計算機組成原理

計算機組成原理授課班級:09計科1、2、3授課教師:蘇文莉聯(lián)系方式：QQ：463401718Email:suwen410008@163

1一、課程簡介是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生一門必修的專業(yè)根底課。本課是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的第一門硬件課程。學(xué)生對本課知識的掌握情況，對《接口技術(shù)》、《單片機原理》、《系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》等后續(xù)課程的影響極大。2二、主要內(nèi)容計算機組成角度計算機由幾局部組成各局部的邏輯組成、功能以及工作原理各局部間的關(guān)系整機如何工作信息流角度數(shù)據(jù)流控制流3三、課程特點內(nèi)容多承上啟下理論性、實踐性強難度大

四、參考資料:〔1〕唐朔飛編著，《計算機組成原理》〔第二版〕，高等教育出版社2023年〔2〕白中英主編，《計算機組成原理》〔第四版〕，科學(xué)出版社，2023年。〔3〕俸遠禎主編，《計算機組成原理(修訂本)》，電子工業(yè)出版社，2003年。4五成績評定教學(xué)周數(shù):1~15周〔實驗時間另行安排〕考核形式:閉卷考試總成績：平時成績〔20％〕實驗成績〔20％〕期末成績〔60％〕記筆記5六、考研指南全國統(tǒng)考考核科目：《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》，《計算機組成原理》，《操作系統(tǒng)》，《計算機網(wǎng)絡(luò)》難度比單純考某一科要難

6本章將從存儲程序的概念入手，討論計算機的根本組成與工作原理，使大家對于計算機系統(tǒng)先有一個簡單的整體概念，為今后深入討論各個部件打下根底。第1章概論本章學(xué)習(xí)內(nèi)容:1.1

電子計算機與存儲程序控制1.2

計算機的硬件組成1.3計算機系統(tǒng)1.4

計算機的工作過程和主要性能指標7本章學(xué)習(xí)要求了解：存儲程序概念。理解：CPU和主機的含義。了解：總線概念和總線分時共享的特點。理解：計算機系統(tǒng)的含義。了解：計算機中主要性能指標〔根本字長、數(shù)據(jù)通路寬度、存儲容量等〕。81.1電子計算機與存儲程序控制電子計算機是一種不需要人工直接干預(yù)，能夠自動、高速、準確的對各種信息進行處理和存儲的電子設(shè)備。非電子計算機，如：機械計算機、光計算機、量子計算機、超導(dǎo)計算機等9101.1電子計算機與存儲程序控制有脈沖無脈沖有脈沖101電子計算機從總體上來說分為兩大類電子數(shù)字計算機由邏輯電子器件構(gòu)成，它處理的信號是按脈沖形式變化的離散信號〔運算過程是不連續(xù)的〕，這些信號所對應(yīng)的信息可以用0、1組成的二進制數(shù)字表示。電子模擬計算機由模擬運算器件構(gòu)成，它處理的信號是連續(xù)變化的模擬信號，如電壓、電流、溫度等。他們都是連續(xù)變化的物理量11第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC的特點：采用十進制20個10位的存儲器用開關(guān)手動編程18,800個電子管重30噸占地170平方米耗電140KW5,000次/秒加法運算ENIAC(1946.2)美國賓夕法尼亞大學(xué)121.1.1電子計算機的開展第一代，1946～1959，電子管計算機。

主要特點：計算機所使用的邏輯元件為電子管，存儲器采用延遲線或磁鼓。軟件主要使用機器語言，后期使用匯編語言。應(yīng)用領(lǐng)域：軍事領(lǐng)域的科學(xué)計算。第二代，1959～1964，晶體管計算機。主要特點：邏輯元件為晶體管，采用磁芯作主存儲器，采用磁帶或磁盤作為輔助存儲器，出現(xiàn)Fortran,Cobol等高級語言，并出現(xiàn)了機器內(nèi)部的管理程序。應(yīng)用領(lǐng)域：科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理。

