計算機組成原理（第1章）

計算機組成原理主編：徐福培副主編：袁春風(fēng)李真王健鮑培明

email：jscs@第一章概述本章學(xué)習(xí)導(dǎo)讀：（1）什么是電子計算機？（2）它由哪幾部分組成？（3）其特點又是什么？（4）在它的發(fā)展歷程中經(jīng)歷了哪幾代？計算機是一種能對數(shù)字化信息進行自動高速運算的通用處理裝置。1．1計算機的功能和結(jié)構(gòu)信息運算處理1.1.1什么是計算機1.1.2計算機的特性計算機的特性可以歸納為高速、通用、準(zhǔn)確、智能四大特性。目前計算機的種類非常多，主要體現(xiàn)在大小、速度和價格三個方面。盡管各種計算機的規(guī)模、性能和價格相差很大，但它們的組成和工作原理都是類似的。1.1.3計算機的功能計算機的基本功能主要包括以下4個：

數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)傳送

控制指令1.1.4計算機的功能部件計算機由五個功能獨立的部件組成：存儲器、運算器、輸入部件、輸出部件和控制部件。

CPU

主機1.1.5計算機結(jié)構(gòu)、組織和實現(xiàn)計算機結(jié)構(gòu)是指那些對程序員（機器語言或匯編語言）可見的系統(tǒng)屬性，這些屬性直接影響到程序的邏輯執(zhí)行。

計算機組織是指實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)規(guī)范的操作部件以及它們的互連方式。

計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)。

計算機結(jié)構(gòu)主要研究指令集、寄存器定義和組織、各種數(shù)據(jù)類型表示的位數(shù)、I/O機制，以及內(nèi)存訪問技術(shù)等，是計算機硬件子系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)及功能特性。計算機組織主要研究那些對程序員透明的硬件細節(jié)，如控制信號、數(shù)據(jù)通路寬度的確定、各部件連接方式及匹配、計算機和外設(shè)的接口以及使用的存儲器技術(shù)等。計算機組成是對計算機結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。CPU、主存的物理結(jié)構(gòu)，芯片的集成度、速度、工藝，電源、冷卻、裝配、外觀設(shè)計等都屬于實現(xiàn)的范疇。

1．2計算機的發(fā)展1.2.1電子計算機的誕生第一臺電子計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandComputer）于1946年在美國誕生。①每秒5000次加法運算；②每秒50次乘法運算；③平方和立方計算；④Sin和Cos函數(shù)數(shù)值運算；⑤其它更復(fù)雜的計算。1.2.2第一代計算機（20世紀(jì)40年代中到50年代末）第一代計算機為電子管計算機，其邏輯元件采用電子管，存儲器件為聲延遲線或磁鼓，典型邏輯結(jié)構(gòu)為定點運算。計算機“軟件”一詞尚未出現(xiàn)，編制程序所用工具為低級語言。1.2.3第二代計算機（50年代中后期到60年代中）第二代計算機為晶體管計算機。這一代計算機除了邏輯元件采用晶體管以外，其內(nèi)存儲器由磁芯構(gòu)成，磁鼓與磁帶成為外存儲器。計算機典型邏輯結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了浮點運算，并提出了變址、中斷、I/O處理等新概念。計算機軟件也得到了發(fā)展，出現(xiàn)了多種高級語言及其編譯程序。1.2.4第三代計算機（60年代中到70年代中）第三代計算機為集成電路計算機，其邏輯元件與存儲器均由集成電路實現(xiàn)，這是微電子與計算機技術(shù)相結(jié)合的一大突破。微程序控制、高速緩存、虛擬存儲器、流水線等先進計算機技術(shù)開始使用。另一大特點是大型/巨型機與小型機同時發(fā)展。1.2.5第四代計算機（70年代中期開始—）大規(guī)模（LSI）和超大規(guī)模（VLSI）集成電路及微處理器為這一代計算機的典型特征。并行處理技術(shù)的研究與應(yīng)用以及眾多巨型機的產(chǎn)生也成為這一時期計算機發(fā)展的特點。四代機時期的一個重要特點是計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。摩爾定律（Intel公司創(chuàng)始人之一摩爾1965年提出）：“由于硅技術(shù)的發(fā)展，每18個月，集成電路的集成度將翻一番，速度將提高一倍，而其價格將降低一半?！敝匾x：

①不斷改進技術(shù)，提高質(zhì)量，降低成本；

②為計算機硬件發(fā)展與使用的普及創(chuàng)造了條件；

③促進了軟件業(yè)的發(fā)展。面臨的難題：①傳統(tǒng)工藝難以適應(yīng)；

②“門”越來越窄而難以關(guān)閉；

③攙質(zhì)的使用接近極限；

④傳統(tǒng)材料難以適應(yīng)。1.2.6新一代計算機新器件和非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)已成為新一代計算機的公認標(biāo)志。1．3計算機的組成與結(jié)構(gòu)1.3.1計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)本書討論的范圍涉及第0、1、2共3層，主要內(nèi)容如下：1.高速的算術(shù)、邏輯運算方法及ALU的邏輯設(shè)計；2.高速的指令執(zhí)行過程及指令部件的設(shè)計與實現(xiàn)，是采用組合邏輯技術(shù)、或微程序設(shè)計技術(shù)，還是

PLA技術(shù)；是復(fù)雜指令集計算機（CISC），還是精簡指令集計算機（RISC）；3.提高存儲器容量與速度的方法，以及如何解決“CPU-Cache-MM-外存”之間的匹配問題；4.高效率的輸入/輸出方法、組織，以及它們之間的互聯(lián)技術(shù)；5.計算機五大部件（運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出）之間的相互作用、高效接口（總線）；1.3.2計算機硬件計算機硬件是指構(gòu)成計算機的元器件、部件、設(shè)備、以及它們的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)。馮·諾依曼計算機的主要特點：1）計算機由運算器、存儲器、控制器和輸入/輸出五個部件組成。2）存儲器以二進制形式存儲指令和數(shù)據(jù)；3）存儲程序工作方式；4）五部件以運算器為中心進行組織；1.3.3計算機軟件1.軟件的作用一般來說，計算機的工作總是由存儲程序來控制的。軟件的具體作用為：①在計算機系統(tǒng)中起著指揮和管理的作用。②是計算機用戶和硬件的接口界面。③是計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)。2.軟件的發(fā)展過程三個階段：1)從第一臺計算機上的第一個程序出現(xiàn)到實用的高級語言出現(xiàn)為第一階段（1946-1956年）。2)從實用的高級程序設(shè)計語言出現(xiàn)到軟件工程出現(xiàn)以前為第二階段（1956-1968年）。3)軟件工程出現(xiàn)以后迄今一直為第三階段（1965—）。3.軟件的分類①系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、編譯程序。②支撐軟件：數(shù)據(jù)庫、各類接口軟件和工具組。③應(yīng)用軟件：1．4計算機的分類與應(yīng)用1.4.1計算機的分類按計算機所處理對象的表示形式不同可以分成模擬計算機與數(shù)字計算機兩類。計算機按其用途來分可以分成專用機和通用機兩類。其中，通用計算機按其規(guī)模、性能和價格來分，又可分為巨型機、大型機、小型機、工作站、微型機等多種類型。1.4.2