布式計算技術(shù)，出現(xiàn)了RISC指令集。在這一時期，巨型向量機、陣列機等高級計算機得到了發(fā)展，如美國的Cray-I，我國的YH-I等，同時低檔的微處理器開始面世，并迅速推向社會各個領(lǐng)域和家庭。1978年采用Intel8086微處理器構(gòu)成的16位微機IBM-PC/XT的面世，真正使得臺式個人計算機走進(jìn)辦公室和家庭。(此前，有8位的微機，Apple-II,Cromenco,Z80)與此同時，計算機網(wǎng)絡(luò)也由實驗研究階段轉(zhuǎn)入商業(yè)市場，推動了計算機信息處理的發(fā)展和應(yīng)用。從而帶動并形成了信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)——IT業(yè)。1990-現(xiàn)在出現(xiàn)了采用大規(guī)模并行計算和高性能機群計算技術(shù)的超級計算機，如IBM公司的“深藍(lán)”計算機就是一臺RS/6000SP2超級并行計算機，它具有256塊處理器芯片。我國的YH-III（大規(guī)模并行處理，128個CPU，1997年）、YH-IV（機群技術(shù)）巨型機已達(dá)到國際水平.2004年，我國的研制開發(fā)的超級計算機——曙光4000A進(jìn)入全球超級計算機500強排行榜的前10名，標(biāo)志著我國超級計算機技術(shù)已跨入了世界前列。2008年超級計算機榜首美國能源部下屬洛斯阿拉莫斯國家實驗室的IBM超級計算機“走鵑”（Roadrunner）以每秒1.105千萬億次的浮點運算速度再度蟬聯(lián)榜首。2008年超級計算機第十曙光5000A高性能計算機采用最新的四核AMDBarcelona(主頻2.0GHz)處理器，采用基于刀片架構(gòu)的HPP體系架構(gòu)，共有約30000顆計算核心，大于100TB海量內(nèi)存，700TB數(shù)據(jù)存儲能力，采用低延遲的20Gb的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，其設(shè)計浮點運算速度峰值為每秒230萬億次，Linpack測試速度預(yù)測將達(dá)到160T。2009年超級計算機榜首美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室的Cray“美洲豹”XT5系統(tǒng)以每秒1.759千萬億次(petaflop/s)的運算速度，在全球超級計算機500強排行榜中首度折桂。美洲豹的科學(xué)應(yīng)用圖從左到右，從上到下依次為：

1：極端氣候模擬

2：超新星研究

3：生命和半衰期

4：從光合作用到新燃料

5：聚變加速

6：模仿火山爆發(fā)應(yīng)激氣候2009年超級計算機第五由中國國防科大研制的“天河一號”超級計算機以實測速度每秒563.1萬億次位列世界第五、亞洲第一，這也是中國超級計算機迄今獲得的最高名次，也是前十位中唯一非美超級計算機。2010年超級計算機榜首全球超級計算機500強排行榜（又稱TOP500）11月16日在美國新奧爾良會議中心正式揭曉，由中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“天河一號”超級計算機排名第一，美國橡樹嶺國家實驗室的“美洲虎”和中國曙光公司研制的“星云”緊隨其后，其他排名前十的超級計算機分別位于日本、法國、德國和美國。“天河一號”2010年在中國國家超級計算天津中心安裝部署，升級后的實測運算速度可達(dá)每秒2570萬億次；排名第二的“美洲虎”超級計算機實測運算速度可達(dá)每秒1750萬億次；排名第三的“星云”計算機實測運算速度達(dá)到每秒1270萬億次。超級計算機——天河一號運算速度“天河一號”峰值運算速度為每秒4700萬億次。做個換算對比：“天河一號”運算1小時，相當(dāng)于全國13億人同時計算340年以上的時間；“天河一號”運算1天，相當(dāng)于1臺雙核的高檔桌面電腦運算620年以上的時間。存儲容量“天河一號”存儲容量為兩千萬億個字節(jié)。做個換算對比：一個漢字平均為兩個字節(jié)，“天河一號”可在線存儲一千萬億個漢字，相當(dāng)于存儲100萬漢字的書籍10億冊。2011超級計算機榜首第38屆全球超級計算機五百強排行榜，升級完畢的日本“京”(KComputer)成為人類歷史上第一臺計算能力跨越1億億次每秒的計算系統(tǒng)。在日語中，“京”是一個計量單位，代表1萬萬億。不同于其它近來表現(xiàn)“猖狂”的高性能計算系統(tǒng)，“京”仍舊完全基于傳統(tǒng)處理器，沒有使用GPU加速?，F(xiàn)在的“京”配備了88128顆富士通SPARC64VIIIfx2.0GHz八核心處理器?！熬睂⒃诿髂?月完成整個系統(tǒng)的配置，并于同年11月正式開始運用。除用于模擬演算地震、海嘯、臺風(fēng)等地球科學(xué)及有關(guān)宇宙形成的研究外，“京”還將運用于新材料、醫(yī)藥用品、汽車及飛機的研發(fā)等工作。2011超級計算機榜首2011超級計算機亞軍——