20世紀50～60年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán)〔磁芯〕做成的，每一個磁芯只能代表一位，價格昂貴，工藝復(fù)雜、體積大，并且讀出是破壞性的磁鼓，鋁鼓筒外表涂覆的磁性材料來存儲數(shù)據(jù)的，利用率不高，一面進行存儲。1、計算機的開展歷史131.1.1電子計算機的開展第三代，1964～1971，小、中規(guī)模集成電路〔SSI，MSI〕計算機。硬件上，采用中、小規(guī)模集成電路取代晶體管，用半導(dǎo)體存儲器淘汰了磁芯存儲器。軟件上，把管理程序開展成為現(xiàn)在的操作系統(tǒng)，采用微程序控制技術(shù)，高級語言更加流行，如Basic,Pascal等。應(yīng)用領(lǐng)域：科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、實時控制。1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半導(dǎo)體存儲器，相當于一個磁芯大小的芯片能夠包含256位的存儲器，并且這種芯片是非破壞性的。讀寫速度比磁芯快得多。集成電路的出現(xiàn)，使得計算機的體積變小，耗電量大幅下降，計算機的可靠性得到了極大的提高。1971年，隨著集成技術(shù)的開展，Intel公司開發(fā)出世界上第一個4位的微處理器芯片4004，集成了2300個晶體管。141.1.1電子計算機的開展第四代，1972～1990，大、超大規(guī)模集成電路〔LSI，VLSI〕計算機。大規(guī)模集成電路及超大規(guī)模集成電路〔LSI,VLSI〕取代了中小規(guī)模集成電路。從1974年起，每位半導(dǎo)體存儲器的價格低于磁芯，價格越來越廉價，存儲密度不斷增加，讀寫速度越來越快，迅速取代磁芯存儲器。操作系統(tǒng)更加完善，在語音、圖像處理、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及人工智能等方面取得了很大開展。應(yīng)用領(lǐng)域：各個方面在這一階段，隨著微處理器芯片和存儲器芯片的出現(xiàn)，微型計算機開始出現(xiàn)。微型機就是以微處理器為核心構(gòu)造的電子計算機。微型計算機的出現(xiàn)，形成了計算機開展史上的又一次革命，使計算機進入了幾乎所有的行業(yè)。151.1.1電子計算機的開展第五代，1990～200X，甚大規(guī)模集成電路〔ULSI〕計算機。標志是單片計算機開始出現(xiàn)；另一個是超標量技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用。單片機：把微處理器、一定容量的存儲器以及輸入輸出接口電路等集成在一個芯片上，就構(gòu)成了單片機。可見單片機是一片特殊的、具有計算機功能的集成電路芯片。單片機體積小、功耗低、使用方便，但存儲容量較小，一般用做專用機或用來控制高級儀表、家用電器等。第六代，200X～20XX，極大規(guī)模集成電路〔ELSI〕計算機。單片集成電路規(guī)模可到達一億到十億個晶體管2、開展趨勢 “兩極〞分化161.1.2存儲程序概念

馮·諾依曼等人在1946年6月提出“存儲程序〞概念：計算機正常工作：計算機中信息如何表示？計算機中采用什么樣的工作方式才能自動的、連續(xù)的、快速地進行處理？為了實現(xiàn)計算機強大的功能，在硬件上應(yīng)該設(shè)置哪些部件來提供支持？171.1.2存儲程序概念

馮·諾依曼等人在1946年6月提出“存儲程序〞概念：計算機內(nèi)部采用二進制來表示指令和數(shù)據(jù)；將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，然后再啟動計算機工作;(程序控制)計算機〔指硬件〕應(yīng)由存儲器、運算器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大根本部件組成.18程序控制的工作方式

事先編制程序

事先將程序和數(shù)據(jù)存放在存儲器中(注意，程序是指令的有序集合，程序中的指令通常按順序執(zhí)行，所以這些指令也是按順序依次存放在存儲器中的。)

