計(jì)算機(jī)組成原理-1

計(jì)算機(jī)組成原理主講教師：王曉婕聯(lián)系方式xj@輔導(dǎo)教師：范琳聯(lián)系方式anlin@計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系《計(jì)算機(jī)組成原理》教學(xué)安排總課時(shí)：64H理論課：50H實(shí)驗(yàn)：10H（5次實(shí)驗(yàn)）習(xí)題課：4H

4計(jì)算機(jī)組成原理從設(shè)計(jì)角度講述計(jì)算機(jī)各組成部件的原理與實(shí)現(xiàn)方法5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從軟、硬兩方面講述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成本課程的地位及其與其它課程之間的關(guān)系3微機(jī)接口技術(shù)1微型計(jì)算機(jī)原理2匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)解決主機(jī)與外設(shè)之間的協(xié)調(diào)工作問題從應(yīng)用角度以一種CPU（Z80,8086/8088等）為主講述微型計(jì)算機(jī)的工作原理及應(yīng)用技術(shù)微處理器結(jié)構(gòu)、工作原理及匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用(略）1.2計(jì)算機(jī)的硬件1.3計(jì)算機(jī)的軟件1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)數(shù)字計(jì)算機(jī)主要組成部分：

1.運(yùn)算器

2.存儲(chǔ)器

3.控制器

4.適配器與輸入輸出設(shè)備

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

1.2.1數(shù)字計(jì)算機(jī)的硬件組成1.運(yùn)算器：

運(yùn)算器能進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算，還可進(jìn)行邏輯運(yùn)算?？?/p>

慮到電子器件的特性，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,在電子線路中

比較容易實(shí)現(xiàn),而且設(shè)備也最省,其示意圖如下：2.存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器的功能:保存或“記憶”計(jì)算機(jī)的有關(guān)信息。存儲(chǔ)器地址: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)，稱為地址。

存儲(chǔ)單元:在存儲(chǔ)器中保存一個(gè)數(shù)的16個(gè)觸發(fā)器,稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。

存儲(chǔ)位:

存儲(chǔ)的是0或1表示的二進(jìn)制代碼。

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“KB、MB”表示,如64KB,128KB。

外存儲(chǔ)器:計(jì)算機(jī)中配備的存儲(chǔ)容量更大的磁盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等。相對(duì)而言,半導(dǎo)體存儲(chǔ)器稱為內(nèi)存儲(chǔ)器,簡(jiǎn)稱內(nèi)存。3.控制器

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)的各部件有條不紊地進(jìn)行工作。具體的講,控制器的任務(wù)是從內(nèi)存中取出指令,加以分析,然后執(zhí)行某種操作:(1)計(jì)算程序

運(yùn)算器只能完成加、減、乘、除四則運(yùn)算及其他一些輔助操作。對(duì)于比較復(fù)雜的算題,計(jì)算機(jī)在運(yùn)算前必須化成一步一步簡(jiǎn)單的加、減、乘、除等基本操作來(lái)做。每一個(gè)基本操作就叫做一條指令,而解算某一問題的一串指令序列,叫做該問題的計(jì)算程序,簡(jiǎn)稱為程序如：計(jì)算y=ax+b-c的程序（見CAI)(2)指令的形式

每條指令應(yīng)當(dāng)明確告訴控制器，從存儲(chǔ)器的哪個(gè)單元取數(shù)，并進(jìn)行何種操作。指令的內(nèi)容由兩部分組成：操作的性質(zhì)和操作數(shù)的地址。前者稱為操作碼，后者稱為地址碼。

操作碼

地址碼操作碼:指出指令所進(jìn)行的操作,如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等等；地址碼: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。表1.3指令的操作碼定義指令操作碼加法001減法010乘法011除法100取數(shù)101存數(shù)110打印111停機(jī)000(3)

控制器的基本任務(wù)

