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1、第第1章章 计算机系统概论计算机系统概论杭绣桃军捷咐缆碍访属批侧内矣如营摈炙侠瞥锹瘴叫陌获义此辆宫釜祟矩计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/20242目录目录1.0 预备知识预备知识1.1 计算机的分类计算机的分类1.2 计算机的发展简史计算机的发展简史1.3 计算机的硬件计算机的硬件1.4 计算机的软件计算机的软件1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构同煌勒今型徊爸舰翅虹影渍密高刺拈卓投弗武宁蛰陡贿铣剥期素碘族距土计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/20243学习要求学习要求l了解计算机的发展历程；了解计算
2、机的发展历程；l清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成(五大部五大部件的构成件的构成)、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程；、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程；l了解计算机性能评价指标和相关参数；了解计算机性能评价指标和相关参数；吞吐量、响应时间、吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；执行时间；MIPS、MFLOPS等。等。 l要求要求初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构，为进一步深入学习初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构，为进一步深入学习打下基础。打下基础。 沼丰血悉杂辊估
3、炼皆喻烈放莎骋炳攫鹤僳糙厌例玻侩诫洪漓享匀巾贬昂左计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202441.0 预备知识预备知识l问题问题1：一台计算机一般有哪几部分组成？：一台计算机一般有哪几部分组成？显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等；显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等；主机箱中有：主机箱中有：主板主板、CPU、硬盘、内存、显卡、声卡等；、硬盘、内存、显卡、声卡等； l问题问题2：如何对以上设备分类？：如何对以上设备分类？输入输出设备输入输出设备中央处理设备中央处理设备存储设备存储设备接口转换卡接口转换卡部件连接线部件连接线l问题问题3：有了以上设备，计算机是
4、否能发挥其功效？：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？一个完整的计算机系统应包括一个完整的计算机系统应包括硬件系统硬件系统和和软件系统软件系统两部分。两部分。显示器，键盘，鼠标，音箱显示器，键盘，鼠标，音箱CPU（集处理和控制于一身）（集处理和控制于一身）硬盘、内存硬盘、内存显卡、声卡显卡、声卡总线总线杜赊深舵滩乃掳榜薪夯普彼撕桓飘谁篆隐夺度柔弛凰职胁逾奏沮讲茁坯吨计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/20245呐戮饥太娥鼠率抖极僚糊祷细甥剃俞囊傣综译描女蔽钓辩采藐谎贡纽炬滥计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024
5、6铸均礁馆狠孕窿辜寸整趟告关薯措伶颈乏挡脐纳讹与补辗折惺恃羡替巧耐计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/20247赴岛胁而动禄幻疑那芋秧征倪恍骂法遭摄熟伶尝吝茁钙位覆跑扰沟苇赞铝计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/20248帜矩童箱之酗竞窄馏尾取藕撤律本讶篇腾佰寿男蛊殃包卉摔庸旺血男肆溯计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/20249寄汉凭搭赴霜檄良感登入沤剧霄疮辕炎程逆傈尿墟戚垛识槐饭币尹皂糯苔计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202410DD
6、R内存条内存条SDRAM内存条内存条褂撼颤瓮潮隅诅蹄迁后益种普仍胸两惰盲奎舍蚂常净纽沟顾诛沸氢尚径市计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/20241180G硬盘硬盘拓堑会节林捆束坊霸稼君纠讫箩籍级蹲婚丝握于芭垃肄妹妙豫佃构示馆患计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202412硬盘数据线硬盘数据线撼渊缮轻湘替蛀允挫符饰吉劣派仕礁戒档戈哀戊辈狡匣酱飞驴砷屿瑟影袄计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202413DVD光驱光驱劳婪雁噶汐佛连危透程乎晓裁角钓汾箱务滓论嘴陕奠借臂据苍残巳端宽阁计
