第1章 計算機系統(tǒng)概論

1、第第1章章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論2022年5月3日星期二2目錄目錄1.0 預(yù)備知識預(yù)備知識1.1 計算機的分類計算機的分類1.2 計算機的發(fā)展簡史計算機的發(fā)展簡史1.3 計算機的硬件計算機的硬件1.4 計算機的軟件計算機的軟件1.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2022年5月3日星期二31.0 預(yù)備知識預(yù)備知識l問題問題1：一臺計算機一般有哪幾部分組成？：一臺計算機一般有哪幾部分組成？顯示器、鍵盤、鼠標、音箱、主機箱等；顯示器、鍵盤、鼠標、音箱、主機箱等；主機箱中有：主機箱中有：主板主板、CPU、光驅(qū)、硬盤、內(nèi)存、顯卡、聲卡等；、光驅(qū)、硬盤、內(nèi)存、顯卡、聲卡等； l問題問題

2、2：如何對以上設(shè)備分類？：如何對以上設(shè)備分類？輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備中央處理設(shè)備中央處理設(shè)備存儲設(shè)備存儲設(shè)備接口轉(zhuǎn)換卡接口轉(zhuǎn)換卡部件連接線部件連接線l問題問題3：有了以上設(shè)備，計算機是否能發(fā)揮其功效？：有了以上設(shè)備，計算機是否能發(fā)揮其功效？一個完整的計算機系統(tǒng)應(yīng)包括一個完整的計算機系統(tǒng)應(yīng)包括硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)和和軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)兩部分。兩部分。顯示器，鍵盤，鼠標，音箱顯示器，鍵盤，鼠標，音箱CPU（集處理和控制于一身）（集處理和控制于一身）光驅(qū)、硬盤、內(nèi)存光驅(qū)、硬盤、內(nèi)存顯卡、聲卡顯卡、聲卡主板上的印制總線、部件連接總線主板上的印制總線、部件連接總線2022年5月3日星期二42022年5月3日

3、星期二52022年5月3日星期二62022年5月3日星期二72022年5月3日星期二8DDR內(nèi)存條內(nèi)存條SDRAM內(nèi)存條內(nèi)存條2022年5月3日星期二9硬盤硬盤2022年5月3日星期二10硬盤數(shù)據(jù)線硬盤數(shù)據(jù)線2022年5月3日星期二11DVD光驅(qū)光驅(qū)2022年5月3日星期二12機內(nèi)電源插頭機內(nèi)電源插頭2022年5月3日星期二132022年5月3日星期二141.1 計算機的分類計算機的分類數(shù)字計算機數(shù)字計算機模擬計算機模擬計算機專用計算機專用計算機通用計算機通用計算機處理數(shù)字量信息處理數(shù)字量信息按位運算，按位運算，不連續(xù)地跳動計算不連續(xù)地跳動計算處理模擬量信息處理模擬量信息數(shù)值連續(xù)、運算過程連續(xù)

4、數(shù)值連續(xù)、運算過程連續(xù)是針對某一任務(wù)設(shè)計的最有效、是針對某一任務(wù)設(shè)計的最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但最經(jīng)濟和最快速的計算機，但適應(yīng)性很差。適應(yīng)性很差。適應(yīng)性很大，但適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。速度和經(jīng)濟性。單片機單片機微型機微型機中型機中型機大型機大型機超級計算機超級計算機低低高高體積體積功能功能數(shù)據(jù)存儲量數(shù)據(jù)存儲量指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)價格價格低低高高簡簡易易性性分分類類如如P2 P2 圖圖1.11.1小型機小型機2022年5月3日星期二151.2 計算機的發(fā)展簡史計算機的發(fā)展簡史超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路中小規(guī)模中小規(guī)模集成電路集成電路晶體管晶體管電子管電子

5、管19721990年年19461957年，年，第一代計算機第一代計算機19651971年年19581964年年第二代計算機第二代計算機巨大規(guī)模巨大規(guī)模集成電路集成電路1991年年至今至今摩爾定律摩爾定律1.2.1 計算機的五代變化計算機的五代變化2022年5月3日星期二16第一代計算機第一代計算機l第一代計算機第一代計算機(1945年年1958年年)采用電子管。采用電子管。l代表機型：代表機型：ENIAC1941年美國賓夕法尼亞大學(xué)開始研制；年美國賓夕法尼亞大學(xué)開始研制；主要是為了解決美陸軍提出的彈道計算主要是為了解決美陸軍提出的彈道計算問題問題 ；花費花費40萬美元；萬美元；1955年年10

