第1章-概論-計(jì)算機(jī)組成原理

第1章概論1本章將從存儲(chǔ)程序的概念入手，討論計(jì)算機(jī)的基本組成與工作原理，使讀者對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)先有一個(gè)簡(jiǎn)單的整體概念，為今后深入討論各個(gè)部件打下基礎(chǔ)。2本章學(xué)習(xí)內(nèi)容1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲(chǔ)程序控制1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)31.1電子計(jì)算機(jī)與存儲(chǔ)程序控制電子計(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)確的對(duì)各種信息進(jìn)行處理和存儲(chǔ)的電子設(shè)備。41.1.1電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展

第一代，1946～1959，電子管計(jì)算機(jī)。第二代，1959～1964，晶體管計(jì)算機(jī)。第三代，1964～1975，小、中規(guī)模集成電路（SSI，MSI）計(jì)算機(jī)。第四代，1975～1990，大、超大規(guī)模集成電路（LSI，VLSI）計(jì)算機(jī)。第五代，1990～200?，甚大規(guī)模集成電路（ULSI）計(jì)算機(jī)。第六代，200?～20??，極大規(guī)模集成電路（ELSI）計(jì)算機(jī)。5第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIACENIAC的特點(diǎn)：采用十進(jìn)制20個(gè)10位的累加器用開關(guān)手動(dòng)編程18,000個(gè)電子管重30噸占地170平方米耗電140KW5,000次/秒加法運(yùn)算

61.1.2存儲(chǔ)程序概念

馮·諾依曼等人在1946年6月提出存儲(chǔ)程序概念：計(jì)算機(jī)（指硬件）應(yīng)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成；計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來(lái)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(chǔ)器中，然后再啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作。7世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC不是存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)。EDVAC

馮·諾依曼設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)1951年誕生。

EDSAC事實(shí)上的第一臺(tái)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)1949年誕生。目前絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍建立在存儲(chǔ)程序概念的基礎(chǔ)上，稱馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)。也出現(xiàn)了一些突破馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，統(tǒng)稱非馮結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)，如：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)、需求驅(qū)動(dòng)的歸約計(jì)算機(jī)和模式匹配驅(qū)動(dòng)的智能計(jì)算機(jī)等。1.1.2存儲(chǔ)程序概念（續(xù)）81.2計(jì)算機(jī)的硬件組成中央處理器（CPU）CPU=運(yùn)算器+控制器主機(jī)主機(jī)=中央處理器+主存儲(chǔ)器外部設(shè)備除去主機(jī)以外的硬件裝置（如輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、輔助存儲(chǔ)器等）。9運(yùn)算器控制器主存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備輔助存儲(chǔ)器CPU控制數(shù)據(jù)地址或指令主機(jī)外設(shè)存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單框圖101.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(jì)算機(jī)中去，并且將它們轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)內(nèi)部所能識(shí)別和接受的信息方式。2.輸出設(shè)備輸出設(shè)備的任務(wù)是將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果以人或其他設(shè)備所能接受的形式送出計(jì)算機(jī)。1.2.1計(jì)算機(jī)的主要部件113.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)的部件，它是一個(gè)記憶裝置，也是計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)“存儲(chǔ)程序控制”的基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，規(guī)模較大的存儲(chǔ)器往往分成若干級(jí)，稱為存儲(chǔ)系統(tǒng)。

4.運(yùn)算器運(yùn)算器是對(duì)信息進(jìn)行處理和運(yùn)算的部件，經(jīng)常進(jìn)行的運(yùn)算是算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，因此運(yùn)算器的核心是算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALU。1.2.1計(jì)算機(jī)的主要部件（續(xù)）

125.控制器控制器是根據(jù)從存儲(chǔ)器讀來(lái)的指令，產(chǎn)生一系列控制信號(hào)，控制其他部件完成指令的功能。在控制器的控制下，各部件協(xié)調(diào)工作，完成指令的功能，這就是整機(jī)概念。13

總線是一組能為多個(gè)部件服務(wù)的公共信息傳送線路，它能分時(shí)地發(fā)送與接收各部件的信息。總線特點(diǎn)：

共享；分時(shí)。1.2.2計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)14接口接口外設(shè)外設(shè)…CPU主存儲(chǔ)器系統(tǒng)總線單總線結(jié)構(gòu)15系統(tǒng)總線按傳送信息的不同可以細(xì)分為：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線由單方向的多根信號(hào)線組成，用于CPU向主存、外設(shè)傳輸?shù)刂沸畔?；?shù)據(jù)總線由雙方向的多根信號(hào)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)；控制總線上傳輸?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的反饋信號(hào)。1.單總線結(jié)構(gòu)16在系統(tǒng)連接上分為四級(jí)：主機(jī)、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(xiàng)操作同時(shí)進(jìn)行。每個(gè)通道可以接一臺(tái)或幾臺(tái)設(shè)備控制器，每個(gè)設(shè)備控制器又可接一或幾臺(tái)外部設(shè)備，這樣整個(gè)系統(tǒng)就可以連接很多的外部設(shè)備。1.2.3大、中型機(jī)的典型結(jié)構(gòu)17第四級(jí)第三級(jí)第二級(jí)大、中型機(jī)的典型結(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(jī)…………………第一級(jí)181.一般用戶觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)1.2.4不同對(duì)象觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)192.專業(yè)用戶觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)203.計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)211.2.5馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)思想1.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)，是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。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)。22馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

232.哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。CPU首先到指令存儲(chǔ)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(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)。哈佛結(jié)構(gòu)的處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。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。24哈佛結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)251.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。硬件通常是指一切看得見，摸得到的設(shè)備實(shí)體；軟件通常是泛指各類程序和文件，它們實(shí)際上是由一些算法以及其在計(jì)算機(jī)中的表示所構(gòu)成的。26硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂。硬件和軟件是相輔相成的，不可分割的整體。當(dāng)前計(jì)算機(jī)的硬件和軟件正朝著互相滲透，互相融合的方向發(fā)展，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中沒有一條明確的硬件與軟件的分界線。硬件和軟件之間的界面是浮動(dòng)的，對(duì)于程序設(shè)計(jì)人員來(lái)說，硬件和軟件在邏輯上是等價(jià)的。1.3.1硬件與軟件的關(guān)系27

固件是指那些存儲(chǔ)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(biāo)介于硬件與軟件之間，吸收了軟、硬件各自的優(yōu)點(diǎn)，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28系列機(jī)是指一個(gè)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(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。系列機(jī)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(jī)器編制的程序，不加修改就能運(yùn)行在比它更高（低）檔的機(jī)器上；向前（后）兼容是指按某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)的某種型號(hào)機(jī)器編制的程序，不加修改就能運(yùn)行在它之前（后）投入市場(chǎng)的機(jī)器上。1.3.2系列機(jī)和軟件兼容29兼容性示意圖30現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)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(jí)層次結(jié)構(gòu)。第0級(jí)硬件組成的實(shí)體第一級(jí)微程序級(jí)第二級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)第三級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)第四級(jí)匯編語(yǔ)言級(jí)第五級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí)第六級(jí)應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)

1.3.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)31計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)32實(shí)際機(jī)器是指由硬件或固件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器，如圖1-10中的第0～二級(jí)。虛擬機(jī)器是指以軟件或以軟件為主實(shí)現(xiàn)的機(jī)器，如圖1-10中的第三～六級(jí)。虛擬機(jī)器只對(duì)該級(jí)的觀察者存在，即在某一級(jí)觀察者看來(lái)，他只需要通過該級(jí)的語(yǔ)言來(lái)了解和使用計(jì)算機(jī)，至于下級(jí)是如何工作和實(shí)現(xiàn)就不必關(guān)心了。如高級(jí)語(yǔ)言級(jí)及應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)的用戶，可以不了解機(jī)器的具體組成，不必熟悉指令系統(tǒng)，直接用所指定的語(yǔ)言描述所要解決的問題。1.3.4實(shí)際機(jī)器和虛擬機(jī)器331.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)

為使計(jì)算機(jī)按預(yù)定要求工作，首先要編制程序。程序是一個(gè)特定的指令序列，它告訴計(jì)算機(jī)要做哪些事，按什么步驟去做。指令是一組二進(jìn)制信息的代碼，用來(lái)表示計(jì)算機(jī)所能完成的基本操作。衡量一臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能是由多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)綜合確定的，不能片面強(qiáng)調(diào)某一項(xiàng)指標(biāo)。341.4.1計(jì)算機(jī)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。以采用單累加寄存器結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器為例，計(jì)算a+b-c=?35計(jì)算機(jī)執(zhí)行過程實(shí)例36執(zhí)行取數(shù)指令，從主存5號(hào)單元取出數(shù)a，送入累加寄存器中；執(zhí)行加法指令，將累加寄存器中的內(nèi)容a與從主存6號(hào)單元取出數(shù)b一起送到ALU中相加，結(jié)果a+b保留在累加寄存器中；執(zhí)行減法指令，將累加寄存器中的內(nèi)容a+b與從主存7號(hào)單元取出的數(shù)c一起送到ALU中相減，結(jié)果a+b-c保留在累加寄存器中；執(zhí)行存數(shù)指令，把累加寄存器的內(nèi)容a+b-c存至主存8號(hào)單元；執(zhí)行停機(jī)指令，計(jì)算機(jī)停止工作。計(jì)算機(jī)的執(zhí)行步驟371.機(jī)器字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng)是指參與運(yùn)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。在計(jì)算機(jī)中為了更靈活地表達(dá)和處理信息，又以字節(jié)為基本單位，用大寫字母B表示。一個(gè)字節(jié)等于8位二進(jìn)制位。1.4.2計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)38數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送信息的位數(shù)，稱為數(shù)據(jù)通路寬度。它影響到信息的傳送能力，從而影響計(jì)算機(jī)的有效處理速度。這里所說的數(shù)據(jù)通路寬度是指外部數(shù)據(jù)總線的寬度，它與CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線寬度（內(nèi)部寄存器的大小）有可能不同。2.數(shù)據(jù)通路寬度39主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的全部信息量稱為主存容量。通常，以字節(jié)數(shù)來(lái)表示存儲(chǔ)容量，這樣的計(jì)算機(jī)稱為字節(jié)編址的計(jì)算機(jī)，也有一些計(jì)算機(jī)是以字