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 计算机系统简介 一、 计算机软、硬件的概念 1. 计算机系统 计算机系统 计算机的实体 硬件 如主机、外设等 由具有各类特殊功能 软件 计算机的实体 如主机、外设等 由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成

系统软件 用来管理整个计算机系统 语言处理程序 操作系统 软 件 服务性程序 数据库管理系统 网络软件 应用软件 按任务需要编制成的各种程序

2. 计算机的解题过程 计算机 高级语 言程序 目标 程序 结果 翻译 运行

二、计算机系统的层次结构 高级语言 虚拟机器 M3 汇编语言 虚拟机器 M2 操作系统 虚拟机器 机器语言 实际机器 M1 微指令系统

软 件 硬 用编译程序翻译 成汇编语言程序 虚拟机器 M4 用汇编程序翻译 虚拟机器 M3 成机器语言程序 用机器语言解释操作系统 用微程序解释机器指令 实际机器 M1 由硬件直接执行微指令 微程序机器 M0

三、计算机体系结构和计算机组成 有无乘法指令 计算机 体系结构 程序员所见到的计算机系统的属性 概念性的结构与功能特性 （指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理） 计算机 组成 实现计算机体系结构所体现的属性 （具体指令的实现） 如何实现乘法指令

可按地址寻访 1.2 计算机的基本组成 一、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 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 5. 存储程序 6. 以运算器为中心

冯·诺依曼计算机硬件框图 算术运算 逻辑运算 存放数据 和程序 将结果转换成 人们熟悉的形式 将信息转换成机 器能识别的形式 存储器 输入设备 运算器 控制器 输出设备 指挥程序 运行

二、计算机硬件框图 1. 以存储器为中心的计算机硬件框图 程序 存储器 输出设备 输入设备 运算器 控制器 数据 结果 计算

2.现代计算机硬件框图 ALU 运算器 CPU CU 控制器 主机 主存 辅存 存储器 硬件 输入设备 I/O 输出设备 主机 CPU

) ( 2 1 n yn x = + √ … 三、计算机的工作步骤 0, 1, 2, 1.上机前的准备 建立数学模型 确定计算方法 - + ! x9 x7 x5 x3 x 9 7 5 3 sin … 0, 1, 2, ) ( 2 1 n yn x = + √ … 编制解题程序 程序 — 运算的 全部步骤 指令 — 每 一个步骤

编程举例 计算 ax2 + bx + c = (ax + b)x + c 取x 至运算器中 取x 至运算器中 乘以a 在运算器中

取数 α [α] ACC 000001 0000001000 存数 β [ACC] β 加 γ [ACC]+[γ] ACC 乘 x 指令格式举例 操作码 地址码 取数 α [α] ACC 000001 0000001000 存数 β [ACC] β 加 γ [ACC]+[γ] ACC 乘 x [ACC]×[x] ACC 打印 y [ y ] 打印机 停机

计算 ax2 + bx + c 程序清单 指令和数据存于主存单元的地址 指令 注释 操作码 地址码 000001 0000001000 000001 0000001000 取数x至ACC 1 000100 0000001001 乘a得ax存于ACC中 2 000011 0000001010 加b得ax+b,存于ACC中 3 乘x得（ax+b)x,存于ACC中 4 0000001011 加c得ax2 + bx + c,存于ACC 5 000010 0000001100 将ax2 + bx + c存于主存单元 6 000101 打印 7 000110 停机 8 x 原始数据x 9 a 原始数据a 10 b 原始数据b 11 c 原始数据c 12 存放结果

2.计算机的解题过程 (1)运算器的基本组成及操作过程 运算器 MQ ACC ALU X 被加数 加数 和 被减数 减法 差 减数 乘数 加法 加数 和 被减数 减法 差 减数 乘数 乘积高位 乘积低位 乘法 被乘数 被除数 除数 除法 商 余数

指令 加 ACC ACC 被加数 初态 [ACC]+[X] ① 加法操作过程 运算器 MQ ACC ALU X 指令 加 M ACC ACC 被加数 ACC 初态 [ACC]+[X] ALU [M] X X

