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第2章電子計算機的基本結構 2 1馮 諾依曼計算機模型2 2電子計算機的組成結構2 3計算機系統(tǒng)的分類2 4電子計算機的性能評價2 5電子計算機的特點與發(fā)展趨勢 2 1馮 諾依曼計算機模型 2 1馮 諾依曼計算機模型 最初的 2 1馮 諾依曼計算機模型 馮 諾依曼計算機模型的特點 計算機由運算器 存儲器 輸入 輸出設備和控制器組成 并以運算器為中心連接在一起 存儲器由一組一維排列 線性編址的存儲單元組成 每個存儲單元的位數(shù)是相等且固定的 存儲單元按地址訪問 程序 是由一條一條的指令有序排列而成 而指令由操作碼和地址碼兩部分組成 2 1馮 諾依曼計算機模型 馮 諾依曼計算機模型的特點 續(xù) 指令和數(shù)據(jù)均采用二進制數(shù)表示 并以二進制數(shù)形式進行運算 程序 指令 與數(shù)據(jù)是同等地不加區(qū)分地存儲在同一個存儲器中 設置 程序計數(shù)器PC 來指示下一條將要執(zhí)行的指令的地址 每執(zhí)行完一條指令 程序計數(shù)器就自動加1 指向下一條指令的存儲單元 2 1馮 諾依曼計算機模型 馮 諾依曼計算機模型的改進 現(xiàn)代計算機 以存儲器為中心連接在一起 2 2電子計算機的組成結構 2 2 1電子計算機的基本組成1 概述從組成的角度看 電子計算機由控制單元 運算單元 存儲器 輸入單元和輸出單元組成 在具體實現(xiàn)時 通常將控制單元和運算單元集成在一起 構成處理單元 ProcessingUnit PU 處理單元也稱處理器 Processor 2 2電子計算機的組成結構 2 2 1電子計算機的基本組成2 處理單元的組成從邏輯上看 PU主要由算術邏輯單元ALU 控制單元CU以及一些暫存單元 寄存器組以及內(nèi)部總線組成成 ALU是計算機的運算裝置 它能夠完成 加 減 乘 除 等算術運算和 與 或 非 異或 等邏輯運算 一個基本的ALU由加法器 移位電路和若干內(nèi)部寄存器及相應的控制邏輯和組成 2 2電子計算機的組成結構 2 2 1電子計算機的基本組成2 處理單元的組成CU是PU的指揮機構 由程序計數(shù)器PC 存放當前指令的指令寄存器IR 解釋指令的指令譯碼器ID 發(fā)出各種命令信號的控制信號發(fā)生器及相應的控制邏輯組成 CU依據(jù)指令譯碼器產(chǎn)生的一系列操作命令 信號來指揮 協(xié)調(diào)PU乃至計算機系統(tǒng)中各個部件的工作 2 2電子計算機的組成結構 寄存器分為數(shù)據(jù)寄存器 地址寄存器和標志寄存器等 最常用的數(shù)據(jù)寄存器是用于存放加法運算結果的累加寄存器ACC 8086中的累加寄存器命名為AX 地址寄存器有基址寄存器 變址寄存器等 標志寄存器FR常見的標志有進位標志CF 溢出標志OF 輔助進位標志AF 零標志ZF 符號標志SF和奇偶標志PF等 這些標志分別占據(jù)標志寄存器FR中的不同位 2 2電子計算機的組成結構 2 2 1電子計算機的基本組成3 硬件硬件指構成電子計算機的物理實體 如處理器 存儲器 內(nèi)存 輸入 輸出控制器 接口電路 等芯片及其集成這些芯片的印制線路板 主板 外設等 其中存儲器包括 可以被處理器直接訪問的主存儲器 簡稱主存或內(nèi)存 和不可被處理器直接訪問的輔助存儲器 簡稱輔存或外存 2 2電子計算機的組成結構 2 2 1電子計算機的基本組成4 軟件廣義上 軟件是 計算機程序 過程 規(guī)則及與這些程序 過程 規(guī)則有關的文檔 以及從屬于計算機系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù) 狹義上 軟件指發(fā)揮電子計算機功能的各種程序及相應的數(shù)據(jù) 按照性質(zhì)和功能的不同 軟件分為系統(tǒng)軟件 應用軟件 2 2電子計算機的組成結構 2 2 1電子計算機的基本組成5 固件 軟件硬件化 對于那些不再需要改動而且經(jīng)常被調(diào)用的軟件 