微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1

1、計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理畢琳畢琳第第章章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第第章章 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線第第章章 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器第第章章 輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)第第章章 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法第第章章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)第第章章 CPU 的結(jié)構(gòu)和功能的結(jié)構(gòu)和功能第第章章 控制單元的功能控制單元的功能第第10章章 控制單元的設(shè)計(jì)控制單元的設(shè)計(jì)第第章章 計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用第第章章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.4 本書結(jié)構(gòu)本書結(jié)構(gòu)1.3 計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.2 計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成1.1 計(jì)算機(jī)

2、系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介由具有各類特殊功能由具有各類特殊功能的信息（程序）組成的信息（程序）組成1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的實(shí)體，計(jì)算機(jī)的實(shí)體，如主機(jī)、外設(shè)等如主機(jī)、外設(shè)等一、一、 計(jì)算機(jī)的軟硬件概念計(jì)算機(jī)的軟硬件概念硬件硬件軟件軟件 通過一個(gè)例子來建立對(duì)計(jì)算機(jī)的主通過一個(gè)例子來建立對(duì)計(jì)算機(jī)的主要組成和工作原理的感性認(rèn)識(shí)。要組成和工作原理的感性認(rèn)識(shí)。 假設(shè)給一個(gè)算盤、一張帶有橫格的假設(shè)給一個(gè)算盤、一張帶有橫格的紙和一支筆，要求我們計(jì)算紙和一支筆，要求我們計(jì)算y=ax+b-c這樣一個(gè)題目。這樣一個(gè)題目。Y = ax + b - c硬件組成要素硬件組成要素n控制器：人的大腦

3、的操作控制功能控制器：人的大腦的操作控制功能n運(yùn)算器：算盤運(yùn)算器：算盤n存儲(chǔ)器：紙存儲(chǔ)器：紙n輸入設(shè)備：筆輸入設(shè)備：筆n輸出設(shè)備：紙輸出設(shè)備：紙用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題所編制的程用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題所編制的程序序,如工程設(shè)計(jì)程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動(dòng)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、控制程序、企業(yè)管理程序、情報(bào)檢索程序、科學(xué)計(jì)算程序等等。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用科學(xué)計(jì)算程序等等。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,這類程序的種類越來越多。這類程序的種類越來越多。用來管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)用來管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化使用方法簡(jiǎn)化使用方法,提高

4、計(jì)算機(jī)的使用效率提高計(jì)算機(jī)的使用效率,發(fā)揮發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途的軟件。和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途的軟件。 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件軟軟件件各種服務(wù)性程序,如診斷程序、排錯(cuò)程序、練習(xí)程序等；語言程序,如匯編程序、編譯程序、解釋程序等；操作系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)軟件目的程序目的程序 直接用機(jī)器語言編寫程序直接用機(jī)器語言編寫程序,這種編寫程序的方式稱為手編程序。這種編寫程序的方式稱為手編程序。 匯編程序匯編程序 用一些約定的文字、符號(hào)和數(shù)字按規(guī)定的格式來表示各種不同的指令用一些約定的文字、符號(hào)和數(shù)字按規(guī)定的格式來表示各種不同的指令,然后再用這些特殊符號(hào)表示的指令來編寫程序然后再用這

5、些特殊符號(hào)表示的指令來編寫程序,這就是所謂的這就是所謂的匯編語言匯編語言。源程序源程序?yàn)榱诉M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化和便于程序交流為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化和便于程序交流,使不熟悉具體計(jì)算機(jī)的人使不熟悉具體計(jì)算機(jī)的人也能很方便地使用計(jì)算機(jī)也能很方便地使用計(jì)算機(jī),人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語言的人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語言的算法語算法語言言。 算法語言算法語言是指按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號(hào)以及由這套基本符是指按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號(hào)以及由這套基本符號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學(xué)語言號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學(xué)語言,直觀通用直觀通用,與具體機(jī)器無關(guān)與具體機(jī)器無關(guān),只要只要稍加學(xué)習(xí)就能掌握稍加

