計(jì)算機(jī)組成原理第章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

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1、第 1章 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 概 論 2021年 4月 26日 星 期 一 2 目 錄1.0 預(yù) 備 知 識(shí)1.1 計(jì) 算 機(jī) 的 分 類1.2 計(jì) 算 機(jī) 的 發(fā) 展 簡(jiǎn) 史1.3 計(jì) 算 機(jī) 的 硬 件1.4 計(jì) 算 機(jī) 的 軟 件1.5 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 層 次 結(jié) 構(gòu) 2021年 4月 26日 星 期 一 3 學(xué) 習(xí) 要 求l了 解 計(jì) 算 機(jī) 的 發(fā) 展 歷 程 ；l清 楚 計(jì) 算 機(jī) 的 系 統(tǒng) 層 次 結(jié) 構(gòu) 、 計(jì) 算 機(jī) 硬 件 的 基 本 組 成 (五 大 部件 的 構(gòu) 成 )、 計(jì) 算 機(jī) 軟 件 的 分 類 ， 以 及 計(jì) 算 機(jī) 的 基 本 工 作 過 程 ；l

2、了 解 計(jì) 算 機(jī) 性 能 評(píng) 價(jià) 指 標(biāo) 和 相 關(guān) 參 數(shù) ；吞 吐 量 、 響 應(yīng) 時(shí) 間 、 CPU時(shí) 鐘 周 期 、 主 頻 、 CPI、 CPU執(zhí) 行 時(shí) 間 ；MIPS、 MFLOPS等 。 l要 求初 步 掌 握 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 基 本 概 念 及 基 本 結(jié) 構(gòu) ， 為 進(jìn) 一 步 深 入 學(xué) 習(xí)打 下 基 礎(chǔ) 。 2021年 4月 26日 星 期 一 4 1.0 預(yù) 備 知 識(shí)l問 題 1： 一 臺(tái) 計(jì) 算 機(jī) 一 般 有 哪 幾 部 分 組 成 ？顯 示 器 、 鍵 盤 、 鼠 標(biāo) 、 音 箱 、 主 機(jī) 箱 等 ；主 機(jī) 箱 中 有 ： 主 板 、 CPU、 硬

3、 盤 、 內(nèi) 存 、 顯 卡 、 聲 卡 等 ； l問 題 2： 如 何 對(duì) 以 上 設(shè) 備 分 類 ？輸 入 輸 出 設(shè) 備中 央 處 理 設(shè) 備存 儲(chǔ) 設(shè) 備接 口 轉(zhuǎn) 換 卡部 件 連 接 線l問 題 3： 有 了 以 上 設(shè) 備 ， 計(jì) 算 機(jī) 是 否 能 發(fā) 揮 其 功 效 ？一 個(gè) 完 整 的 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 應(yīng) 包 括 硬 件 系 統(tǒng) 和 軟 件 系 統(tǒng) 兩 部 分 。顯 示 器 ， 鍵 盤 ， 鼠 標(biāo) ， 音 箱CPU（ 集 處 理 和 控 制 于 一 身 ）硬 盤 、 內(nèi) 存顯 卡 、 聲 卡總 線 2021年 4月 26日 星 期 一 5 2021年 4月 26日 星

4、期 一 6 2021年 4月 26日 星 期 一 7 2021年 4月 26日 星 期 一 8 2021年 4月 26日 星 期 一 9 2021年 4月 26日 星 期 一 10DDR內(nèi) 存 條 SDRAM內(nèi) 存 條 2021年 4月 26日 星 期 一 11 80G硬 盤 2021年 4月 26日 星 期 一 12 硬 盤 數(shù) 據(jù) 線 2021年 4月 26日 星 期 一 13 DVD光 驅(qū) 2021年 4月 26日 星 期 一 14 機(jī) 內(nèi) 電 源 插 頭 2021年 4月 26日 星 期 一 15 1.1 計(jì) 算 機(jī) 的 分 類數(shù) 字 計(jì) 算 機(jī)模 擬 計(jì) 算 機(jī) 專 用 計(jì) 算 機(jī)通

