計算機組成原理-1 計算機系統(tǒng)概論

計算機組成原理

西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院

董染dodoliang@

本課程的地位及與其他課程關(guān)系

教材及參考書

《計算機組成原理》（第三版）科學(xué)出版社

《計算機組成原理實驗指導(dǎo)書》西安郵電學(xué)院

《計算機組成原理》蔣本珊清華大學(xué)出版社

《計算機組成原理》唐朔飛高等教育出版社

《計算機組成原理》王閔電子工業(yè)出版社

《計算機組成與結(jié)構(gòu)》王愛英清華大學(xué)出版社

第一章計算機系統(tǒng)概論

1.1計算機的分類和應(yīng)用

1.2計算機的硬件

1.3計算機的軟件

1.4計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

1.1計算機的分類和應(yīng)用

1.1.1計算機的分類

電子計算機從總體上來說分為兩大類：

電子模擬計算機：電子模擬計算機的特點是

數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算

過程也是連續(xù)的。

電子數(shù)字計算機：電子數(shù)字計算機的主要特

點是按位運算，并且不連續(xù)

地跳動計算。

電子數(shù)字計算機是以近似于人類的“思維過

程”來進行工作的，所以有人把它叫做電腦。它的

發(fā)明和發(fā)展是20世紀人類最偉大的科學(xué)技術(shù)成就

之一,也是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標志。

數(shù)字計算機又可分為專用計算機和通用計算

機。專用和通用是根據(jù)計算機的效率、速度、價

格、運行的經(jīng)濟性和適應(yīng)性來劃分的。專用機是

最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機,它是針對某一

任務(wù)設(shè)計的計算機，但是它的適應(yīng)性很差。通用機

適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。

通用計算機又分巨型機、大型機、中型機、

小型機、微型機和單片機六類，見圖所示。

假

體

積

功

能

據(jù)

效

令

指微型機\

格

彷

V大型機

高巨型機

1.1.2計算機的應(yīng)用

計算機所以迅速發(fā)展,其生命力在于它的

廣泛應(yīng)用。計算機的應(yīng)用范圍幾乎涉及人類社

會的所有領(lǐng)域。下面歸納成六個方面來敘述：

★科學(xué)計算：科學(xué)研究和工程技術(shù)計算領(lǐng)域,

是計算機應(yīng)用最早的領(lǐng)域，也是應(yīng)用得較廣泛

的領(lǐng)域。

★自動控制和測量：自動控制是涉及面極廣

的一門學(xué)科,應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)、

國防以至我們?nèi)粘Ｉ畹取?/p>

★信息處理：計算機發(fā)展初期，僅僅用于數(shù)值計

算。后來應(yīng)用范圍逐漸發(fā)展到非數(shù)值計算領(lǐng)域，可

用來處理文字、表格、圖象、聲音等各類問題。

★教育和衛(wèi)生：計算機被譽為“教育史上的第

四次革命”，較多的應(yīng)用是CAI（計算機輔助教學(xué)）。

★家用電器：21世紀，國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和計算機控

制的設(shè)備將廣泛應(yīng)用于家庭。

★人工智能：人工智能，又稱“智能模擬”，簡單

地說，就是要使計算機能夠模仿人的高級思維活動。

1.2計算機的硬件

1.2.1數(shù)字計算機的硬件組成

數(shù)字計算機主要組成部分：

1.運算器

2.控制器

3.存儲器

4.適配器與輸入輸出設(shè)備

圖1.2數(shù)字計算機

的主要組成結(jié)構(gòu)<>存儲器

系

跣

總

線

<>適能毒

1.運算器:

運算器能進行加、減、乘、除等算術(shù)運算，還可進

行邏輯運算?？紤]到電子器件的特性，計算機中通常采

用二進制數(shù)。這是因為二進制數(shù)的運算規(guī)律非常簡單，

在電子線路中比較容易實現(xiàn)，而且設(shè)備也最省,其示意

圖L3運算器結(jié)構(gòu)示意圖

2.存儲器:

存儲器的功能:保存或“記憶”計算機的有關(guān)信息。

存儲器地址：存儲器是由許多存儲單元組成，每個存

儲單元的編號，稱為地址。

存儲單元：由多個存儲位構(gòu)成一個存儲單元，通常由8

個存儲位組成。

存儲位：存儲的是0或1表示的二進制代碼，通常由一

個觸發(fā)器構(gòu)成。

存儲容量：旬諸器所有存儲單元的總數(shù)。通常用單位

“KB、MB”表示，如64KB,128KB。

內(nèi)存儲器簡稱內(nèi)存，是具有一定存儲容量的半導(dǎo)體存

儲器。相對而言，計算機中配備的存儲容量更大的磁

盤存儲器、光盤存儲器等稱為外存儲器。

3.控制器

控制器是計算機中發(fā)號施令的部件,它控

制計算機的各部件有條不紊地進行工作。具體

地講,控制器的任務(wù)是從內(nèi)存中取出操作指令

加以分析,然后執(zhí)行某種操作：

(1)程序

對于比較復(fù)雜的算題，計算機在運算前必

須化成一步一步簡單的加、減、乘、除等基本

操作來做。每一個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

的計算程序,簡稱為程序。

(2)指令的形式

每條指令應(yīng)當(dāng)明確告訴控制器，從存儲器的

哪個單元取數(shù)，并進行何種操作。

指令的內(nèi)容由兩部分組成，即操作的性質(zhì)和操

作的地址。前者稱為操作碼，后者稱為地址碼。

操作碼地址碼

操作碼：指出指令所進行的操作,如加、減、乘、

除、取數(shù)、存數(shù)等等；

地址碼：參加運算的數(shù)據(jù)應(yīng)從存儲器的哪個單元

取，運算的結(jié)果應(yīng)存到哪個單元。

目1.5指令和數(shù)據(jù)在

存儲器中用二進制市當(dāng)存儲存儲器

2

指令操作碼3

A

4

加法001

u

減法

0106

乘法0117

除法1008

取數(shù)1019

10

存數(shù)110

11

打印111

12

停機00013

?

(3)控制器的基本任務(wù)