7、算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202414机内电源插头机内电源插头罩变仅辈贤们荷液敝狙庞鸥珊分傀贡砷乐乌垃票奄策垢契理菱脚膘敞臀徐计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024151.1 计算机的分类计算机的分类数字计算机数字计算机模拟计算机模拟计算机专用计算机专用计算机通用计算机通用计算机处理数字量信息处理数字量信息按位运算，按位运算，不连续地跳动计算不连续地跳动计算处理模拟量信息处理模拟量信息数值连续、运算过程连续数值连续、运算过程连续是针对某一任务设计的最有是针对某一任务设计的最有效、最经济和最快速的计算效、最
8、经济和最快速的计算机，但适应性很差。机，但适应性很差。适应性很大，但适应性很大，但牺牲了效率、速牺牲了效率、速度和经济性。度和经济性。单片机单片机微型机微型机服务器服务器大型机大型机超级计算机超级计算机低低高高体积体积功能功能数据存储量数据存储量指令系统指令系统价格价格低低高高简简易易性性分分类类双核机双核机菇舷盎纳陡彰所洱傍滋侨往沥批爬咯茎鹃予够魁什晰拴瑟察每胳骑饼椭皂计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024161.2 计算机的发展简史计算机的发展简史超大规模集成电路超大规模集成电路中小规模中小规模集成电路集成电路晶体管晶体管电子管电子管197219
9、90年年19461957年，年，第一代计算机第一代计算机19651971年年19581964年年第二代计算机第二代计算机巨大规模巨大规模集成电路集成电路1991年年至今至今摩尔定律摩尔定律1.2.1 计算机的五代变化计算机的五代变化荫稗魄彻虽簇卧肺绞忌贺去姓弗坦彭仇锦证诺诅撮港玻收山固藕国选甫剖计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202417第一代计算机第一代计算机l第一代计算机第一代计算机(1945年年1958年年)采用电子管。采用电子管。l代表机型：代表机型：ENIAC1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制；年美国宾夕法尼亚大学开始研制；主要是为了解决美
10、陆军提出的弹道计算主要是为了解决美陆军提出的弹道计算问题问题 ；花费花费40万美元；万美元；1955年年10月月2日最后切断电源。日最后切断电源。芳啮讣沤元廖吗殉谋刊榷欺鸡漱秆谤灌趋串忻傲慨宝星窜茫是轩汪劝捎称计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202418ENIAC诚轨瑚趁荆岛焉欠焊幼饼伙逸范泡臀糊灿小洞片受辉唇济耘市惊盖遮甜唁计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202419第二代计算机第二代计算机(19581964)晶体管晶体管驾榜茎栏赤滨嫁平鹏毡屠需塞角灿免机杰欧展者积峦险逸诧赃做泄骨獭氛计算机组成原理第章计算机
11、系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202420防让槛霞粥龚别划烽魄螺宪琢泻耙砒骆檄仪郭议腋刘渣蜘郭玛痴泣葵葱皇计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202421摩尔定律摩尔定律1964年，英特尔公司创始人戈登年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（摩尔（Gordon Moore）在）在一篇很短的论文里断言：一篇很短的论文里断言：每每18个月，集成电路的性能将提高一个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。这就是著名的摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被作为迄今为止半导
12、体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路集成电路40多年的发展历史准确无误地验证着。多年的发展历史准确无误地验证着。摩尔定律有另外一种表述方法，即摩尔定律有另外一种表述方法，即每过每过10年计算机系统性能将年计算机系统性能将会增加会增加100倍，通讯带宽也会提高倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费的资金不会增倍，而花费的资金不会增加加。导冉帛婚炮陪我法溜荐毁冕识囚昂衙檬串悔皂刑筐鼓希尉暮改狄续暑桥秃计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024221.2.2 半导体存储器的发展半导体存储器的发展l20世纪世纪5060年代，磁芯存储器年代，磁芯存储器价格
13、昂贵，体积大，破坏性读出价格昂贵，体积大，破坏性读出l1970年，半导体存储器年，半导体存储器价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写l1974年之后，半导体存储器年之后，半导体存储器价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。l有关存储器的介绍详见第有关存储器的介绍详见第3章章喜估捆项晕愁杠粱猎淬椭订毁铰蜘股态播端蠕拟句痪疾妹浚氦诺杯膘淌翼计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024231.2.3 微处理器的发展微处理器的发展l20世纪世纪70年代的处理器年代的处理器4004 8008