5、 用 計(jì) 算 機(jī)處 理 數(shù) 字 量 信 息按 位 運(yùn) 算 ，不 連 續(xù) 地 跳 動(dòng) 計(jì) 算處 理 模 擬 量 信 息 數(shù) 值 連 續(xù) 、 運(yùn) 算 過 程 連 續(xù) 是 針 對(duì) 某 一 任 務(wù) 設(shè) 計(jì) 的 最 有效 、 最 經(jīng) 濟(jì) 和 最 快 速 的 計(jì) 算機(jī) ， 但 適 應(yīng) 性 很 差 。適 應(yīng) 性 很 大 ， 但犧 牲 了 效 率 、 速度 和 經(jīng) 濟(jì) 性 。 單 片 機(jī)微 型 機(jī)服 務(wù) 器大 型 機(jī)超 級(jí) 計(jì) 算 機(jī) 低高體 積功 能數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 量指 令 系 統(tǒng)價(jià) 格 低高簡(jiǎn)易性分類 雙 核 機(jī) 2021年 4月 26日 星 期 一 16 1.2 計(jì) 算 機(jī) 的 發(fā) 展 簡(jiǎn) 史 超 大

6、規(guī) 模 集 成 電 路中 小 規(guī) 模集 成 電 路晶 體 管 電 子 管 19721990年19461957年 ， 第 一 代 計(jì) 算 機(jī)19651971年19581964年第 二 代 計(jì) 算 機(jī) 巨 大 規(guī) 模集 成 電 路 1991年 至 今摩 爾 定 律1.2.1 計(jì) 算 機(jī) 的 五 代 變 化 2021年 4月 26日 星 期 一 17 第 一 代 計(jì) 算 機(jī)l第 一 代 計(jì) 算 機(jī) (1945年 1958年 )采 用 電 子 管 。l代 表 機(jī) 型 ： ENIAC1941年 美 國(guó) 賓 夕 法 尼 亞 大 學(xué) 開 始 研 制 ；主 要 是 為 了 解 決 美 陸 軍 提 出 的 彈

7、道 計(jì) 算問 題 ；花 費(fèi) 40萬 美 元 ；1955年 10月 2日 最 后 切 斷 電 源 。 2021年 4月 26日 星 期 一 18 ENIAC 2021年 4月 26日 星 期 一 19 第 二 代 計(jì) 算 機(jī) (1958 1964) 晶 體 管 2021年 4月 26日 星 期 一 20 2021年 4月 26日 星 期 一 21 摩 爾 定 律1964年 ， 英 特 爾 公 司 創(chuàng) 始 人 戈 登 .摩 爾 （ Gordon Moore） 在一 篇 很 短 的 論 文 里 斷 言 ： 每 18個(gè) 月 ， 集 成 電 路 的 性 能 將 提 高 一倍 ， 而 其 價(jià) 格 將 降

8、低 一 半 。 這 就 是 著 名 的 摩 爾 定 律 。作 為 迄 今 為 止 半 導(dǎo) 體 發(fā) 展 史 上 意 義 最 深 遠(yuǎn) 的 定 律 ， 摩 爾 定 律 被集 成 電 路 40多 年 的 發(fā) 展 歷 史 準(zhǔn) 確 無 誤 地 驗(yàn) 證 著 。摩 爾 定 律 有 另 外 一 種 表 述 方 法 ， 即 每 過 10年 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 性 能 將會(huì) 增 加 100倍 ， 通 訊 帶 寬 也 會(huì) 提 高 100倍 ， 而 花 費(fèi) 的 資 金 不 會(huì) 增加 。 2021年 4月 26日 星 期 一 22 1.2.2 半 導(dǎo) 體 存 儲(chǔ) 器 的 發(fā) 展l20世 紀(jì) 5060年 代 ， 磁 芯 存

9、 儲(chǔ) 器價(jià) 格 昂 貴 ， 體 積 大 ， 破 壞 性 讀 出l1970年 ， 半 導(dǎo) 體 存 儲(chǔ) 器價(jià) 格 更 加 昂 貴 ， 體 積 小 ， 非 破 壞 性 讀 寫l1974年 之 后 ， 半 導(dǎo) 體 存 儲(chǔ) 器價(jià) 格 不 斷 降 低 ， 體 積 不 斷 減 少 ， 讀 寫 速 度 更 快 。l有 關(guān) 存 儲(chǔ) 器 的 介 紹 詳 見 第 3章 2021年 4月 26日 星 期 一 23 1.2.3 微 處 理 器 的 發(fā) 展l20世 紀(jì) 70年 代 的 處 理 器4004 8008 8080 8086 8088l20世 紀(jì) 80年 代 的 處 理 器80286 386TM DX 386TM