6、月月2日最后切斷電源。日最后切斷電源。2022年5月3日星期二17ENIAC2022年5月3日星期二18第二代計算機第二代計算機(19581964)晶體管晶體管2022年5月3日星期二192022年5月3日星期二20摩爾定律摩爾定律1964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登.摩爾（摩爾（Gordon Moore）在）在一篇很短的論文里斷言：一篇很短的論文里斷言：每每18個月，集成電路的性能將提高一個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。倍，而其價格將降低一半。這就是著名的摩爾定律。這就是著名的摩爾定律。作為迄今為止半導(dǎo)體發(fā)展史上意義最深遠的定律，摩爾定律被作為迄今為止

7、半導(dǎo)體發(fā)展史上意義最深遠的定律，摩爾定律被集成電路集成電路40多年的發(fā)展歷史準確無誤地驗證著。多年的發(fā)展歷史準確無誤地驗證著。摩爾定律有另外一種表述方法，即摩爾定律有另外一種表述方法，即每過每過10年計算機系統(tǒng)性能將年計算機系統(tǒng)性能將會增加會增加100倍，通訊帶寬也會提高倍，通訊帶寬也會提高100倍，而花費的資金不會增倍，而花費的資金不會增加加。2022年5月3日星期二211.2.2 半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展l20世紀世紀5060年代，磁芯存儲器年代，磁芯存儲器價格昂貴，體積大，破壞性讀出價格昂貴，體積大，破壞性讀出l1970年，半導(dǎo)體存儲器年，半導(dǎo)體存儲器價格更加昂貴，體積小，非

8、破壞性讀寫價格更加昂貴，體積小，非破壞性讀寫l1974年之后，半導(dǎo)體存儲器年之后，半導(dǎo)體存儲器價格不斷降低，體積不斷減少，讀寫速度更快。價格不斷降低，體積不斷減少，讀寫速度更快。l有關(guān)存儲器的介紹詳見第有關(guān)存儲器的介紹詳見第3章章2022年5月3日星期二221.2.3 微處理器的發(fā)展微處理器的發(fā)展l20世紀世紀70年代的處理器年代的處理器4004 8008 8080 8086 8088l20世紀世紀80年代的處理器年代的處理器80286 386TM DX 386TM SX 486TM DX l20世紀世紀90年代的處理器年代的處理器486TM SX Pentium Pentium Pro Pe

9、ntium II Pentium l最近最近10年的處理器年的處理器Pentium 4 Itanium Itanium 2 2022年5月3日星期二23DIPDIP封裝封裝PGAPGA封裝封裝2022年5月3日星期二242022年5月3日星期二252022年5月3日星期二26雙核雙核CPUCPU三核三核CPUCPU2022年5月3日星期二271.2.4 計算機的性能指標（計算機的性能指標（1/3）l吞吐量吞吐量表征一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的表征一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量信息量。l響應(yīng)時間響應(yīng)時間從從輸入有效輸入有效到系統(tǒng)到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時間度量，用時間單位

10、來表示。之間的時間度量，用時間單位來表示。l利用率利用率在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，用百分在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，用百分比表示。比表示。l處理機字長（機器字長）處理機字長（機器字長）處理機運算器中處理機運算器中一次一次能夠完成能夠完成二進制運算的位數(shù)二進制運算的位數(shù)，如，如32、64位；位；機器字長與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度具有一定的相關(guān)性。機器字長與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度具有一定的相關(guān)性。2022年5月3日星期二281.2.4 計算機的性能指標（計算機的性能指標（2/3）l總線寬度總線寬度一般指運算器與存儲器之間的數(shù)據(jù)總線寬度。一般指運算器與存儲器之間的