計算機自動順序取出每條指令進行分析，執(zhí)行其規(guī)定的操作19思考：第一臺存儲程序的機器：ENIAC？OrEDVAC？OrEDSAC？EDVAC：1951離散變量自動電子計算機，馮.諾依曼EDSAC：1949年5月，英國劍橋大學(xué)，威爾克斯20〔1〕世界上第一臺計算機ENIAC不是存儲程序計算機。〔2〕EDVAC馮·諾依曼設(shè)計的存儲程序計算機1951年誕生?！?〕EDSAC事實上的第一臺存儲程序計算機1949年誕生?！?〕目前絕大多數(shù)計算機仍建立在存儲程序概念的根底上，稱馮·諾依曼型計算機?！?〕出現(xiàn)了一些突破馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機，統(tǒng)稱非馮結(jié)構(gòu)計算機，如：數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)流計算機、需求驅(qū)動的歸約計算機和模式匹配驅(qū)動的智能計算機等。1.1.2存儲程序概念〔續(xù)〕21復(fù)習(xí)1、下面表達正確的選項是〔〕A世界上第一臺電子計算機ENIAC首先實現(xiàn)了“存儲程序〞方案B按照計算機的規(guī)模，人們把計算機的開展過程分為6個時代C微型計算機最早出現(xiàn)于第三代計算機D馮諾依曼提出的計算機體系結(jié)構(gòu)奠定了現(xiàn)代計算機的根底2、對于馮諾依曼型計算機，〔〕被保存在存儲器中A只有數(shù)據(jù)B只有程序C程序和數(shù)據(jù)D以上都不是3、微型計算機的開展是以〔〕技術(shù)為標志。A操作系統(tǒng)B微處理器C磁盤D軟件4、目前人們所說的個人計算機屬于〔〕A巨型機B中型機C小型機D微型機5。、馮諾依曼的核心思想是〔〕A二進制運算B有存儲信息的功能C運算速度快D存儲程序控制DCBDD22算術(shù)運算邏輯運算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機器能識別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運行馮·諾依曼計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備1.2計算機的硬件組成231.輸入設(shè)備輸入設(shè)備的任務(wù)是把人們編好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計算機中去，并且將它們轉(zhuǎn)換成計算機內(nèi)部所能識別和接受的信息方式。如:鍵盤、鼠標、掃描儀、觸摸屏、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、輔助存儲器等2.輸出設(shè)備輸出設(shè)備的任務(wù)是將計算機的處理結(jié)果以人或其他設(shè)備所能接受的形式送出計算機。如：顯示器、打印機、繪圖儀、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、輔助存儲器等1.2.1計算機的主要部件243.存儲器存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，它是一個記憶裝置，也是計算機能夠?qū)崿F(xiàn)“存儲程序控制〞的根底。在計算機系統(tǒng)中，規(guī)模較大的存儲器往往分成假設(shè)干級，稱為存儲系統(tǒng)。當前計算機系統(tǒng)中，采用三種運行原理不同、性能差異很大的存儲介質(zhì)，高速緩沖存儲器、主存儲器和輔助存儲器構(gòu)成三級存儲系統(tǒng)。

