第01講——第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(11-13)

1、第第01講講第第1章章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論（1.1-1.3）主講人：李淑芝主講人：李淑芝1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡介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)的基本組成讓學(xué)生了解硬件和軟件、讓學(xué)生了解硬件和軟件、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、分類和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、分類和應(yīng)用，目的在于使學(xué)生對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)先有一目的在于使學(xué)生對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)先有一個(gè)較粗的總體概念，以便于展開后續(xù)個(gè)較粗的總體概念，以便于展開后續(xù)各章內(nèi)容。各章內(nèi)容。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、硬件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、硬件框圖、框圖、“存儲程序存儲程序”的的

2、 思想、硬件技思想、硬件技術(shù)指標(biāo)。術(shù)指標(biāo)。計(jì)算機(jī)是如何區(qū)分同樣以計(jì)算機(jī)是如何區(qū)分同樣以0、1代碼的形式存放在存儲器中的指令和代碼的形式存放在存儲器中的指令和數(shù)據(jù)？數(shù)據(jù)？l計(jì)算機(jī)接通電源之后是怎么樣有序的計(jì)算機(jī)接通電源之后是怎么樣有序的為人們計(jì)算工程量、繪制圖形、播放為人們計(jì)算工程量、繪制圖形、播放音樂等的呢？音樂等的呢？ 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1.1.1 計(jì)算機(jī)軟、硬件概念計(jì)算機(jī)軟、硬件概念硬件硬件軟件軟件按任務(wù)需要編制成的各種程序按任務(wù)需要編制

3、成的各種程序用來管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用來管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件語言處理程序語言處理程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)服務(wù)性程序服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)軟件軟軟件件計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)高級語高級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)的解題過程高級語言高級語言虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M M3匯編語言匯編語言虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M 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 M 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 M M0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

4、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 M M4虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M M3虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M M2實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M M1微程序機(jī)器微程序機(jī)器 M M0問題問題1 1：隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展：隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而逐漸出現(xiàn)的幾個(gè)概念？而逐漸出現(xiàn)的幾個(gè)概念？（1 1）硬件軟化？）硬件軟化？（2 2）軟件硬化）軟件硬化？（3 3）固件化？）固件化？ 問題問題2 2：在層次結(jié)構(gòu)中，針：在層次結(jié)構(gòu)中，針對計(jì)算機(jī)本身的構(gòu)成，還對計(jì)算機(jī)本身的構(gòu)成，還可抽象出

5、一些層次結(jié)構(gòu)，可抽象出一些層次結(jié)構(gòu)，如：如：4GL4GL級、寄存器級、微級、寄存器級、微操作控制級、機(jī)器指令級操作控制級、機(jī)器指令級等等？等等？本書主要討論本書主要討論M1和和M0的的組成原理和設(shè)計(jì)思想。組成原理和設(shè)計(jì)思想。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)）（

6、具體指令的實(shí)現(xiàn)）（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（典型的）以運(yùn)算器為中心（典型的）（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1.2.1 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)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)將信息轉(zhuǎn)換成機(jī)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(yùn)行運(yùn)行馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框

7、圖（典型的）諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖（典型的）存儲器存儲器輸入設(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（1）現(xiàn)代以存儲器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖）現(xiàn)代以存儲器為中心的計(jì)算機(jī)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(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ALUALU主存主存輔存輔存CPUCPU主機(jī)主機(jī)I/OI/O硬件硬件CUCU（2）現(xiàn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)代計(jì)算機(jī)硬件框圖硬件框圖存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器輸出設(shè)備輸出設(shè)備控制器控制器ALUALUCPU主機(jī)主機(jī)I/OI/OCUCU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 - -+ +-

8、-+ +- -= =!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 0, 1, 2,)( )(21nyn xynx= =+ += =指令指令 每每 對很難直接用物理模型對很難直接用物理模型來模擬變化規(guī)律的研究來模擬變化規(guī)律的研究對象，總能找到一系列對象，總能找到一系列反映其變化規(guī)律的數(shù)學(xué)反映其變化規(guī)律的數(shù)學(xué)方程組。方程組。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 a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中存存a ax2 在存儲器中在存儲器中取取b b 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)算器中加加a a