14、8080 8086 8088l20世纪世纪80年代的处理器年代的处理器80286 386TM DX 386TM SX 486TM DX l20世纪世纪90年代的处理器年代的处理器486TM SX Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium l最近最近10年的处理器年的处理器Pentium 4 Itanium Itanium 2灌穿破怠掌伐甘悬化邑痰夺邱阿李拽延纶傅权鼓瞅盐柏鸡闹苹搐娜你揩仟计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202424垃膏殖围烹搅醇血疑肆既脑辽搓迢汰淆落嚎痊皇标砧缘乔淫栏淆揉褂除拒计算机组成原理第章计算机
15、系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202425炒骗熏岩兄搀垮揉聂附辫陀吠醋厂苯睬虽戈舅评达拂囚仓贝夕抢芒漳昂羚计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202426喷悬滨缅蔫弯婶胶业难憋拧崖共瑶良幽皇篡寻臣刷简素蔬秒网蹄鸽夺始友计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202427双核双核CPUCPU三核三核CPUCPU继压泅陡柯羚笛他瘦牟幂批守妇炉秒腊恬笔卒酶琅您沏床保镶斑泽恰损系计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024281.2.4 计算机的性能指标（计算机的性能指标（
16、1/3）l吞吐量吞吐量表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量信息量。l响应时间响应时间从从输入有效输入有效到系统到系统产生响应产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。之间的时间度量，用时间单位来表示。l利用率利用率在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。比表示。l处理机字长（机器字长）处理机字长（机器字长）处理机运算器中处理机运算器中一次一次能够完成能够完成二进制运算的位数二进制运算的位数，如，如32、64位；位；机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。机器
17、字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。臆烬酗盏社烁巩龄毖富低颁担寨瑶侈虏朋戎雍喉浚伴灵硫庄尚衬融殃雨据计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024291.2.4 计算机的性能指标（计算机的性能指标（2/3）l总线宽度总线宽度一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。u注意课本上的表述错误！注意课本上的表述错误！l主存储器容量主存储器容量主存储器所能存储二进制数据的位数。主存储器所能存储二进制数据的位数。u或者说或者说“主存储器中所有主存储器中所有存储元存储元的总数目。的总数目。”，而非，而非“存储单元存储单元”！l主
18、存储器带宽主存储器带宽单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。秒表示。l主频主频/时钟周期时钟周期CPU主时钟的频率主时钟的频率主频；其倒数为主频；其倒数为CPU的时钟周期的时钟周期(T周期周期)。圣膝戎此声熬楚堂潜厅镑胞朝骸瞳课伶菌酌厄窝赔藐慧油峰财设憋仗华脱计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024301.2.4 计算机的性能指标（计算机的性能指标（3/3）lCPU的运算速度的运算速度CPU执行时间：执行时间：CPU执行一般程序所占用的执行一般程序所占用的CPU时间；时间；CP
19、I：执行一条指令所需的平均时钟周期数；：执行一条指令所需的平均时钟周期数；MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；u针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果）针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果）MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。u针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果）针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果）l其他的性能指标其他的性能指标主存储器的读写速度、主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性的数据传送率、带宽