1.2.1計算機的主要部件〔續(xù)〕高速緩沖存儲器用來存放當前正在執(zhí)行的程序段和數(shù)據(jù)，以便CPU能高速使用他們，cache的速度可以和CPU相匹配，但是存儲容量小，價格較高，CPU可以直接訪問。主存儲器用來存放計算機運行期間所需的程序和數(shù)據(jù)，存取速度較快，容量較小，CPU可以直接訪問輔助存儲器用來存放當前暫時不參與運行的層序和數(shù)據(jù)，存取速度慢，容量大，價格低，CPU不能直接訪問，輔助存儲器中的信息只有調(diào)入主存后，CPU才能使用254.運算器運算器是對信息進行處理和運算的部件，經(jīng)常進行的運算是算術(shù)運算和邏輯運算，因此運算器的核心是算術(shù)邏輯運算部件ALU。5.控制器控制器是整個計算機的指揮中心，它的主要功能是按照人們預(yù)先確定的操作步驟，控制整個計算機的各部件有條不紊地自開工作。1.2.1計算機的主要部件〔續(xù)〕26運算器控制器主存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備輔助存儲器CPU控制線數(shù)據(jù)線地址或指令主機外設(shè)存儲器計算機簡單組成框圖27中央處理器〔CPU〕CPU=運算器+控制器微處理器通過集成電路技術(shù)將控制器和運算器(CPU)集成到一個芯片上，這個具有中央處理器CPU功能的芯片就是微處理器。主機(HOST)主機=中央處理器+主存儲器外部設(shè)備〔I/O設(shè)備〕除去主機以外的硬件裝置〔如輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、輔助存儲器等〕。28計算機的存儲系統(tǒng)是指〔〕ARAMBROMC主存儲器DCache、主存儲器和輔助存儲器D29計算機系統(tǒng)中存儲器、CPU等功能部件之間必須互連，才能組成一個完整的計算機系統(tǒng)，從而實現(xiàn)信息的交換和傳送。部件之間的互連方式:分散連接：各部件之間通過單獨的連線互聯(lián)總線連接：將各個部件連接到一組公共信息傳輸線上現(xiàn)代計算機普遍采用的是總線互聯(lián)結(jié)構(gòu)。1.2.2計算機的總線結(jié)構(gòu)30總線(BUS)

是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的互連機構(gòu)，是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助總線連接，計算機在系統(tǒng)各功能部件之間實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的交換，并在爭用資源的根底上進行工作。接口接口外設(shè)外設(shè)…CPU主存儲器系統(tǒng)總線總線實際上是由許多傳輸線或通路組成的，每條線可一位一位地傳輸二進制代碼，假設(shè)干條傳輸線可以同時傳輸假設(shè)干位二進制代碼。一、總線的根本概念31接口接口外設(shè)外設(shè)…CPU主存儲器系統(tǒng)總線總線特點：共享、分時

共享：總線所連接的部件都可通過它傳遞信息。分時：在某一時刻總線只允許有一個部件送出數(shù)據(jù)到總線上?？偩€是各部件共享的傳輸介質(zhì)，當多個部件與總線相連時，如果出現(xiàn)兩個或者兩個以上部件同時向總線發(fā)送信息，勢必導(dǎo)致信號沖突，傳輸無效。因此，在某一個時刻，只允許有一個部件向總線發(fā)送信息，而多個部件可以同時從總線上接收相同的信息。

32總線的分類方式很多，按照數(shù)據(jù)傳送方式可以分為并行傳輸總線、串行傳輸總線；并行傳輸總線中，按傳輸數(shù)據(jù)的寬度又分為8位、16位、32位、64位等傳輸總線，還可以根據(jù)總線使用范圍分為計算機總線、測控總線、網(wǎng)絡(luò)通信總線等。總線按連接部件的不同可以細分為：片內(nèi)總線、系統(tǒng)總線和通信總線。片內(nèi)總線是指CPU內(nèi)部各部件之間的信息傳送線，如在CPU芯片內(nèi)部，存放器與存放器之間，存放器與算邏單元ALU之間互連的總線系統(tǒng)總線是指計算機系統(tǒng)內(nèi)各功能部件〔CPU、主存、I/O接口〕之間相互連接的信息傳輸線，按照系統(tǒng)總線傳輸信息的不同，又可分為三類：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；〔I/O接口是指I/O設(shè)備與系統(tǒng)總線之間的鏈接部件〕通信總線是指計算機系統(tǒng)之間或者計算機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)〔遠程通信設(shè)備、測試設(shè)備等等〕之間信息傳送的總線，按傳輸方式分為串行總線和并行總線。例如，微機與微機之間，所采用的RS-232/RS-485總線；微機與智能儀器之間，所采用的IEEE-488/VXI總線，以及近幾年開展和流行起來的微機與外部設(shè)備之間的USB和IEEE1394通用串行總線等。

