roO第3章 計(jì)算機(jī)組成與工作原理

21世紀(jì)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)規(guī)劃教材

2lstCentunUniversil、PlannedTextbookofComputerScience

計(jì)算機(jī)科學(xué)概論

第3章計(jì)算機(jī)組成與工作原理

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,這次課的主要內(nèi)容

?計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)

?計(jì)算機(jī)的工作過程

?計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

7/11/200910:11AM第0章緒論

2夠

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21世紀(jì)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)規(guī)劃教材

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第一節(jié)計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)

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,人民郵電出版社

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[3.1.1馮.諾依曼結(jié)構(gòu)

J曹舞流動(dòng)露鼠匿郭慧需

令。

運(yùn)算器：負(fù)責(zé)各種算術(shù)運(yùn)算

和邏輯運(yùn)算。

存儲(chǔ)器：計(jì)算機(jī)中的記憶部

件。

內(nèi)存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)現(xiàn)場待操作

的信息與中間結(jié)果，包括機(jī)

器指令和數(shù)據(jù)。

外存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)需要長期保

存的各種信息。

輸入設(shè)備：接收外界向計(jì)算

機(jī)輸送的信息。

7/11/200910:11AM第0章緒論輸出設(shè)備：將計(jì)算機(jī)中的儡絲

息向外界輸送。精品系列

中33.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)均遵照馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)硬件系

統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以及將

它們連結(jié)為有機(jī)整體的總線構(gòu)成。

?中央處理器(CenterProcessingUnit,CPU)

——運(yùn)算器和控制器的統(tǒng)稱

?主機(jī)(MainFrame)

——CPU和內(nèi)存儲(chǔ)器的統(tǒng)稱

?外部設(shè)備(Input/OutputDevice)

——外存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的統(tǒng)稱

第0章緒論

7/11/200910:11AM5

中3.1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成

1.中央處理器(CenterProcessingUnit,CPU)

現(xiàn)在的控制器和運(yùn)算器是被制造在同一塊超大規(guī)模集成電路

中的，稱為中央處理器,即CPU(CentralProcessingUnit)。

◎CPU是一種超大規(guī)模集成電路器件，可以集成幾百萬個(gè)甚

至更多個(gè)晶體管。常稱之為微處理器(Microprocessor)。

CPU負(fù)責(zé)從內(nèi)存中通過地址(Address)找到數(shù)據(jù)和指令，

解釋并執(zhí)行(execute)這些指令，再將處理的結(jié)果存回內(nèi)存,

或者存入外存，或者送入輸出設(shè)備加以輸出。

?微處理器的主要生產(chǎn)廠商之一是Intel公司，先后推出4004、

8086、80286、80386、80486、Pentium等系列產(chǎn)品。

第0章緒論

7/11/200910:11AM6

中3.1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成

中央處理器(CenterProcessingUnit,CPU)

由算術(shù)邏輯單元(ArithmeticLogicalUnit,ALU)>控

制單元(ControlUnit,CU)和寄存器組(RegisterFile)構(gòu)成。

算術(shù)邏輯單元(ALU)：進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和

邏輯運(yùn)算的部件。

控制單元(CU)：計(jì)算機(jī)的指揮中心，

協(xié)調(diào)各部件自動(dòng)地工作。

數(shù)據(jù)寄存器：存放參與運(yùn)算的操作數(shù)和運(yùn)

算的結(jié)果。

程序計(jì)數(shù)器PC：給出程序中下一條指令在

存儲(chǔ)器中的單元地址。

指令寄存器舊：保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。

第0章緒論

7/11/200910:11AM7

3.1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成

(1)運(yùn)算器

運(yùn)算器是機(jī)器的加工處理部件，是中央處理機(jī)的重要組成

部分。運(yùn)算器與其它部件有著緊密的聯(lián)系。這種聯(lián)系影響信

息的傳送和加工的速度。

運(yùn)算器與計(jì)算機(jī)其他部件的關(guān)系：

?與控制器的關(guān)系

運(yùn)算器接收到控制器發(fā)來的各種運(yùn)算控制命令，進(jìn)行運(yùn)算,

運(yùn)算過程中產(chǎn)生的各種信息，包括運(yùn)算結(jié)果特征標(biāo)志和狀態(tài)