10、 SX 486TM DX l20世 紀(jì) 90年 代 的 處 理 器486TM SX Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium l最 近 10年 的 處 理 器Pentium 4 Itanium Itanium 2 2021年 4月 26日 星 期 一 24 2021年 4月 26日 星 期 一 25 2021年 4月 26日 星 期 一 26 2021年 4月 26日 星 期 一 27 雙 核 CPU 三 核 CPU 2021年 4月 26日 星 期 一 28 1.2.4 計(jì) 算 機(jī) 的 性 能 指 標(biāo) （ 1/3）l吞 吐 量表 征 一 臺(tái) 計(jì) 算 機(jī) 在

11、 某 一 時(shí) 間 間 隔 內(nèi) 能 夠 處 理 的 信 息 量 。l響 應(yīng) 時(shí) 間從 輸 入 有 效 到 系 統(tǒng) 產(chǎn) 生 響 應(yīng) 之 間 的 時(shí) 間 度 量 ， 用 時(shí) 間 單 位 來 表 示 。l利 用 率在 給 定 的 時(shí) 間 間 隔 內(nèi) ， 系 統(tǒng) 被 實(shí) 際 使 用 的 時(shí) 間 所 占 的 比 率 ， 用 百 分比 表 示 。l處 理 機(jī) 字 長(zhǎng) （ 機(jī) 器 字 長(zhǎng) ）處 理 機(jī) 運(yùn) 算 器 中 一 次 能 夠 完 成 二 進(jìn) 制 運(yùn) 算 的 位 數(shù) ， 如 32、 64位 ；機(jī) 器 字 長(zhǎng) 與 系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 總 線 寬 度 具 有 一 定 的 相 關(guān) 性 。 2021年 4月 26日

12、 星 期 一 29 1.2.4 計(jì) 算 機(jī) 的 性 能 指 標(biāo) （ 2/3）l總 線 寬 度一 般 指 運(yùn) 算 器 與 存 儲(chǔ) 器 之 間 的 數(shù) 據(jù) 總 線 寬 度 。u注 意 課 本 上 的 表 述 錯(cuò) 誤 ！l主 存 儲(chǔ) 器 容 量主 存 儲(chǔ) 器 所 能 存 儲(chǔ) 二 進(jìn) 制 數(shù) 據(jù) 的 位 數(shù) 。u或 者 說 “ 主 存 儲(chǔ) 器 中 所 有 存 儲(chǔ) 元 的 總 數(shù) 目 。 ” ， 而 非 “ 存 儲(chǔ) 單 元 ” ！l主 存 儲(chǔ) 器 帶 寬單 位 時(shí) 間 內(nèi) 從 主 存 儲(chǔ) 器 讀 出 的 二 進(jìn) 制 信 息 量 ， 一 般 用 字 節(jié) 數(shù) /秒 表 示 。l主 頻 /時(shí) 鐘 周 期 CP

13、U主 時(shí) 鐘 的 頻 率 主 頻 ； 其 倒 數(shù) 為 CPU的 時(shí) 鐘 周 期 (T周 期 )。 2021年 4月 26日 星 期 一 30 1.2.4 計(jì) 算 機(jī) 的 性 能 指 標(biāo) （ 3/3）lCPU的 運(yùn) 算 速 度CPU執(zhí) 行 時(shí) 間 ： CPU執(zhí) 行 一 般 程 序 所 占 用 的 CPU時(shí) 間 ；CPI： 執(zhí) 行 一 條 指 令 所 需 的 平 均 時(shí) 鐘 周 期 數(shù) ；MIPS： 每 秒 百 萬 指 令 數(shù) ， 即 單 位 時(shí) 間 內(nèi) 執(zhí) 行 的 指 令 數(shù) ；u針 對(duì) 標(biāo) 量 機(jī) （ 執(zhí) 行 一 條 指 令 ， 只 得 到 一 個(gè) 運(yùn) 算 結(jié) 果 ）MFLOPS： 每 秒 百

14、 萬 次 浮 點(diǎn) 操 作 數(shù) ， 衡 量 機(jī) 器 浮 點(diǎn) 操 作 的 性 能 。 u針 對(duì) 向 量 機(jī) （ 執(zhí) 行 一 條 向 量 指 令 ， 通 常 可 得 到 多 個(gè) 運(yùn) 算 結(jié) 果 ）l其 他 的 性 能 指 標(biāo)主 存 儲(chǔ) 器 的 讀 寫 速 度 、 IO的 數(shù) 據(jù) 傳 送 率 、 帶 寬 的 均 衡 性 2021年 4月 26日 星 期 一 31 1.3 計(jì) 算 機(jī) 的 硬 件1.3.1 硬 件 的 組 成 要 素使 用 算 盤 計(jì) 算 y=ax+b-c行 數(shù) 解 題 步 驟 和 數(shù) 據(jù) 說 明1 取 數(shù) （ 9） 算 盤 （ 9） 表 示 第 9行 的 數(shù) a， 下 同2 乘 法 （

