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1、第2章 电子计算机的基本结构,2. 1 冯诺依曼计算机模型 2. 2 电子计算机的组成结构 2. 3 计算机系统的分类 2. 4 电子计算机的性能评价 2. 5 电子计算机的特点与发展趋势,2019/1/16,作业：（ P36）1，2，3，10，11，21，23， 26，32。,2 . 1 冯诺依曼计算机模型,问题 / 研究目标 / 需求分析 / 自顶向下的设计 通用计算机 问题求解： 冯诺依曼的解决方案：存储程序(Stored Program) 您的解决方案：？,2019/1/16,2 . 1 冯诺依曼计算机模型,冯诺依曼计算机的基本组成,计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和控制器组成。
2、 “程序”是由一条一条的指令有序排列而成，而指令由操作码和地址码两部分组成。 指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制数形式进行运算。,2019/1/16,2 . 1 冯诺依曼计算机模型,五个部件如何连接在一起，共同工作？ 冯诺依曼设计的计算机模型,2019/1/16,2 . 1 冯诺依曼计算机模型,冯诺依曼计算机模型 的特点,计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。 存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元组成，每个存储单元的位数是相等且固定的，存储单元按地址访问。 “程序”是由一条一条的指令有序排列而成，而指令由操作码和地址码两部分组成。,2019/
3、1/16,2 . 1 冯诺依曼计算机模型,冯诺依曼计算机模型 的特点（续）,指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制数形式进行运算 。 程序（指令）与数据是同等地不加区分地存储在同一个存储器中 。 设置“程序计数器PC”来指示下一条将要执行的指令的地址。每执行完一条指令，程序计数器就自动加1，指向下一条指令的存储单元。,2019/1/16,2 . 1 冯诺依曼计算机模型,冯诺依曼计算机模型 的改进： 以存储器为中心连接在一起,2019/1/16,2 . 1 冯诺依曼计算机模型,大学，止于至善 Simple is beauty. Make everything as simple as poss
4、ible, but not simpler. (Albert Einstein) Plato is dear to me, but dearer still is truth. （吾爱吾师，吾更爱真理） (Aristotle, Ancient Greek philosopher),2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 1 电子计算机的基本组成 1.概述 从组成的角度看，电子计算机由控制单元CU、运算单元ALU、存储器、输入单元和输出单元组成。在具体实现时，通常将CU和ALU集成在一起，构成处理单元（Processing Unit，PU）。处理单元也称处理器（Proc
5、essor）。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,一台计算机通常只拥有一个PU，而这个PU又是计算机的核心部件，所以这样的处理单元又称为“中央处理器(Central Processing Unit, CPU)”。 事实上，一台计算机可以拥有多个PU，这样的计算机叫做“并行计算机(Parallel Computer)”或“高性能计算机(High Performance Computer)”。 追求更高的计算性能，是科学研究的永恒主题。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,2.硬件（hardware） 构成计算机的物理实体 例如处理器、存储器、输入输出控制器等
6、芯片及其集成这些芯片的印刷线路板主板(Mainboard)。其中，主板上的存储器是可以被处理器直接访问的，被称为“主存储器（Main Memory，简称主存）”。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,2.硬件（hardware） 其它硬件还包括安装在一个机箱内部的机架上的软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器及联系它们的线缆。 这个机箱及其中的硬件被统称为主机。 主机之外的硬件设备主要是各种输入/输出设备(Input/Output Devices) 。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,辅助存储器（Secondary Memory，简称辅存）是计算机系统不可或
7、缺的存储介质。 在计算机关机或断电后，存储在主存中的信息将消失。这样的存储器称为“易失性存储器(Volatile Memory)”。所以需要长久保存的程序和数据必须存储在“非易失的存储器(Non-volatile Memory)”辅存里。 由于辅存位于机箱外部，又称“外存(External Memory)”。相应地，位于机箱内部的主存也称“内存(Internal Memory)”。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,常见的辅存有：硬盘(Hard Disk, HD)、软盘(Floppy Disk, FD)、光盘(Optical Disk Memory, ODM)、磁带等。辅存
8、的容量比主存的容量要大得多，每位的平均价格也要低得多，但是它的访问速度却明显慢于主存。 为了保证速度很快的处理器有较高的工作效率，计算机的设计者规定处理器只与速度较快的主存交换信息，而不直接访问辅存，辅存中的信息要装入到主存后才能供处理器使用。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 1 电子计算机的基本组成 3.处理单元PU的组成 算术逻辑单元ALU、控制单元CU以及一些暂存单元寄存器(Register)。 ALU是计算机的运算装置，它能够完成“加、减、乘、除”等算术运算和“与、或、非、异或”等逻辑运算。一个基本的ALU由加法器、逻辑运算器、移位器(Shifter)