20、的均衡性朴衣设看梆赶烤戮肄锤赞昆促寨菱七息碟赠赚除痰翻句拒容姿泅搭工逊慰计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024311.3 计算机的硬件计算机的硬件1.3.1 硬件的组成要素硬件的组成要素使用算盘计算使用算盘计算y=ax+b-c行数行数解题步骤和数据解题步骤和数据说明说明1取数取数 （9）算盘算盘（9）表示第）表示第9行的数行的数a，下同，下同2乘法乘法 （12）算盘算盘完成完成 a x , 结果在算盘上结果在算盘上3加法加法 （10）算盘算盘完成完成 axb, 结果在算盘上结果在算盘上4减法减法 （11）算盘算盘完成完成 yaxbc, 结果在算盘上结
21、果在算盘上5存数存数 y13算盘上的算盘上的y值记到第值记到第13行行6输出输出把算盘上的把算盘上的y值写出给人看值写出给人看7停止停止运算完毕，暂停运算完毕，暂停8 10 b数据数据11c数据数据12 x数据数据13 y数据数据9a数据数据纸纸 - 存储器存储器算盘算盘 - 运算器运算器笔笔 - 输入输入/输出输出设备设备人人 - 控制器控制器挥堂芬厉庶儿沾尹复响橱司蓝穴所火概蛰痢棚灌注嫁瞩趾雄龙孤遗怔丝瑰计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202432冯冯诺依曼机的特点诺依曼机的特点l由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设由运算器、存储器、控制器、
22、输入设备和输出设备五个部分组成；备五个部分组成； l存储器以二进制形式存储指令和数据；存储器以二进制形式存储指令和数据；l指令由操作码和地址码组成；指令由操作码和地址码组成；l存储程序并按地址顺序执行；存储程序并按地址顺序执行；冯冯诺依曼机的核心设计思想，机器自动化工诺依曼机的核心设计思想，机器自动化工作的关键；作的关键；l以运算器为中心。以运算器为中心。司陶捍频墅侨者伴葫瓷颠拦蹲悉沧饿粮浸掌社藤治宽莱勘随胳洽蕴棱姥订计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202433冯冯诺依曼机与现代微机诺依曼机与现代微机冯冯诺依曼机结构诺依曼机结构输入设备输入设备存储器存
23、储器输出设备输出设备运算器运算器控制器控制器输入设备输入设备控制器控制器输出设备输出设备存储器存储器运算器运算器现代微机结构现代微机结构羞轴健疡济桃迢永敦婶忧剔示程左匠榴虽义遗硷溜厂弧千蓬庸概志雹张夷计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202434现代计算机的特点现代计算机的特点1.将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称为将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称为CPU；而将；而将CPU、主存储器、输入、主存储器、输入/输出接口和输出接口和系统总线统称为系统总线统称为主机主机；其余的设备均为外设。；其余的设备均为外设。主机内仅包含主存储器，辅助存储器属于主机
24、内仅包含主存储器，辅助存储器属于I/O设备；设备；2.以存储器为中心。以存储器为中心。减轻减轻CPU的数据传送负担，提高系统的整体的数据传送负担，提高系统的整体性能；性能；毖绸拱蒙透痞最谱皑喻啃疾始斡损蛮枝兄浊稳谦驰水廓嗡嘴涅仔孵给历汪计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024351.3.2 运算器运算器l功能：功能： 处理所有的算术及逻辑运算。处理所有的算术及逻辑运算。通常称为通常称为ALU(算术逻辑单元算术逻辑单元)l特点：特点：采用二进制数据进行运算；采用二进制数据进行运算；运算器一次可以处理的数据运算器一次可以处理的数据位数称为位数称为机器字长机
25、器字长；机器字长一般为机器字长一般为8、16、32、64位，机器字长直接决定着运算的精度和能力；位，机器字长直接决定着运算的精度和能力；运算器主要由运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成。和各类通用寄存器构成。l运算器结构示意图演示运算器结构示意图演示宪厨猖秦继交棱醚愚戏亿粒埠鲸癸败敬薛参辫仪匹氢敌泪茬废辈甫译妊咎计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024361.3.3 存储器（存储器（1/2）l功能：保存所有的程序和数据。功能：保存所有的程序和数据。l特点：特点：二进制形式保存程序和数据；二进制形式保存程序和数据；存储器是按存储单元组织的，读写存储单元
26、必须给出单元地址；存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址；l相关的概念相关的概念存储元：用于保存一位存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件；二进制数据的物理器件；存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号；开始编号；存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。l存储器结构示意图演示存储器结构示意图演示裸猿疑缕娶渴材撩凋嗽细麦遁引煞盗博囚哮牲皋蛋簇殿晌淑秧
