微型計算機基礎(chǔ)1

1、計算機組成原理計算機組成原理畢琳畢琳第第章章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論第第章章 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線第第章章 存儲器存儲器第第章章 輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)第第章章 計算機的運算方法計算機的運算方法第第章章 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)計控制單元的設(shè)計第第章章 計算機的發(fā)展及應(yīng)用計算機的發(fā)展及應(yīng)用第第章章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論1.1 計算機系統(tǒng)簡介計算機系統(tǒng)簡介1.4 本書結(jié)構(gòu)本書結(jié)構(gòu)1.3 計算機硬件的主要技術(shù)指標計算機硬件的主要技術(shù)指標1.2 計算機的基本組成計算機的基本組成1.1 計算機

2、系統(tǒng)簡介計算機系統(tǒng)簡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. 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機的實體，計算機的實體，如主機、外設(shè)等如主機、外設(shè)等一、一、 計算機的軟硬件概念計算機的軟硬件概念硬件硬件軟件軟件 通過一個例子來建立對計算機的主通過一個例子來建立對計算機的主要組成和工作原理的感性認識。要組成和工作原理的感性認識。 假設(shè)給一個算盤、一張帶有橫格的假設(shè)給一個算盤、一張帶有橫格的紙和一支筆，要求我們計算紙和一支筆，要求我們計算y=ax+b-c這樣一個題目。這樣一個題目。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運算器：算盤運算器：算盤n存儲器：紙存儲器：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：紙用戶利用計算機來解決某些問題所編制的程用戶利用計算機來解決某些問題所編制的程序序,如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動如工程設(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、控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學計算程序等等。隨著計算機的廣泛應(yīng)用科學計算程序等等。隨著計算機的廣泛應(yīng)用,這類程序的種類越來越多。這類程序的種類越來越多。用來管理整個計算機系統(tǒng)，簡化程序設(shè)計用來管理整個計算機系統(tǒng)，簡化程序設(shè)計,簡化使用方法簡化使用方法,提高

4、計算機的使用效率提高計算機的使用效率,發(fā)揮發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途的軟件。和擴大計算機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、排錯程序、練習程序等；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 直接用機器語言編寫程序直接用機器語言編寫程序,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表示的指令來編寫程序然后再用這

5、些特殊符號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。源程序源程序為了進一步實現(xiàn)程序自動化和便于程序交流為了進一步實現(xiàn)程序自動化和便于程序交流,使不熟悉具體計算機的人使不熟悉具體計算機的人也能很方便地使用計算機也能很方便地使用計算機,人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學語言的人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學語言的算法語算法語言言。 算法語言算法語言是指按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符是指按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學語言號構(gòu)成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學語言,直觀通用直觀通用,與具體機器無關(guān)與具體機器無關(guān),只要只要稍加學習就能掌握稍加

6、學習就能掌握,便于推廣使用計算機。便于推廣使用計算機。 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器直，這種源程序是不能由機器直接識別和執(zhí)行的，必須給計算機配備一個即懂算法語言又懂機器語言接識別和執(zhí)行的，必須給計算機配備一個即懂算法語言又懂機器語言的的“翻譯翻譯”，才能把源程序翻譯為機器語言：，才能把源程序翻譯為機器語言： （1） 計算機配置一套用機器語言寫的計算機配置一套用機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，然后機器執(zhí)行目的程序目的程序，然后機器執(zhí)行目的程序,得出計算結(jié)果。但由于目的程序得出計算結(jié)果。但由于目的程序

7、一般不能獨立運行，還需要一種叫做一般不能獨立運行，還需要一種叫做運行系統(tǒng)運行系統(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+運行系統(tǒng)運行系統(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)進行解釋執(zhí)行，特點是對源程序進行解釋執(zhí)行，特點是對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，進而逐步得出計算結(jié)果。接邊解釋、邊執(zhí)行語句，進而逐步得出計算結(jié)果。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)實質(zhì)上是一種計算機操作系統(tǒng)實質(zhì)上是一種計算機資源管理