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?？刂破鞯幕救蝿?wù),就是按照計(jì)算程序所排的指令序列,先從存儲(chǔ)器取出一條指令放到控制器中,對(duì)該指令的操作碼由譯碼器進(jìn)行分析判別,然后根據(jù)指令性質(zhì),執(zhí)行這條指令,進(jìn)行相應(yīng)的操作。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,通常把取指令的一段時(shí)間叫做取指周期,而把執(zhí)行指令的一段時(shí)間叫做執(zhí)行周期。因此,控制器反復(fù)交替地處在取指周期與執(zhí)行周期之中。每取出一條指令,控制器中的指令計(jì)數(shù)器就加1,從而為取下一條指令做好準(zhǔn)備,這也就是指令在存儲(chǔ)器中順序存放的原因。(4)

指令流和數(shù)據(jù)流

“位”(bit)是計(jì)算機(jī)的最小信息單位。CPU向存儲(chǔ)器送入或從存儲(chǔ)器取出信息時(shí),用B(字節(jié))和W(字)等較大的信息單位來(lái)工作。一個(gè)“字節(jié)”由8位二進(jìn)制信息組成,而一個(gè)“字”則至少由一個(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)叫做字長(zhǎng)。計(jì)算機(jī)字既可以代表指令,也可以代表數(shù)據(jù)。如果某字代表要處理的數(shù)據(jù),則稱為數(shù)據(jù)字；如果某字為一條指令,則稱為指令字。指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)放在內(nèi)存中,從形式上看,它們都是二進(jìn)制數(shù)碼。一般來(lái)講，在取指周期中從內(nèi)存讀出的信息是指令流,它流向控制器；而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流,它由內(nèi)存流向運(yùn)算器。4.適配器與輸入輸出設(shè)備

計(jì)算機(jī)的輸入/輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備。由于種類繁多且速度各異,因而它們不是直接地同高速工作的主機(jī)相連接,而是通過適配器部件與主機(jī)相連接。適配器的作用相當(dāng)與一個(gè)轉(zhuǎn)換器,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。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還必須有總線。系統(tǒng)總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架,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。借助系統(tǒng)總線,計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間實(shí)現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作。

馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想

采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令

(2)存儲(chǔ)程序和程序控制（這是馮·諾依曼思想的核心內(nèi)容）(3)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過去和未來(lái)

自1946年在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)制成的世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)以來(lái),計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代的變化：1.1946年開始的第一代電子管計(jì)算機(jī):計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度一般為每秒幾千次至幾萬(wàn)次,體積龐大,成本很高,可靠性較底,在此期間,形成了計(jì)算機(jī)的基本體系,確定了程序設(shè)計(jì)的基本方法,數(shù)據(jù)處理機(jī)開始得到應(yīng)用。2.1958年開始的第二代晶體管計(jì)算機(jī):運(yùn)算速度提高到幾萬(wàn)次至幾十萬(wàn)次,可靠性提高,體積縮小,成本降低，工業(yè)控制機(jī)開始得到應(yīng)用。

3.1965年開始的第三代中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī):可靠性進(jìn)一步提高,體積進(jìn)一步縮小,成本進(jìn)一步下降,運(yùn)算速度提高到幾十萬(wàn)次至幾百萬(wàn)次。在此期間,形成機(jī)種多樣化,生產(chǎn)系列化,使用系統(tǒng)化,小型計(jì)算機(jī)開始出現(xiàn)。4.1971年開始的第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī):可靠性更進(jìn)一步提高,體積更進(jìn)一步縮小,成本更進(jìn)一步降低,速度提高到每秒幾百萬(wàn)次至幾千萬(wàn)次。由幾片大規(guī)模集成電路組成的微型機(jī)開始出現(xiàn)。5.1986年開始的第五代巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī):