為了使其有更快的執(zhí)行速度 可以將其存儲在訪問速度較快的只讀存儲器ROM芯片中 以硬件形式出現(xiàn)的軟件稱為 固件 2 2電子計算機的組成結構 2 2 2計算機體系結構 計算機體系結構是指程序員所看到的機器的屬性 即機器的概念性結構和功能表現(xiàn) 這里 程序員主要是指匯編程序員 由于 計算機體系結構 概念的提出 又派生出兩個新的重要概念計算機組成和計算機實現(xiàn) 計算機組成是計算機體系結構的邏輯實現(xiàn) 一種計算機體系結構可以有多種不同的計算機組成 計算機實現(xiàn)是計算機組成的物理實現(xiàn) 一種計算機組成也可以有多種不同的計算機實現(xiàn) 概念性的結構 功能特性 數(shù)據(jù)表示 硬件能夠直接認別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式 寄存器組織 操作數(shù)寄存器 變址寄存器 控制寄存器及專用寄存器的定義 數(shù)量和使用規(guī)則等 指令系統(tǒng) 機器指令的操作類型 格式 指令間的排序和控制機制等 中斷系統(tǒng) 中斷類型 中斷級別和中斷響應方式等 存儲系統(tǒng) 最小編址單位 編址方式 主存容量 最大尋址空間等 處理機工作狀態(tài) 狀態(tài)的定義和切換方式 如管態(tài)和目態(tài) 輸入輸出系統(tǒng) 連接方式 數(shù)據(jù)交換方式 數(shù)據(jù)交換過程的控制等 信息保護 包括信息保護方式和硬件對信息保護的支持等 2 2電子計算機的組成結構 2 2 3計算機系統(tǒng)的層次結構 為什么要分層 分工與協(xié)作 提高生產(chǎn)率 問題 分幾層為好 2 2電子計算機的組成結構 2 2 3計算機系統(tǒng)的層次結構 虛擬機 因為用戶在使用計算機時 看到的就是這些軟件的界面 他并不了解也不必了解物理計算機內(nèi)部的結構及工作原理 這些軟件的界面向用戶提供了他期望讓計算機實現(xiàn)的全部功能 換句話說 這些軟件的界面就是計算機所具有功能的具體體現(xiàn) 虛擬機的實現(xiàn)有解釋 Intelpretation 和翻譯 Translation 兩種途徑 透明性 Transparency 本來存在的事物或?qū)傩?從某種角度看似乎不存在 例如 浮點數(shù)表示 乘法指令對高級語言程序員 應用程序員透明對匯編語言程序員 機器語言程序員不透明 例如 數(shù)據(jù)總線寬度 微程序?qū)R編語言程序員 機器語言程序員透明對硬件設計者 計算機維修人員不透明 體系結構設計 可以理解為 決定哪些事物對程序員透明 哪些事物對程序員不透明 2 3計算機系統(tǒng)的分類 2 3 1綜述1 根據(jù)數(shù)據(jù)表示原理 電子計算機分為模擬式和數(shù)字式 2 依據(jù)性能的高低 計算機分為超級計算機 大型計算機 中型計算機 小型計算機 工作站和微型計算機 3 按照結構集成的不同方式 微型計算機分為單片機和單板機 4 計算機按其設計目的又可分為專用計算機和通用計算機5 根據(jù)計算機的用途不同 計算機分為個人計算機 工控機 軍用計算機和嵌入式計算機 2 4電子計算機的性能評價 基本字長字 字長 主存儲器容量處理速度主頻存儲器的存取周期功耗吞吐率和響應時間輔存容量等等 看書中的解釋 27頁 2 5電子計算機的特點與發(fā)展趨勢 2 5 1電子計算機的特點能在程序控制下自動連續(xù)地工作 運算速度快 計算精度高 具有邏輯判斷能力 通用性強 具有很強的 記憶 功能 2 5電子計算機的特點與發(fā)展趨勢 2 5 1電子計算機的特點2 5 2電子計算機發(fā)展的動力應用需求 求解疑難問題和改善人機接口技術推動 軟件的推動和硬件的推動 2 5電子計算機的特點與發(fā)展趨勢 2 5 1電子計算機的特點2 5 2電子計算機發(fā)展的動力2 5 3電子計算機的發(fā)展趨勢高 高速度開 開放性多 多媒體智 智能化網(wǎng) 網(wǎng)絡化虛 虛擬化 第五代計算機 現(xiàn)代電子計算機的發(fā)展