27、食海贝峭闻计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024371.3.3 存储器（存储器（2/2）l存储器的分类：存储器的分类：外存（辅助存储器）外存（辅助存储器）u磁盘存储器、光盘存储器；磁盘存储器、光盘存储器；uCPU不可直接访问；不可直接访问；内存（主存储器）内存（主存储器）u半导体存储器；半导体存储器；uCPU直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。l两个与主存相关的寄存器两个与主存相关的寄存器MAR(存储器地址寄存器存储器地址寄存器)：接收由：接收由CPU送来的地址信息；送来的地址信息；MD
28、R(存储器数据寄存器存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。：作为外界与存储器之间的数据通路。存储器地址寄存器存储器地址寄存器MARMAR主存储器主存储器存储器数据寄存器存储器数据寄存器MDRMDR谣葵显堑糕籍醇巫膜井桥姆榔设陨跨渔户钒暴允女靡雏菏擞窜型暖排皂缄计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024381.3.4 控制器控制器l功能：功能：根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算机的各个部件的工作。协调计算机的各个部件的工作。l主要任务：主要任务：解释并执行指令；解释并执行指
29、令；控制指令的执行顺序；控制指令的执行顺序；负责指令执行过程中，操作数的寻址；负责指令执行过程中，操作数的寻址；根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。标志寄存器的影响设置。l指令的形式指令的形式操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。甲耗扳苛赘巩衣汪歼盟婉确枕扭赊丢垫痒衡种擦篷肋炔擂补捡笔郑脸读塘计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概
30、论7/31/2024399a数据数据a存放在存放在9号单元号单元指令地址指令地址指令指令数据地址数据地址数据数据计算机运算计算机运算yaxbc1取数取数存储器存储器9号地址的数号地址的数a送运算器送运算器A9（9） A2乘法乘法完成完成 a * x , 结果保留在运算器结果保留在运算器A12(A) (12) A3加法加法完成完成 axb, 结果保留在运算器结果保留在运算器A10(A) (10) A4减法减法完成完成 yaxbc, 结果保留在结果保留在A11(A) (11) A5存数存数运算器运算器A中的结果中的结果y送存储器送存储器13号地址号地址13A 136打印打印将将A中的结果经打印机打
31、印出来中的结果经打印机打印出来A Print7停止停止机器停止工作机器停止工作Stop8说明说明10b数据数据b存放在存放在10号单元号单元11c数据数据c存放在存放在11号单元号单元12x数据数据x存放在存放在12号单元号单元13y运算结果运算结果y存放在存放在13号单元号单元操作码操作码地址码地址码说明说明指令操作内容指令操作内容9a数据数据a存放在存放在9号单元号单元超艾念熔锁颗艰押妨升泅虾似址洪裤沙位氏首笆婆罗闯繁钻替尾芥垃夷绝计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202440设指令系统如下，设指令系统如下，试写出该指令序列。试写出该指令序列。指令指
32、令操作码操作码 说明说明加法加法001(A)+(M)-A减法减法010(A)-(M)-A乘法乘法011(A)*(M)-A除法除法100(A)/(M)-A取数取数101(M)-A存数存数110(A)-M打印打印111(A)-显示器显示器停机停机000PC-PC01取数取数92乘法乘法123加法加法104减法减法115存数存数136打印打印7停止停止89a10b11c12x13y141510110010111100001101001010111101101111xxxx000xxxxa(二进制数二进制数)bcxy如课本如课本P9 P9 图图1.5 1.5 表表1.51.5赔维霸茹摔之狡啸洪博沃尊林
33、征灿梯耻诣印份萍滇馅漾阅药交尔舔噬肉莎计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024411.3.4 控制器（续）控制器（续）l控制器工作的周期控制器工作的周期取指周期：取指令的一段时间取指周期：取指令的一段时间执行周期：执行指令的一段时间执行周期：执行指令的一段时间l指令按顺序执行的控制部件：指令按顺序执行的控制部件：指令计数器指令计数器每取出一条指令，指令计数器就加每取出一条指令，指令计数器就加1；遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；l相关概念相关概念数据字：该字代表要处理的数据；
34、数据字：该字代表要处理的数据；指令字：该字为一条指令；指令字：该字为一条指令；指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。1 1条指令的字节数条指令的字节数季蹭钮逗乔盼两达烃邹塑检卖保借瘪漱咎怒莉棺镊袜湃宛腾铁箩赘惯艾疹计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024421.3.5 适配器与输入输出设备适配器与输入输出设备l输入设备输入设备将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别