指令 减 ACC ACC 被减数 初态 [ACC]-[X] ② 减法操作过程 运算器 MQ ACC ALU X 指令 减 M ACC ACC 被减数 ACC 初态 [ACC]-[X] ALU [M] X X

ACC 指令 乘 M ACC∥MQ [M] ALU [X]×[MQ] ACC 被乘数 初态 [ACC] MQ ACC ALU X ACC ③ 乘法操作过程 运算器 MQ ACC ALU X 指令 乘 M ACC ACC∥MQ ACC MQ ACC ACC MQ [M] ALU [X]×[MQ] ACC 被乘数 初态 X [ACC]

指令 除 MQ ACC 被除数 初态 [ACC]÷[X] ④ 除法操作过程 运算器 MQ ACC ALU X 指令 除 M MQ ACC 余数在ACC中 ACC 被除数 ACC 初态 [ACC]÷[X] ALU [M] X X

– 存储单元 – 存储元件 – 房间 – 床位 存储体 MAR MDR (2)存储器的基本组成 主存储器 （0/1） 存储体 大楼 – 房间 – 床位 大楼 （无人/ 有人） 主存储器 存储体 MAR MDR 存储单元 存放一串二进制代码 存储字 存储单元中二进制代码的组合 存储字长 存储单元中二进制代码的位数 每个存储单元赋予一个地址号 按地址寻访

设 MAR = 4 位 存储体 MAR MDR 存储单元个数 16 (2)存储器的基本组成 主存储器 存储器地址寄存器 反映存储单元的个数 存储器数据寄存器 反映存储字长 存储字长 8 设 MAR = 4 位 MDR = 8 位 存储单元个数 16

CU PC IR 完成 一条 指令 取指令 PC 取指 访存 分析指令 IR 执行指令 CU 执行 访存 PC 存放当前欲执行指令的地址 (3)控制器的基本组成 PC IR CU 完成 一条 指令 取指令 PC 取指 访存 分析指令 IR 执行指令 CU 执行 访存 PC 存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（PC）+ 1 PC IR 存放当前欲执行的指令

存储体 CPU 主存储器 PC IR 5 6 2 7 3 8 1 4 9 以取数指令为例 (4)主机完成一条指令的过程 CU 控制 单元 MDR MAR 存储体 CPU PC 控制器 IR … 运算器 MQ ACC ALU X I/O 5 6 2 7 3 8 1 4 9

存储体 CPU 主存储器 PC IR 5 6 2 7 3 9 1 4 8 以存数指令为例 (4)主机完成一条指令的过程 CU 控制 单元 MDR MAR 存储体 CPU PC 控制器 IR … 运算器 MQ ACC ALU X I/O 5 6 2 7 3 9 1 4 8

PC MAR M MDR IR ,(PC )+ 1 PC OP(IR) CU Ad(IR) MAR M MDR ACC … (5) ax2 + bx + c 程序的运行过程 将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址 PC 启动程序运行 取指令 PC MAR M MDR IR ,(PC )+ 1 PC 分析指令 OP(IR) CU 执行指令 Ad(IR) MAR M MDR ACC … 打印结果 停机

1.3 计算机硬件的主要技术指标 CPU 一次能处理数据的位数 与 CPU 中的 寄存器位数 有关 1.机器字长 主频 = n i =1 fi ti TM ∑ 吉普森法 2.运算速度 每秒执行百万条指令 MIPS 执行一条指令所需时钟周期数 CPI 每秒浮点运算次数 FLOPS

3.存储容量 存放二进制信息的总数量 存储单元个数 × 存储字长 如：MAR MDR 容量 主存容量 10 8 1K × 8位 1K = 210 16 32 64K × 32位 字节数 213 = 1KB 如： 1Byte = 23 221 = 256KB 字节数 80GB 辅存容量 1G = 230

ALU CU I/O CPU 第二篇 计算机系统硬件结构 第一篇 概论 第三篇 CPU 第四篇 CU 1.4 本书结构 存储器 系统总线 内部 互连 ALU CU 寄存器 中央处理单元 寄存器 解码器 控制单元 排队 逻辑 控制 存储器