8、軟件資源管理軟件，用來管理計算機資用來管理計算機資源源( (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) )和自動調(diào)度和自動調(diào)度用戶的作業(yè)程序用戶的作業(yè)程序, ,而使多個用戶而使多個用戶或多個任務(wù)或多個任務(wù)能有效地共用一套計算機系能有效地共用一套計算機系統(tǒng)統(tǒng)，充分發(fā)揮計算機資源的效率。，充分發(fā)揮計算機資源的效率。 無操作系統(tǒng)的機器通常被稱作無操作系統(tǒng)的機器通常被稱作“裸機裸機”。 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)、分時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作分時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng) 等多種。等多種。

9、 計算機計算機高級語高級語言程序言程序目標目標程序程序結(jié)果結(jié)果翻譯翻譯運行運行2. 計算機的解題過程計算機的解題過程實際機器實際機器 M1機器語言程序機器語言程序用機器語言解釋操作系統(tǒng)用機器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機器指令用微指令解釋機器指令由硬件直接執(zhí)行微指令由硬件直接執(zhí)行微指令虛擬機器虛擬機器 M2實際機器實際機器 M1微程序機器微程序機器 M0二、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級語言高級語言虛擬機器虛擬機器 M3匯編語言匯編語言虛擬機器虛擬機器 M2操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)虛擬機器虛擬機器機器語言機器語言實際機器實際機器 M1微指令系統(tǒng)微指令系統(tǒng)微程序機器微程序機器 M01.

10、 1. 微程序設(shè)計級微程序設(shè)計級 M0M0 這是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執(zhí)行微命令。如果某一個這是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執(zhí)行微命令。如果某一個應(yīng)用程序直接用微命令來編寫，那么可在這一級上運行該應(yīng)用程序。應(yīng)用程序直接用微命令來編寫，那么可在這一級上運行該應(yīng)用程序。2. 2. 機器級機器級 M1M1也稱為機器語言級，由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。這一級也是硬件級。也稱為機器語言級，由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。這一級也是硬件級。3. 3. 操作系統(tǒng)級操作系統(tǒng)級 M2M2由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機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，所以這一級也稱為軟硬件混合級。件混合級。4. 4. 匯編語言級匯編語言級 M3M3 給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級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，則機器一級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，則機器必須要有這一級的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級必須要有這一級的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要?？梢圆灰?5. 5. 高級語言級

12、高級語言級 M4M4 面向用戶，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級由各種高級面向用戶，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級由各種高級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器語言程序成機器語言程序用機器語言解釋操作系統(tǒng)用機器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機器指令用微指令解釋機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器虛擬機器 M4虛擬機器虛擬機器 M3虛擬機器虛擬機器 M2實際機器實際機器 M1微程序機器微程序機器 M0軟件與硬件的邏輯等價性軟件與硬件的邏輯等價性

13、軟件的特點軟件的特點 易于實現(xiàn)各種邏輯和運算功能，但是常受到速度指標和軟件容易于實現(xiàn)各種邏輯和運算功能，但是常受到速度指標和軟件容 量的制約；量的制約；硬件的特點硬件的特點 可以高速實現(xiàn)邏輯和運算功能，但是難以實現(xiàn)復(fù)雜功能或計算，可以高速實現(xiàn)邏輯和運算功能，但是難以實現(xiàn)復(fù)雜功能或計算， 受到控制復(fù)雜性指標的制約。受到控制復(fù)雜性指標的制約。 隨著大規(guī)模集成電路和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，實體硬件機的功能范隨著大規(guī)模集成電路和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，實體硬件機的功能范圍不斷在擴大。各類容量大、價格低、體積小、可以改寫的圍不斷在擴大。各類容量大、價格低、體積小、可以改寫的只讀存儲器只讀存儲器提提供了軟件固

14、化的良好物質(zhì)手段。現(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。進一步的發(fā)展，就是設(shè)計所謂解釋執(zhí)行。進一步的發(fā)展，就是設(shè)計所謂面向高級語言的計算機面向高級語言的計算機。這樣的。這樣的 計算機，可以通過硬件直接解釋執(zhí)行高級語言的語句而不需要先經(jīng)過編譯計算機，可以通過硬件直接解釋執(zhí)行高級