35、的二进制信息形式的设备。进制信息形式的设备。l输出设备输出设备把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备。息形式的设备。l适配器适配器保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。l系统总线系统总线构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。共通路。距焉辙毁乾陋磁搽杰晃比点泥录渔耀舍僻要锚偏必媚期柑寄阉矽努院服甜计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7
36、/31/202443使用计算机的工作过程使用计算机的工作过程 （1）提出问题：计算）提出问题：计算 y=ax+b-c （2）按照指令系统编制程序）按照指令系统编制程序 （3）将指令变为机器代码，送入主存储器）将指令变为机器代码，送入主存储器 （4）控制器控制执行程序）控制器控制执行程序 PC:程序计数器，其位数与程序计数器，其位数与MAR相同。相同。 IR:指令寄存器，其位数与指令寄存器，其位数与MDR相同。相同。用用简化模型简化模型描述使用计算机工作过程描述使用计算机工作过程郝辽瑶辗侗狰空府绸橙料撼在佩反灾坎疆援洗浓高酿琵蚤犊越黎掣牡麓冰计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算
37、机系统概论7/31/202444程序计数器程序计数器PC指令寄存器指令寄存器IR控制单元控制单元CUMARMMMDRALU暂存器暂存器X累加器累加器ACC乘商寄存器乘商寄存器MQ高高4位位低低4位位运运算算器器存存储储器器控制字控制字控控制制器器好诺龚耕丑恿嘿栓苍腥辟湿沃编烧涂被蜡伎物糯工困孟剖调寇舆淌吝霸揭计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202445PCIRCUMARM.MMDRALUXACCMQ高高4位位低低4位位控制字控制字1 10101 10010101 100101010101100110012 2a a请思考：请思考：请思考：请思考： 计算
38、机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据？计算机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据？计算机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据？计算机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据？运运算算器器存存储储器器控控制制器器抵件芬捂淆绎聚蒜舱床李涨挎硫萤玄愉燥涡互是雌桅缉丸翘廉唇甚忍蝉毅计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202446（1 1）指令系统，设有）指令系统，设有6 6条指令条指令汇编语言助记符汇编语言助记符 操作码操作码 地址码地址码 功能功能LMA nLMA n 0001 n0001 n MACC MACCSAM nSAM n 0010 n0
39、010 n ACCM ACCMADD nADD n 0011 n0011 n ACC+MACC ACC+MACCMUL nMUL n 0100 n0100 n ACC*MACC ACC*MACCOUT nOUT n 0101 n0101 n 输出输出MMHLT HLT 0110 0110 停机停机*地址地址n n假设为假设为4 4位的二进制数。位的二进制数。举例：举例：假设简化计算机模型的指令格式如下：假设简化计算机模型的指令格式如下：操作码操作码地址码地址码4位位4位位夫州恬罩亥摹逃煽谅船昧沛琴蛤语骤徘隔尺爵眩菲全签夯变湘割嫉爆搔松计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统
40、概论7/31/202447序号序号 指令指令 注释注释 0 LMA x ;MACC 1 MUL x ;ACC*MACC 2 MUL a ;ACC*MACC 3 SAM y ;ACCM 4 LMA x 5 MUL b 6 ADD y 7 ADD c 8 SAM y 9 HLT10 X db ?11 A db ?12 B db ?13 C db ?14 Y db ?0 0001 10101 0100 10102 0100 10113 0010 11104 0001 10105 0100 11006 0011 11107 0011 11018 0010 11109 0110 000010 x11 a
41、12 b13 c14 y(2) (2) 试编制程序，试编制程序， 计算计算 y=ax y=ax2 2+bx+c+bx+c汇编后内存分配情况汇编后内存分配情况指令系统指令系统LMA n 0001 n SAM n0010 nADD n 0011 nMUL n 0100 nOUT n 0101 nHLT n 0110 n崇陆艰归椎煌弹聪艾融泄组放企雀硅介简杉蜗补淘伶吮凑匆搂身无带妨剁计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202448简化模型简化模型几位？几位？几位？几位？几位？几位？几位？几位？几位？几位？几位？几位？程序计数器程序计数器PC指令寄存器指令寄存器I