天河一號A最大性能只有“京”的24.4％。事實上，除了一路狂奔的“京”之外，從第二名到到第十一名都沒有多少變化。從超算分布的國家來看，最近兩年增長最快的國家無疑是中國，兩年時間，中國入圍超算總數(shù)從2010年11月的24臺猛增至如今的74臺，平均增長率超過45%。美國作為當(dāng)今唯一的超級大國，在入圍超算數(shù)量上也保持了一如既往的霸氣，始終占據(jù)著TOP500的半壁江山，其他國家望塵莫及。2012年6月超級計算機排名第一名：紅杉(Sequoia)超級計算機，美國能源部勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

/view/c3d6cef17c1cfad6195fa743.html使用紅杉來研究美國核威懾武器的安全性和可靠性2012年6月超級計算機排名第二名：K超級計算機，日本理化學(xué)研究所高級計算科學(xué)研究所(AICS)第三名：米拉(Mira)超級計算機，伊利諾伊州阿爾貢國家實驗室第五名：天河-1A，天津國家超級計算中心第十名：星云(Nebulae)，中國深圳

2012年11月TOP500強Cray公司的超級計算機Titan以17590TFlop/s的運算速度奪冠，IBM的Sequoia以16324.8TFlop/s的速度奪得亞軍，曾經(jīng)位列榜首的KComputer以10510TFlop/s屈居第三位。曾在2010年位列榜首的中國最快的超級計算機天河-1A，以2566TFlop/s的運算速度排在第八位。Top10超級計算機中，有5臺來自美國，德國2臺，中國、意大利與日本各1臺。在整個TOP500榜單中，251臺來自美國，72臺來自中國。按照平臺來劃分，Top500超級計算機中76%來自Intel，12%來自AMD，10%來自IBM。2013年6月超級計算機排名1天河二號是由中國國防科技大學(xué)開發(fā)的超級計算機，今年以持續(xù)計算速度每秒3.39億億次的優(yōu)越性能位居榜首。部署在廣州的國家超級計算機中心。2泰坦是一臺安裝在美國能源部（DOE）的橡樹嶺國家實驗室CrayXK7系統(tǒng)的超級計算機。最節(jié)能的系統(tǒng)之一。3紅杉是安裝在美國能源部勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的一臺IBM藍(lán)色基因/Q系統(tǒng)超級計算機。10天河-1A，中國天津的國家超級計算中心。2013年11月

前三甲分別為中國天河二號、橡樹嶺國家實驗室的泰坦、和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的紅杉。天河二號是由中國國防科技大學(xué)開發(fā)的超級計算機，今年以持續(xù)計算速度每秒3.39億億次的優(yōu)越性能位居榜首。天河二號將于今年年底被部署到廣州的國家超級計算機中心。它的出世比原定計劃提前兩年。天河二號有16,000個節(jié)點，每個節(jié)點兩個IntelXeonIvyBridge的處理器。2014年6月