6、學(xué)習(xí)就能掌握,便于推廣使用計(jì)算機(jī)。便于推廣使用計(jì)算機(jī)。 用算法語言編寫的程序稱為用算法語言編寫的程序稱為源程序源程序，這種源程序是不能由機(jī)器直，這種源程序是不能由機(jī)器直接識(shí)別和執(zhí)行的，必須給計(jì)算機(jī)配備一個(gè)即懂算法語言又懂機(jī)器語言接識(shí)別和執(zhí)行的，必須給計(jì)算機(jī)配備一個(gè)即懂算法語言又懂機(jī)器語言的的“翻譯翻譯”，才能把源程序翻譯為機(jī)器語言：，才能把源程序翻譯為機(jī)器語言： （1） 計(jì)算機(jī)配置一套用機(jī)器語言寫的計(jì)算機(jī)配置一套用機(jī)器語言寫的編譯程序編譯程序，它把源程序翻譯成，它把源程序翻譯成目的程序，然后機(jī)器執(zhí)行目的程序目的程序，然后機(jī)器執(zhí)行目的程序,得出計(jì)算結(jié)果。但由于目的程序得出計(jì)算結(jié)果。但由于目的程序

7、一般不能獨(dú)立運(yùn)行，還需要一種叫做一般不能獨(dú)立運(yùn)行，還需要一種叫做運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行系統(tǒng)的輔助軟件來幫助。通的輔助軟件來幫助。通常，把常，把“編譯程序編譯程序+運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行系統(tǒng)”稱為稱為編譯系統(tǒng)編譯系統(tǒng)。 （2） 使源程序通過所謂的使源程序通過所謂的解釋系統(tǒng)解釋系統(tǒng)進(jìn)行解釋執(zhí)行，特點(diǎn)是對(duì)源程序進(jìn)行解釋執(zhí)行，特點(diǎn)是對(duì)源程序的語句逐條解釋、逐條執(zhí)行。它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是直的語句逐條解釋、逐條執(zhí)行。它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是直接邊解釋、邊執(zhí)行語句，進(jìn)而逐步得出計(jì)算結(jié)果。接邊解釋、邊執(zhí)行語句，進(jìn)而逐步得出計(jì)算結(jié)果。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)資源管理

8、軟件資源管理軟件，用來管理計(jì)算機(jī)資用來管理計(jì)算機(jī)資源源( (如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序等等) )和自動(dòng)調(diào)度和自動(dòng)調(diào)度用戶的作業(yè)程序用戶的作業(yè)程序, ,而使多個(gè)用戶而使多個(gè)用戶或多個(gè)任務(wù)或多個(gè)任務(wù)能有效地共用一套計(jì)算機(jī)系能有效地共用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)資源的效率。，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)資源的效率。 無操作系統(tǒng)的機(jī)器通常被稱作無操作系統(tǒng)的機(jī)器通常被稱作“裸機(jī)裸機(jī)”。 操作系統(tǒng)目前大致分為操作系統(tǒng)目前大致分為批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作分時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 等多種。等多種。

9、 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)高級(jí)語高級(jí)語言程序言程序目標(biāo)目標(biāo)程序程序結(jié)果結(jié)果翻譯翻譯運(yùn)行運(yùn)行2. 計(jì)算機(jī)的解題過程計(jì)算機(jī)的解題過程實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M1機(jī)器語言程序機(jī)器語言程序用機(jī)器語言解釋操作系統(tǒng)用機(jī)器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令由硬件直接執(zhí)行微指令虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M2實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M1微程序機(jī)器微程序機(jī)器 M0二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級(jí)語言高級(jí)語言虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M3匯編語言匯編語言虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M2操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器機(jī)器語言機(jī)器語言實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M1微指令系統(tǒng)微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器微程序機(jī)器 M01.

10、 1. 微程序設(shè)計(jì)級(jí)微程序設(shè)計(jì)級(jí) M0M0 這是一個(gè)實(shí)在的硬件級(jí)，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微命令。如果某一個(gè)這是一個(gè)實(shí)在的硬件級(jí)，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微命令。如果某一個(gè)應(yīng)用程序直接用微命令來編寫，那么可在這一級(jí)上運(yùn)行該應(yīng)用程序。應(yīng)用程序直接用微命令來編寫，那么可在這一級(jí)上運(yùn)行該應(yīng)用程序。2. 2. 機(jī)器級(jí)機(jī)器級(jí) M1M1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)。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)。3. 3. 操作系統(tǒng)級(jí)操作系統(tǒng)級(jí) M2M2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，這由操作系統(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

11、，這些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)也稱為軟硬些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)也稱為軟硬件混合級(jí)。件混合級(jí)。4. 4. 匯編語言級(jí)匯編語言級(jí) M3M3 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，則機(jī)器一級(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，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)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?？梢圆灰?。 5. 5. 高級(jí)語言級(jí)