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”。 程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性程序員所見到的計算機系統(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)與功能特性計算機計算機體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)計算機計算機組成組成實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性實現(xiàn)計算機體系結(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現(xiàn)乘法指令如何實現(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機理）機理）（具體指令的實現(xiàn)）（具體指令的實現(xiàn)）三、三、計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成

16、1.2 計算機的基本組成計算機的基本組成1. 計算機由五大部件組成計算機由五大部件組成3. 指令和數(shù)據(jù)用二進制表示指令和數(shù)據(jù)用二進制表示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. 以運算器為中心以運算器為中心2. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器，指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器， 可按地址尋訪可按地址尋訪5. 存儲程序存儲程序一、馮馮諾依曼計算機的特點諾依曼計算機的特點5. 存儲程序存儲程序馮馮諾依曼計算機硬件框圖諾依曼計算機硬件框圖存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運算器運算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備算術(shù)運算算術(shù)運算邏輯運算邏輯運算存放數(shù)據(jù)存放數(shù)據(jù)和程序和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機將信息

17、轉(zhuǎn)換成機器能識別的形式器能識別的形式將結(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行運行馮馮諾依曼計算機硬件框圖諾依曼計算機硬件框圖存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運算器運算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備運算器運算器+ +存儲器存儲器+ +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各硬件部分的主要功能與特點： 1. 1. 運算器運算器運算器又稱算術(shù)邏輯運算單元運算器又稱算術(shù)邏輯運算單元（ALU），能進行加、減、乘、除，能進行加、減、乘、除等算術(shù)運算等算術(shù)運算, ,還可進行邏輯運算。還可進行邏輯運算。 目前，計算機中通常采用二進制數(shù)。這是因

18、為二進制數(shù)的運算目前，計算機中通常采用二進制數(shù)。這是因為二進制數(shù)的運算規(guī)律非常簡單規(guī)律非常簡單, ,在電子線路中比較容易實現(xiàn)。在電子線路中比較容易實現(xiàn)。 在運算中在運算中, ,當數(shù)的位數(shù)越多時當數(shù)的位數(shù)越多時, ,計算的精度就越高計算的精度就越高, ,但是位數(shù)越多但是位數(shù)越多, ,所需的電子器件也越多。目前計算機的運算器長度一般是所需的電子器件也越多。目前計算機的運算器長度一般是8 8位、位、1616位、位、3232位或位或6464位。位。2. 2. 存儲器存儲器存儲器的功能存儲器的功能: 存儲數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)和數(shù)碼化后數(shù)碼化后的程序的程序。存儲單元存儲單元: : 在存儲器中保存一個在存儲器中保

19、存一個n位二進制數(shù)的位二進制數(shù)的n個觸發(fā)器個觸發(fā)器, ,組成一個組成一個 存儲單元。存儲單元。地址地址: : 存儲器是由許多存儲單元組成存儲器是由許多存儲單元組成, ,每個存儲單元的編號每個存儲單元的編號, ,稱為地址。稱為地址。存儲容量存儲容量: : 存儲器所有存儲單元的總數(shù)。通常用單位存儲器所有存儲單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB、GB”等表示等表示, ,如如6464KB,128,128KB,4,4MB等。存儲容量越大等。存儲容量越大, ,表示計算機記憶儲存的表示計算機記憶儲存的信息就越多。信息就越多。內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器（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、儲器。提供服務(wù)的數(shù)據(jù)與程序的存儲器。目前主要采用半導(dǎo)體型內(nèi)存儲器芯片。其特點為：工作速度較快，但是目前主要采用半導(dǎo)體型內(nèi)存儲器芯片。其特點為：工作速度較快，但是其存儲容量比外存小，。其存儲容量比外存小，。外存儲器外存儲器( (輔存）輔存）: : 為計算機配備的存儲容量很大的輔助存儲器，如：為計算機配備的存儲容量很大的輔助存儲器，如：磁盤存儲器、光盤存儲器等，其主要特點是存儲容量大，價格便宜，但磁盤存儲器、光盤存儲器等，其主要特點是存儲容量大，價格便宜，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算機中發(fā)號施令的部件控制器是計算機中發(fā)號施令的部件, ,它控制計算機的各部件