11、數(shù)據(jù)總線寬度。u注意課本上的表述錯誤！注意課本上的表述錯誤！l主存儲器容量主存儲器容量主存儲器所能存儲二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。主存儲器所能存儲二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。u或者說或者說“主存儲器中所有主存儲器中所有存儲元存儲元的總數(shù)目。的總數(shù)目?！?，而非而非“存儲單元存儲單元”！l主存儲器帶寬主存儲器帶寬單位時間內(nèi)從主存儲器讀出的二進制信息量，一般用字節(jié)數(shù)單位時間內(nèi)從主存儲器讀出的二進制信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。秒表示。l主頻主頻/時鐘周期時鐘周期CPU主時鐘的頻率主時鐘的頻率主頻；其倒數(shù)為主頻；其倒數(shù)為CPU的時鐘周期的時鐘周期(T周期周期)。2022年5月3日星期二291.2.4 計算機的性能指標（計

12、算機的性能指標（3/3）lCPU執(zhí)行時間：執(zhí)行時間：CPU執(zhí)行一般程序所占用的執(zhí)行一般程序所占用的CPU時間；時間；CPU執(zhí)行時間執(zhí)行時間 程序的總時鐘周期數(shù)程序的總時鐘周期數(shù) CPU時鐘周期時鐘周期lCPI（Cycle Per Instruction）執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)；執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)；平均平均CPI=某程序某程序總的總的CPU時鐘周期數(shù)時鐘周期數(shù) / 該程序包含的指令條數(shù)該程序包含的指令條數(shù) lMIPS（Million Instructions executed Per Second）每秒百萬指令數(shù)，即單位時間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)；每秒百萬指令數(shù)，即單位時間內(nèi)執(zhí)行

13、的指令數(shù)；MIPS = 指令數(shù)指令數(shù) / 程序執(zhí)行時間程序執(zhí)行時間lFLOPS（Floating-point Operations Per Second）每秒百萬次浮點操作數(shù)，衡量機器浮點操作的性能。每秒百萬次浮點操作數(shù)，衡量機器浮點操作的性能。l其他的性能指標其他的性能指標主存儲器的讀寫速度、主存儲器的讀寫速度、IO的數(shù)據(jù)傳送率、帶寬的均衡性的數(shù)據(jù)傳送率、帶寬的均衡性課本課本P5 例例1lIN某某程序中的指令總數(shù)程序中的指令總數(shù)；NC 該程序所包含總的該程序所包含總的CPU時鐘周期數(shù)時鐘周期數(shù)；tCPU該程序所需的該程序所需的CPU時間時間；T 時鐘周時鐘周期，期，f 時鐘頻率時鐘頻率，T與

14、與f互為互為倒數(shù)倒數(shù)。 2022年5月3日星期二30注意課本上的注意課本上的書寫錯誤書寫錯誤106=1M課本課本P5 例例2 用一臺用一臺50MHz處理機執(zhí)行標準測試程序，它包處理機執(zhí)行標準測試程序，它包含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的平均時鐘周期數(shù)含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的平均時鐘周期數(shù)如下表所示：如下表所示：求有效求有效CPI、MIPS、處理機程序執(zhí)行時間、處理機程序執(zhí)行時間tCPU。指令類型指令類型指令數(shù)目指令數(shù)目平均時鐘周期數(shù)平均時鐘周期數(shù)整數(shù)運算整數(shù)運算450001數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送320002浮點運算浮點運算150002控制傳送控制傳送800022022年5月3日星期二31課本課本P5 例

15、例2【解答解答】2022年5月3日星期二32（）nciii=1NNNICPI=CPIII 450001+320002+150002+80002=45000+32000+15000+8000（ 周周期期/指/指令令）=1.55 T指指令令/秒/秒66f5010MIPS32.2610CPI1.55 秒秒-4CCPUNt=31 10f 2012年考研統(tǒng)考題目年考研統(tǒng)考題目 第第12題題l假定基準程序假定基準程序A在某計算機上的運行時間為在某計算機上的運行時間為100秒，其中秒，其中90秒為秒為CPU時間，其余為時間，其余為I/O時間。若時間。若CPU速度提高速度提高50%，I/O速度不變速度不變，則