12、高級(jí)語言級(jí) M4M4 面向用戶，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)面向用戶，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。語言編譯程序支持和執(zhí)行。 用編譯程序翻譯用編譯程序翻譯成匯編語言程序成匯編語言程序用匯編程序翻譯用匯編程序翻譯成機(jī)器語言程序成機(jī)器語言程序用機(jī)器語言解釋操作系統(tǒng)用機(jī)器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟軟件件硬硬件件虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M4虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M3虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M2實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M1微程序機(jī)器微程序機(jī)器 M0軟件與硬件的邏輯等價(jià)性軟件與硬件的邏輯等價(jià)性

13、軟件的特點(diǎn)軟件的特點(diǎn) 易于實(shí)現(xiàn)各種邏輯和運(yùn)算功能，但是常受到速度指標(biāo)和軟件容易于實(shí)現(xiàn)各種邏輯和運(yùn)算功能，但是常受到速度指標(biāo)和軟件容 量的制約；量的制約；硬件的特點(diǎn)硬件的特點(diǎn) 可以高速實(shí)現(xiàn)邏輯和運(yùn)算功能，但是難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能或計(jì)算，可以高速實(shí)現(xiàn)邏輯和運(yùn)算功能，但是難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能或計(jì)算， 受到控制復(fù)雜性指標(biāo)的制約。受到控制復(fù)雜性指標(biāo)的制約。 隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，實(shí)體硬件機(jī)的功能范隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，實(shí)體硬件機(jī)的功能范圍不斷在擴(kuò)大。各類容量大、價(jià)格低、體積小、可以改寫的圍不斷在擴(kuò)大。各類容量大、價(jià)格低、體積小、可以改寫的只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器提提供了軟件固

14、化的良好物質(zhì)手段?，F(xiàn)在已經(jīng)可以把許多復(fù)雜的、常用的程序供了軟件固化的良好物質(zhì)手段?，F(xiàn)在已經(jīng)可以把許多復(fù)雜的、常用的程序制作成所謂制作成所謂固件固件。就它的功能來說，是軟件；但從形態(tài)來說，又是硬件。就它的功能來說，是軟件；但從形態(tài)來說，又是硬件。 因此，本來通過軟件手段來實(shí)現(xiàn)的某種功能，現(xiàn)在可以通過硬件來直接因此，本來通過軟件手段來實(shí)現(xiàn)的某種功能，現(xiàn)在可以通過硬件來直接解釋執(zhí)行。進(jìn)一步的發(fā)展，就是設(shè)計(jì)所謂解釋執(zhí)行。進(jìn)一步的發(fā)展，就是設(shè)計(jì)所謂面向高級(jí)語言的計(jì)算機(jī)面向高級(jí)語言的計(jì)算機(jī)。這樣的。這樣的 計(jì)算機(jī)，可以通過硬件直接解釋執(zhí)行高級(jí)語言的語句而不需要先經(jīng)過編譯計(jì)算機(jī)，可以通過硬件直接解釋執(zhí)行高級(jí)

15、語言的語句而不需要先經(jīng)過編譯程序的處理。傳統(tǒng)的軟件部分，今后完全有可能程序的處理。傳統(tǒng)的軟件部分，今后完全有可能“固化固化”甚至甚至“硬化硬化”。 程序員所見到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性程序員所見到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)組成組成實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性有無乘法指令有無乘法指令如何實(shí)現(xiàn)乘法指令如何實(shí)現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/OI/O機(jī)理）機(jī)理）（具體指令的實(shí)現(xiàn)）（具體指令的實(shí)現(xiàn)）三、三、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成

16、1.2 計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成1. 計(jì)算機(jī)由五大部件組成計(jì)算機(jī)由五大部件組成3. 指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示4. 指令由操作碼和地址碼組成指令由操作碼和地址碼組成6. 以運(yùn)算器為中心以運(yùn)算器為中心2. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器，指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器， 可按地址尋訪可按地址尋訪5. 存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序一、馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)5. 存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備算術(shù)運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)存放數(shù)據(jù)和程序和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)將信息