運(yùn)算速度提高到每秒幾億次至上百億次。由一片巨大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)開始出現(xiàn)?？傊?從1946年計(jì)算機(jī)誕生以來(lái),大約每隔五年運(yùn)算速度提高10倍,可靠性提高10倍,成本降低10倍,體積縮小10倍。而70年代以來(lái),計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量每年以25%的速度遞增。隨著社會(huì)需求和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍在繼續(xù)發(fā)展,其發(fā)展趨勢(shì)是：將進(jìn)入以通信為中心的體系結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)智能化將進(jìn)一步發(fā)展,進(jìn)入知識(shí)處理階段。不僅用多處理機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算機(jī),而且會(huì)出現(xiàn)計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。多媒體技術(shù)將有重大突破和發(fā)展。1.3計(jì)算機(jī)的軟件

1.3.1軟件的組成和分類

計(jì)算機(jī)軟件一般分為兩大類：系統(tǒng)程序,應(yīng)用程序

系統(tǒng)程序：用來(lái)簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化使用方法,提高計(jì)算機(jī)的使用效率,發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途。它包括以下四類:

各種服務(wù)性程序,如診斷程序排錯(cuò)程序等；語(yǔ)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(kù)管理系統(tǒng)

應(yīng)用程序是用戶利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決某些問題所編制的程序。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,這類程序的種類越來(lái)越多。1.3.2軟件的發(fā)展演變

如同硬件一樣,計(jì)算機(jī)軟件也是在不斷發(fā)展的。下面以系統(tǒng)程序?yàn)槔?簡(jiǎn)要說明軟件的發(fā)展演變過程。1.目的程序早期計(jì)算機(jī)中,人們直接用機(jī)器語(yǔ)言編寫程序,這種編寫程序的方式稱為手編程序。這種用機(jī)器語(yǔ)言書寫的程序,計(jì)算機(jī)完全可以“識(shí)別”并能執(zhí)行,所以又叫做目的程序。但是,用機(jī)器語(yǔ)言編寫程序很繁瑣,又耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間,容易出錯(cuò),出錯(cuò)后尋找錯(cuò)誤也相當(dāng)費(fèi)事,這就大大限制了計(jì)算機(jī)的使用。2.匯編程序?yàn)榱司帉懗绦蚍奖惴g和提高機(jī)器的使用效率,人們用一些約定的文字、符號(hào)和數(shù)字按規(guī)定的格式來(lái)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(lái)編寫程序,這就是所謂的匯編語(yǔ)言。借助于匯編程序,計(jì)算機(jī)本身自動(dòng)地把符號(hào)語(yǔ)言表示的程序(稱為匯編源程序)翻譯成用機(jī)器語(yǔ)言表示的目的程序。3.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,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),人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語(yǔ)言的算法語(yǔ)言。

用算法語(yǔ)言編寫的程序稱為源程序，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(yǔ)言又懂機(jī)器語(yǔ)言的“翻譯”,才能把源程序翻譯為機(jī)器語(yǔ)言。通常采用下面兩種方法：

1.計(jì)算機(jī)配置一套用機(jī)器語(yǔ)言寫的編譯程序,它把源程序翻譯成目的程序,然后機(jī)器執(zhí)行目的程序,得出計(jì)算結(jié)果。但由于目的程序一般不能獨(dú)立運(yùn)行,還需要一種叫做運(yùn)行系統(tǒng)的輔助軟件來(lái)幫助。通常,把編譯程序和運(yùn)行系統(tǒng)和稱為編譯系統(tǒng)。