計算機進行計算時，指令必須是按一定的

順序一條接一條地進行?？刂破鞯幕救蝿?wù)，

就是按照計算程序所排的指令序列，先從存儲

器取出一條指令放到控制器中，對該指令的操

作碼由譯碼器進行分析判別，然后根據(jù)指令性

質(zhì)，執(zhí)行這條指令，進行相應(yīng)的操作。接著從

存儲器取出第二條指令，在執(zhí)行這第二條指令。

依次類推，通常把取指令的一段時間叫做取指

周期，而把執(zhí)行指令的一段時間叫做執(zhí)行周期。

（4）指令流和數(shù)據(jù)流

由于計算機件使用。和1兩個二進制數(shù)字，所以使

用“位”（bit）作為數(shù)字計算機的最小信息單位。CPU

向存儲器送入或從存儲器取出信息時，用B（字節(jié)）和

W（字）等較大的信息單位來工作。一個“字節(jié)”由8位

二進制信息組成，而一個“字”則至少由一個以上的

字節(jié)組成。通常把組成一個字的二進制位數(shù)叫做字長。

計算機字既可以代表指令，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

是二進制數(shù)碼。一般來講，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)存流向運算器。

4.適配器與輸入輸出設(shè)備

輸入設(shè)備的作用是把人們所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。

輸出設(shè)備的作用是把計算機處理的結(jié)果變換為人或其

他機器所能接收和識別的信息形式。

計算機的輸入/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

工作的主機相連接，而是通過適配器部件與主機相連

接。適配器的作用相當(dāng)與一個轉(zhuǎn)換器，它可以保證外

圍設(shè)備用計算機所要求的形式發(fā)送或接受信息。

計算機系統(tǒng)中還必須有總線。系統(tǒng)總線是多個系

統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線,

計算機在各系統(tǒng)部件之間實現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制

信息的操作。

1.2.2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過去和未來

自1946年在美國賓夕法尼亞大學(xué)制成的世界上第一

臺電子數(shù)字計算機以來，計算機的發(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算機：

計算機運算速度一般為每秒幾千次至幾萬次，體積

龐大，成本很高，可靠性較低，在此期間，形成了計算

機的基本體系，確定了程序設(shè)計的基本方法，數(shù)據(jù)處理

機開始得到應(yīng)用。

(2)1958年開始的第二代晶體管計算機：

運算速度提高到幾萬次至幾十萬次，可靠性提高，

體積縮小，成本降低，工業(yè)控制機開始得到應(yīng)用。

(3)1965年開始第三代中小規(guī)模集成電路計算機:

可靠性進一步提高，體積進一步縮小，成本進一步

下降，運算速度提高到幾十萬次至幾百萬次。在此期間,

形成機種多樣化，生產(chǎn)系列化，使用系統(tǒng)化，小型計算

機開始出現(xiàn)。

(4)1971年開始的第四代大規(guī)模集成電路計算機：

可靠性更進一步提高，體積更進一步縮小，成本更進

一步降低，速度提高到每秒幾百萬次至幾千萬次。有幾片

大規(guī)模集成電路組成的微型機開始出現(xiàn)。

(5)1986年開始的第五代超大規(guī)模集成電路計算機:

運算速度提高到每妙幾億次至上百億次。由一片巨

大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的單片機開始出現(xiàn)。

總之，從1946年計算機誕生以來，大約每隔五年運算

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。

計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍在繼續(xù)發(fā)展，其發(fā)展趨勢是：

將進入以通信為中心的體系結(jié)構(gòu)。

計算機智能化將進一步發(fā)展，進入知識處理階段。

不僅用多處理機技術(shù)來實現(xiàn)并行計算機，而且會出現(xiàn)

計算機的動態(tài)結(jié)構(gòu)。

多媒體技術(shù)將有重大突破和發(fā)展。

1.3計算機的軟件

1.3.1軟件的組成和分類

計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、

總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。這些部件或設(shè)備都是由

元件構(gòu)成的有形物體，稱為硬件。

計算程序組織并指揮計算機各個部件高速自動地完

成各種運算。因為它是無形的東西，所以稱為軟件。

例如用算盤進行運算，算盤本身就是硬件，而運算法

則和解題步驟等就是軟件。事實上，利用電子計算機

進行計算、控制或作其他工作時，需要有各種用途的程

序。

因此，凡是用于一臺計算機的各種程序，統(tǒng)稱為

這臺計算機的程序或軟件系統(tǒng)。

計算機軟件一般分為兩大類：一類叫系統(tǒng)程序，

一類叫應(yīng)用程序

系統(tǒng)程序用來簡化程序設(shè)計及使用方法，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。

它包括以下四類：

各種服務(wù)性程序;語言程序;

操作系統(tǒng);數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

應(yīng)用程序是用戶利用計算機來解決某些問題所編

制的程序，如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控

制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學(xué)計算程

序等等。隨著計算機的廣泛應(yīng)用，這類程序的種類越

來越多。

1.3.2軟件的發(fā)展演變

如同硬件一樣，計算機軟件也是在不斷發(fā)

展的，下面以系統(tǒng)程序為例，簡要說明軟件的

發(fā)展演變過程。

1.目的程序

早期計算機中，人們直接用機器語言編寫

程序，這種編寫程序的方式稱為手編程序。這

種用機器語言書寫的程序，計算機完全可以識

別并能執(zhí)行，所以又叫做目的程序。但是用機

器語言編寫程序很繁瑣，又耗費大量的人力和

時間，容易出錯，出錯后尋找錯誤也相當(dāng)費事,

這就大大限制了計算機的使用。

2.匯編程序

為了編寫程序方便翻譯和提高機器的使

用效率，人們用一些約定的文字、符號和數(shù)

