电子计算机的基本结构

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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 电子计算机的基本结构2 . 1 冯冯诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 2. 1 冯冯诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 （最初（最初的）的）电子计算机的基本结构2 . 1 冯冯诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 冯冯诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 的特点的特点1.1.计算机由计算机由运算器运算器、存储器存储器、输入输入/ /输出设备输出设备和和控制器控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。组成，并以运算器为中

2、心连接在一起。2.2.存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元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，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。存储单元按地址访问。 3.3.“程序程序”是由一条一条的指令有序排列而成，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。而指令由操作码和地址码两部分组成。 电子计算机的基本结构2 . 1 冯冯诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 冯冯诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 的特点（续）的特点（续）4.4.指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制数

3、形式进行运算数形式进行运算 。5.5.程序（指令）与数据是同等地不加区分地存储程序（指令）与数据是同等地不加区分地存储在同一个存储器中在同一个存储器中 。 6.6.设置设置“程序计数器程序计数器PC”PC”来指示下一条将要执行来指示下一条将要执行的指令的地址。每执行完一条指令，程序计数的指令的地址。每执行完一条指令，程序计数器就自动加器就自动加1 1，指向下一条指令的存储单元。，指向下一条指令的存储单元。 电子计算机的基本结构2 . 1 冯冯诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 冯冯诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 的改进：（现代计算机）的改进：（现代计算机） 以存储器为中心连接在一起以存储器为中

4、心连接在一起电子计算机的基本结构2 . 2 电子计算机的组成结构电子计算机的组成结构 2. 2. 1 电子计算机的基本组成电子计算机的基本组成 1.概述概述 从组成的角度看，电子计算机由控制单元、从组成的角度看，电子计算机由控制单元、运算单元、存储器、输入单元和输出单元组成。运算单元、存储器、输入单元和输出单元组成。在具体实现时，通常将控制单元和运算单元集成在具体实现时，通常将控制单元和运算单元集成在一起，构成在一起，构成处理单元处理单元（Processing Unit，PU）。）。处理单元也称处理单元也称处理器处理器（Processor）。）。 电子计算机的基本结构2 . 2 电子计算机的组

5、成结构电子计算机的组成结构 2. 2. 1 电子计算机的基本组成电子计算机的基本组成 2.处理单元的组成处理单元的组成 从逻辑上看，从逻辑上看，PU主要由算术逻辑单元主要由算术逻辑单元ALU、控制单、控制单元元CU以及一些暂存单元以及一些暂存单元寄存器组以及内部总线组成寄存器组以及内部总线组成成。成。 ALU是计算机的运算装置，它能够完成是计算机的运算装置，它能够完成“加、减、乘、加、减、乘、除除”等算术运算和等算术运算和“与、或、非、异或与、或、非、异或”等逻辑运算。一等逻辑运算。一个基本的个基本的ALU由加法器、移位电路和若干内部寄存器及相由加法器、移位电路和若干内部寄存器及相应的控制逻辑

6、和组成。应的控制逻辑和组成。电子计算机的基本结构2 . 2 电子计算机的组成结构电子计算机的组成结构 2. 2. 1 电子计算机的基本组成电子计算机的基本组成 2.处理单元的组成处理单元的组成 CU是是PU的指挥机构，由程序计数器的指挥机构，由程序计数器PC、存、存放当前指令的指令寄存器放当前指令的指令寄存器IR、解释指令的指令译、解释指令的指令译码器码器ID、发出各种命令信号的控制信号发生器及、发出各种命令信号的控制信号发生器及相应的控制逻辑组成。相应的控制逻辑组成。CU依据指令译码器产生的依据指令译码器产生的一系列操作命令一系列操作命令/信号来指挥、协调信号来指挥、协调PU乃至计算乃至计算

7、机系统中各个部件的工作。机系统中各个部件的工作。 电子计算机的基本结构2 . 2 电子计算机的组成结构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。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器ACC，8086中的累加寄存器命名为中的累加寄存器命名为AX。 地址寄存器有基址寄存器、变址寄存器等。地址寄存器有基址寄存器、变址寄存器等。 标志寄存器标志寄存器FR常见的标志有进位标志常见的标志有进位标志CF、溢出标志、溢出标志OF、辅助进位标志辅助进位标志AF、零标志、

8、零标志ZF、符号标志、符号标志SF和奇偶标志和奇偶标志PF等，等，这些标志分别占据标志寄存器这些标志分别占据标志寄存器FR中的不同位。中的不同位。电子计算机的基本结构2 . 2 电子计算机的组成结构电子计算机的组成结构 2. 2. 1 电子计算机的基本组成电子计算机的基本组成 3.硬件硬件 硬件指构成电子计算机的物理实体，如处理硬件指构成电子计算机的物理实体，如处理器、存储器（内存）、输入器、存储器（内存）、输入/输出控制器（接口电输出控制器（接口电路）等芯片及其集成这些芯片的印制线路板路）等芯片及其集成这些芯片的印制线路板主板，外设等。其中存储器包括：可以被处理器主板，外设等。其中存储器包括

9、：可以被处理器直接访问的主存储器（简称主存或内存）和不可直接访问的主存储器（简称主存或内存）和不可被处理器直接访问的辅助存储器（简称辅存或外被处理器直接访问的辅助存储器（简称辅存或外存）存） 。电子计算机的基本结构2 . 2 电子计算机的组成结构电子计算机的组成结构 2. 2. 1 电子计算机的基本组成电子计算机的基本组成 4.软软件件 广义上，软件是广义上，软件是“计算机程序、过程、规则计算机程序、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。属于计算机系统运行的数据。” 狭义上，软件指狭义上，软件指发挥电子计算机功能

10、的各种程序及相应的数据。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、按照性质和功能的不同，软件分为系统软件、应用软件。应用软件。电子计算机的基本结构2 . 2 电子计算机的组成结构电子计算机的组成结构 2. 2. 1 电子计算机的基本组成电子计算机的基本组成 5.固固件（软件硬件化）件（软件硬件化） 对于那些不再需要改动而且经常被调用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，可以的软件，为了使其有更快的执行速度，可以将其存储在访问速度较快的只读存储器将其存储在访问速度较快的只读存储器ROM芯片中芯片中,以硬件形式出现的软件称为以

11、硬件形式出现的软件称为“固件固件”。 ，电子计算机的基本结构2 . 2 电子计算机的组成结构电子计算机的组成结构 2. 2. 2 计算机体系结构、计算机体系结构、计算机体系结构计算机体系结构是指程序员所看到的机器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的属性，即机器的概念性结构和功能表现。现。 这里，程序员主要是指汇编程序员。这里，程序员主要是指汇编程序员。 电子计算机的基本结构由于由于“计算机体系结构计算机体系结构”概念的提出，又派概念的提出，又派生出两个新的重要概念生出两个新的重要概念计算机组成和计算机实现计算机组成和计算机实现计算机组成计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现

12、。是计算机体系结构的逻辑实现。一种计算机体系结构可以有多种不同的计一种计算机体系结构可以有多种不同的计算机组成。算机组成。计算机实现计算机实现是计算机组成的物理实现。一是计算机组成的物理实现。一种计算机组成也可以有多种不同的计算机种计算机组成也可以有多种不同的计算机实现。实现。电子计算机的基本结构概念性的结构概念性的结构电子计算机的基本结构功功 能能 特特 性性数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式；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

13、；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；制机制等；中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；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；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；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；控制等；信

14、息保护，包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。信息保护，包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。电子计算机的基本结构2 . 2 电子计算机的组成结构电子计算机的组成结构 2. 2. 3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 为什么要分层？为什么要分层？ 分工与协作，提高生产率。分工与协作，提高生产率。电子计算机的基本结构第第5级：应用语言虚拟机级：应用语言虚拟机第第4级：高级语言虚拟机级：高级语言虚拟机第第3级：汇编语言虚拟机级：汇编语言虚拟机第第2级：操作系统虚拟机级：操作系统虚拟机第第1级：机器语言机器级：机器语言机器第第0级：微程序机器级：微程序机器计算机系统的层次结构计算机系

15、统的层次结构问题：分几层为好问题：分几层为好？电子计算机的基本结构2 . 2 电子计算机的组成结构电子计算机的组成结构 2. 2. 3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 虚拟机：因为用户在使用计算机时，看到的就是虚拟机：因为用户在使用计算机时，看到的就是这些软件的界面，他并不了解也不必了解物理计这些软件的界面，他并不了解也不必了解物理计算机内部的结构及工作原理。这些软件的界面向算机内部的结构及工作原理。这些软件的界面向用户提供了他期望让计算机实现的全部功能。换用户提供了他期望让计算机实现的全部功能。换句话说，这些软件的界面就是计算机所具有功能句话说，这些软件的界面就是计算机所具有功能的

16、具体体现。的具体体现。 虚拟机的实现有解释虚拟机的实现有解释(Intelpretation)和翻译和翻译(Translation)两种途径。两种途径。 电子计算机的基本结构透明性 (Transparency) 本来存在的事物或属性，从本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在。某种角度看似乎不存在。例如：浮点数表示、乘法指令例如：浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员对高级语言程序员、应用程序员 透明透明 对汇编语言程序员、机器语言程序员对汇编语言程序员、机器语言程序员 不透明不透明例如：数据总线宽度、微程序例如：数据总线宽度、微程序 对汇编语言程序员、机器语言程序员对汇编语言程

17、序员、机器语言程序员 透明透明 对硬件设计者、计算机维修人员对硬件设计者、计算机维修人员 不透明不透明体系结构设计，可以理体系结构设计，可以理解为：决定哪些事物对解为：决定哪些事物对程序员透明，哪些事物程序员透明，哪些事物对程序员不透明对程序员不透明电子计算机的基本结构2 . 3 计算机系统的分类计算机系统的分类 2. 3. 1 综述综述 1. 根据数据表示原理，电子计算机分为模拟式和数字式。根据数据表示原理，电子计算机分为模拟式和数字式。 2. 依据性能的高低，计算机分为超级计算机、大型计算机、依据性能的高低，计算机分为超级计算机、大型计算机、中型计算机、小型计算机、工作站和微型计算机。中型

18、计算机、小型计算机、工作站和微型计算机。 3. 按照结构集成的不同方式，微型计算机分为单片机和单按照结构集成的不同方式，微型计算机分为单片机和单板机。板机。 4. 计算机按其设计目的又可分为专用计算机和通用计算机计算机按其设计目的又可分为专用计算机和通用计算机 5. 根据计算机的用途不同，计算机分为个人计算机、工控机、根据计算机的用途不同，计算机分为个人计算机、工控机、军用计算机和嵌入式计算机军用计算机和嵌入式计算机 电子计算机的基本结构2 . 4 电子计算机的性能评价电子计算机的性能评价 基本字长基本字长字：字：字长：字长：主存储器容量主存储器容量处理速度处理速度主频主频存储器的存取周期存储

19、器的存取周期功耗功耗吞吐率和响应时间吞吐率和响应时间辅存容量辅存容量 等等等等 *看书中的解释（看书中的解释（27页）页）电子计算机的基本结构2 . 5 电子计算机的特点与发展趋势电子计算机的特点与发展趋势 2. 5. 1 电子计算机的特点电子计算机的特点 1.能在程序控制下自动连续地工作能在程序控制下自动连续地工作 。2.运算速度快，计算精度高运算速度快，计算精度高 。3.具有逻辑判断能力具有逻辑判断能力 。4.通用性强通用性强 。5.具有很强的具有很强的“记忆记忆”功能功能 。电子计算机的基本结构2 . 5 电子计算机的特点与发展趋势电子计算机的特点与发展趋势 2. 5. 1 电子计算机的

20、特点电子计算机的特点 2. 5. 2 电子计算机发展的动力电子计算机发展的动力 1.应用需求应用需求 ：求解疑难问题和改善人机接口：求解疑难问题和改善人机接口 2.技术推动技术推动 ：软件的推动和硬件的推动：软件的推动和硬件的推动 电子计算机的基本结构2 . 5 电子计算机的特点与发展趋势电子计算机的特点与发展趋势 2. 5. 1 电子计算机的特点电子计算机的特点 2. 5. 2 电子计算机发展的动力电子计算机发展的动力 2. 5. 3电子计算机的发展趋势电子计算机的发展趋势1.高：高速度高：高速度2.开：开放性开：开放性3.多：多媒体多：多媒体4.智：智能化智：智能化5.网：网络化网：网络化6.虚：虚拟化虚：虚拟化电子计算机的基本结构第五代计算机第五代计算机？现代电子计算机的发展电子计算机的基本结构