16、運行基準程序，則運行基準程序A所消耗的時間是（所消耗的時間是（ ） A. 55秒秒 B. 60秒秒 C. 65秒秒 D 70秒秒l【解答解答】l假設(shè)提高速度后假設(shè)提高速度后CPU消耗的時間為消耗的時間為X秒，之前秒，之前CPU的速度為的速度為v，則提高后為則提高后為1.5v；lCPU執(zhí)行的指令條數(shù)不變，所以有執(zhí)行的指令條數(shù)不變，所以有 90*V=X*1.5V，則，則 X=60，再加上再加上I/O時間，共時間，共70秒秒2022年5月3日星期二33D2012年考研統(tǒng)考題目年考研統(tǒng)考題目 第第43題題l假定某計算機的假定某計算機的CPU主頻為主頻為80MHz，CPI為為4，l（1）該計算機的）該計

17、算機的MIPS數(shù)是多少？數(shù)是多少？主頻主頻每秒鐘的時鐘周期數(shù)；每秒鐘的時鐘周期數(shù)；CPI每條指令的時鐘周期數(shù)；每條指令的時鐘周期數(shù)；MIPS每秒鐘可執(zhí)行的指令條數(shù)；每秒鐘可執(zhí)行的指令條數(shù)；MIPS=主頻主頻 / CPI = 20 2022年5月3日星期二342013年考研統(tǒng)考題目年考研統(tǒng)考題目 第第12題題指令類型指令類型指令數(shù)目指令數(shù)目平均時鐘周期數(shù)平均時鐘周期數(shù)A50%2B20%3C10%4D20%52022年5月3日星期二35某計算機主頻為某計算機主頻為1.2GHz，其指令分為，其指令分為4類，它們在基準程序中所類，它們在基準程序中所占比例及占比例及CPI如上表所示，則該機的如上表所示，

18、則該機的MIPS數(shù)是（數(shù)是（ ）A、100 B、200 C、400 D、600C2013年考研統(tǒng)考題目年考研統(tǒng)考題目 第第43題題l某某32位計算機，位計算機，CPU主頻為主頻為80MHz，總線時，總線時鐘頻率為鐘頻率為200MHz，。l（1）CPU和總線時鐘周期各為多少？（各和總線時鐘周期各為多少？（各1分）分）CPU時鐘周期為：時鐘周期為：1 / 80MHz = 1.25 ns總線時鐘周期為：總線時鐘周期為：1 / 200MHz = 5 ns2022年5月3日星期二362022年5月3日星期二371.3 計算機的硬件計算機的硬件1.3.1 硬件的組成要素硬件的組成要素使用計算器計算使用計算

19、器計算y=ax+b-c已知已知a=123，b=234， c=345，x=456解題步驟：解題步驟：獲取數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)a和數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)x；輸入計算器，得出結(jié)果；輸入計算器，得出結(jié)果；繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)b，送入計算器；，送入計算器；得到結(jié)果，繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)得到結(jié)果，繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)c；送入計算器，獲得結(jié)果；送入計算器，獲得結(jié)果；在紙上記錄結(jié)果；在紙上記錄結(jié)果；l紙紙相當(dāng)于相當(dāng)于 存儲器存儲器；保存源數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)；保存源數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)；l計算器計算器相當(dāng)于相當(dāng)于 運算器運算器；運算、暫存中間結(jié)果；運算、暫存中間結(jié)果；l筆和手筆和手相當(dāng)于相當(dāng)于 輸入輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備；將數(shù)據(jù)的輸入將數(shù)據(jù)的輸入/輸出

20、；輸出；l人人相當(dāng)于相當(dāng)于 控制器控制器；協(xié)調(diào)整個計算過程；協(xié)調(diào)整個計算過程；2022年5月3日星期二38馮馮諾依曼計算機的特點諾依曼計算機的特點1. 計算機由計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備輸出設(shè)備五個部分組成；五個部分組成； 2. 存儲器存儲器以二進制形式存儲指令和數(shù)據(jù)；以二進制形式存儲指令和數(shù)據(jù)；3. 指令指令由操作碼和地址碼組成；由操作碼和地址碼組成；4. 計算機能夠計算機能夠存儲程序并按地址順序執(zhí)行存儲程序并按地址順序執(zhí)行； 馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的核心設(shè)計思想，機器自動諾依曼體系結(jié)構(gòu)的核心設(shè)計思想，機器自動化工作的關(guān)鍵；化工作的關(guān)鍵；

21、5. 以以運算器運算器為中心。為中心。2022年5月3日星期二39馮馮諾依曼機與現(xiàn)代微機諾依曼機與現(xiàn)代微機馮馮諾依曼機結(jié)構(gòu)諾依曼機結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備輸入設(shè)備存儲器存儲器輸出設(shè)備輸出設(shè)備運算器運算器控制器控制器輸入設(shè)備輸入設(shè)備控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備存儲器存儲器運算器運算器現(xiàn)代微機結(jié)構(gòu)現(xiàn)代微機結(jié)構(gòu)2022年5月3日星期二40現(xiàn)代計算機的特點現(xiàn)代計算機的特點1. 將運算器、控制器和片內(nèi)高速緩存，統(tǒng)稱為將運算器、控制器和片內(nèi)高速緩存，統(tǒng)稱為CPU；而將而將CPU、主存儲器、輸入、主存儲器、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線統(tǒng)輸出接口和系統(tǒng)總線統(tǒng)稱為稱為主機主機；其余的設(shè)備均為外設(shè)。；其余的設(shè)備均為外設(shè)。主機內(nèi)僅

22、包含主存儲器，即內(nèi)存；主機內(nèi)僅包含主存儲器，即內(nèi)存；硬盤、光盤等輔助存儲器屬于硬盤、光盤等輔助存儲器屬于I/O設(shè)備；設(shè)備；2. 以存儲器為中心。以存儲器為中心。減輕減輕CPU的數(shù)據(jù)傳送負擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能；的數(shù)據(jù)傳送負擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能；2022年5月3日星期二411.3.2 運算器運算器l功能：功能： 處理所有的算術(shù)及邏輯運算。處理所有的算術(shù)及邏輯運算。通常稱為通常稱為ALU(算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元)l特點：特點：采用二進制數(shù)據(jù)進行運算；采用二進制數(shù)據(jù)進行運算；運算器一次可以處理的數(shù)據(jù)運算器一次可以處理的數(shù)據(jù)位數(shù)稱為位數(shù)稱為機器字長機器字長；機器字長一般為機器字長一般為8、16、3

23、2、64位，機器字長直接決定著運算的精度和能力；位，機器字長直接決定著運算的精度和能力；運算器主要由運算器主要由ALU和各類通用寄存器構(gòu)成。和各類通用寄存器構(gòu)成。l運算器結(jié)構(gòu)示意圖演示運算器結(jié)構(gòu)示意圖演示2022年5月3日星期二421.3.3 存儲器（存儲器（1/2）l功能：保存所有的程序和數(shù)據(jù)。功能：保存所有的程序和數(shù)據(jù)。l特點：特點：二進制形式保存程序和數(shù)據(jù)；二進制形式保存程序和數(shù)據(jù)；存儲器是按存儲單元組織的，讀寫存儲單元必須給出單元地址；存儲器是按存儲單元組織的，讀寫存儲單元必須給出單元地址；l相關(guān)的概念相關(guān)的概念存儲元：用于保存一位存儲元：用于保存一位0/1二進制數(shù)據(jù)的物理器件；二進制

24、數(shù)據(jù)的物理器件；存儲單元：能夠保存一個字數(shù)據(jù)的器件，由若干個存儲元構(gòu)成；存儲單元：能夠保存一個字數(shù)據(jù)的器件，由若干個存儲元構(gòu)成；單元地址：能區(qū)分每一個存儲單元的編號，一般從單元地址：能區(qū)分每一個存儲單元的編號，一般從0開始編號；開始編號；存儲容量：一個存儲器所能保存的二進制信息的總量。存儲容量：一個存儲器所能保存的二進制信息的總量。l注意：不同系統(tǒng)中的存儲器組織方式并不一定相同；注意：不同系統(tǒng)中的存儲器組織方式并不一定相同；2022年5月3日星期二431.3.3 存儲器（存儲器（2/2）l存儲器的分類：存儲器的分類：外存（輔助存儲器）外存（輔助存儲器）u磁盤存儲器、光盤存儲器；磁盤存儲器、光盤

25、存儲器；uCPU不可直接訪問；不可直接訪問；內(nèi)存（主存儲器）內(nèi)存（主存儲器）u半導(dǎo)體存儲器；半導(dǎo)體存儲器；uCPU直接訪問，存放當(dāng)前系統(tǒng)運行所需的所有的程序和數(shù)據(jù)。直接訪問，存放當(dāng)前系統(tǒng)運行所需的所有的程序和數(shù)據(jù)。l兩個與主存相關(guān)的寄存器兩個與主存相關(guān)的寄存器MAR(存儲器地址寄存器存儲器地址寄存器)：接收由：接收由CPU送來的地址信息；送來的地址信息；MDR(存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(shù)據(jù)寄存器)：作為外界與存儲器之間的數(shù)據(jù)通路。：作為外界與存儲器之間的數(shù)據(jù)通路。存儲器地址寄存器存儲器地址寄存器MARMAR主存儲器主存儲器存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDRMDR2022年5月3日星期二441

26、.3.4 控制器控制器l功能功能根據(jù)所要執(zhí)行指令的功能，按順序發(fā)出各種控制命令，根據(jù)所要執(zhí)行指令的功能，按順序發(fā)出各種控制命令，協(xié)協(xié)調(diào)計算機各個部件的工作調(diào)計算機各個部件的工作。l主要任務(wù)：主要任務(wù)：解釋并執(zhí)行指令；解釋并執(zhí)行指令；控制指令的執(zhí)行順序；控制指令的執(zhí)行順序；負責(zé)指令執(zhí)行過程中，操作數(shù)的尋址；負責(zé)指令執(zhí)行過程中，操作數(shù)的尋址；根據(jù)指令的執(zhí)行，協(xié)調(diào)相關(guān)部件的工作根據(jù)指令的執(zhí)行，協(xié)調(diào)相關(guān)部件的工作u如運算類指令執(zhí)行時對標志寄存器的影響設(shè)置。如運算類指令執(zhí)行時對標志寄存器的影響設(shè)置。l指令的形式指令的形式操作碼：指出指令所進行的操作，如加、減、數(shù)據(jù)傳送等；操作碼：指出指令所進行的操作，如

27、加、減、數(shù)據(jù)傳送等；地址碼：指出進行以上操作的數(shù)據(jù)存放位置。地址碼：指出進行以上操作的數(shù)據(jù)存放位置。2022年5月3日星期二451.3.4 控制器（續(xù)）控制器（續(xù)）l控制器工作的周期控制器工作的周期取指周期：取指令的一段時間取指周期：取指令的一段時間執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時間執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時間l指令按順序執(zhí)行的控制部件：指令按順序執(zhí)行的控制部件：指令計數(shù)器指令計數(shù)器每取出一條指令，指令計數(shù)器就加每取出一條指令，指令計數(shù)器就加1；遇到轉(zhuǎn)移類指令，控制器根據(jù)所執(zhí)行指令設(shè)置指令計數(shù)器的值；遇到轉(zhuǎn)移類指令，控制器根據(jù)所執(zhí)行指令設(shè)置指令計數(shù)器的值；l相關(guān)概念相關(guān)概念數(shù)據(jù)字：該字代表要處理的數(shù)

28、據(jù)；數(shù)據(jù)字：該字代表要處理的數(shù)據(jù)；指令字：該字為一條指令；指令字：該字為一條指令；指令流：取指周期中，從內(nèi)存讀出的信息流；指令流：取指周期中，從內(nèi)存讀出的信息流；數(shù)據(jù)流：執(zhí)行周期中，從內(nèi)存讀出的信息流。數(shù)據(jù)流：執(zhí)行周期中，從內(nèi)存讀出的信息流?？刂破鞴δ苁疽鈭D演示控制器功能示意圖演示2022年5月3日星期二461.3.5 適配器與輸入輸出設(shè)備適配器與輸入輸出設(shè)備l輸入設(shè)備輸入設(shè)備將人們熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二將人們熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式的設(shè)備。進制信息形式的設(shè)備。l輸出設(shè)備輸出設(shè)備把計算機的處理結(jié)果變成人或其他機器設(shè)備所能接收和識