二、總線的分類33按總線上傳輸信息的不同，系統(tǒng)總線又分為三類：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。也有些總線沒有單獨的地址線，地址信息通過數(shù)據(jù)線來傳送，這種情況稱為數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用。數(shù)據(jù)線用來傳輸各功能部件之間的數(shù)據(jù)信息，這個信息可能是數(shù)據(jù)、指令、或地址〔如果數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用的話〕。由雙方向的多根信號線組成，CPU可以沿這些線從主存或外設(shè)讀入數(shù)據(jù)，也可以沿這些線向主存或外設(shè)送出數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總線的組成34地址線用來給出數(shù)據(jù)總線上源數(shù)據(jù)或者目的數(shù)據(jù)所在的主存單元或I/O設(shè)備的地址。例如，欲從存儲器讀一個數(shù)據(jù)，那么CPU要將此數(shù)據(jù)所在存儲單元的地址送到地址線上。又如，欲將某數(shù)據(jù)經(jīng)I/O設(shè)備輸出，那么CPU除了需將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線外，還需將該輸出設(shè)備的地址送到地址總線上。地址總線上的代碼是用來指明CPU欲訪問的存儲單元或者I/O端口的地址，由CPU向主存、外設(shè)輸出，單向傳輸〔單方向的多根信號線〕。35控制線上傳輸?shù)氖强刂菩畔?，包括CPU送出的控制命令和主存/外設(shè)返回CPU的反響信號。

從任一根控制線來說，它的傳輸是單向的。但是從控制總線整體上看，又可認為是雙向的。有出有入存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認中斷請求、總線請求36系統(tǒng)總線中地址線的作用是〔〕A用于選擇主存單元B用于選擇進行信息傳輸?shù)脑O(shè)備C用于指定主存單元和I/O設(shè)備接口電路的地址D用于傳送主存物理地址和邏輯地址掛接在總線上的多個部件〔〕A只能分時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，并只能分時從總線接收數(shù)據(jù)B只能分時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，但可以同時從總線接收數(shù)據(jù)C可同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，并同時從總線接收數(shù)據(jù)D可同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，但只能分時從總線接收數(shù)據(jù)系統(tǒng)總線中，劃分數(shù)據(jù)線、地址線和控制線的根據(jù)是〔〕A總線所處位置B總線的傳輸方向C總線的傳輸內(nèi)容D總線的控制方式CBC37復(fù)習(xí)計算機的硬件組成計算機的總線結(jié)構(gòu)38三、總線結(jié)構(gòu)1、單總線結(jié)構(gòu)特點：〔1〕所有的設(shè)備都掛在一條總線上，設(shè)計簡單。〔2〕CPU與主存，CPU與外設(shè)之間可以直接進行信息交換，外設(shè)與外設(shè)，主存與外設(shè)之間可以直接進行信息交換，無需經(jīng)過CPU干預(yù)，〔3〕設(shè)備擴充、增刪方便、靈活?！?〕分時使用總線、總線負擔(dān)重、速度慢。392、雙總線結(jié)構(gòu)特點：〔1〕它有兩條總線，一條是主存總線，用于于CPU、內(nèi)存和通道之間之間進行數(shù)據(jù)傳送；另一條是I/O總線，掛接外部設(shè)備，用于多個外圍設(shè)備與通道之間進行數(shù)據(jù)傳送。〔2〕雙總線結(jié)構(gòu)中增加了通道這一獨立的控制部件，他是一種具有特殊功能的處理器，用于連接主存總線和IO總線，從而實現(xiàn)外部設(shè)備和主存之間數(shù)據(jù)的傳送?！?〕CPU效率大為提高，并可以實現(xiàn)形式多樣而更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳送。403、三總線結(jié)構(gòu)特點：〔1〕在計算機系統(tǒng)各部件之間采用三條各自獨立的總線來構(gòu)成信息通路。這三條總線是：主存總線，I/O總線和直接內(nèi)存訪問〔DMA〕總線。主存總線用于CPU和主存之間傳送信息；I/O總線供CPU和各類外設(shè)之間傳遞信息；DMA總線用于內(nèi)存和高速外設(shè)〔磁盤、磁帶〕之間直接交換信息?！?〕一般來說，在三總線系統(tǒng)中，任一時刻只使用一種總線，41總線〔驅(qū)動〕電路主要由三態(tài)門組成。〔1〕三態(tài)門三態(tài)門是具有三種邏輯狀態(tài)的門電路。這三種狀態(tài)為：邏輯“0〞、邏輯“1〞和浮空狀態(tài)。所謂浮空狀態(tài)，就是三態(tài)門的輸出呈現(xiàn)開路的高阻狀態(tài)。三態(tài)門具有第三種狀態(tài)高阻狀態(tài)〔懸空狀態(tài)、禁止狀態(tài)〕不是高電平，也不是低電平輸出阻抗很高〔相當于與其他電路無關(guān)，與外界斷開聯(lián)系〕

