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1、计算机组成原理计算机组成原理PrincipleofComputerOrganization(1159006)张惠臻张惠臻zhanghz2012年年秋季秋季华侨大学华侨大学计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院第第1章章计算机系统概论计算机系统概论2012913ZhanghzCSofHQU2主要内容主要内容1.计算机系统概述计算机系统概述1.1计算机系统简介计算机系统简介1.2计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.3计算机组成与计算机体系结构计算机组成与计算机体系结构2.计算机的基本组成计算机的基本组成2.1计算机硬件组成计算机硬件组成2.2计算机软件组成计算机软件组成3.计算机硬件性能
2、指标计算机硬件性能指标3.1机器字长机器字长3.2存储容量存储容量3.3运行速度运行速度4.计算机的发展与应用计算机的发展与应用4.1计算机的发展简史计算机的发展简史4.2软件技术的兴起与发展软件技术的兴起与发展4.3计算机的应用计算机的应用2012913ZhanghzCSofHQU31.1计算机系统简介计算机系统简介计算机的分类计算机的分类计计算算机机模拟计算机模拟计算机数字计算机数字计算机专用计算机专用计算机通用计算机通用计算机按性能和灵活性划分按性能和灵活性划分数值由连续量表示，运算过程也是连续的；数值由连续量表示，运算过程也是连续的；精度和解题能力有限，应用范围较小精度和解题能力有限，
3、应用范围较小按位运算，且不连续地跳动计算按位运算，且不连续地跳动计算特定任务特定任务2012913ZhanghzCSofHQU41.1计算机系统简介（计算机系统简介（2）通用计算机类型通用计算机类型2012913ZhanghzCSofHQU51.1计算机系统简介（计算机系统简介（3）计算机系统计算机系统一个由“硬件一个由“硬件+软件”组成的复杂的自动化设备软件”组成的复杂的自动化设备包含硬件系统和软件系统两大部分包含硬件系统和软件系统两大部分硬件：计算机的实体部分，由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成软件：由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成，看不见摸不着，一般通
4、过各类媒介（如光盘、磁盘等）存放硬件与软件的关系硬件与软件的关系硬件是躯体，是物质基础；软件是灵魂，是硬件功能的完善和补充硬件是躯体，是物质基础；软件是灵魂，是硬件功能的完善和补充没有硬件或好的硬件，无从运行软件，无法计算、处理问题没有软件或好的软件，计算机就是个空壳废铁硬件和软件在逻辑功能上是等价的硬件和软件在逻辑功能上是等价的计算机性能的好坏取决于“软”、“硬”件功能的总计算机性能的好坏取决于“软”、“硬”件功能的总和和2012913ZhanghzCSofHQU61.2计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构现代计算机的解题处理过程现代计算机的解题处理过程首先，用户用高级语言编写程序，描述
5、问题的求解过程首先，用户用高级语言编写程序，描述问题的求解过程然后，将程序与数据一起送入计算机中，由计算机将其翻译成机器语然后，将程序与数据一起送入计算机中，由计算机将其翻译成机器语言程序言程序最后，计算机自动运行机器语言程序，输出计算结果最后，计算机自动运行机器语言程序，输出计算结果计算机计算机高级语言程序高级语言程序翻译翻译机器语言机器语言程序程序运行运行结果结果2012913ZhanghzCSofHQU71.2计算机系统的层次结构（计算机系统的层次结构（2）机器语言机器语言汇编语言汇编语言高级语言高级语言应用语言应用语言操作系统操作系统微指令系统微指令系统实际机器实际机器M1虚拟机器虚拟