29、別的信把計算機的處理結(jié)果變成人或其他機器設(shè)備所能接收和識別的信息形式的設(shè)備。息形式的設(shè)備。l適配器適配器保證外圍設(shè)備用計算機系統(tǒng)特性要求的形式發(fā)送或接收信息。保證外圍設(shè)備用計算機系統(tǒng)特性要求的形式發(fā)送或接收信息。l系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。共通路。2022年5月3日星期二47假定機器字長假定機器字長8位，主存容量位，主存容量248 bit；使用計算機的工作過程使用計算機的工作過程 （1）提出問題：計算）提出問題：計算 y=axy=ax2 2+bx+c+bx+c （2）按照指令系統(tǒng)編制程

30、序）按照指令系統(tǒng)編制程序 （3）將指令變?yōu)闄C器代碼，送入主存儲器）將指令變?yōu)闄C器代碼，送入主存儲器 （4）控制器控制執(zhí)行程序）控制器控制執(zhí)行程序用用簡化模型簡化模型描述使用計算機工作過程描述使用計算機工作過程簡化模型簡化模型2022年5月3日星期二484位位程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC指令寄存器指令寄存器IR控制單元控制單元CUMARMMMDRALU暫存器暫存器X累加器累加器ACC乘商寄存器乘商寄存器MQ高高4位位低低4位位4位位運運算算器器存存儲儲器器控制命令控制命令控控制制器器幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？注意圖中的以下內(nèi)容：注意圖中的以下內(nèi)容：1 1

31、、各部件的作用、構(gòu)成及其關(guān)系；、各部件的作用、構(gòu)成及其關(guān)系；2 2、每一部分的位數(shù)及數(shù)據(jù)流動方向；、每一部分的位數(shù)及數(shù)據(jù)流動方向；3 3、總線寬度及不同時刻的數(shù)據(jù)位數(shù)；、總線寬度及不同時刻的數(shù)據(jù)位數(shù)；2022年5月3日星期二49（1 1）指令系統(tǒng)，設(shè)有）指令系統(tǒng)，設(shè)有5 5條指令條指令匯編語言助記符匯編語言助記符 操作碼操作碼 地址碼地址碼 功能功能取數(shù)指令取數(shù)指令LMA nLMA n 0001 n0001 n MACC MACC存數(shù)指令存數(shù)指令SAM nSAM n 0010 n0010 n ACCM ACCM加法指令加法指令A(yù)DD nADD n 0011 n0011 n ACC+MACC A

32、CC+MACC乘法指令乘法指令MUL nMUL n 0100 n0100 n ACC ACC* *MACCMACC停機指令停機指令HLT HLT 0110 0110 停機停機 * * *假定該簡化模型乘法運算中的乘積位數(shù)與乘數(shù)相同。假定該簡化模型乘法運算中的乘積位數(shù)與乘數(shù)相同。舉例：舉例：假設(shè)簡化計算機模型的指令格式如下：假設(shè)簡化計算機模型的指令格式如下：操作碼操作碼地址碼地址碼4位位4位位2022年5月3日星期二50序號序號 指令指令 注釋注釋 0 LMA x ; xACC 1 MUL x ;ACC * xACC 2 MUL a ;ACC * a ACC 3 SAM y ;ACCy 4 LM

33、A x 5 MUL b 6 ADD y 7 ADD c 8 SAM y 9 HLT10 X db ?11 A db ?12 B db ?13 C db ?14 Y db ?0 0001 10101 0100 10102 0100 10113 0010 11104 0001 10105 0100 11006 0011 11107 0011 11018 0010 11109 0110 000010 x11 a12 b13 c14 y(2) (2) 試編制程序，試編制程序， 計算計算 y=axy=ax2 2+bx+c+bx+c匯編后內(nèi)存分配情況匯編后內(nèi)存分配情況指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)取數(shù)取數(shù)LMA n（0

34、001） 存數(shù)存數(shù)SAM n（0010）加法加法ADD n（0011）乘法乘法MUL n（0100）停機停機HLT n（0110）2022年5月3日星期二51PCIRCUMARM.MMDRALUXACCMQ高高4位位低低4位位控制字控制字運運算算器器存存儲儲器器控控制制器器簡化模型演示簡化模型演示2022年5月3日星期二52 1.4 計算機的軟件計算機的軟件l系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途。包括揮和擴大計算機的功能及用途。包括:u服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯程序、練習(xí)程序等；服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯程序、練習(xí)程序等；u語言類程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等；語言類程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等；u操作系