天河二號以比第二名美國“泰坦”快近一倍速度獲得冠軍除了助力探月工程、載人航天等政府科研項目外，天河二號目前已經(jīng)逐漸應(yīng)用于民用領(lǐng)域，比如石油勘探、汽車飛機的設(shè)計制造、基因測序等。傳統(tǒng)手段研發(fā)新車，一般要經(jīng)過上百次碰撞實驗、歷時兩年多才能完成，而利用天河二號進(jìn)行模擬，只需3到5次實車碰撞、兩個月即可實現(xiàn)。中國商用飛機設(shè)計有限公司北京研究中心利用約2.4萬CPU核開展了大型民機全參數(shù)氣動優(yōu)化設(shè)計，在天河二號計算6天，完成了其自身計算平臺約需2年的工作量，極大地提高了優(yōu)化工作效率。華大基因使用的生物信息軟件能迅速在天河二號上運行，不需要再另外進(jìn)行編程；同時天河二號強大的計算能力，可以快速滿足華大基因海量基因數(shù)據(jù)分析所需的計算資源，節(jié)省大量分析時間。但是能耗很高，應(yīng)用軟件缺失。1.1.2日臻完善的計算機軟件匯編語言階段（20世紀(jì)50年代）程序批處理階段（20世紀(jì)60年代）分時多用戶階段（20世紀(jì)70年代）分布式管理階段（20世紀(jì)80年代）軟件重用階段（20世紀(jì)90年代）Web服務(wù)階段（21世紀(jì)初期－現(xiàn)在）2023/12/1338—個完整的計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩大系統(tǒng)組成。計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成一臺計算機的各種物理裝置以及它們的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)軟件系統(tǒng)泛指計算機系統(tǒng)中使用的各種程序和文件1.2計算機系統(tǒng)的硬件組成1.2.1計算機的功能部件首先思考：計算機的基本功能是什么數(shù)據(jù)加工運算器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備主機系統(tǒng)CPU存儲器I/O系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存數(shù)據(jù)傳送操作控制（1）輸入設(shè)備（2）輸出設(shè)備（3）存儲器分為主存儲器（內(nèi)存）和輔助存儲器（外存）。CPU能夠直接訪問的存儲器是主存。輔助存儲器用于幫助主存記憶更多的信息，輔助存儲器中的信息必須調(diào)入主存后，才能為CPU所使用。主存儲器的每個單元都有自己唯一的地址碼，通常是按地址進(jìn)行訪問的，若對存儲器某個單元進(jìn)行讀/寫操作，必須首先給出被訪存儲單元的地址碼。主存儲器結(jié)構(gòu)簡圖（4）運算器運算器是計算機的執(zhí)行部件，用于對數(shù)據(jù)的加工處理，完成算術(shù)運算和邏輯運算。算術(shù)運算是指按照算術(shù)運算規(guī)則進(jìn)行的運算，如加、減、乘、除以及它們的復(fù)合運算。邏輯運算則為非算術(shù)性運算，如與、或、非、異或、比較、移位等。其核心是算術(shù)邏輯部件（ArithmeticandLogicalUnit，ALU）。運算器中還設(shè)有若干寄存器，用于暫存操作數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。由于這些寄存器往往兼?zhèn)涠喾N用途，如用作累加器、變址寄存器、基址寄存器等，所以通常稱為通用寄存器。運算器的簡單框圖見書P6圖1-3。（5）控制器是整個計算機的指揮中心。控制器就是按著事先安排好的解題不愁，控制計算機各個部件有條不紊地自動工作。程序按指令序列存放在存儲器中，控制器根據(jù)程序?qū)嵤┛刂?，這種工作方式稱為存儲程序方式。1.2計算機系統(tǒng)的硬件組成1.2.2馮?諾依曼計算機存儲程序的概念是由美國數(shù)學(xué)家馮?諾依曼于1946年6月在研究EDVAC計算機時首先提出來的，它奠定了現(xiàn)代計算機的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。其基本思想如下：（1）計算機由五大部件組成哪五大部件？？（2）采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令指令是什么？？（3）采用存儲程序方式什么是存儲程序？？指令指令是程序的基本單位，程序是若干指令的有序集合。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機中，指令與數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制代碼的形式同存于存儲器中。兩者在存儲器中的地位相同，均可按地址訪問。

指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼表示指令的操作性質(zhì)，地址碼表示操作數(shù)在存儲器中的位置。2023/12/1349在用計算機解題之前，事先編制好程序，并連同所需的數(shù)據(jù)預(yù)先存入主存儲器中。在解題過程(運行程序)中，由控制器按照事先編好并存入存儲器中的程序自動地、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令并執(zhí)行，直到獲得所要求的結(jié)果為止。存儲程序方式是馮·諾依曼思想的核心，是計算機能高速自動運行的基礎(chǔ)。存儲程序方式早期的馮?諾依曼計算機(圖1-4，P7)現(xiàn)代計算機組織結(jié)構(gòu)(圖1-5，P7)在微處理器問世之前，運算器和控制器是兩個分離的功能部件，加上當(dāng)時存儲器還是以磁芯存儲器為主，計算機存儲的信息量較少，因此早期馮?諾依曼計算機結(jié)構(gòu)是以運算器為中心的，其他部件都通過運算器完成信息的傳遞。微處理器將運算器和控制器兩個主要功能部件合二為一，集成到一個芯片里。現(xiàn)代計算機組織結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐源鎯ζ鳛橹行?，但是現(xiàn)代計算機的基本結(jié)構(gòu)仍然遵循馮?諾依曼思想。2023/12/1351早期的馮·諾依曼計算機組織結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)代計算機組織結(jié)構(gòu)圖