21、有條不紊它控制計算機的各部件有條不紊地進行工作。其任務(wù)是對從內(nèi)存中取出的指令逐條加以分析地進行工作。其任務(wù)是對從內(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) 計算機進行計算時計算機進行計算時, ,指令必須是按一定的順序一條接一條地進行?？刂噶畋仨毷前匆欢ǖ捻樞蛞粭l接一條地進行?？刂破鞯幕救蝿?wù)制器的基本任務(wù), ,就是按照計算程序所排的指令序列就是按照計算程序所排的指令序列, ,先從存儲器取出一條先從存儲器取出一條指令，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, ,控制進行

22、相應(yīng)的操作，執(zhí)行這條控制進行相應(yīng)的操作，執(zhí)行這條指令。接著從存儲器取出第二條指令指令。接著從存儲器取出第二條指令, ,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間叫做通常把取指令的這段時間叫做取指周期取指周期, ,而把執(zhí)行指令的這段時間叫做而把執(zhí)行指令的這段時間叫做執(zhí)行周期執(zhí)行周期，而這兩個周期之和，稱為該指令的而這兩個周期之和，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） 計算程序計算程序計算機求解任何問題，都是化成一步一步簡單的加、減、乘、除等算計算機求解任何問題，都是化成一步一步簡單的加、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現(xiàn)來控制實現(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, ,叫做該問題的計算程序叫做該問題的計算程序, ,簡稱為簡稱為程序程序。（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, ,從存儲器的那個單元取數(shù)從存儲器的那個單元取數(shù), ,并進行何種并進行何種操作。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： 指出指令所進行的操作指出指令所進行的操作, ,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： 表示參加運算的數(shù)據(jù)應(yīng)從存儲器的哪個單元取表示參加運算的數(shù)據(jù)應(yīng)從存儲器的哪個單元取, ,運算的結(jié)果應(yīng)存到哪個單元。運算的結(jié)果應(yīng)存到哪個單元。 （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, , 從存儲器依次取出各指令和數(shù)據(jù)從存儲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. .諾伊曼型計算機

25、諾伊曼型計算機：計算機總是根據(jù)事先編制好并放在存儲器中的計算計算機總是根據(jù)事先編制好并放在存儲器中的計算程序（即：存儲程序），依次執(zhí)行該程序指令，進而完成所對應(yīng)的任程序（即：存儲程序），依次執(zhí)行該程序指令，進而完成所對應(yīng)的任務(wù)。所以說：務(wù)。所以說：“存儲程序控制存儲程序控制”-馮馮. .諾伊曼型計算機的主要特點。諾伊曼型計算機的主要特點。(4) (4) 指令字和數(shù)據(jù)字指令字和數(shù)據(jù)字 由于計算機內(nèi)部只使用由于計算機內(nèi)部只使用0和和1兩個二進制數(shù)字兩個二進制數(shù)字,所以使用所以使用“位位”(bit)作作為數(shù)字計算機的最小信息單位。為數(shù)字計算機的最小信息單位。CPU向存儲器送入或從存儲器取出信向存儲器

26、送入或從存儲器取出信息時，用息時，用B(字節(jié)字節(jié))和和W(字字)等基本信息單位來計算。等基本信息單位來計算。 一個一個“字節(jié)字節(jié)”由由8位二進制代碼組成，而一個位二進制代碼組成，而一個“字字”一般由一個以一般由一個以上的字節(jié)組成。通常把組成一個字的二進制位數(shù)叫做上的字節(jié)組成。通常把組成一個字的二進制位數(shù)叫做字長字長。 計算機字既可以代表指令計算機字既可以代表指令, ,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)字數(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)都是二進制數(shù)碼形式放在內(nèi)存中。那么，都是二進制數(shù)碼

