第1章 计算机系统概论

1.2 计算机的基本组成
二、冯· 诺依曼计算机的特点
1. 计算机由五大部件组成 2. 指令和数据以同等地位存于存储器， 可按地址寻访 3. 指令和数据用二进制表示 4. 指令由操作码和地址码组成 5. 存储程序 6. 以运算器为中心
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三、计算机硬件框图
1. 以存储器为中心的计算机硬件框图
控制器 数据 输入设备 程序
00000 00001 00002 00003 取数005 加法006 减法007 存数008 停机 a b c
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00004 00005 00006
00007 00008
例如：计算机a+b-c=? 完成这个运算，需要五个步骤： 3、执行减法命令，将累加器中 的内容与从主存7号单元取出的 数c一起送到运算器中相减，结 果a+b-c保留在累加器中。 4、执行存数指令，把累加器中 的内容存至主存的8号单元。 5、执行停机指令，计算机停止 工作。 主存储器
00000 00001 00002 00003 取数005 加法006 减法007 存数008 停机 a b c
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00004 00005 00006
00007 00008
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.机器字长 CPU 一次能处理数据的位数
字长越长，表数范围越大，精度越高。
字长会影响机器的运算速度。 字长对硬件（ALU、数据总线、存储字长的位数） 的造价有较大的影响。 与 CPU 中的 寄存器位数 有关



CPU的寄存器堆
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3.存储器(记忆装置)
(1)功能：保存程序、原始数据及中间结果。 (2)特点： 采用线性地址存取方式， 地址 单元内容 …… …… 可按位(b)、字节(B)、半字、 n-1 信息m-1 字(W)或者双字(DW)编址。 n 信息m 以字节(B)编址居多，即1个 n+1 信息m+1 …… …… 存储单元存1个字节的信息。 存储器容量：通常用KB、MB、GB、TB表示。
一台完整计算机的功能——运算+控制+存储+输入 /输出+用户界面 实现：CPU+M+I/O+BUS+软件

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1.输入/输出(I/O)设备
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2.中央处理器(CPU)
它是计算机的核心，它由ALU + CU + Regs组成
(1)控制器：按时钟提供的统一节拍，使计算机中各 部件协调工作。 (2)算术逻辑部件ALU (Arithmetic Logical Unit) 它是直接进行数据变换与运算的部件。由加法 器组成，ALU的最基本操作是加法和逻辑运算。 (3)寄存器组：暂存运算中间结果 通用寄存器组：存放操作数 专用寄存器组：存储特定信息
计算机 组成
如何实现计算机体系结构所体现的属性
（具体指令的实现）（对程序员透明—不知道）
如何实现乘法指令
7
1.2 计算机的基本组成
电子计算机是一种自动计算工具，而算盘是手动计 算工具。 计算机有存储程序的功能，即能把由操作步骤编制 成的程序(program)记住，然后按程序的要求，逐 一完成程序规定的操作任务——程序存储控制原理
1.1
高级语 言程序 (源程序)
翻译
目标 程序
运行
结果
计算机
4
2、计算机系统的层次结构
高级语言
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
1.1
汇编语言 操作系统
机器语言 微指令系统
虚拟机器M2
传统机器 M1 微程序机器 M0
5
多级层次结构的计算机系统
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
用编译程序翻译 成汇编语言程序
实线：控制线 虚线：反馈线 中空线：数据线
1.2
计算 存储器 输出设备 结果 运算器
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2.现代计算机硬件框图
运算器 控制器 存储器 输入设备
ALU CU 主存 辅存 CPU
1.2
主机
硬件 I/O设备
实线：控制线 虚线：反馈线 中空线：数据线
输出设备
主机 CPU
主 存
ALU
I/O
设备
CU
16
** 计算机系统的功能部件(加)
1.1
软 件 硬 件
用汇编程序翻译 成机器语言程序 用机器语言解释操作系统
虚拟机器 M2
实际机器 M1
微程序机器 M0
用微程序解释机器指令
由硬件直接执行微指令
6
三、计算机体系结构和计算机组成 1.1
有无乘法指令
计算机 程序员所见到的计算机系统的属性， 体系结构 即：概念性的结构与功能特性
（指令集、数据类型、寻址技术、I/O机理）

John von Neumann 冯诺依曼（电子计算机之父） (1903-1957)
9
Neumann计算机的基本组成

比喻:
若把计算机比作一个工厂,那么 运算器 车间 控制器 生产科 输入设备 供应科 输出设备 销售科 存储器 仓库
10
1.2 计算机的基本组成
Von Neumann是在电子时代提出把程序存储控制 原理用于计算机的第一人。
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例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑电 路完全相同。 (3) B机的平均指令执行速度为多少? 解答： (3) A机平均每条指令的时钟周期数=2.5μs/0.125μs=20。 因微机A和B片内逻辑电路完全相同，所以B机平均每 条指令的时钟周期数也为20。 由于B机的CPU主频为12MHz．所以B机的CPU时钟 周期=1/12MHz= 1/12μs。 B机的平均指令周期=20×(1/12）=5/3μs。 B机的平均指令执行速度=1/(5/3)μs=0.6MIPS。 另解：B机的平均指令执行速度=A机的平均指令执行 速度0.4MIPS×(12/8）=0.6MIPS。
总线连接方式：是现代计算机(尤为微、小型机)采用的方式。 总线：是一簇由并行导线组成的传递信息的公共通路。 总线的三种类型：数据总线——用于传输数据； 地址总线——用于传输内存存储单元地址； 控制总线——用于传输控制信号。 总线的任务：在计算机各部件之间，起沟通信息的作用。

CPU
27
00004 00005 00006
00007 00008
例如：计算机a+b-c=? 完成这个运算，需要五个步骤： 主存储器 1、执行取数执行，从主存的5 号单元取出数，把a取出来， 送入累加器（位于ALU）中。 2、执行加法指令，从主存6号 单元取出数b与累加器中的a一 起送到运算器中相加，结果 a+b保留在累加器中。
Neumann原理可总结为三条（1946）:
(1) 指令像数据一样存放在存储器中，并像数据那 样进行处理； （2）要使用二进制； （3）要使用程序存储控制方式工作。
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一、典型的冯· 诺依曼计算机硬件框图
存放数据 和程序 算术运算 逻辑运算
1.2
存储器
输入设备
运算器
输出设备 指挥程序 运行
控制器
1GB = 230b
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1.3 计算机硬件的主要技术指标
吉普森法 TM = fi ti
i =1
n
fi—第i条指令占全部操作的百分比数 Million Instruction Per Second t — 第 i 条指令的执行时间 3.运算速度 i
Cycle Per Instruction
MIPS CPI
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2.存储容量
存放二进制信息的总位数
存储单元个数 × 存储字长 如
1.3
主存容量 （内存）
字节数 如 字节数
MAR MDR 容量 10b 8b 1 K × 8位 16b 32b 64 K × 32位
1K = 210
2 = 1 KB 221 = 256 KB 80 GB
13
1B = 23b
辅存容量 （外存）
存 储 器
I/O1
I/O2 …… I/On
控制总线 地址总线 数据总线
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4.总线

总线的物理表现形式： 由直接印刷在电路板上的导线和安装在电路 板上的各种插槽组成，其它部件以插件板形式插 装在插槽上。
部件插 件板
总线插槽 总线
总线技术现已成为现代计算机技术中的一个 重要分支。 24
四 、计算机的工作步骤
第１章 计算机系统概论
1.1 计算机系统简介
1.2 计算机的基本组成
1.3 计算机硬件的主要技术指标 1.4 本书结构
1
1.1 计算机系统简介
一、 计算机的软硬件概念
1. 计算机系统
看得见、摸得着
计 算 机 系 统
硬件 计算机的实体，由电子元器件、光、电、 机设备的实物组成，如主机、外设等
由具有各类特殊功能的信息（程序）组成 软件 存储在计算机的各类媒体中（主存、辅存）
实线：数据线 计算机：它能接收信息，根据事先编好的程序，对信息进行处理， 虚线：控制线和反馈线 12 并给出处理结果。
一、典型的冯· 诺依曼计算机硬件框图
将信息转换成机 器能识别的形式
1.2
存储器
将结果转换成 人们熟悉的形式
输入设备
运算器
Байду номын сангаас
输出设备
控制器
实线：数据线 计算机：它能接收信息，根据事先编好的程序，对信息进行处理， 虚线：控制线和反馈线 13 并给出处理结果。
00007 00008
b c
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例如：计算机a+b-c=?
程序编好后，顺序存放在 主存中。 上例中的五条指令依次存 放在主存的0-4号单元中，参 加运算的数也必须存放在主存 指定的单元中。计算机的控制 器将逐条完成该程序的执行， 从而得到结果。
主存储器
00000 00001 00002 00003 取数005 加法006 减法007 存数008 停机 a b c
看不见、摸不着
2
1.1
用来管理整个计算机系统， 系统软件 监视服务，使系统资源得到 (系统程序) 合理调度，高效运行。
语言处理程序（编译程序）
软 件
操作系统 数据库管理系统
服务性程序（诊断、调试、连接）
网络软件
应用软件 按任务需要编制成的各种程序 3 (应用程序)
二、计算机系统的层次结构 1. 计算机的解题过程
每秒执行百万条指令 执行一条指令所需时钟周期数
FLOPS 每秒浮点运算次数
Floating Point Per Second
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例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻 辑电路完全相同。 (1) 若A机的CPU主频为8MHz，B机为12MHz，则 A机的CPU时钟周期为多少？ (2) 若A机的平均指令执行速度为0.4MIPS，那么A 机的平均指令周期为多少？ (3) B机的平均指令执行速度为多少?
25 2.计算机的解题过程(调试、运行、得到结果)
例如：计算机a+b-c=? a、b、c为三个已知数，分别存放 在主存的5-7号单元中；要求，结果存放 在8号单元中。
主存储器
ALU 累加器 取数005 加法006 减法007 存数008 停机
00000 00001 00002 00003
00004 00005 00006 a
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例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑电
路完全相同。
(1) 若A机的CPU主频为8MHz，B机为12MHz，则A机
的CPU时钟周期为多少？
解答： (1) A机的CPU主频为8MHz，所以A机的CPU时钟周期 =1/8MHz=0.125μs。
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例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑 电路完全相同。 (1) 若A机的CPU主频为8MHz，B机为12MHz，则A 机的CPU时钟周期为多少？ (2) 若A机的平均指令执行速度为0.4MIPS，那么A机 的平均指令周期为多少？ 解答： (1) A机的CPU主频为8MHz，所以A机的CPU时钟 周期=1/8MHz=0.125μs。 (2) A机的平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5μs。

1812年英国人巴贝奇(Babbage)开始研制机械计算 机，提出了程序存储控制原理的雏形。 巴贝奇提出了自动计算机必须包含 的五大功能，即：输入(I)+存储(M) +处理(P)+控制(C)+输出(O) Charies Babbage

（1792-1871） 8
1.2 计算机的基本组成
Von Neumann是在电子 时代提出把程序存储控 制原理用于计算机的第 一人。 Neumann理论奠定了现 代电子数字计算机的理 论。 按照该理论制成的计算 机叫Neumann体系结构 的计算机。简称 Neumann计算机。

下图是早期计算机中典型模块间的连接方式。因没从全局 角度统一考虑各部件间的连接问题，造成部件间连接的复 杂性。为减少部件连接的复杂性，现代计算机采用了总线 连接技术。
输入命令 输出命令
控制器
数 据
输入设备
运算器
存数
取数
输出设备
结果
存储器
注:实线代表传输数据 虚线代表传输控制命令和信号
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4.总线
1.上机前的准备
• 建立数学模型 • 确定计算方法 3 5 7 9 x x x x sin x = x + + -… 3! 5! 7! 9! 1 ( y x ) ( n = 0, 1, 2, … ) x= n+ y √ n 2 • 编制解题程序
程序 —— 运算的 全部步骤
1.2
指令 —— 每 一个步骤

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3.存储器(记忆装置)

(3)存储器的三大指标
容量(Capacity)+价格(Cost)+速度(Speed) 容量大 速度 ，速度 成本 容量 采用分级存储方式来解决上述矛盾
主存
辅助软硬件
cache 主存 辅存
cache主辅存三级存储系统 主辅存两级存储系统
辅存
CPU
主存
辅存
21
4.总线