1.3計算機的軟件系統(tǒng)1.3.1系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)語言處理程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分布式軟件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)各種服務(wù)程序應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是指用戶為解決某個應(yīng)用領(lǐng)域中的各類問題而編制的程序，如各種科學(xué)計算類程序、工程設(shè)計類程序、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理程序、情報檢索程序、企業(yè)管理程序、生產(chǎn)過程控制程序等。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)其功能組成不同的應(yīng)用軟件包，供用戶選擇使用。能否再舉一些應(yīng)用軟件的例子？？2023/12/1355雖然在一個具體的計算機系統(tǒng)中，硬件、軟件是緊密相關(guān)、缺一不可的，但是對某一具體功能來說，可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件實現(xiàn)，這就是硬件、軟件在邏輯功能上的等效。任何由硬件實現(xiàn)的操作，在原理上，均可用軟件來實現(xiàn)；同樣，任何由軟件實現(xiàn)的操作，在原理上都可硬化由硬件來實現(xiàn)。硬件、軟件在邏輯功能上等效2023/12/1356例：乘除運算早期均由軟件編程實現(xiàn)?，F(xiàn)已由硬件乘、除法器實現(xiàn)。例：在微小型機中，為了降低系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本，將一些在巨型、大型機中由硬件實現(xiàn)的功能由軟件編程實現(xiàn)。硬件的軟化：將由硬件實現(xiàn)的功能用軟件實現(xiàn)。軟件的硬化：將由軟件實現(xiàn)的功能用硬件實現(xiàn)。2023/12/1357固件：載有在用戶環(huán)境中不能加以改變的程序及數(shù)據(jù)的器件。將復(fù)雜且常用的程序?qū)懭胫蛔x存儲器就構(gòu)成了固件。固件從功能上看是軟件，但從形態(tài)上看是硬件。例如，PC機中的主板BIOS、顯卡BIOS，網(wǎng)卡BOOTROM等都屬于固件。2023/12/1358硬件軟件的功能分配在設(shè)計一個計算機系統(tǒng)時，必須根據(jù)設(shè)計要求、現(xiàn)實技術(shù)與器件條件，首先確定哪些功能直接由硬件實現(xiàn)，哪些功能通過軟件實現(xiàn)。這就是硬件、軟件的功能分配。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可以使軟件逐漸“固化”乃至“硬化”

。所以設(shè)計計算機系統(tǒng)時必須首先解決硬、軟件的功能分配問題。2023/12/1359計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代的計算機是一個硬件與軟件組成的綜合體。由于面對的應(yīng)用范圍越來越廣，所以必須有復(fù)雜的系統(tǒng)軟件和硬件的支持。由于軟件、硬件的設(shè)計者和使用者是從不同的角度，以各種不同的語言來對待同一個計算機系統(tǒng)。因此，他們各自看到的計算機系統(tǒng)的屬性及對計算機系統(tǒng)提出的要求也就不一樣。如硬件設(shè)計人員要求機器能夠高速有效地執(zhí)行機器指令所規(guī)定的各種操作。而高級語言使用者則關(guān)心機器能否提供高效方便的編程環(huán)境。2023/12/1360對不同的對象而言，一個計算機系統(tǒng)就成為實現(xiàn)不同語言的、具有不同屬性的機器。假如在軟件、硬件之間，系統(tǒng)設(shè)計者和使用者之間不能很好地協(xié)調(diào)、配合，就會大大影響系統(tǒng)的性能與效率。2023/12/1361計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)根據(jù)從各種角度所看到的機器之間的有機關(guān)系，可以將計算機系統(tǒng)分為多級層次結(jié)構(gòu)。目的：分清各級層次結(jié)構(gòu)彼此之間的界面，明確各自的功能，以便構(gòu)成合理、高效的計算機系統(tǒng)。2023/12/13622023/12/1363第0級硬件操作時序?qū)嶋H的硬件層，是硬件組成的實體。第1級微程序機器層