27、形式放在內(nèi)存中。那么，計算機如何來加以區(qū)分呢？計算機如何來加以區(qū)分呢？ 一般來講：一般來講： 1 1、時間上時間上：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）與運算器之間流動。存器）與運算器之間流動。 當一個取指周期內(nèi)同時取出多條指令時，即內(nèi)存向控制當一個取指周期內(nèi)同時取出多條指令時，即內(nèi)存向控制器送出器送出“指令流指令流”；當在一個執(zhí)行周期內(nèi)

28、同時處理多個數(shù)據(jù)；當在一個執(zhí)行周期內(nèi)同時處理多個數(shù)據(jù)時，則形成所謂的時，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)計算機的分析與討論中構(gòu)計算機的分析與討論中。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器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式。機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式。 輸出設(shè)備輸出設(shè)備的作用是把計算機處理的結(jié)果變換為人或其它機器的作用是把計算機處理的結(jié)果變換為人或其它機器所能接收和識別的信息形式。所

29、能接收和識別的信息形式。 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相連接高速工作的主機相連接, ,而是通過而是通過適配器適配器部件與主機相連接。部件與主機相連接。適配器的作用相當與一個轉(zhuǎn)換器適配器的作用相當與一個轉(zhuǎn)換器, ,它可以保證外圍設(shè)備用計算它可以保證外圍設(shè)備用計算機所要求的形式發(fā)送或接受信息。機所要求的形式發(fā)送或接受信息。 計算機系統(tǒng)中還必須有計算機系統(tǒng)中還必須有總線總線。系統(tǒng)總線構(gòu)成計算機系統(tǒng)的。系統(tǒng)總線構(gòu)成計算機系統(tǒng)的信息鏈接信息鏈接,

30、 ,是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。是多個系統(tǒng)部件之間進行數(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, ,計算機在各系統(tǒng)部件之間可以實現(xiàn)地址、計算機在各系統(tǒng)部件之間可以實現(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、計算機硬件框圖二、計算機硬件框圖1. 以存儲器為中心的計算機硬件框圖以存儲器為中心的計算機硬件框圖程序程序存儲器存儲器輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備運算器運算器控制器控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果計算計算ALU主存主存輔存輔存CPU主機主機I/O設(shè)備設(shè)備硬件硬件CU2. .現(xiàn)代計算機硬件框圖現(xiàn)代計算機硬件框圖存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運算器運算器輸

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

32、 在運算器中在運算器中加加ax2 在運算器中在運算器中加加c 在運算器中在運算器中= ( (ax + b) )x + c 取取x 至運算器中至運算器中乘以乘以a 在運算器中在運算器中加加b 在運算器中在運算器中乘以乘以x 在運算器中在運算器中加加c 在運算器中在運算器中計算計算 ax2 + bx + c編程舉例編程舉例000001 0000001000打印打印 停機停機取數(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 打印機打印機指令和數(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停機停機 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)果計算計算 ax2 + bx + c 程序清單程序清單存儲體存儲體大樓大樓存儲單元存儲單元 存放一串二進制代碼存放一串二進制代碼存儲字存儲字 存儲單元中二進制代碼的組合存儲單元中二進制代碼的組合存儲字長存儲字長 存儲單元中二進制代碼的位數(shù)存儲單元中二進制代碼的位數(shù)每個存儲單元賦予一個地址號每個存儲單元賦予一個地址號按地址尋訪按地址尋訪 存儲單元存儲單元 存儲元件存儲元件（0/1） 房間房間 床位床位（無人（無人/ / 有人）有人）( (1) )存儲器的基本組成存儲器的基本組成MDR主存儲器主存儲器存儲體存儲體MAR2. .

35、計算機的解題過程計算機的解題過程MARMDR 存儲單元個數(shù)存儲單元個數(shù) 16存儲字長存儲字長 8 設(shè)設(shè) MAR = = 4 位位 MDR = = 8 位位存儲器地址寄存器存儲器地址寄存器反映存儲單元的個數(shù)反映存儲單元的個數(shù)存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲字長反映存儲字長( (1) )存儲器的基本組成存儲器的基本組成MDR主存儲器主存儲器存儲體存儲體MAR ACC MQ X(2)運算器的基本組成及操作過程運算器的基本組成及操作過程運算器運算器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算器運算器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算器運算器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運算器運算器MQACCALUXACC