17、轉(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的形式器能識(shí)別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式人們熟悉的形式指揮程序指揮程序運(yùn)行運(yùn)行馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器+ +存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器+ +控制器控制器+ +輸入輸入/ /輸出設(shè)備。輸出設(shè)備。各硬件部分的主要功能與特點(diǎn)各硬件部分的主要功能與特點(diǎn)： 1. 1. 運(yùn)算器運(yùn)算器運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯運(yùn)算單元運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU），能進(jìn)行加、減、乘、除，能進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算等算術(shù)運(yùn)算, ,還可進(jìn)行邏輯運(yùn)算。還可進(jìn)行邏輯運(yùn)算。 目前，計(jì)算機(jī)中通常采用二進(jìn)制數(shù)。這是因

18、為二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算目前，計(jì)算機(jī)中通常采用二進(jìn)制數(shù)。這是因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)律非常簡(jiǎn)單規(guī)律非常簡(jiǎn)單, ,在電子線路中比較容易實(shí)現(xiàn)。在電子線路中比較容易實(shí)現(xiàn)。 在運(yùn)算中在運(yùn)算中, ,當(dāng)數(shù)的位數(shù)越多時(shí)當(dāng)數(shù)的位數(shù)越多時(shí), ,計(jì)算的精度就越高計(jì)算的精度就越高, ,但是位數(shù)越多但是位數(shù)越多, ,所需的電子器件也越多。目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器長(zhǎng)度一般是所需的電子器件也越多。目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器長(zhǎng)度一般是8 8位、位、1616位、位、3232位或位或6464位。位。2. 2. 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的功能存儲(chǔ)器的功能: 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)碼化后數(shù)碼化后的程序的程序。存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元: : 在存儲(chǔ)器中保存一個(gè)在存儲(chǔ)器中保

19、存一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)的位二進(jìn)制數(shù)的n個(gè)觸發(fā)器個(gè)觸發(fā)器, ,組成一個(gè)組成一個(gè) 存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)單元。地址地址: : 存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成, ,每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào), ,稱為地址。稱為地址。存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量: : 存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)。通常用單位存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB、GB”等表示等表示, ,如如6464KB,128,128KB,4,4MB等。存儲(chǔ)容量越大等。存儲(chǔ)容量越大, ,表示計(jì)算機(jī)記憶儲(chǔ)存的表示計(jì)算機(jī)記憶儲(chǔ)存的信息就越多。信息就越多。內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器（主存）：（主存）：存放直接為存放直接為CPU提供服務(wù)的數(shù)據(jù)與程序的存

20、儲(chǔ)器。提供服務(wù)的數(shù)據(jù)與程序的存儲(chǔ)器。目前主要采用半導(dǎo)體型內(nèi)存儲(chǔ)器芯片。其特點(diǎn)為：工作速度較快，但是目前主要采用半導(dǎo)體型內(nèi)存儲(chǔ)器芯片。其特點(diǎn)為：工作速度較快，但是其存儲(chǔ)容量比外存小，。其存儲(chǔ)容量比外存小，。外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器( (輔存）輔存）: : 為計(jì)算機(jī)配備的存儲(chǔ)容量很大的輔助存儲(chǔ)器，如：為計(jì)算機(jī)配備的存儲(chǔ)容量很大的輔助存儲(chǔ)器，如：磁盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等，其主要特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，價(jià)格便宜，但磁盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等，其主要特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，價(jià)格便宜，但是工作速度較慢。是工作速度較慢。3. 3. 控制器控制器控制器是計(jì)算機(jī)中發(fā)號(hào)施令的部件控制器是計(jì)算機(jī)中發(fā)號(hào)施令的部件, ,它控制計(jì)算機(jī)的各部件

21、有條不紊它控制計(jì)算機(jī)的各部件有條不紊地進(jìn)行工作。其任務(wù)是對(duì)從內(nèi)存中取出的指令逐條加以分析地進(jìn)行工作。其任務(wù)是對(duì)從內(nèi)存中取出的指令逐條加以分析, ,然后依次向然后依次向有關(guān)部件發(fā)出相關(guān)操作命令。有關(guān)部件發(fā)出相關(guān)操作命令。 控制器的基本任務(wù)控制器的基本任務(wù) 計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算時(shí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算時(shí), ,指令必須是按一定的順序一條接一條地進(jìn)行?？刂噶畋仨毷前匆欢ǖ捻樞蛞粭l接一條地進(jìn)行?？刂破鞯幕救蝿?wù)制器的基本任務(wù), ,就是按照計(jì)算程序所排的指令序列就是按照計(jì)算程序所排的指令序列, ,先從存儲(chǔ)器取出一條先從存儲(chǔ)器取出一條指令，送到控制器中指令，送到控制器中, ,由控制器產(chǎn)生命令由控制器產(chǎn)生命令, ,控制進(jìn)行