實際的硬件層，它由機器硬件直接執(zhí)行微指令。第2級傳統(tǒng)機器語言層

實際的硬件層，由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。第3級操作系統(tǒng)層

由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。操作系統(tǒng)程序是由機器指令和廣義指令組成的。其中廣義指令是為擴展機器功能而設(shè)置的，是由操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令。這一層也稱為混合層。2023/12/1364第4級匯編語言層

匯編語言是一種符號形式語言，用戶借此可編寫匯編語言源程序。這一層由匯編程序支持和執(zhí)行。第5級高級語言層

高級語言層為方便用戶編寫各類應(yīng)用程序而設(shè)置的。它是面向用戶的。該層由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。第6級應(yīng)用語言層

應(yīng)用語言層是直接面向某個應(yīng)用領(lǐng)域，為方便用戶編寫該應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用程序而設(shè)置的。由相應(yīng)的應(yīng)用軟件包支持和執(zhí)行。

2023/12/1365高級語言程序

C＝A＋B匯編語言程序

MOVAL，A

ADDAL，B

MOVC，AL機器語言程序

1000H000000011001H000000101002H000000000000H101000000001H000000000002H000100000003H000000100004H000000010005H000100000006H100010000007H000001100008H000000100009H000100002023/12/1366在多級層次結(jié)構(gòu)中，第0、1、2級是實機器，上面幾層均為虛機器（虛擬機）。虛機器：是指用軟件技術(shù)構(gòu)成的機器。虛機器建立在實機器的基礎(chǔ)上，利用軟件技術(shù)擴充實機器的功能。從整體看就好像有了一臺更強功能的機器，所以稱它為虛機器。機器語言層和操作系統(tǒng)層是虛、實機器的分界面。軟、硬件功能的分配，決定了虛、實機器的界面。2023/12/1367利用多級層次結(jié)構(gòu)觀點，可以在設(shè)計計算機系統(tǒng)時，明確哪些功能由硬件完成，哪些功能由軟件完成。同樣還可以明確在虛機器中各層次應(yīng)完成的功能，上級應(yīng)得到下級的哪些支持。多級層次結(jié)構(gòu)觀點，對于了解掌握計算機的組成，設(shè)計一個良好的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有很大的幫助。2023/12/1368計算機硬件系統(tǒng)的組織

如何把五大基本部件互連起來構(gòu)成計算機的硬件系統(tǒng)，是計算機硬件系統(tǒng)的組織問題。在計算機的五大部件之間，有大量的信息需要傳送，如何實現(xiàn)信息的傳送，取決于數(shù)據(jù)通路的邏輯結(jié)構(gòu)。早期的計算機往往在各部件之間直接連接傳送線路，數(shù)據(jù)通路復(fù)雜、零亂，控制不便，而且沒有多少擴展余地。2023/12/1369總線結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的計算機普遍采用總線結(jié)構(gòu)。1.

總線：一組可為多個功能部件共享的公共信息傳送線路。2.

總線的使用規(guī)定

⑴共享總線的各個部件必須分時使用總線發(fā)送信息，保證總線上的信息在任何時候都是唯一的。

⑵總線上的各個部件可同時接收總線上的信息?？偩€的使用規(guī)定，保證了總線上的信息不沖突，且總線上的各部件可以共享總線信息。2023/12/1370按總線的任務(wù)分(1)CPU內(nèi)部總線這是一級數(shù)據(jù)線，用于連接CPU內(nèi)部各寄存器和算術(shù)邏輯部件。在微型計算機系統(tǒng)中，CPU內(nèi)部總線也就是芯片內(nèi)的總線。(2)部件內(nèi)總線在計算機中各功能模塊插件上芯片之間的總線。屬于芯片間的總線。如內(nèi)存條、聲卡等插件上的總線。總線的分類2023/12/1371(3)系統(tǒng)總線連接系統(tǒng)內(nèi)各大部件如CPU、主存、I/O設(shè)備等的總線，是連接整機系統(tǒng)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制/狀態(tài)總線。(4)外總線計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間的通信總線。外總線往往借用電子工業(yè)領(lǐng)域已有的標(biāo)準(zhǔn)。如RS－232串行總線標(biāo)準(zhǔn)。2023/12/1372按總線上信息傳送的方向分(1)單向總線