15、 12） 算 盤 完 成 a x , 結(jié) 果 在 算 盤 上3 加 法 （ 10） 算 盤 完 成 ax b, 結(jié) 果 在 算 盤 上4 減 法 （ 11） 算 盤 完 成 y ax b c, 結(jié) 果 在 算 盤 上5 存 數(shù) y13 算 盤 上 的 y值 記 到 第 13行6 輸 出 把 算 盤 上 的 y值 寫 出 給 人 看7 停 止 運(yùn) 算 完 畢 ， 暫 停8 10 b 數(shù) 據(jù)11 c 數(shù) 據(jù)12 x 數(shù) 據(jù)13 y 數(shù) 據(jù)9 a 數(shù) 據(jù)紙 - 存 儲(chǔ) 器算 盤 - 運(yùn) 算 器筆 - 輸 入 /輸 出 設(shè) 備人 - 控 制 器 2021年 4月 26日 星 期 一 32 馮 諾 依

16、曼 機(jī) 的 特 點(diǎn)l由 運(yùn) 算 器 、 存 儲(chǔ) 器 、 控 制 器 、 輸 入 設(shè) 備 和 輸 出 設(shè)備 五 個(gè) 部 分 組 成 ； l存 儲(chǔ) 器 以 二 進(jìn) 制 形 式 存 儲(chǔ) 指 令 和 數(shù) 據(jù) ；l指 令 由 操 作 碼 和 地 址 碼 組 成 ；l存 儲(chǔ) 程 序 并 按 地 址 順 序 執(zhí) 行 ；馮 諾 依 曼 機(jī) 的 核 心 設(shè) 計(jì) 思 想 ， 機(jī) 器 自 動(dòng) 化 工 作的 關(guān) 鍵 ；l以 運(yùn) 算 器 為 中 心 。 2021年 4月 26日 星 期 一 33 馮 諾 依 曼 機(jī) 與 現(xiàn) 代 微 機(jī)馮 諾 依 曼 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 輸 入 設(shè) 備 存 儲(chǔ) 器 輸 出 設(shè) 備運(yùn) 算 器控 制

17、 器 輸 入 設(shè) 備 控 制 器 輸 出 設(shè) 備存 儲(chǔ) 器運(yùn) 算 器現(xiàn) 代 微 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 2021年 4月 26日 星 期 一 34 現(xiàn) 代 計(jì) 算 機(jī) 的 特 點(diǎn)1. 將 運(yùn) 算 器 、 控 制 器 和 片 內(nèi) 的 高 速 緩 存 ， 統(tǒng) 稱 為CPU； 而 將 CPU、 主 存 儲(chǔ) 器 、 輸 入 /輸 出 接 口 和系 統(tǒng) 總 線 統(tǒng) 稱 為 主 機(jī) ； 其 余 的 設(shè) 備 均 為 外 設(shè) 。主 機(jī) 內(nèi) 僅 包 含 主 存 儲(chǔ) 器 ， 輔 助 存 儲(chǔ) 器 屬 于 I/O設(shè) 備 ；2. 以 存 儲(chǔ) 器 為 中 心 。減 輕 CPU的 數(shù) 據(jù) 傳 送 負(fù) 擔(dān) ， 提 高 系 統(tǒng) 的 整 體

18、性 能 ； 2021年 4月 26日 星 期 一 35 1.3.2 運(yùn) 算 器l功 能 ： 處 理 所 有 的 算 術(shù) 及 邏 輯 運(yùn) 算 。通 常 稱 為 ALU(算 術(shù) 邏 輯 單 元 )l特 點(diǎn) ：采 用 二 進(jìn) 制 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 運(yùn) 算 ；運(yùn) 算 器 一 次 可 以 處 理 的 數(shù) 據(jù)位 數(shù) 稱 為 機(jī) 器 字 長(zhǎng) ；機(jī) 器 字 長(zhǎng) 一 般 為 8、 16、 32、64位 ， 機(jī) 器 字 長(zhǎng) 直 接 決 定 著 運(yùn) 算 的 精 度 和 能 力 ；運(yùn) 算 器 主 要 由 ALU和 各 類 通 用 寄 存 器 構(gòu) 成 。l運(yùn) 算 器 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 演 示 2021年 4月 26日