22、相應(yīng)的操作，執(zhí)行這條控制進(jìn)行相應(yīng)的操作，執(zhí)行這條指令。接著從存儲(chǔ)器取出第二條指令指令。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。再執(zhí)行這第二條指令，依次類推。 通常把取指令的這段時(shí)間叫做通常把取指令的這段時(shí)間叫做取指周期取指周期, ,而把執(zhí)行指令的這段時(shí)間叫做而把執(zhí)行指令的這段時(shí)間叫做執(zhí)行周期執(zhí)行周期，而這兩個(gè)周期之和，稱為該指令的而這兩個(gè)周期之和，稱為該指令的指令周期指令周期。 若干名詞與基本概念若干名詞與基本概念 （1 1） 計(jì)算程序計(jì)算程序計(jì)算機(jī)求解任何問題，都是化成一步一步簡(jiǎn)單的加、減、乘、除等算計(jì)算機(jī)求解任何問題，都是化成一步一步簡(jiǎn)單的加、減、乘、除等算術(shù)或邏輯基

23、本操作來做。每一步基本操作就用一條術(shù)或邏輯基本操作來做。每一步基本操作就用一條指令指令來控制實(shí)現(xiàn)來控制實(shí)現(xiàn), ,而解而解算某一問題的一串指令序列算某一問題的一串指令序列, ,叫做該問題的計(jì)算程序叫做該問題的計(jì)算程序, ,簡(jiǎn)稱為簡(jiǎn)稱為程序程序。（2 2） 指令的形式指令的形式 每條指令必須明確告訴控制器每條指令必須明確告訴控制器, ,從存儲(chǔ)器的那個(gè)單元取數(shù)從存儲(chǔ)器的那個(gè)單元取數(shù), ,并進(jìn)行何種并進(jìn)行何種操作。所以，指令的內(nèi)容由兩部分組成操作。所以，指令的內(nèi)容由兩部分組成, ,即即操作碼操作碼地址碼地址碼。前者確定操前者確定操作的性質(zhì)，后者則指定操作前如何取操作數(shù)、或操作后結(jié)果存到哪里。作的性質(zhì)，

24、后者則指定操作前如何取操作數(shù)、或操作后結(jié)果存到哪里。 操作碼功能：操作碼功能： 指出指令所進(jìn)行的操作指出指令所進(jìn)行的操作, ,如加、減、乘、除、移位、取數(shù)、存數(shù)等等如加、減、乘、除、移位、取數(shù)、存數(shù)等等; ;地址碼功能：地址碼功能： 表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)應(yīng)從存儲(chǔ)器的哪個(gè)單元取表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)應(yīng)從存儲(chǔ)器的哪個(gè)單元取, ,運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個(gè)單元。運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個(gè)單元。 （3）控制器的工作特征）控制器的工作特征 按照規(guī)定的指令序列按照規(guī)定的指令序列, , 從存儲(chǔ)器依次取出各指令和數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器依次取出各指令和數(shù)據(jù), , 并控制各并控制各相關(guān)部件加以執(zhí)行。相關(guān)部件加以執(zhí)行。馮馮. .諾伊曼型計(jì)算機(jī)

25、諾伊曼型計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)總是根據(jù)事先編制好并放在存儲(chǔ)器中的計(jì)算計(jì)算機(jī)總是根據(jù)事先編制好并放在存儲(chǔ)器中的計(jì)算程序（即：存儲(chǔ)程序），依次執(zhí)行該程序指令，進(jìn)而完成所對(duì)應(yīng)的任程序（即：存儲(chǔ)程序），依次執(zhí)行該程序指令，進(jìn)而完成所對(duì)應(yīng)的任務(wù)。所以說：務(wù)。所以說：“存儲(chǔ)程序控制存儲(chǔ)程序控制”-馮馮. .諾伊曼型計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)。諾伊曼型計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)。(4) (4) 指令字和數(shù)據(jù)字指令字和數(shù)據(jù)字 由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部只使用由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部只使用0和和1兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字,所以使用所以使用“位位”(bit)作作為數(shù)字計(jì)算機(jī)的最小信息單位。為數(shù)字計(jì)算機(jī)的最小信息單位。CPU向存儲(chǔ)器送入或從存儲(chǔ)器取出信向存儲(chǔ)器