9、和求补器(Complementer)组成。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,3.处理单元PU的组成 CU是PU的指挥机构，由程序计数器PC、存放当前指令的指令寄存器IR、解释指令的指令译码器ID、发出各种命令信号的控制信号发生器CSG及相应的控制逻辑组成。CU依据指令译码器产生的一系列操作命令/信号来指挥、协调PU乃至计算机系统中各个部件的工作。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,寄存器分为数据寄存器、地址寄存器和标志寄存器等。 最常用的数据寄存器是用于存放加法运算结果的累加寄存器ACC，8086中的累加寄存器命名为AX。 地址寄存器有基址寄存器、变址
10、寄存器等。 引入“标志”来表示/区分计算过程的各种状态是计算思维的一个具体体现。 例如，用“零标志ZF (Zero Flag)”表示加法运算的结果是否为零。若是，则置ZF为1，否则为0。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,其他的标志有进位标志CF(Carry Flag)、溢出标志OF(Overflow Flag)、符号标志SF(Sign Flag)和奇偶标志PF(Parity Flag)等，这些标志分别占据标志寄存器FR中的不同位。 用SF表示运算的结果是否为负数。若是，则置SF为1，否则为0。用PF表示结果是否为奇数。这样，后继的指令就可以根据ZF、SF、PF的值来选择不
11、同的操作。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,访问主存是PU经常执行的操作。为了实现这个操作，PU内部设置了专门存放访存地址的寄存器MAR (Memory Access Register)、专门存放与主存交换数据的寄存器MDR (Memory Data Register)。有的文献称MDR为MBR(Memory Buffer Register)。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,在用户看来，只要把主存地址送入MAR，启动读命令，在一个访存周期内，目标数据就会从主存被读入到MDR中；或者只要把主存地址
12、送入MAR并把目标数据送入MDR，启动写命令，在一个访存周期内，目标数据就会从MDR被写到主存中。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 1 电子计算机的基本组成 4.软件 广义上，软件是“计算机程序、过程、规则及与这些程序、过程、规则有关的文档，以及从属于计算机系统运行的数据。” 狭义上，软件指发挥电子计算机功能的各种程序及相应的数据。 按照性质和功能的不同，软件分为系统软件、应用软件、支持软件、测试与维护软件等。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,5.固件(Firmware) 对于那些不再需要改动而且经常被调用的软件，为了使其有更快的执行速度
13、，可以将其存储在访问速度较快的只读存储器ROM芯片中。由于ROM芯片具有非易失性(即掉电后信息不会丢失)，所以相当于将软件“固化”在硬件中。 这种吸收软件、硬件各自优点，性能介于软件和硬件之间(执行速度快于软件，灵活性优于硬件)的，以硬件形式出现的软件称为“固件”。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 1 电子计算机的基本组成 2. 2. 2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现,“计算机体系结构” 是计算机科学与技术学科中最重要的概念之一。但这一概念并不是同计算机或计算机科学与技术学科一起与生俱来的，它是在第一台电子计算机诞生近20年后，由G.M.Amdahl
14、等人于1964年在设计IBM System/360时提出的。,2019/1/16,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现,提出“计算机体系结构”概念，所要解决的问题？ “软件可移植性”问题，具体说来，就是软件不加改动或只需少许改动，就可以运行在不同年代推出的不同档次的机器（S/360）上。,2019/1/16,Amdahl的定义,the attributes of a computer system as seen by the programmer, i.e. the conceptual structure and function beh
15、aviour, as distinct from the organization of the data flows and controls, the logic design, and the physical implementation. Amdahl, Blaaw and Brooks (1964),2019/1/16,2. 2. 2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现,计算机体系结构是指程序员所看到的机器的属性，即机器的概念性结构和功能表现。 这里，程序员主要是指汇编程序员。,同一厂家生产的具有相同计算机体系结构的计算机被称为系列计算机，简称系列机。,IBM S/360是计算
16、机历史上的第一个系列机。 DEC公司有：PDP-11，VAX-11系列。 CRAY公司有： CRAY系列超级计算机。 Intel公司有： 80x86系列微处理器。,2019/1/16,概念性的结构(1),2019/1/16,概念性的结构(2),2019/1/16,概念性的结构(3),2019/1/16,功 能 特 性,数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式；,寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等；,指令系统：机器指令的操作类型、格式，指令间的排序和控制机制等；,中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；,存储系统：最小编址单位、编址方式、主存容量、最大寻址 空间等；,处理机工作状态：状态的定义和切换方式，如管态和目态；,输入输出系统：连接方式、数据交换方式、数据交换过程的 控制等；,信息保护，包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。,2019/1/16,2. 2. 2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现