19、星 期 一 36 1.3.3 存 儲(chǔ) 器 （ 1/2）l功 能 ： 保 存 所 有 的 程 序 和 數(shù) 據(jù) 。l特 點(diǎn) ：二 進(jìn) 制 形 式 保 存 程 序 和 數(shù) 據(jù) ；存 儲(chǔ) 器 是 按 存 儲(chǔ) 單 元 組 織 的 ， 讀 寫 存 儲(chǔ) 單 元 必 須 給 出 單 元 地 址 ；l相 關(guān) 的 概 念存 儲(chǔ) 元 ： 用 于 保 存 一 位 0/1二 進(jìn) 制 數(shù) 據(jù) 的 物 理 器 件 ；存 儲(chǔ) 單 元 ： 能 夠 保 存 一 個(gè) 字 數(shù) 據(jù) 的 器 件 ， 由 若 干 個(gè) 存 儲(chǔ) 元 構(gòu) 成 ；單 元 地 址 ： 能 區(qū) 分 每 一 個(gè) 存 儲(chǔ) 單 元 的 編 號(hào) ， 一 般 從 0開 始 編

20、 號(hào) ；存 儲(chǔ) 容 量 ： 一 個(gè) 存 儲(chǔ) 器 所 能 保 存 的 二 進(jìn) 制 信 息 的 總 量 。l存 儲(chǔ) 器 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 演 示 2021年 4月 26日 星 期 一 37 1.3.3 存 儲(chǔ) 器 （ 2/2）l存 儲(chǔ) 器 的 分 類 ：外 存 （ 輔 助 存 儲(chǔ) 器 ）u磁 盤 存 儲(chǔ) 器 、 光 盤 存 儲(chǔ) 器 ；uCPU不 可 直 接 訪 問 ；內(nèi) 存 （ 主 存 儲(chǔ) 器 ）u半 導(dǎo) 體 存 儲(chǔ) 器 ；uCPU直 接 訪 問 ， 存 放 當(dāng) 前 系 統(tǒng) 運(yùn) 行 所 需 的 所 有 的 程 序 和 數(shù) 據(jù) 。l兩 個(gè) 與 主 存 相 關(guān) 的 寄 存 器MAR(存 儲(chǔ) 器 地

21、址 寄 存 器 )： 接 收 由 CPU送 來 的 地 址 信 息 ；MDR(存 儲(chǔ) 器 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 )： 作 為 外 界 與 存 儲(chǔ) 器 之 間 的 數(shù) 據(jù) 通 路 。存 儲(chǔ) 器 地 址 寄 存 器MAR主 存 儲(chǔ) 器存 儲(chǔ) 器 數(shù) 據(jù) 寄 存 器MDR 2021年 4月 26日 星 期 一 38 1.3.4 控 制 器l功 能 ： 根 據(jù) 所 要 執(zhí) 行 指 令 的 功 能 ， 按 順 序 發(fā) 出 各 種 控 制 命 令 ，協(xié) 調(diào) 計(jì) 算 機(jī) 的 各 個(gè) 部 件 的 工 作 。l主 要 任 務(wù) ：解 釋 并 執(zhí) 行 指 令 ；控 制 指 令 的 執(zhí) 行 順 序 ；負(fù) 責(zé) 指 令 執(zhí)

22、 行 過 程 中 ， 操 作 數(shù) 的 尋 址 ；根 據(jù) 指 令 的 執(zhí) 行 ， 協(xié) 調(diào) 相 關(guān) 部 件 的 工 作 ， 如 運(yùn) 算 類 指 令 執(zhí) 行 時(shí) 對(duì)標(biāo) 志 寄 存 器 的 影 響 設(shè) 置 。l指 令 的 形 式操 作 碼 ： 指 出 指 令 所 進(jìn) 行 的 操 作 ， 如 加 、 減 、 數(shù) 據(jù) 傳 送 等 ； 地 址 碼 ： 指 出 進(jìn) 行 以 上 操 作 的 數(shù) 據(jù) 存 放 位 置 。 2021年 4月 26日 星 期 一 399 a 數(shù) 據(jù) a存 放 在 9號(hào) 單 元 指 令 地 址 指 令數(shù) 據(jù) 地 址 數(shù) 據(jù)計(jì) 算 機(jī) 運(yùn) 算 y ax b c1 取 數(shù) 存 儲(chǔ) 器 9號(hào)