26、送入或從存儲(chǔ)器取出信息時(shí)，用息時(shí)，用B(字節(jié)字節(jié))和和W(字字)等基本信息單位來計(jì)算。等基本信息單位來計(jì)算。 一個(gè)一個(gè)“字節(jié)字節(jié)”由由8位二進(jìn)制代碼組成，而一個(gè)位二進(jìn)制代碼組成，而一個(gè)“字字”一般由一個(gè)以一般由一個(gè)以上的字節(jié)組成。通常把組成一個(gè)字的二進(jìn)制位數(shù)叫做上的字節(jié)組成。通常把組成一個(gè)字的二進(jìn)制位數(shù)叫做字長(zhǎng)字長(zhǎng)。 計(jì)算機(jī)字既可以代表指令計(jì)算機(jī)字既可以代表指令, ,也可以代表數(shù)據(jù)。也可以代表數(shù)據(jù)。 代表數(shù)據(jù)的稱為代表數(shù)據(jù)的稱為數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)據(jù)字；表示指令的稱為；表示指令的稱為指令字指令字。 指令流與數(shù)據(jù)流指令流與數(shù)據(jù)流 所有所有指令指令和和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)都是二進(jìn)制數(shù)碼形式放在內(nèi)存中。那么，都是二進(jìn)制數(shù)碼

27、形式放在內(nèi)存中。那么，計(jì)算機(jī)如何來加以區(qū)分呢？計(jì)算機(jī)如何來加以區(qū)分呢？ 一般來講：一般來講： 1 1、時(shí)間上時(shí)間上：在：在取指周期中，取指周期中，CPU從內(nèi)存讀出的信息一定是從內(nèi)存讀出的信息一定是指令指令；而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出或?qū)懭氲男畔⒁欢ㄊ?；而?zhí)行周期中從內(nèi)存讀出或?qū)懭氲男畔⒁欢ㄊ菙?shù)據(jù)數(shù)據(jù)。 2 2、空間上空間上：指令指令一定流向控制器；而一定流向控制器；而數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)則是在內(nèi)存（或寄則是在內(nèi)存（或寄存器）與運(yùn)算器之間流動(dòng)。存器）與運(yùn)算器之間流動(dòng)。 當(dāng)一個(gè)取指周期內(nèi)同時(shí)取出多條指令時(shí)，即內(nèi)存向控制當(dāng)一個(gè)取指周期內(nèi)同時(shí)取出多條指令時(shí)，即內(nèi)存向控制器送出器送出“指令流指令流”；當(dāng)在一個(gè)執(zhí)行周期內(nèi)

28、同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)；當(dāng)在一個(gè)執(zhí)行周期內(nèi)同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，則形成所謂的時(shí)，則形成所謂的“數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流”。這種概念常出現(xiàn)在流水線結(jié)。這種概念常出現(xiàn)在流水線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的分析與討論中構(gòu)計(jì)算機(jī)的分析與討論中。適配器與輸入設(shè)備4. 4. 輸入輸出（輸入輸出（I/OI/O）設(shè)備與適配器）設(shè)備與適配器輸入設(shè)備輸入設(shè)備的作用是把人們所熟悉的某種形式的信息變換為的作用是把人們所熟悉的某種形式的信息變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式。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)備輸出設(shè)備的作用是把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其它機(jī)器的作用是把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其它機(jī)器所能接收和識(shí)別的信息形式。所

29、能接收和識(shí)別的信息形式。 I/O I/O 設(shè)備設(shè)備通常統(tǒng)稱為通常統(tǒng)稱為外圍設(shè)備外圍設(shè)備。 由于種類繁多且速度各異由于種類繁多且速度各異, ,因而因而I/OI/O設(shè)備一般不能直接地同設(shè)備一般不能直接地同高速工作的主機(jī)相連接高速工作的主機(jī)相連接, ,而是通過而是通過適配器適配器部件與主機(jī)相連接。部件與主機(jī)相連接。適配器的作用相當(dāng)與一個(gè)轉(zhuǎn)換器適配器的作用相當(dāng)與一個(gè)轉(zhuǎn)換器, ,它可以保證外圍設(shè)備用計(jì)算它可以保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)所要求的形式發(fā)送或接受信息。機(jī)所要求的形式發(fā)送或接受信息。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還必須有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還必須有總線總線。系統(tǒng)總線構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的。系統(tǒng)總線構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信息鏈接信息鏈接,