連接在總線上的部件只能有選擇地將信息進(jìn)行單向傳送。如地址總線。(2)雙向總線

連接在總線上的任何部件既能通過總線發(fā)送信息，也能通過總線接受信息。如數(shù)據(jù)總線。2023/12/1373采用總線結(jié)構(gòu)的好處可以大大減少系統(tǒng)中的信息傳輸線數(shù)，減輕發(fā)送部件的負(fù)載?？梢院喕布Y(jié)構(gòu)，靈活地修改與擴充系統(tǒng)。2023/12/1374總線的連接方式單機系統(tǒng)中采用的總線類型(1)單總線結(jié)構(gòu)用一組系統(tǒng)總線把CPU、主存及各種I/O接口連接起來。2023/12/1375總線上各設(shè)備之間（CPU與MEM、MEM與I/O、CPU與I/O、I/O與I/O）都通過單總線交換信息?？蓪/O與存儲器同等對待，統(tǒng)一進(jìn)行編址?？刂坪唵?，易于擴充。同一時刻只能在一對設(shè)備之間或部件之間傳送信息，因此系統(tǒng)速度受到限制。把主存與I/O設(shè)備同等對待，降低了主存的地位。因為主存與CPU間的信息傳送要比CPU與I/O設(shè)備間的信息傳送頻繁很多。單總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點與缺點2023/12/1376(2)雙總線結(jié)構(gòu)①以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)采用以CPU為中心的存儲器總線和I/O總線，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。以CPU為中心的雙總線，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。但由于I/O設(shè)備與主存間的信息傳送都必須通過CPU進(jìn)行，使CPU要花費大量時間進(jìn)行信息的輸入輸出處理，從而降低了CPU的工作效率。所以只在早期的機器中使用。2023/12/1377以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)2023/12/1378②面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)在單總線的基礎(chǔ)上，在CPU與主存之間增加了一組存儲器總線，CPU訪存直接通過存儲器總線實現(xiàn)，面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)保持了單總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，同時由于通過存儲器總線訪存，提高了CPU的訪存速度，也減輕了系統(tǒng)總線的負(fù)擔(dān)。2023/12/1379面向存儲器的雙總線結(jié)構(gòu)2023/12/1380(3)三總線結(jié)構(gòu)在面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加I/O總線，使得CPU與主存、主存與I/O之間均具備獨立的信息傳輸通路。2023/12/1381總線結(jié)構(gòu)主要用于微、小型計算機中。對于中型、大型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成，主要著重于系統(tǒng)功能的擴充和效率的提高。為了增強系統(tǒng)功能，必然要配置更多的硬件資源和軟件資源。

由于I/O設(shè)備的增多使I/O處理成為又一個十分突出的問題。許多I/O設(shè)備由于具有機械動作，其工作速度遠(yuǎn)比CPU的速度低，因此，如何解決速度匹配問題，使CPU與I/O操作盡可能并行地工作以提高CPU的工作效率，成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一個關(guān)鍵問題，為此提出了“通道”的概念。2023/12/1382

通道通道是一種具有處理機功能的專門用來管理I/O操作的控制部件。具有通道的計算機系統(tǒng)通常采用主機、通道、I/O設(shè)備控制器、I/O設(shè)備四級連接方式。通道結(jié)構(gòu)具有較大的變化和擴展余地，對較小的系統(tǒng)，可將設(shè)備控制器與I/O設(shè)備合并在一起，將通道與CPU合并在一起。對較大的系統(tǒng)，則可單獨設(shè)置通道。對更大的系統(tǒng)，可將通道發(fā)展為專門的I/O處理機，甚至更強功能的前端機。2023/12/1383計算機的特點能自動連續(xù)地工作運算速度快運算精度高具有很強的存儲能力和邏輯判斷能力通用性強計算機的性能指標(biāo)基本字長：參與運算的數(shù)的基本位數(shù)

主存容量：K、M、G、T、P

運算速度所配置的外部設(shè)備及其性能指標(biāo)系統(tǒng)軟件的配置機器字長機器字長是指參與運算的數(shù)的基本位數(shù)，它是由加法器、寄存器的位數(shù)決定的，所以機器字長一般等于內(nèi)部寄存器的大小。字長標(biāo)志著精度，字長越長，計算的精度就越高。計算機中為了更靈活地表達(dá)和處理信息，又以字節(jié)（Byte）為基本單位，用大寫字母B表示。一個字節(jié)等于8位二進(jìn)制位（bit）。不同的計算機，字（word）的長度可以不相同