《计算机组成与体系结构》赵姝、陈洁、段震、陈付龙、刘路路-第1章-概述

计算机组成原理第一章概论6/8/20201安徽师范大学计算机科学与技术系陈付龙1.1计算机组成与体系结构的概述1.2计算机系统的组织1.3计算机系统的主要技术指标1.4计算机的发展1.5典型计算机本章习题目录21.1计算机组成与体系结构的概述3计算机体系结构怎样把不同的电路和元部件组合在一起，以创建更有效的计算机系统?计算机组成硬件和软件之间的相互作用?相互关联相互依赖1.1计算机组成与体系结构的概述4计算机体系结构集中讨论计算机系统的结构和行为，主要涉及的是程序员所熟悉的系统实现的逻辑方面的内容，指程序员能看得见的计算机系统的属性，换句话说，就是这些属性直接影响程序的逻辑执行。计算机组成主要讨论实现体系结构的各部件和它们间的相互连接，涵盖了有关计算机系统的物理构成的各个方面。它所强调的是对程序员透明的硬件细节，如有关控制信号（即怎样控制计算机）、信号传递方式，以及存储类型等问题。1.2.1计算机硬件1.2.2计算机软件1.2.3计算机系统的层次结构1.2.4计算机的工作过程1.2计算机系统的组织51.2计算机系统的组织6任何一个完整的计算机系统均由硬件系统和软件系统两部分组成。1.2.1计算机硬件7计算机硬件（ComputerHardware），是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种物理装置的总称。这些物理装置按系统结构的要求构成一个有机整体为计算机软件运行提供物质基础。计算机硬件的功能是输入并存储程序和数据，通过执行程序把数据加工成可以利用的形式。1.2.1计算机硬件8ENIAC是一台十进制（非二进制）的机器，其数字以十进制表示，其算法以十进制完成。ENIAC需要手动编程，一切都要通过设置开关和插拔电缆头来实现。“存储程序”概念：计算机通过在存储器中读取程序来获取指令，通过设置一部分存储器的值来编写和修改程序。ENIAC项目顾问约翰·冯·诺依曼，在1945年的一份新型计算机EDVAC首次公布“存储程序”这一构想。以此概念为基础的各类计算机，统称为冯·诺依曼机。冯·诺依曼结构，即存储程序，奠定了现代计算机的基本结构。1.2.1计算机硬件9EDVAC:第一台vonNeumann系统结构的计算机约翰·冯·诺伊曼（JohnvonNeumann，1903年12月28日－1957年2月8日）1.2.1计算机硬件10图1.1冯·诺依曼计算机硬件框图数据线控制线与反馈线以运算器为中心的冯·诺依曼机1.2.1计算机硬件111.计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成；2.程序以二进制代码的形式表示；3.程序存放于存储器中，按地址访存；4.所有的指令都由操作码和地址码组成；5.指令在存储器内按顺序存放；6.以运算器为计算机结构的中心。冯·诺依曼计算机的特点是：1.2.1计算机硬件12图1.2以存储器为中心的计算机硬件框图数据线控制线反馈线以存储器为中心的现代计算机1.2.1计算机硬件131.2.1计算机硬件141.2.1计算机硬件15这样，现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器M.M(MainMemory)，如图1.3所示。CPU与M.M合起来又可称为主机。I/O设备可称做外部设备。由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现以后，这两大部件往往制作在同一芯片上，因此，通常将它们合起来统称为中央处理器（CentralProcessingUnit），简称CPU。把输入设备与输出设备简称为I/O设备（Input/Output1.2.1计算机硬件16图1.3现代计算机的组成框图1.2.1计算机硬件171.2.1计算机硬件18运算器运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算术逻辑运算单元（ALU）的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。与ControlUnit共同组成了CPU的核心部分。1.2.1计算机硬件19控制器控制器（ControlUnit），是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。控制器从存储器中逐条取出指令，分析每条指令规定的是什么操作以及所需数据的存放位置等，然后根据分析的结果向计算机其它部件发出控制信号，统一指挥整个计算机完成指令所规定的操作。计算机自动工作的过程，实际上是自动执行程序的过程，而程序中的每条指令都是由控制器来分析执行的，它是计算机实现“程序控制”的主要设备。1.2.1计算机硬件20存储器存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。1.2.1计算机硬件21存储器1.2.1计算机硬件22输入设备向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔，手写输入板，游戏杆，语音输入装置等都属于输入设备。输入设备（InputDevice）是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中。计算机能够接收各种各样的数据，既可以是数值型的数据，也可以是各种非数值型的数据，如图形、图像、声音等都可以通过不同类型的输入设备输入到计算机中，进行存储、处理和输出。1.2.1计算机硬件23键盘扫描仪手写笔数码相机摄像头输入设备1.2.1计算机硬件24输出设备输出设备（OutputDevice）是计算机的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。1.2.1计算机硬件25输出设备显示器打印机投影仪音箱1.2.2计算机软件26计算机软件(ComputerSoftware)是指计算机系统中的程序及其文档。程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料。程序必须装入机器内部才能工作，文档一般是给人看的，不一定装入机器。1.2.2计算机软件27计算机软件一般分为两大类：系统软件用来简化程序设计，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。应用软件是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。1.2.2计算机软件28操作系统系统软件的核心，它负责对计算机系统内各种软、硬资源的管理、控制和监视。1.2.2计算机软件29数据库管理系统•负责对计算机系统内全部文件、资料和数据的管理和共享。–MSSQL–SYBASE–DB2–ORACLE–MySQL–ACCESS–VFMicrosoftSQLServer1.2.2计算机软件30编译系统负责把用户用高级语言所编写的源程序编译成机器所能理解和执行的机器语言。Gcc/g++/tc/vc++JavaMetaocaml…1.2.2计算机软件31应用软件应用软件是指应各个不同领域用户的不同需要而专门开发的各种应用程序1.2.2计算机软件32例如，乘法运算可以由硬件乘法器实现，也可以在加法器和移位器的支持下，通过执行乘法子程序实现。在用户看来，乘法器和乘法子程序在实现乘法运算的功能上是没有区别的。实际上，在计算机中，有许多功能既可以由硬件实现，也可以在硬件支持下依靠软件实现，对用户而言在功能上是等价的，这种情况称为硬件、软件在功能上的逻辑等价。1.2.3计算机系统的层次结构33计算机系统一般分为7个层次：1.2.3计算机系统的层次结构34图1.4计算机系统层次结构硬件设计人员第0层数字逻辑层第0层数字逻辑层。各种逻辑门和引线。是基本的构造模块和数字逻辑的实现，是各种计算机系统的共同部件。1.2.3计算机系统的层次结构35图1.4计算机系统层次结构第1层控制系统层硬件设计人员第0层数字逻辑层逻辑设计人员第1层控制系统层。控制单元将确保正确地译码并执行指令，并且适时地将数据传送到正确的位置。控制单元会逐条解释从第2层传送过来的机器指令，一次解释一条指令，指挥机器执行所需要的正确动作。控制单元的设计有两种方式：一种是硬布线方式，另一种是微程序方式。1.2.3计算机系统的层次结构36图1.4计算机系统层次结构第1层控制系统层硬件设计人员第0层数字逻辑层逻辑设计人员在使用硬布线方式的控制单元中，控制信号由数字逻辑部件的电路模块发送出来。这些控制信号指引着各种数据和指令流向系统的合适部位。通常，硬布线的控制单元的速度非常快，但一旦这些硬布线的控制单元实现完成后，很难再修改。微程序是一个利用低级语言编写的程序，这种低级语言可以由硬件直接执行。计算机的第2层上生成的机器指令将被输入到这个微程序中，再由微程序来解释各种指令，然后激活硬件执行原始指令。一条机器层次的指令通常被翻译成若干条微指令，对微程序方式的控制单元进行修改要相对容易些。当然，微程序的缺点也是显而易见的，通常这种方式执行指令的速度会比较慢。1.2.3计算机系统的层次结构37图1.4计算机系统层次结构第1层控制系统层硬件设计人员第0层数字逻辑层第2层机器语言层逻辑设计人员机器语言程序员软硬分界面第2层是传统机器语言机器。这一层也称为传统机器层。它是一个抽象的层次，其主要特征就是指令系统。从设计者的角度看，指令系统是硬件与软件之间的界面。指令系统层定义了硬件与编译器之间的接口，它是一种硬件和编译器都能理解的语言。一方面，指令系统会表明一台计算机具有哪些硬件功能，是硬件逻辑设计的基础。因此，在指令系统层，应该设计一套在当前和未来的技术条件下能够高效率实现的指令集。另一方面，指令系统层需要为编译器提供明确的编译目标，使编译结果具有规律性和完整性。1.2.3计算机系统的层次结构38图1.4计算机系统层次结构第1层控制系统层硬件设计人员第0层数字逻辑层第2层机器语言层第3层操作系统层逻辑设计人员机器语言程序员系统管理员软硬分界面第3层是操作系统。从系统程序员的角度来看，操作系统是一个在指令系统层提供的指令和特性之上又增加了系统调用和特性的程序。这一层增加的系统调用是由运行在指令系统层上的操作系统解释执行的。操作系统层并不是为普通程序员的使用而设计的，它主要是为支持高层所需要的解释器或者编译器的运行而设计的。1.2.3计算机系统的层次结构39图1.4计算机系统层次结构第1层控制系统层硬件设计人员第0层数字逻辑层第2层机器语言层第3层操作系统层第4层汇编语言层逻辑设计人员机器语言程序员系统管理员汇编语言程序员软硬分界面第4层是汇编语言机器。由于直接使用机器指令代码编程非常困难，汇编语言实际上就是“符号化”的机器语言，每一条机器语言指令都有一条汇编指令语句与之对应，它是面向机器结构的语言。从这一层看去，每一种计算机都有一套自己的汇编语言，解释它的汇编器，以及相应的程序设计与开发方法。汇编语言层以及上层是提供给解决应用问题的应用程序员使用的。1.2.3计算机系统的层次结构40图1.4计算机系统层次结构第1层控制系统层硬件设计人员第0层数字逻辑层第2层机器语言层第3层操作系统层第4层汇编语言层第5层高级语言层逻辑设计人员机器语言程序员系统管理员汇编语言程序员高级语言程序员软硬分界面第5层是高级语言机器。该级的语言是各种高级语言，例如C、C＋＋、Java等，必须利用某种编译程序或者解释