6、机器M2虚拟机器虚拟机器M3微程序机器微程序机器M0虚拟机器虚拟机器M虚拟机器虚拟机器M4将每条机器指令翻译成一组微指将每条机器指令翻译成一组微指令，构成一个微程序令，构成一个微程序二进制代码（二进制代码（00、11串），串），直接在物理机器上执行直接在物理机器上执行提供汇编语言提供汇编语言高级语言使用与高级语言使用与实现中所需的基本操作，管理计实现中所需的基本操作，管理计算机软硬件资源，方便使用算机软硬件资源，方便使用符号式语言，不具有通用性，符号式语言，不具有通用性，与机器指令系统相关与机器指令系统相关汇编器汇编器CC+JavaCC+Java等，对问题描述接近等，对问题描述接近人类习惯，较
7、强的通用性，翻译人类习惯，较强的通用性，翻译成汇编语言成汇编语言编译器或解释器编译器或解释器VHDLXMLVHDLXML等，为满足某种用途而等，为满足某种用途而专门设计专门设计应用程序包应用程序包传统机器传统机器M12012913ZhanghzCSofHQU81.2计算机系统的层次结构（计算机系统的层次结构（3）虚拟机器虚拟机器M3（高级语言机器）（高级语言机器）虚拟机器虚拟机器M2（汇编语言机器）（汇编语言机器）虚拟机器虚拟机器M（操作系统机器）（操作系统机器）传统机器传统机器M1（机器语言机器）（机器语言机器）微程序机器微程序机器M0（微指令系统）（微指令系统）用硬件直接执行微指令用硬件直
8、接执行微指令用微程序解释机器指令用微程序解释机器指令用机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统用汇编器翻译成机器语言程序用汇编器翻译成机器语言程序用编译器用编译器解释器翻译成汇编解释器翻译成汇编语言程序语言程序软件软件硬件硬件2012913ZhanghzCSofHQU91.3计算机组成与计算机体系结构计算机组成与计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构程序员可见的机器属性，即概念性的结构与功能特性程序员可见的机器属性，即概念性的结构与功能特性程序员特指机器语言汇编语言程序员机器属性包括机器属性包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、IO机制等计算机组成计算机组成计算机体系结构的逻辑实现计算机
9、体系结构的逻辑实现具有对程序员透明的实现细节包含实际机器的数据流和控制流的组成和逻辑设计等包含实际机器的数据流和控制流的组成和逻辑设计等着眼于物理机器内部各事件的排序方式与控制方式，各部件的功能以着眼于物理机器内部各事件的排序方式与控制方式，各部件的功能以及相互间的联系及相互间的联系2012913ZhanghzCSofHQU10计算机组成计算机组成VS.计算机体系结构计算机体系结构对于对于IBMPC与与RS6000两种机器两种机器高级语言程序员：认为是同一属性的机器高级语言程序员：认为是同一属性的机器汇编语言程序员：两种截然不同的机器汇编语言程序员：两种截然不同的机器指令集、数据类型、寻址技术
10、等完全不同因此，这两种机器的体系结构各不相同因此，这两种机器的体系结构各不相同指令系统的问题指令系统的问题指令系统体现了机器属性，其中有哪些指令，属于体系结构的问题指令系统体现了机器属性，其中有哪些指令，属于体系结构的问题指令如何实现，即怎么取指、分析指令、取操作数、运算等，属于计指令如何实现，即怎么取指、分析指令、取操作数、运算等，属于计算机组成的问题算机组成的问题一台机器是否具备乘法指令，这是计算机体系结构的问题；而怎么实现乘法指令的功能，则是计算机组成的问题，比如可以用专门的乘法电路或者用连续相加的加法电路2012913ZhanghzCSofHQU11主要内容主要内容1.计算机系统概述计
11、算机系统概述1.1计算机系统简介计算机系统简介1.2计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.3计算机组成与计算机体系结构计算机组成与计算机体系结构2.计算机的基本组成计算机的基本组成2.1计算机硬件组成计算机硬件组成2.2计算机软件组成计算机软件组成3.计算机硬件性能指标计算机硬件性能指标3.1机器字长机器字长3.2存储容量存储容量3.3运行速度运行速度4.计算机的发展与应用计算机的发展与应用4.1计算机的发展简史计算机的发展简史4.2软件技术的兴起与发展软件技术的兴起与发展4.3计算机的应用计算机的应用2012913ZhanghzCSofHQU122.1计算机的硬件组成计算机的硬件组成从