信息，再反饋給控制器。

-與存儲(chǔ)器的關(guān)系

存儲(chǔ)器可以把參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)傳送給運(yùn)算器；運(yùn)算器也可

把運(yùn)算結(jié)果傳送給存儲(chǔ)器，同時(shí)運(yùn)算器提供存儲(chǔ)器的地址。

7/11/200910:11AM第0章緒論

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3.1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成

■運(yùn)算器的功能

運(yùn)算器的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。主

要包括對(duì)數(shù)值數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算，如執(zhí)行加、減、乘、除運(yùn)算,

變更數(shù)據(jù)的符號(hào)等。也包括對(duì)各種數(shù)據(jù)的邏輯運(yùn)算，例如進(jìn)

行與、或、求反等運(yùn)算。

?運(yùn)算器的組成

運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)包括以下幾個(gè)部分：

（1）能實(shí)現(xiàn)算術(shù)和邏輯運(yùn)算功能的部件ALU；

（2）存放待加工的信息或加工后的結(jié)果的通用寄存器組；

（3）按操作要求控制數(shù)據(jù)輸入部件：多路開關(guān)或數(shù)據(jù)鎖存器

（4）按操作要求控制數(shù)據(jù)輸出部件：輸出移位和多路開關(guān)；

（5）計(jì)算器與其它部件進(jìn)行信息傳送的總線以及總線接收

器與發(fā)送器；總線接收器與發(fā)送器通常是由三態(tài)門構(gòu)成的。

7/11/200910:11AM第0章緒論Q?

3.1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成

總線

運(yùn)算器的基本邏輯圖

第0章緒論

7/11/200910:11AM10

3.1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成

■運(yùn)算器的工作原理

運(yùn)算方法的基本思想是：各種復(fù)雜的運(yùn)算處理最終可分解

為四則運(yùn)算與基本的邏輯運(yùn)算。四則運(yùn)算的核心是加法運(yùn)算，

可通過補(bǔ)碼運(yùn)算化減為加，加減運(yùn)算與移位的有機(jī)配合實(shí)現(xiàn)乘

除運(yùn)算，階碼與尾數(shù)的運(yùn)算組合可以實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算。

?運(yùn)算器工作步驟

（1）首先需要明確參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)來源，運(yùn)算結(jié)果的去向。運(yùn)

算器能直接運(yùn)算的數(shù)據(jù)，通常來自于運(yùn)算器本身的寄存器；

（2）其次需要明確將要執(zhí)行的運(yùn)算功能，是對(duì)數(shù)值數(shù)據(jù)的算術(shù)

運(yùn)算功能，還是對(duì)邏輯數(shù)據(jù)的邏輯運(yùn)算功能。另外一個(gè)問題是，

運(yùn)算器完成一次數(shù)據(jù)運(yùn)算過程由多個(gè)時(shí)間段組成，其時(shí)序關(guān)系

示意表示在下圖；

（3）最后，運(yùn)算器部件只有和計(jì)算機(jī)的其他部件連接起來才能

協(xié)同完成指令的執(zhí)行過程，就是說，運(yùn)算器需要有辦法接收其

他部件（例如內(nèi)存儲(chǔ)器或者計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備）送來的數(shù)據(jù)，

才能源源不斷地得到參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)來源；運(yùn)算器還需要有辦

法送出它的運(yùn)算結(jié)果到其他部件（例如內(nèi)存儲(chǔ)器或者計(jì)算機(jī)的

小/2。翻俄核備），才能體現(xiàn)垠高圜運(yùn)算處理效能和使用價(jià)值「制俗

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■I3.1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成

送出結(jié)果運(yùn)算周期

4■

寄

控

寄

運(yùn)

運(yùn)

制

存

算

存

控制信號(hào)算

信

器

結(jié)

器

器

號(hào)

接

果

內(nèi)

執(zhí)

建

收

送

容

行

立

運(yùn)

到

送

運(yùn)

時(shí)

算

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出

算

間

結(jié)

存

時(shí)

時(shí)

果

器

間

間

時(shí)

輸

間

入

端

輸入數(shù)據(jù)