23、地 址 的 數(shù) a送 運(yùn) 算 器 A9 （ 9） A2 乘 法 完 成 a * x , 結(jié) 果 保 留 在 運(yùn) 算 器 A12 (A) (12) A3 加 法 完 成 ax b, 結(jié) 果 保 留 在 運(yùn) 算 器 A10 (A) (10) A4 減 法 完 成 y ax b c, 結(jié) 果 保 留 在 A11 (A) (11) A5 存 數(shù) 運(yùn) 算 器 A中 的 結(jié) 果 y送 存 儲(chǔ) 器 13號(hào) 地 址13 A 136 打 印 將 A中 的 結(jié) 果 經(jīng) 打 印 機(jī) 打 印 出 來A Print7 停 止 機(jī) 器 停 止 工 作Stop8 說 明 10 b 數(shù) 據(jù) b存 放 在 10號(hào) 單 元11

24、c 數(shù) 據(jù) c存 放 在 11號(hào) 單 元12 x 數(shù) 據(jù) x存 放 在 12號(hào) 單 元3 y 運(yùn) 算 結(jié) 果 y存 放 在 13號(hào) 單 元操 作 碼 地 址 碼 說 明指 令 操 作 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 存 放 在 號(hào) 單 元 2021年 4月 26日 星 期 一 40 設(shè) 指 令 系 統(tǒng) 如 下 ，試 寫 出 該 指 令 序 列 。指 令 操 作 碼 說 明加 法 001 (A)+(M)-A減 法 010 (A)-(M)-A乘 法 011 (A)*(M)-A除 法 100 (A)/(M)-A取 數(shù) 101 (M)-A 存 數(shù) 110 (A)-M打 印 111 (A)-顯 示 器停 機(jī) 000 P

25、C-PC 0 1 取 數(shù) 92 乘 法 123 加 法 104 減 法 115 存 數(shù) 136 打 印7 停 止89 a 10 b11 c12 x13 y14 15 101 1001011 1100001 1010010 1011110 1101111 xxxx000 xxxxa(二 進(jìn) 制 數(shù) )bcxy 如 課 本 P9 圖 1.5 表 1.5 2021年 4月 26日 星 期 一 41 1.3.4 控 制 器 （ 續(xù) ）l控 制 器 工 作 的 周 期取 指 周 期 ： 取 指 令 的 一 段 時(shí) 間執(zhí) 行 周 期 ： 執(zhí) 行 指 令 的 一 段 時(shí) 間l指 令 按 順 序 執(zhí) 行 的

26、控 制 部 件 ： 指 令 計(jì) 數(shù) 器每 取 出 一 條 指 令 ， 指 令 計(jì) 數(shù) 器 就 加 1；遇 到 轉(zhuǎn) 移 類 指 令 ， 控 制 器 根 據(jù) 所 執(zhí) 行 指 令 設(shè) 置 指 令 計(jì) 數(shù) 器 的 值 ；l相 關(guān) 概 念數(shù) 據(jù) 字 ： 該 字 代 表 要 處 理 的 數(shù) 據(jù) ；指 令 字 ： 該 字 為 一 條 指 令 ；指 令 流 ： 取 指 周 期 中 ， 從 內(nèi) 存 讀 出 的 信 息 流 ； 數(shù) 據(jù) 流 ： 執(zhí) 行 周 期 中 ， 從 內(nèi) 存 讀 出 的 信 息 流 。1條 指 令 的 字 節(jié) 數(shù) 2021年 4月 26日 星 期 一 42 1.3.5 適 配 器 與 輸 入

27、輸 出 設(shè) 備l輸 入 設(shè) 備將 人 們 熟 悉 的 某 種 信 息 形 式 變 換 為 機(jī) 器 內(nèi) 部 所 能 接 收 和 識(shí) 別 的 二進(jìn) 制 信 息 形 式 的 設(shè) 備 。l輸 出 設(shè) 備把 計(jì) 算 機(jī) 的 處 理 結(jié) 果 變 成 人 或 其 他 機(jī) 器 設(shè) 備 所 能 接 收 和 識(shí) 別 的 信息 形 式 的 設(shè) 備 。l適 配 器保 證 外 圍 設(shè) 備 用 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 特 性 要 求 的 形 式 發(fā) 送 或 接 收 信 息 。l系 統(tǒng) 總 線構(gòu) 成 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 骨 架 ， 是 多 個(gè) 系 統(tǒng) 部 件 之 間 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 傳 送 的 公 共 通 路 。 2021