四、總線電路42三態(tài)門除了正常的輸入輸出端之外，還有一個控制使能端。只有當控制端有效時，該三態(tài)門才滿足正常的輸出關(guān)系，否那么將出現(xiàn)高阻狀態(tài)。根據(jù)輸入輸出的關(guān)系和控制端的有效電平，可以分成四種類型的三態(tài)門：對應(yīng)的功能表輸入輸出G=1D=0Q=0G=1D=1Q=1G=0×輸出高阻輸入輸出G=1D=0=1G=1D=1=0G=0×輸出高阻輸入輸出=0D=0Q=0=0D=1Q=1=1×輸出高阻輸入輸出=0D=0=1=0D=1=0=1×輸出高阻注意控制端是低電平有效還是高電平有效，這可以根據(jù)三態(tài)門邏輯符號控制端是否標有小圓圈來區(qū)分；同樣三態(tài)門的輸出也不一定反向，要根據(jù)三態(tài)門邏輯符號輸出端是否標有小圓圈來區(qū)分。43〔2〕總線電路實例常用的總線電路有很多種，其中：總線緩沖器/驅(qū)動器/接收器是單向總線電路，總線收發(fā)器是雙向總線電路。74244是一種八總線緩沖器/驅(qū)動器/接收器芯片單向總線電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)輸入輸出真值表44〔2〕總線電路實例74245是一種八總線收發(fā)器雙向總線電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)輸入輸出真值表45系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：在系統(tǒng)連接上分為四級：主機、通道、設(shè)備控制器、外部設(shè)備。通道:是承擔(dān)I/O操作管理的主要部件，能使CPU的數(shù)據(jù)處理和與外部設(shè)備交換信息這兩項操作同時進行。每個通道可以接一臺或幾臺設(shè)備控制器，每個設(shè)備控制器又可接一或幾臺外部設(shè)備，這樣整個系統(tǒng)就可以連接很多的外部設(shè)備。1.2.3大、中型機的典型結(jié)構(gòu)46第四級第三級第二級【圖例】大、中型機的典型四級結(jié)構(gòu)主存CPU通道通道設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)主機…………………第一級47(1)一般用戶觀察到的計算機硬件系統(tǒng)1.2.4不同對象觀察到的計算機硬件系統(tǒng)透明性：在計算機中，客觀存在的事物從某個角度看不到，就稱為“透明〞，也就是說這些透明的東西是那些不屬于自己管的局部〔不會出現(xiàn)和不需要了解的局部〕。48(2)專業(yè)用戶觀察到的計算機硬件系統(tǒng)49(3)計算機設(shè)計者觀察到的計算機硬件系統(tǒng)501.2.5馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計思想一、馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，指令和數(shù)據(jù)不加區(qū)別地混合存儲在同一個存儲器中。指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置。使用馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的中央處理器有很多。如Intel公司的80X86、ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS等都采用了馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。51二、哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)中指令和數(shù)據(jù)分開存放，存儲器分為兩局部，一個是程序存儲器，用于存放指令，一個是數(shù)據(jù)存儲器，用于存放數(shù)據(jù)。CPU首先到指令存儲器中讀取指令內(nèi)容，譯碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進行下一步的操作〔通常是執(zhí)行〕。哈佛結(jié)構(gòu)的處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其指令和數(shù)據(jù)分開組織和存儲的，執(zhí)行時可以預(yù)先讀取下一條指令。目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處理器也有很多，如MOTOROLA公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等?，F(xiàn)代微型計算機中的cache采用哈弗結(jié)構(gòu)，將cache分為指令cache和數(shù)據(jù)cache兩個局部，而主存儲器采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，只有一個，由數(shù)據(jù)和指令合用521.3計算機系統(tǒng)一個完整的計算機系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大局部。硬件通常是指一切看得見，摸得到的設(shè)備實體；軟件通常是泛指各類程序和文件，它們實際上是由一些算法以及其在計算機中的表示所構(gòu)成的。1.3.1軟件的分類軟件按其功能分為應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類。53系統(tǒng)軟件：主要用來管理整個計算機系統(tǒng)，監(jiān)視效勞，使系統(tǒng)資源得到合理調(diào)度，高效運行。它包括以下四類：①各種效勞性程序，如診斷程序、排錯程序、練習(xí)程序等②語言處理程序，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)應(yīng)用軟件：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序，如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學(xué)計算程序等541.3.2硬件與軟件的關(guān)系硬件〔Hardware)是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)根底，沒有硬件對軟件的支持，軟件的功能就無從談起;軟件〔Software)是計算機系統(tǒng)的靈魂。沒有軟件的硬件“裸機〞不能提供給用戶使用。硬件和軟件是相輔相成的，不可分割的整體。任何操作可以軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)，任何指令的執(zhí)行能由硬件完成，也能由軟件來完成。對于某種機器功能是由軟件來實現(xiàn)還是由硬件來實現(xiàn)，取決于器件的價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期等因素。硬件和軟件之間的界面是浮動的。對于程序設(shè)計人員來說。硬件和軟件在邏輯上是等價的！55固件是指那些存儲在能永久保存信息的器件〔如ROM〕中的程序，是具有軟件功能的硬件。固件的性能指標介于硬件與軟件之間，吸收了軟、硬件各自的優(yōu)點，其執(zhí)行速度快于軟件，靈活性優(yōu)于硬件，是軟、硬件結(jié)合的產(chǎn)物。固件〔Firmware〕56系列機是指一個廠家生產(chǎn)的，具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、字符編碼、中斷系統(tǒng)、控制方式和輸入輸出操作方式等多方面保持統(tǒng)一。系列機的軟件兼容分為向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容四種。向上〔下〕兼容指的是按某檔次機器編制的程序，不加修改就能運行在比它更高〔低〕檔的機器上；向前〔后〕兼容是指按某個時期投入市場的某種型號機器編制的程序，不加修改就能運行在它之前〔后〕投入市場的機器上。做到向上兼容、向后兼容1.3.3系列機和軟件兼容57系列機兼容性示意圖58現(xiàn)代計算機系統(tǒng)是一個硬件與軟件組成的綜合體，可以把它看成是按功能劃分的多級層次結(jié)構(gòu)。第0級硬件組成的實體第一級微程序級第二級傳統(tǒng)機器級第三級操作系統(tǒng)級第四級匯編語言級第五級高級語言級第六級應(yīng)用語言級

1.3.4計算機系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)59我們解題的過程是一般是這樣的，首先先用高級語言編寫程序〔源程序〕，然后將他和數(shù)據(jù)一起送入計算機內(nèi)，再由計算機將其翻譯成機器能識別的機器語言程序〔目標程序〕，計算機自動運行該機器語言程序，并將計算機結(jié)果輸出。60計算機系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)第二級是傳統(tǒng)機器級。這級的機器語言是該機的指令集，用機器指令編寫的程序可以由微程序進行解釋。61計算機系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)第四級是匯編語言級。這級的機器語言是匯編語言，完成匯編語言翻譯的程序叫做匯編程序。第五級是高級語言級。這級的機器語言就是各種高級語言，通常用編譯程序來完成高級語言翻譯的工作。第六級是應(yīng)用語言級。這一級是為了使計算機滿足某種用途而專門設(shè)計的，因此這一級語言就是各種面向問題的應(yīng)用語言，如應(yīng)用于人工智能和計算機設(shè)計等方面的語言。應(yīng)用語言編寫的程序一般由應(yīng)用程序包翻譯到虛擬機M4上。62計算機系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)第三級是是操作系統(tǒng)級。從操作系統(tǒng)的根本功能來看，一方面它要直接管理傳統(tǒng)機器中的軟硬件資源，另一方面它又是傳統(tǒng)機器的延伸。第零級是硬聯(lián)邏輯級，這是計算機的內(nèi)核，由門、觸發(fā)器等邏輯電路組成。第一級是微程序級。這級的機器語言是微指令集，用微指令編寫的微程序一般是直接由硬件執(zhí)行的。63實際機器是指由硬件或固件實現(xiàn)的機器〔第0～二級〕。虛擬機器是指以軟件或以軟件為主實現(xiàn)的機器〔第三～六級〕。虛擬機器只對該級的觀察者存在，即在某一級觀察者看來，他只需要通過該級的語言來了解和使用計算機，至于下級是如何工作和實現(xiàn)就不必關(guān)心了。如高級語言級及應(yīng)用語言級的用戶，可以不了解機器的具體組成，不必熟悉指令系統(tǒng)，直接用所指定的語言描述所要解決的問題。1.3.4實際機器和虛擬機器641.4計算機的工作過程和主要性能指標為使計算機按預(yù)定要求工作，首先要編制程序。程序是一個特定的指令序列，它告訴計算機要做哪些事，按什么步驟去做。指令是一組二進制信息的代碼，用來表示計算機所能完成的根本操作。1.4.1計算機的工作過程

將編制好的程序放在主存中，由控制器控制逐條取出指令執(zhí)行。----馮氏存儲程序工作機制65計算2＋1＝？1.從存儲器中取數(shù)2，暫存6.停機3.計算2＋1，結(jié)果暫存4.結(jié)果3送存儲器保存5.打印結(jié)果32.從存儲器中取數(shù)1，暫存

取數(shù)2

…

取數(shù)1

計算2＋1，結(jié)果暫存

結(jié)果3送存儲器保存打印結(jié)果3停機…數(shù)2

數(shù)1結(jié)果3程序計數(shù)器PC＋1計算機要來解決這個問題，把解決方法劃分一系列步驟，每一個步驟就是一條指令，指令的集合就是程序，讓計算機來執(zhí)行，得到最后的結(jié)果。那么解決這個問題要經(jīng)過這么幾個步驟。6612356789以取數(shù)指令為例4主機完成一條指令的過程CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O設(shè)備67復(fù)習(xí)1、對計算機軟硬件進行管理是〔〕的功能A操作系統(tǒng)B數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)C語言處理程序D用戶程序2、計算機硬件能夠直接執(zhí)行的只有〔〕A機器語言B匯編語言C機器語言和匯編語言D各種高級語言3、只有當程序執(zhí)行時，它才會將源程序翻譯成機器語言，而且一次只能讀取、編譯并執(zhí)行源程序中的一行語句，此程序稱為〔〕A目標程序B編譯程序C解釋程序D匯編程序4。三態(tài)門電路比普通門電路多一種〔〕狀態(tài)5.計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)中，位于硬件之外的所有層次稱為〔