9、x2 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加c c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中= (= (a ax + + b b) )x + + c c 取取x 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以a a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加b 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 c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中計(jì)算計(jì)算 ax2 + bx + c編程舉例編程舉例問題問題3 3：計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)中為什么通常要中為什么通常要降冪運(yùn)算？降冪運(yùn)算？000001 0000001000000001 0000001000打印打印 停機(jī)停機(jī)取數(shù)取數(shù) ACC ACC存數(shù)存數(shù) ACC ACC 加加 ACC+ ACC+ ACCACC乘乘 ACCACC

10、 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 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 + b

11、x + 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 10 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 ACC MQ X（2）計(jì)算機(jī)的解題過程計(jì)算機(jī)的解題過程u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 ACC 被加數(shù)被加數(shù)ACC

12、初態(tài)初態(tài) 加法操作過程加法操作過程 ACC+XACC+XALU M XM XXACCACCACC指令指令 加加M 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M MACC ACC 被減數(shù)被減數(shù)ACC初態(tài)初態(tài) M XM XX ACC-XACC-XALUACCACCACC運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXACCACC ACC 被乘數(shù)被乘數(shù)初態(tài)初態(tài) ACCMQ MMMQMQ指令指令 乘乘M M 乘法操作過程乘法操作過程X ACCACCX X00ACCACCALU XXMQMQACCACCMQMQACCMQ運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXACC ACC 被除數(shù)被除數(shù)ACC初態(tài)初態(tài)

13、 ACCACCXXALUMQMQACCMQ指令指令 除除M M M M X XX 除法操作過程除法操作過程存儲體存儲體大樓大樓存儲單元存儲單元 存放一串二進(jìn)制代碼存放一串二進(jìn)制代碼存儲字存儲字 存儲單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲字長存儲字長 存儲單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)存儲單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)每個(gè)存儲單元賦予一個(gè)地址號每個(gè)存儲單元賦予一個(gè)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）u存儲器的基本組成存儲器的基本組成主存儲器主存儲器存儲體存儲體MARMARMDRMDRMARMARMDRMDR 存

14、儲單元個(gè)數(shù)存儲單元個(gè)數(shù) 16存儲字長存儲字長 8 設(shè)設(shè) MARMAR = = 4 位位 MDRMDR = = 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(gè)數(shù)反映存儲單元的個(gè)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主存儲器主存儲器存儲體存儲體MARMARMDRMDRu存儲器的基本組成存儲器的基本組成取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令PCPCIRIRCUCUPCIRCUCU取指取指執(zhí)行執(zhí)行PC PC 存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址 具有計(jì)數(shù)功能（具有計(jì)數(shù)功能（PCPC）+ + 1 PC1 PCIR IR 存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令存放當(dāng)前欲執(zhí)行的

15、指令訪存訪存訪存訪存完成完成一條一條指令指令u控制器的基本組成控制器的基本組成123567894u主機(jī)完成一條指令的過程主機(jī)完成一條指令的過程取數(shù)指令取數(shù)指令CU控制控制單元單元主存儲器主存儲器MDRMAR存儲體存儲體CPUPC控制器控制器IR運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXI/O123567984CU控制控制單元單元主存儲器主存儲器MDRMAR存儲體存儲體CPUPC控制器控制器IR運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXI/Ou主機(jī)完成一條指令的過程主機(jī)完成一條指令的過程存數(shù)指令存數(shù)指令uax2 + bx + c 程序的運(yùn)行程序的運(yùn)行過程過程 將程序通過輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī)將程序通過輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī) 程

16、序首地址程序首地址 打印結(jié)果打印結(jié)果 分析指令分析指令 取指令取指令 停機(jī)停機(jī) 啟動(dòng)程序運(yùn)行啟動(dòng)程序運(yùn)行,(PC,(PC )+)+ 1 PC1 PC 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC（1）機(jī)器字長）機(jī)器字長（2）運(yùn)算速度運(yùn)算速度CPUCPU 一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)與與 CPUCPU 中的中的 寄存器位數(shù)寄存器位數(shù) 有關(guān)有關(guān)= =ni = =1fi tiTM吉普森法吉普森法主頻主頻每秒執(zhí)行百萬條指令每秒執(zhí)行百萬條指令MIPSMIPS執(zhí)行一條指