28、年 4月 26日 星 期 一 43 使 用 計(jì) 算 機(jī) 的 工 作 過 程 （ 1） 提 出 問 題 ： 計(jì) 算 y=ax+b-c （ 2） 按 照 指 令 系 統(tǒng) 編 制 程 序 （ 3） 將 指 令 變 為 機(jī) 器 代 碼 ， 送 入 主 存 儲(chǔ) 器 （ 4） 控 制 器 控 制 執(zhí) 行 程 序 PC:程 序 計(jì) 數(shù) 器 ， 其 位 數(shù) 與 MAR相 同 。 IR:指 令 寄 存 器 ， 其 位 數(shù) 與 MDR相 同 。用 簡(jiǎn) 化 模 型 描 述 使 用 計(jì) 算 機(jī) 工 作 過 程 2021年 4月 26日 星 期 一 44 程 序 計(jì) 數(shù) 器PC指 令 寄 存 器IR控 制 單 元CU

29、MARMMMDRALU暫 存 器X累 加 器ACC乘 商 寄 存 器MQ高 4位 低 4位 運(yùn)算器存儲(chǔ)器控 制 字控制器 2021年 4月 26日 星 期 一 45 PCIRCU MARM.MMDRALUXACCMQ高 4位 低 4位控 制 字 運(yùn)算器存儲(chǔ)器控制器 2021年 4月 26日 星 期 一 46 （ 1） 指 令 系 統(tǒng) ， 設(shè) 有 6條 指 令匯 編 語 言 助 記 符 操 作 碼 地 址 碼 功 能LMA n 0001 n M ACCSAM n 0010 n ACC MADD n 0011 n ACC+M ACCMUL n 0100 n ACC*M ACCOUT n 0101

30、n 輸 出 MHLT 0110 停 機(jī)*地 址 n假 設(shè) 為 4位 的 二 進(jìn) 制 數(shù) 。舉 例 ：假 設(shè) 簡(jiǎn) 化 計(jì) 算 機(jī) 模 型 的 指 令 格 式 如 下 ：操 作 碼 地 址 碼4位 4位 2021年 4月 26日 星 期 一 47 序 號(hào) 指 令 注 釋 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 101

31、01 0100 10102 0100 10113 0010 11104 0001 10105 0100 11006 0011 11107 0011 11018 0010 11109 0110 000010 x11 a12 b13 c14 y (2) 試 編 制 程 序 ， 計(jì) 算 y=ax2+bx+c匯 編 后 內(nèi) 存 分 配 情 況指 令 系 統(tǒng)LMA n 0001 n SAM n0010 nADD n 0011 nMUL n 0100 nOUT n 0101 nHLT n 0110 n 2021年 4月 26日 星 期 一 48 簡(jiǎn) 化 模 型幾 位 ？幾 位 ？ 幾 位 ？幾 位 ？幾

32、位 ？ 幾 位 ？程 序 計(jì) 數(shù) 器PC指 令 寄 存 器IR 累 加 器A寄 存 器B算 邏 部 件ALU 乘 商 寄 存 器MQ存 儲(chǔ) 器 地 址 寄 存 器MAR 16X8 RAMM.M控 制 單 元 存 儲(chǔ) 器 數(shù) 據(jù) 寄 存 器MDR簡(jiǎn) 化 模 型 演 示 2021年 4月 26日 星 期 一 49 1.4 計(jì) 算 機(jī) 的 軟 件l系 統(tǒng) 程 序用 來 簡(jiǎn) 化 程 序 設(shè) 計(jì) ， 簡(jiǎn) 化 使 用 方 法 ， 提 高 計(jì) 算 機(jī) 的 使 用 效 率 ， 發(fā)揮 和 擴(kuò) 大 計(jì) 算 機(jī) 的 功 能 及 用 途 。 包 括 :u服 務(wù) 性 程 序 ， 如 診 斷 程 序 、 排 錯(cuò) 程 序