30、 ,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。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。 借助于系統(tǒng)總線借助于系統(tǒng)總線, ,計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間可以實(shí)現(xiàn)地址、計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間可以實(shí)現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的傳送操作。數(shù)據(jù)和控制信息的傳送操作。 二、計(jì)算機(jī)硬件框圖二、計(jì)算機(jī)硬件框圖1. 以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖程序程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果計(jì)算計(jì)算ALU主存主存輔存輔存CPU主機(jī)主機(jī)I/O設(shè)備設(shè)備硬件硬件CU2. .現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件框圖現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器輸

31、出設(shè)備輸出設(shè)備控制器控制器ALUCPU主機(jī)主機(jī)I/O設(shè)備設(shè)備CU主主存存1. .上機(jī)前的準(zhǔn)備上機(jī)前的準(zhǔn)備 建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型 - -+ +- -+ +- -= =!x9!x7!x5!x3xx9753sin 編制解題程序編制解題程序 確定計(jì)算方法確定計(jì)算方法程序程序 運(yùn)算的運(yùn)算的 全部步驟全部步驟0, 1, 2,)( )(21nyn xynx= =+ += =指令指令 每每 一個(gè)步驟一個(gè)步驟三、計(jì)算機(jī)的工作步驟三、計(jì)算機(jī)的工作步驟取取x 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中乘以乘以a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中存存ax2 在存儲(chǔ)器中在存儲(chǔ)器中取取b 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以x

32、 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加ax2 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中= ( (ax + b) )x + c 取取x 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加b 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中乘以乘以x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中計(jì)算計(jì)算 ax2 + bx + c編程舉例編程舉例000001 0000001000打印打印 停機(jī)停機(jī)取數(shù)取數(shù) ACC存數(shù)存數(shù) ACC 加加 ACC+ ACC乘乘 ACC ACC指令格式舉例指令格式舉例操作碼操作碼地址碼地址碼 打印機(jī)打印機(jī)指令和數(shù)據(jù)存于指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址主存單元的地址 指令指令 注釋注釋操作碼操作碼

33、地址碼地址碼 00000010000001000取數(shù)取數(shù)x至至ACC 10001000000001001乘乘a得得ax ,存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b ,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011加加c得得ax2 + bx + c ,存于存于ACC 50000100000001100將將ax2 + bx +c ,存于主存單元存于主存單元 60001010000001100打印打印 7000110停機(jī)停機(jī) 8 x原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)x 9 a原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)a 1

34、0 b原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)b 11 c原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)c 12存放結(jié)果存放結(jié)果計(jì)算計(jì)算 ax2 + bx + c 程序清單程序清單存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體大樓大樓存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存放一串二進(jìn)制代碼存放一串二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)字存儲(chǔ)字 存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)按地址尋訪按地址尋訪 存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存儲(chǔ)元件存儲(chǔ)元件（0/1） 房間房間 床位床位（無人（無人/ / 有人）有人）( (1) )存儲(chǔ)器的基本組成存儲(chǔ)器的基本組成MDR主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體MAR2. .

35、計(jì)算機(jī)的解題過程計(jì)算機(jī)的解題過程MARMDR 存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù) 16存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 8 設(shè)設(shè) MAR = = 4 位位 MDR = = 8 位位存儲(chǔ)器地址寄存器存儲(chǔ)器地址寄存器反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)( (1) )存儲(chǔ)器的基本組成存儲(chǔ)器的基本組成MDR主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體MAR ACC MQ X(2)運(yùn)算器的基本組成及操作過程運(yùn)算器的基本組成及操作過程運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUX被加數(shù)被加數(shù)被減數(shù)被減數(shù)被除數(shù)被除數(shù)乘數(shù)乘數(shù)商商加數(shù)加數(shù)減數(shù)減數(shù)被乘數(shù)被乘數(shù)除數(shù)除數(shù)加法加法減法減法乘法乘法除法除法和和差差余數(shù)余數(shù)乘積高位乘積高位乘積低位乘積低位運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXACC 被加數(shù)被加數(shù)ACC初態(tài)初態(tài) 加法操作過程加法操作過程 ACC+X ALU M XXACCACC指令指令 加加M 減法操作過程減法操作過程運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUX指令指令 減減MACC 被減數(shù)被減數(shù)ACC初態(tài)初態(tài) M XX ACC-X ALUACCACC運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXACC