哈工大英才学院计算机组成原理第2章.ppt
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➢ 虚拟机的实现有解释(Intelpretation)和翻译 (Translation)两种途径。
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
2 . 1 冯·诺依曼计算机模型
2. 1 冯·诺依曼计算机模型 （最初的）
2 . 1 冯·诺依曼计算机模型
冯·诺依曼计算机模型 的特点
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 5.固件（软件硬件化）
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 将其存储在访问速度较快的只读存储器 ROM芯片中,以硬件形式出现的软件称为 “固件”。 ，
2 . 2 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 现。 这里，程序员主要是指汇编程序员。
冯·诺依曼计算机模型 的特点（续）
4. 指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制 数形式进行运算 。
5. 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 。
6. 设置“程序计数器PC”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 器就自动加1，指向下一条指令的存储单元。
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 3.硬件
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/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—— 主板，外设等。其中存储器包括：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 被处理器直接访问的辅助存储器（简称辅存或外 存） 。
由于“计算机体系结构”概念的提出，又派 生出两个新的重要概念
计算机组成和计算机实现
• 计算机组成是计算机体Βιβλιοθήκη Baidu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 算机组成。
• 计算机实现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 实现。
概念性的结构
主存储器
主存控制器
ＣＰＵ
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 2.处理单元的组成
从逻辑上看，PU主要由算术逻辑单元ALU、控制单 元CU以及一些暂存单元——寄存器组以及内部总线组成 成。
ALU是计算机的运算装置，它能够完成“加、减、乘、 除”等算术运算和“与、或、非、异或”等逻辑运算。一 个基本的ALU由加法器、移位电路和若干内部寄存器及 相应的控制逻辑和组成。
ＩＯＰ 打印机 卡片机 终端
ＩＯＰ 磁盘机
磁带机
功能特性
✓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 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 制机制等； ✓中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；
2 . 1 冯·诺依曼计算机模型
冯·诺依曼计算机模型 的改进：（现代计算机） 以存储器为中心连接在一起
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 1.概述
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。 在具体实现时，通常将控制单元和运算单元集成 在一起，构成处理单元（Processing Unit，PU）。 处理单元也称处理器（Processor）。
✓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；
✓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 控制等；
✓信息保护，包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 3 计算机系统的层次结 构为什么要分层？
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 4.软件
广义上，软件是“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 属于计算机系统运行的数据。” 狭义上，软件指 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、 应用软件。
分工与协作，提高生产率。
第5级：应用语言虚拟机 第4级：高级语言虚拟机 第3级：汇编语言虚拟机
问题：分几层为好？
第2级：操作系统虚拟机 第1级：机器语言机器 第0级：微程序机器 计算机系统的层次结构
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 3 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 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 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 的具体体现。
1. 计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和 控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。
2. 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， 存储单元按地址访问。
3. “程序”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。
2 . 1 冯·诺依曼计算机模型
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 2.处理单元的组成
CU是PU的指挥机构，由程序计数器PC、存 放当前指令的指令寄存器IR、解释指令的指令译 码器ID、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。CU依据指令译码器产生的 一系列操作命令/信号来指挥、协调PU乃至计算 机系统中各个部件的工作。
2 . 2 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。 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ACC，8086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。 标志寄存器FR常见的标志有进位标志CF、溢出标志OF、 辅助进位标志AF、零标志ZF、符号标志SF和奇偶标志PF等， 这些标志分别占据标志寄存器FR中的不同位。
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
2 . 1 冯·诺依曼计算机模型
2. 1 冯·诺依曼计算机模型 （最初的）
2 . 1 冯·诺依曼计算机模型
冯·诺依曼计算机模型 的特点
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 5.固件（软件硬件化）
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 将其存储在访问速度较快的只读存储器 ROM芯片中,以硬件形式出现的软件称为 “固件”。 ，
2 . 2 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 现。 这里，程序员主要是指汇编程序员。
冯·诺依曼计算机模型 的特点（续）
4. 指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制 数形式进行运算 。
5. 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 。
6. 设置“程序计数器PC”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 器就自动加1，指向下一条指令的存储单元。
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 3.硬件
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/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—— 主板，外设等。其中存储器包括：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 被处理器直接访问的辅助存储器（简称辅存或外 存） 。
由于“计算机体系结构”概念的提出，又派 生出两个新的重要概念
计算机组成和计算机实现
• 计算机组成是计算机体Βιβλιοθήκη Baidu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 算机组成。
• 计算机实现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 实现。
概念性的结构
主存储器
主存控制器
ＣＰＵ
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 2.处理单元的组成
从逻辑上看，PU主要由算术逻辑单元ALU、控制单 元CU以及一些暂存单元——寄存器组以及内部总线组成 成。
ALU是计算机的运算装置，它能够完成“加、减、乘、 除”等算术运算和“与、或、非、异或”等逻辑运算。一 个基本的ALU由加法器、移位电路和若干内部寄存器及 相应的控制逻辑和组成。
ＩＯＰ 打印机 卡片机 终端
ＩＯＰ 磁盘机
磁带机
功能特性
✓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 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 制机制等； ✓中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；
2 . 1 冯·诺依曼计算机模型
冯·诺依曼计算机模型 的改进：（现代计算机） 以存储器为中心连接在一起
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 1.概述
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。 在具体实现时，通常将控制单元和运算单元集成 在一起，构成处理单元（Processing Unit，PU）。 处理单元也称处理器（Processor）。
✓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；
✓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 控制等；
✓信息保护，包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 3 计算机系统的层次结 构为什么要分层？
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 4.软件
广义上，软件是“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 属于计算机系统运行的数据。” 狭义上，软件指 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、 应用软件。
分工与协作，提高生产率。
第5级：应用语言虚拟机 第4级：高级语言虚拟机 第3级：汇编语言虚拟机
问题：分几层为好？
第2级：操作系统虚拟机 第1级：机器语言机器 第0级：微程序机器 计算机系统的层次结构
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 3 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 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 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 的具体体现。
1. 计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和 控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。
2. 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， 存储单元按地址访问。
3. “程序”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。
2 . 1 冯·诺依曼计算机模型
2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 2.处理单元的组成
CU是PU的指挥机构，由程序计数器PC、存 放当前指令的指令寄存器IR、解释指令的指令译 码器ID、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。CU依据指令译码器产生的 一系列操作命令/信号来指挥、协调PU乃至计算 机系统中各个部件的工作。
2 . 2 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。 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ACC，8086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。 标志寄存器FR常见的标志有进位标志CF、溢出标志OF、 辅助进位标志AF、零标志ZF、符号标志SF和奇偶标志PF等， 这些标志分别占据标志寄存器FR中的不同位。