33、、 練 習(xí) 程 序 等 ；u語 言 類 程 序 ， 如 匯 編 程 序 、 編 譯 程 序 、 解 釋 程 序 等 ；u操 作 系 統(tǒng) ；u數(shù) 據(jù) 庫 管 理 系 統(tǒng) ；l應(yīng) 用 程 序用 戶 利 用 計(jì) 算 機(jī) 來 解 決 某 些 實(shí) 際 問 題 所 編 制 的 程 序 ； u工 程 設(shè) 計(jì) 程 序 、 數(shù) 據(jù) 處 理 程 序 、 自 動(dòng) 控 制 程 序 、 企 業(yè) 管 理 程 序 、 情報(bào) 檢 索 程 序 、 科 學(xué) 計(jì) 算 程 序 等 等 。 2021年 4月 26日 星 期 一 50 1.5 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 層 次 結(jié) 構(gòu)l從 不 同 角 度 看 到 的 計(jì) 算 機(jī) 的 構(gòu) 成

34、 ；微 程 序 設(shè) 計(jì) 級(jí)u硬 件 級(jí) ， 硬 件 信 號(hào) 作 用 于 計(jì) 算 機(jī) ；一 般 機(jī) 器 級(jí)u硬 件 級(jí) ， 使 用 微 程 序 解 釋 機(jī) 器 語 言 ；操 作 系 統(tǒng) 級(jí)u混 合 級(jí) ， 使 用 機(jī) 器 指 令 和 廣 義 指 令 ；匯 編 語 言 級(jí) u軟 件 級(jí) ， 使 用 匯 編 語 言 ；高 級(jí) 語 言 級(jí)u軟 件 級(jí) ， 使 用 高 級(jí) 語 言 ；l計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 層 次 結(jié) 構(gòu) 圖 演 示 2021年 4月 26日 星 期 一 51 1.5.2 軟 件 與 硬 件 的 邏 輯 等 價(jià) 性l硬 件指 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 中 使 用 的 電 子 線 路 和 物

35、理 裝 置 ；l軟 件指 揮 整 個(gè) 計(jì) 算 機(jī) 硬 件 系 統(tǒng) 工 作 的 程 序 集 合 ；由 人 們 事 先 編 制 成 具 有 各 類 特 殊 功 能 的 信 息 組 成 ；l固 件具 有 某 軟 件 功 能 的 硬 件 ， 一 般 用 ROM實(shí) 現(xiàn) 。功 能 上 是 軟 件 ， 形 態(tài) 上 是 硬 件 。 2021年 4月 26日 星 期 一 52 本 章 小 結(jié)l了 解 計(jì) 算 機(jī) 的 分 類 和 發(fā) 展 簡(jiǎn) 史掌 握 幾 個(gè) 常 用 的 計(jì) 算 機(jī) 的 性 能 指 標(biāo) ；u吞 吐 量 、 響 應(yīng) 時(shí) 間 ;CPU時(shí) 鐘 周 期 、 主 頻 、 CPI、 CPU執(zhí) 行 時(shí)間 ;MI

36、PS、 MFLOPS l掌 握 計(jì) 算 機(jī) 的 硬 件 組 成 ， 及 整 機(jī) 的 基 本 工 作 原 理馮 諾 依 曼 機(jī) 的 特 點(diǎn) 、 與 現(xiàn) 代 微 機(jī) 的 異 同 ；以 簡(jiǎn) 化 模 型 理 解 整 機(jī) 的 工 作 過 程 ；l了 解 計(jì) 算 機(jī) 軟 件 的 組 成 和 分 類l理 解 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 層 次 結(jié) 構(gòu) 5級(jí) 結(jié) 構(gòu) ， 及 其 各 級(jí) 的 執(zhí) 行 命 令 /指 令 ; 2021年 4月 26日 星 期 一 53 09年 考 研 真 題l11. 馮 諾 依 曼 計(jì) 算 機(jī) 中 指 令 和 數(shù) 據(jù) 均 以 二 進(jìn) 制 形 式 存 放 在 存 儲(chǔ)器 中 ， CPU區(qū) 分 它 們 的 依 據(jù) 是 （ ）A. 指 令 操 作 碼 的 譯 碼 結(jié) 果B. 指 令 和 數(shù) 據(jù) 的 尋 址 方 式C. 指 令 周 期 的 不 同 階 段D. 指 令 和 數(shù) 據(jù) 所 在 的 存 儲(chǔ) 單 元答 案 為 ： C取 指 階 段 獲 取 的 是 指 令 、 執(zhí) 行 階 段 獲 取 的 是 數(shù) 據(jù) ； 2021年 4月 26日 星 期 一 54 本 章 作 業(yè)P15 4、 5、 6、 7、 8