字按規(guī)定的格式來表示各種不同的指令，然

后再用這些特殊符號表示的指令來編寫程序,

這就是所謂的匯編語言。借助于匯編程序，

計算機本身自動地把符號語言表示的程序（稱

為匯編源程序）翻譯成用機器語言表示的目的

程序。

3.高級語言程序

為了進一步實現(xiàn)程序自動化和便于程序交流，使

不熟悉具體計算機的人也能很方便地使用計算機，人

們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語言的算法語言。

算法語言是指按實際需要規(guī)定好的一套基本符號

以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學(xué)

語言，直觀通用，與具體機器無關(guān)，只要稍加學(xué)習(xí)就能

掌握，便于推廣使用計算機。

用算法語言編寫的程序稱為源程序，這種源程序

是不能由機器直接識別和執(zhí)行的，必須給計算機配備

一個即懂算法語言又懂機器語言的翻譯，才能把源程

序翻譯為機器語言。

翻譯通常采用下面兩種方法：

1.計算機配置一套用機器語言寫的編譯程序,

它把源程序翻譯成目的程序，然后機器執(zhí)行目的

程序，得出計算結(jié)果。但由于目的程序一般不能

獨立運行，還需要一種叫做運行系統(tǒng)的輔助軟件

來幫助。通常，把編譯程序和運行系統(tǒng)和稱為編

譯系統(tǒng)。

2.使源程序通過所謂的解釋系統(tǒng)進行解釋執(zhí)

行，即逐個解釋并立即執(zhí)行源程序的語句,它不是

編出目的程序后再執(zhí)行，而是直接逐一解釋語句

并得出計算結(jié)果。

4.作系

為了塞脫用戶直接使用機器并獨占機器這

種情況，依靠計算機來管理自己和管理用戶，于

是人們又創(chuàng)造出操作系統(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)用來管

理計算機資源（如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各

種編譯、應(yīng)用程序）和自動調(diào)度用戶的作業(yè)程序,

而使多個用戶能有效地共用一套計算機系統(tǒng)。

根據(jù)不同使用環(huán)境要求，操作系統(tǒng)目前大致

令為批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操

作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)等多種。

5.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

隨著計算機在信息處理、情報檢索及各種

管理系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展，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，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。所謂數(shù)據(jù)

庫就是實現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量相關(guān)數(shù)

據(jù)，方便多用戶訪問的計算機軟、硬件資源組成

的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件一起,組成了

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

1.4計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

1.4.1多級組成的計算機系統(tǒng)

1.微程序設(shè)計級

這是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執(zhí)

行微命令。如果某一個應(yīng)用程序直接用微命令來編

寫，那么可在這一級上運行應(yīng)用程序。

2一般機器級

也稱為機器語言級，由微程序解釋機器指令系

統(tǒng)。這一級也是硬件級。

3.操作系統(tǒng)級

由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機器指

令和廣義指令組成，這些廣義指令是操作系統(tǒng)定義

和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。

4.匯編語言級

給程序人員提供一種符號形式語言，以減

少程序編寫的復(fù)雜性。這一級由匯編程序支持

和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫，則

機器必須要有這一級的功能；如果應(yīng)用程序不

采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。

5.高級語言級

面向用戶，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)

置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和

執(zhí)行。

圖L6計算機冢繡的

高級語言級

層次結(jié)構(gòu)示意圖

編碑程序

匯編語言皴

c匯域程序

3級操作系酰級

操作系統(tǒng)

2級TOL藉級|

1級I微程總城星級.

徵程序直接由硬件執(zhí)行

1.4.2軟件與硬件的邏輯等價性

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，計算機系統(tǒng)軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因為任

何操作可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)；任

何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。

對于某一功能采用硬件方案還是軟件方案，取決于器

件價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期等因素。

就目前而言，一些計算機的特點是，把原來明顯

地在一般機器級通過編制程序?qū)崿F(xiàn)的操作，如整數(shù)乘

除法指令、浮點運算指令、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)模集成電路和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的

發(fā)展，實體硬件機的功能范圍不斷在擴大。由于容量

大、價格低、體積小、可以改寫的只讀存儲器提供了

軟件固化的良好物質(zhì)手段