计算机组成原理(第三版)第一章

主要内容：计算机的基本概念计算机系统硬、软件组成层次结构模型计算机的工作过程计算机的性能指标第1章绪论生活中常见的计算机计算机系统应该包含些什么呢？对计算机我们了解多少？它们是如何工作的…？…?计算机系统概述计算机系统由硬件和软件两大部分组成硬件部分磁盘接口典型PC机主板结构一块常见的主板第1节计算机的基本概念用二进制代码表示程序和数据；计算机采用存储程序的工作方式；计算机硬件由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备组成。冯·诺依曼思想：P21.1.1存储程序工作方式1.事先编制程序其主要含义有三点：P3指令：计算机硬件一步执行的操作命令，如加法指令。计算机最终执行的程序：指令序列。事先编好的求解问题的程序最终变成：指令序列和需处理的数据。2.事先存储程序3.自动、连续地执行程序将编好的程序变成最终可执行的程序即二进制指令代码序列存放在存储器中。在程序已存放在存储器后，计算机就可以运行该程序，即按一定的顺序通常是指令存放的顺序，从存储器中逐条取出指令，按指令的要求执行操作，直到该程序执行结束。1.1.2信息的数字化表示P31.在计算机中用数字代码表示各种信息二进制代码例1用数字代码表示数据(四位二进制原码)5-5表示为0101B表示为1101BB为二进制后缀例2用数字代码表示字符AB表示为1000001B表示为1000010B例3用数字代码表示命令、状态启动停止正在工作工作结束表示为00表示为01表示为10表示为112.在物理机制上用数字信号表示数字代码数字型电信号例1用电平信号表示数字代码高电平1低电平高电平01例2用脉冲信号表示数字代码有脉冲无脉冲有脉冲101实现并行操作实现串行操作第2节计算机系统的硬、软件组成1.2.1计算机硬件系统P5CPUMI/O设备I/O设备系统总线单总线计算机硬件系统结构I/O接口I/O接口CPU结构示意图主存及辅存8086系统结构简图20位物理地址16位数据运算器寄存器组CPU内部总线系统总线8086CPU硬件实例80188应用板1.CPU功能：负责读取与执行指令，即执行程序。基本组成：寄存器、ALU、控制器及连接1）寄存器用于存放控制信息，如PC、IR、PSW用于存放数据信息，如通用寄存器、暂存器2）算术逻辑部件ALU：按指令的要求对有关数据进行指定的算术或逻辑运算。3）控制器：主要根据指令信息产生控制信号(微命令)序列，控制全机操作。微命令发生器指令信息时序信号微命令序列状态信息微命令产生方式（指令执行控制方式）：组合逻辑控制方式：微程序控制方式：由组合逻辑电路产生微命令由微指令产生微命令2.主存储器1）功能:存放需执行的程序及需要处理的数据，CPU能直接读出或写入。2）逻辑组成：由连续的单元组成。通常每个单元存放8位二进制数即一个字节。每个单元有一个惟一的地址。00000H00001H00002H00003HFFFFEHFFFFFH主存逻辑组成示意图地址70主存储器：：：：：：指令1指令2指令2指令3操作数指令序列按执行顺序存放在连续的单元中。由CPU中的PC提供指令地址，寻找对应主存单元读取指令到CPU执行。指令需要处理的操作数也可存放在主存单元中。由指令提供地址寻找对应单元读取操作数。主存的一个重要特点：能按地址存放或读取单元内容，即允许CPU直接编址访问。3.输入/输出（I/O）设备功能：转换信息。输入：原始信息二进制代码，送入主机。输出：处理结果人所能接受的形式并输出。例如：输入设备键盘，输出设备显示器。4.总线功能：一组能为多个部件分时共享的信息传送线路。硬盘等外部存储器只是I/O设备的一部分。CPUMI/O设备I/O设备系统总线用一组系统总线连接CPU、主存、多个输入/输出设备，它们通过总线传送信息。地址总线数据总线控制总线系统总线例如：CPU从主存单元读取操作数如何通过总线实现I/O接口I/O接口5.I/O接口系统总线与I/O设备之间的转换逻辑部件基本功能：实现CPU与I/O设备之间控制信息、数据、状态信息的转换和传送；还可实现主存与I/O设备之间的数据转换和传送。计算机硬件系统由三大子系统：CPU、存储系统、输入/输出系统及连接它们的总线构成。CPUMI/O设备I/O设备系统总线I/O接口I/O接口主机输入输出系统1.2.2计算机软件系统P9按软件配置与功能分为系统软件应用软件1、系统软件1）操作系统功能：管理和控制计算机系统硬、软件资源及运行的程序，合理地组织计算机的工作流程，为用户提供软件的开发环境和运行环境。命令行用户接口（如DOS）和图形用户接口（如WindowsX）系统功能调用（如DOS的INT21H，WindowsAPI）提供的用户界面机器语言：计算机硬件能直接识别的语言，由二进制代码表示的指令组成，它是面向特定机器结构的内部语言。相应的指令称为机器指令。汇编语言：用符号表示的与机器指令对应的程序设计语言。它是面向特定机器结构的程序设计语言，不能通用。如80X86汇编语言、8051汇编语言。2）编译程序与解释程序指令与指令系统：一条指令规定了一种基本操作（如传送、加、减），并提供操作数地址或操作数，这些信息用二进制代码表示。指令系统是指一台计算机所有指令的集合。源程序：用某种高级语言或汇编语言编写的程序，它们由相应语言的语句组成。源程序必须通过这种语言的语言处理程序将其转换为机器语言程序（即二进制指令代码序列），才能在计算机上执行。2）编译程序与解释程序高级程序设计语言：是面向用户，与特定机器属性相分离的通用语言。每种语言都有自己的语法规定与格式，也有适用范围。如C、PASCAL、C++。编译方式：将源程序输入计算机后，启动并执行这种语言的编译程序（编译器），将源程序全部翻译成机器语言程序（目标程序）后，才由硬件执行。如，汇编器。语言处理方式有两种类型：解释与编译解释方式：边解释边执行。将源程序输入计算机后，启动并执行这种语言的解释程序（解释器），由它逐句分析源程序，并翻译成与该语句等价的机器指令序列由硬件执行，直到整个源程序的语句被解释执行完毕。如，BASIC解释程序。3）各种软件平台将开发及运行过程中所需的各种软件集成为一个综合的软件系统，称为软件平台。如：以某种高级语言编译系统为核心的开发平台。２、应用软件：解决某一应用领域问题的软件，如科学计算软件、财会软件等。总之，系统软件是负责系统调度管理，提供开发和运行环境，为用户提供各种服务的一类软件。按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统系统软件应用软件语言处理程序操作系统服务性程序数据库管理系统网络软件软件1.1应用程序用层次的观点看到的计算机软件开发工具…用户操作系统硬件第3节层次结构模型P121.3.1从计算机系统组成角度划分层次结构计算机系统以硬件为基础，通过配置软件扩充功能，形成一个相当复杂的系统。通常采用层次结构的观点去分析、设计和构建它。本节将列举两种典型的层次结果模型。下面的图给出了构成计算机系统的硬件层和多个软件层，以及它们之间的关系。每层都在下一层的基础上增加功能。右图是从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型。面向问题语言层第5层翻译(编译器)汇编语言层第4层翻译(汇编器)操作系统层第3层部分解释(操作系统)指令系统层第2层直接执行/解释(微程序)微体系结构层第1层1、微体系结构层微体系结构层是硬件层次，它主要是从寄存器级观察CPU的结构，分析CPU分步执行指令的详细过程。微体系结构层可看作是第2层指令系统层指令的解释器。从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型面向问题语言层第5层翻译(编译器)汇编语言层第4层翻译(汇编器)操作系统层第3层部分解释(操作系统)指令系统层第2层直接执行/解释(微程序)微体系结构层第1层2、指令系统层指令系统层及上层都是抽象层次。指令系统层定义了硬件与编译器的接口。一方面，指令系统规定了由硬件实现的各种指令功能；另一方面，各种源程序必须通过编译器或解释器转换为硬件能识别与执行的指令序列。从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型面向问题语言层第5层翻译(编译器)汇编语言层第4层翻译(汇编器)操作系统层第3层部分解释(操作系统)指令系统层第2层直接执行/解释(微程序)微体系结构层第1层3、操作系统层从系统程序员的观点来看，操作系统层指令集包括指令系统层的指令和新增的指令。这些新指令称为系统调用。它们由操作系统解释，该层的其余指令(即与第2层指令相同的指令)由微体系结构层执行。从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型面向问题语言层第5层翻译(编译器)汇编语言层第4层翻译(汇编器)操作系统层第3层部分解释(操作系统)指令系统层第2层直接执行/解释(微程序)微体系结构层第1层4、汇编语言层汇编语言层及上层是提供给解决应用问题的程序员使用的。汇编语言程序通过汇编器翻译成机器语言程序，再由微体系结构层执行。从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型面向问题语言层第5层翻译(编译器)汇编语言层第4层翻译(汇编器)操作系统层第3层部分解释(操作系统)指令系统层第2层直接执行/解释(微程序)微体系结构层第1层5、面向问题语言层这一层使用高级语言编程解决问题。高级语言程序通常由编译器翻译成第3层或第4层语言，个别有解释执行的。本书第二篇将分别从微体系结构层、指令系统层、汇编语言层来讨论计算机系统的组成。1.3.2从语言功能角度划分层次结构P14虚拟机：指通过配置软件（如某种语言的编译器或解释器）扩充机器功能后所形成的一台计算机。机器语言物理机：指能识别与执行机器语言的计算机硬件。下图是从语言功能角度划分的层次结构模型专用语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机机器语言物理机（实际机器）程序第4节计算机的工作过程P161.4.1处理问题的步骤目前，大型的应用软件的开发都采用软件工程的方法。但如要解决规模较小的应用问题，可采用以下的基本步骤：1、系统分析2、建立数学模型与设计算法3、编写应用程序4、编译为目标程序5、由硬件执行目标程序1.4.2指令执行过程加法指令“ADDAX，1000H”的功能是，将主存1000H单元的内容（源操作数）与CPU中AX寄存器的内容（目的操作数）相加，结果送回AX中。1、取指令与分析指令下面以加法指令为例，说明一条指令的执行过程。按CPU的程序计数器PC中的指令地址，从主存单元读取加法指令到指令寄存器IR中，这时PC的内容修改为下一条指令地址。然后由指令译码器分析IR中的指令，作为产生对应微命令序列的依据。2、读取操作数在本例中，源操作数存放在主存1000H单元中，因此需要读取地址为1000H单元的内容，并送入CPU的一个暂存器中供下一步计算用。3、运算本例中ADD是指令的操作码，表示要进行加法运算。将上一步得到的在CPU暂存器中的源操作数与寄存器AX中的目的操作数，通过ALU相加，结果送回AX中。4、后继指令地址本例中，在读取指令时PC的内容已修改为下一条指令地址。其他指令的执行过程与上述过程是类似的。计算机正是通过逐条地执行指令来完成整个程序的运行。第5节计算机系统的性能指标P191.基本字长指参与一次运算的操作数的位数。它影响计算精度、指令功能。2.运算速度（1）CPU时钟频率（MHz）（2）每秒平均执行的指令条数（MIPS）（3）定点/浮点四则运算时间3.存储容量（1）主存容量指存储单元个数×位数。决定地址位数表明编址单位表示为：字节数（按字节编址）或字数×字长（按字编址）（2）外存容量常表示为字节数。外存容量与地址码位数无关。4.配置的I/O设备及性能5.处理功能（1）指令系统功能（寻址方式、指令类型）（2）系统软件配置1.6计算机的发展与应用史一、计算机的产生和发展1946年美国ENIAC1955年退役十进制运算180001500150301500多个电子管多个继电器千瓦吨平方英尺5000次加法／秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)2.1硬件技术对计算机更新换代的影响100000000超大规模集成电路1978~现在10