2.使源程序通過所謂的解釋系統(tǒng)進(jìn)行解釋執(zhí)行,即逐個(gè)解釋并立即執(zhí)行源程序的語(yǔ)句,它不是編出目的程序后再執(zhí)行,而是直接逐一解釋語(yǔ)句并得出計(jì)算結(jié)果。4.操作系統(tǒng)為了擺脫用戶直接使用機(jī)器并獨(dú)占機(jī)器這種情況,依靠計(jì)算機(jī)來(lái)管理自己和管理用戶,于是人們又創(chuàng)造出一類程序,叫做操作系統(tǒng)。它是隨著硬件和軟件不斷發(fā)展而逐漸形成的一套軟件系統(tǒng),用來(lái)管理計(jì)算機(jī)資源(如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序)和自動(dòng)調(diào)度用戶的作業(yè)程序,而使多個(gè)用戶能有效地共用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)不同使用環(huán)境要求,操作系統(tǒng)目前大致分為批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等多種。5.數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)在信息處理、情報(bào)檢索及各種管理系統(tǒng)中的應(yīng)用,要求大量處理某些數(shù)據(jù),建立和檢索大量的表格。這些數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來(lái),使得處理更方便,檢索更迅速,用戶使用更方便,于是出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)。所謂數(shù)據(jù)庫(kù)就是實(shí)現(xiàn)有組織地、動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)大量相關(guān)數(shù)據(jù),方便多用戶訪問的計(jì)算機(jī)軟、硬件資源組成的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件一起,組成了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。1.4

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

1.4.1多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1.微程序設(shè)計(jì)級(jí)這是一個(gè)實(shí)在的硬件級(jí)，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(lái)編寫，那么可在這一級(jí)上運(yùn)行應(yīng)用程序。2.一般機(jī)器級(jí)也稱為機(jī)器語(yǔ)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.操作系統(tǒng)級(jí)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，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)也稱為混合級(jí)。4.匯編語(yǔ)言級(jí)給程序人員提供一種符號(hào)形式語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)言編寫，則這一級(jí)可以不要。5.高級(jí)語(yǔ)言級(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(yǔ)言編譯及解釋程序支持和執(zhí)行。由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令，用微指令編寫的應(yīng)用程序可直接在這一級(jí)上運(yùn)行。由微程序解釋機(jī)器指令，用機(jī)指令編寫的應(yīng)用程序可在這一級(jí)上運(yùn)行操作系統(tǒng)由機(jī)器指令和廣義指令（操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令）組成。由系統(tǒng)程序員編寫應(yīng)用程序采用匯編語(yǔ)言編寫時(shí)，必須有這一級(jí)面向用戶，由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序支持和執(zhí)行·從應(yīng)用角度出發(fā)，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為五級(jí)，以便于計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)人員根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，合理地進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?！っ恳患?jí)上都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，且得到下面各級(jí)的支持；·級(jí)數(shù)越低越靠近硬件，級(jí)數(shù)越高使用計(jì)算機(jī)越方便；

1.4.2軟件與硬件的邏輯等價(jià)性

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢(shì),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因?yàn)槿魏尾僮骺梢杂绍浖?lái)實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來(lái)完成。對(duì)于某一功能采用硬件方案還是軟件方案，取決于器件價(jià)格、速度、可靠性、存儲(chǔ)容量、變更周期等因素。當(dāng)研制一臺(tái)計(jì)算機(jī)的時(shí)候，設(shè)計(jì)者必須明確分配每一級(jí)的任務(wù)，確定哪些情況使用硬件，哪些情況使用軟件，而硬件始終放在最低級(jí)。就目前而言，一些計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是，把原來(lái)明顯地在一般機(jī)器級(jí)通過編制程序?qū)崿F(xiàn)的操作，如整數(shù)乘除法指令、浮點(diǎn)運(yùn)算指令、處理字符串指令等等，改為直接由硬件完成。

總之，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。第一級(jí)和第二級(jí)的邊界范圍，要向第三級(jí)乃至更高級(jí)擴(kuò)展。這是因?yàn)槿萘看?、價(jià)格低、體積小、可以改寫的只讀存儲(chǔ)器提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固件。就它的功能來(lái)說，是軟件；但從形態(tài)來(lái)說，又是硬件。其次，目前在一片硅單晶芯片上制作復(fù)雜的邏輯電路已經(jīng)是實(shí)際可行的，這就為擴(kuò)大指令的功能提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，因此本來(lái)通過軟件手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的某種功能，現(xiàn)在可以通過硬件來(lái)直接解釋執(zhí)行。進(jìn)一步的發(fā)展，就是設(shè)計(jì)所謂面向高級(jí)語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)。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(yǔ)言的語(yǔ)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“固化