17、令所需時(shí)鐘周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需時(shí)鐘周期數(shù)CPICPI每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)FLOPSFLOPS某計(jì)算機(jī)主頻為某計(jì)算機(jī)主頻為1.2 GHz，其指令分為，其指令分為4類，類，它們在基準(zhǔn)程序中所占比例及它們在基準(zhǔn)程序中所占比例及CPI如下表所如下表所示。示。 該機(jī)的該機(jī)的MIPS數(shù)是：數(shù)是： l A. 100 B. 200 l C. 400 D. 600 l答案：答案：C221 = = 256KB213 = = 1KB如如：（3）存儲容量）存儲容量主存容量主存容量輔存容量輔存容量存儲單元個(gè)數(shù)存儲單元個(gè)數(shù) 存儲字長存儲字長字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 80GB如：如：MAR MDR MAR M

18、DR 容量容量10 816 32存放二進(jìn)制信息的總數(shù)量存放二進(jìn)制信息的總數(shù)量1K = 2101Byte = 231G = 2301K 8位位64K 32位位第一篇第一篇 概論概論內(nèi)部內(nèi)部互連互連ALU CU寄存器寄存器中央處理單元中央處理單元寄存器寄存器解碼器解碼器控制單元控制單元排隊(duì)排隊(duì)邏輯邏輯控制控制存儲器存儲器第二篇第二篇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)第三篇第三篇 CPUCPU第四篇第四篇 CUCU計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)I/O系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線存儲器存儲器CPU1. 下列有關(guān)運(yùn)算器的描述中，下列有關(guān)運(yùn)算器的描述中，_是正確的。是正確的。 A.只做算術(shù)運(yùn)算，不做邏輯運(yùn)算只做算術(shù)運(yùn)算，不做邏輯運(yùn)算

19、 B.只做加法只做加法 C.能暫時(shí)存放運(yùn)算結(jié)果能暫時(shí)存放運(yùn)算結(jié)果 D.既做算術(shù)運(yùn)算，又做邏輯運(yùn)算既做算術(shù)運(yùn)算，又做邏輯運(yùn)算 2. 計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)的A._是計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)B._結(jié)構(gòu)的重要結(jié)構(gòu)的重要 組成部分組成部分,也是計(jì)算機(jī)不同于一般電子設(shè)備的本質(zhì)也是計(jì)算機(jī)不同于一般電子設(shè)備的本質(zhì) 所在。所在。 3. CPU主要包括主要包括_。 A.控制器控制器 B.控制器、控制器、 運(yùn)算器、運(yùn)算器、cache C.運(yùn)算器和主存運(yùn)算器和主存 D.控制器、控制器、ALU和主存和主存 4.下列下列_屬于應(yīng)用軟件。屬于應(yīng)用軟件。 A. 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) B. 編譯系統(tǒng)編譯系統(tǒng) C. 連接程序連接程序 D.文本處理文

20、本處理 5. 主存儲器的性能指標(biāo)主要是主存儲器的性能指標(biāo)主要是A._、B._、 存儲周期和存儲器帶寬。存儲周期和存儲器帶寬。 6. 運(yùn)算器的兩個(gè)主要功能是：運(yùn)算器的兩個(gè)主要功能是：A._，B._。 7. 說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。 8. 目前的計(jì)算機(jī)，從原理上講目前的計(jì)算機(jī)，從原理上講_。 A.指令以二進(jìn)制形式、數(shù)據(jù)以十進(jìn)制形式存放指令以二進(jìn)制形式、數(shù)據(jù)以十進(jìn)制形式存放 B.指令以十進(jìn)制形式、數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存放指令以十進(jìn)制形式、數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存放 C.指令和數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制形式存放指令和數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制形式存放 D.指令和數(shù)據(jù)都以十進(jìn)制形式存放指令和數(shù)據(jù)都以十進(jìn)制形式存放 9. 計(jì)算機(jī)問世至今，新型機(jī)器不斷推陳出新，不管計(jì)算機(jī)問世至今，新型機(jī)器不斷推陳出新，不管 怎樣更