12、计算从计算y=ax+bc开始开始y数据数据13x数据数据12c数据数据11b数据数据10a数据数据98停止停止运算完毕，停止运算完毕，停止7输出输出把把y的值写出给人看的值写出给人看6存数存数y13结果结果y的值记录到第的值记录到第13行行5减法减法（11）完成完成y=ax+b-c4加法加法（10）完成完成ax+b3乘法乘法（12）完成完成ax2取数取数（9）（9）表示第）表示第9行的数行的数a，下同，下同1解题步骤与数据解题步骤与数据说明说明行数行数2012913ZhanghzCSofHQU132.1计算机的硬件组成（计算机的硬件组成（2）解题过程的解释解题过程的解释把原始数据及解题步骤记录
13、在纸上，即在纸上“存储”了解题的原始把原始数据及解题步骤记录在纸上，即在纸上“存储”了解题的原始信息，纸作为具有记忆功能的部件信息，纸作为具有记忆功能的部件存储器存储器对数据进行了加、减、乘等算术运算，人脑作为具有计算功能的部件对数据进行了加、减、乘等算术运算，人脑作为具有计算功能的部件运算器运算器用笔将解题信息写在纸上或将运算结果写出来用笔将解题信息写在纸上或将运算结果写出来输入输入输出设备输出设备整个过程在人脑的控制下有序进行整个过程在人脑的控制下有序进行控制器控制器计算机硬件的五大组成部件计算机硬件的五大组成部件运算器：完成算术运算和逻辑运算，将暂存中间结果运算器：完成算术运算和逻辑运算
14、，将暂存中间结果存储器：存放数据和程序存储器：存放数据和程序控制器：控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果控制器：控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果输入设备：将人们熟悉的信息形式转换成机器能识别的形式输入设备：将人们熟悉的信息形式转换成机器能识别的形式输出设备：将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式展示出来输出设备：将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式展示出来2012913ZhanghzCSofHQU14冯冯诺依曼计算机组成结构诺依曼计算机组成结构冯冯诺依曼机诺依曼机1945年，冯年，冯诺依曼在研究诺依曼在研究EDVAC时提出“存储程序”概时提出“存储程序”概念，以此
15、概念为基础研制的计算机统称为冯念，以此概念为基础研制的计算机统称为冯诺依曼机诺依曼机特点：特点：五大组成部件，以运算器为中心数据和指令用二进制数表示，以同等地位存放于存储器中，按地址访问指令由操作码和地址码组成，在存储器中按顺序存放数据线数据线控制线控制线2012913ZhanghzCSofHQU15冯冯诺依曼结构诺依曼结构VS.哈佛结构哈佛结构冯冯诺依曼结构也叫做普林斯顿结构诺依曼结构也叫做普林斯顿结构哈佛结构哈佛结构将指令和数据分开存储的结构将指令和数据分开存储的结构两者的主要区别两者的主要区别指令和数据是否分别存储指令和数据是否分别存储是否使用两条独立的总线，分别作为是否使用两条独立的总
16、线，分别作为CPU与每个存储器间的专用通信通道与每个存储器间的专用通信通道，两条总线间毫无关联，两条总线间毫无关联哈佛结构目前较多出现在嵌入式应用哈佛结构目前较多出现在嵌入式应用中中2012913ZhanghzCSofHQU16现代计算机的组成结构现代计算机的组成结构以存储器为中心以存储器为中心主机主机IO设备设备主主存存储储器器CPU运算单元运算单元（ALU）控制单元控制单元（CU）运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系紧密，将其集成在同一运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系紧密，将其集成在同一芯片上，称为芯片上，称为中央处理器中央处理器CPU把输入设备与输出设备简称把输入设备与输出设备简称IO设备设备现代计算机三大组成部件：现代计算机三大组成部件：CPU主存储器主存储器IO设备设备主机主机外部设备外部设备2012913ZhanghzCSofHQU17细化的计算机组成