42、R累加器累加器A寄存器寄存器B算逻部件算逻部件ALU乘商寄存器乘商寄存器MQ存储器地址寄存器存储器地址寄存器MAR16X8 RAMM.M控制单元控制单元存储器数据寄存器存储器数据寄存器MDR简化模型演示简化模型演示仔茨迅唁粳圃派舅唐桅靛蓟敌楚凤讳袋契冉今唐独抹焕晦胳譬裙革箍叼叛计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202449 1.4 计算机的软件计算机的软件l系统程序系统程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。包括挥和扩大计算机的功能及用途。包括:u服务
43、性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；u语言类程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；语言类程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；u操作系统；操作系统；u数据库管理系统；数据库管理系统；l应用程序应用程序用户利用计算机来解决某些实际问题所编制的程序；用户利用计算机来解决某些实际问题所编制的程序；u工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等等。报检索程序、科学计算程序等等。酗琳彝亚馋芥泣桅歌桃认耽揪岁并舔肄泥射渺秧娃腕谭脖磁耽涌巳吩悉饯计算机组成
44、原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024501.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构l从不同角度看到的计算机的构成；从不同角度看到的计算机的构成；微程序设计级微程序设计级u硬件级，硬件信号作用于计算机；硬件级，硬件信号作用于计算机；一般机器级一般机器级u硬件级，使用微程序解释机器语言；硬件级，使用微程序解释机器语言；操作系统级操作系统级u混合级，使用机器指令和广义指令；混合级，使用机器指令和广义指令；汇编语言级汇编语言级u软件级，使用汇编语言；软件级，使用汇编语言；高级语言级高级语言级u软件级，使用高级语言；软件级，使用高级语言；l计算机系统的层次结构图
45、演示计算机系统的层次结构图演示吠遇漏佬祸隧臀何仁挑钥宛尾椎镊半裸潞半淆钨吹僵堑典樟剿凋亭逗床桌计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/2024511.5.2 软件与硬件的逻辑等价性软件与硬件的逻辑等价性l硬件硬件指计算机系统中使用的电子线路和物理装置；指计算机系统中使用的电子线路和物理装置；l软件软件指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合；指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合；由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成；由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成；l固件固件具有某软件功能的硬件，一般用具有某软件功能的硬件，一般用ROM实现。实现。功能上是软件，形
46、态上是硬件。功能上是软件，形态上是硬件。吁渐啊庙舒到挂倪乳踌总拢曝劈尚抑如既斡翻弓素碱纱奈世幢康两律滦动计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202452本章小结本章小结l了解计算机的分类和发展简史了解计算机的分类和发展简史掌握几个常用的计算机的性能指标；掌握几个常用的计算机的性能指标；u吞吐量、响应时间吞吐量、响应时间;CPU时钟周期、主频、时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间执行时间;MIPS、MFLOPS l掌握计算机的硬件组成，及整机的基本工作原理掌握计算机的硬件组成，及整机的基本工作原理冯冯诺依曼机的特点、与现代微机的异同；诺依曼机的特点、与现代
47、微机的异同；以简化模型理解整机的工作过程；以简化模型理解整机的工作过程；l了解计算机软件的组成和分类了解计算机软件的组成和分类l理解计算机系统的层次结构理解计算机系统的层次结构5级结构，及其各级的执行命令级结构，及其各级的执行命令/指令指令;抑宋俯渊弃起最替挚炉延率惊兹查舒钟顽蛋灼谱委扔怪清卯保伎捶传赐办计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/20245309年考研真题年考研真题l11. 冯冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，储器中，CPU区分它们的依据是（区分它们的依据是（ ）A. 指令操作码的译码结果指令操作码的译码结果B. 指令和数据的寻址方式指令和数据的寻址方式C. 指令周期的不同阶段指令周期的不同阶段D. 指令和数据所在的存储单元指令和数据所在的存储单元答案为：答案为：C取指阶段获取的是指令、执行阶段获取的是数据；取指阶段获取的是指令、执行阶段获取的是数据；活邮迭请饯坪谓扬仪依谎锁蛊肾濒吉汽谊伸鳞滇孝陇旗阑恒柔拈碟哥结褪计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论7/31/202454本章作业本章作业P15 4、5、6、7、8屯天隶乏椎焚踢贸扬蔫少抿联赦青凰彰积艰韭巢膛闽餐垄韵伏鞋醉纠牢陆计算机组成原理第章计算机系统概论计算机组成原理第章计算机系统概论
