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第2章電子計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 2 1馮 諾依曼計(jì)算機(jī)模型2 2電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)2 3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi)2 4電子計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià)2 5電子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì) 2 1馮 諾依曼計(jì)算機(jī)模型 2 1馮 諾依曼計(jì)算機(jī)模型 最初的 2 1馮 諾依曼計(jì)算機(jī)模型 馮 諾依曼計(jì)算機(jī)模型的特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器 存儲(chǔ)器 輸入 輸出設(shè)備和控制器組成 并以運(yùn)算器為中心連接在一起 存儲(chǔ)器由一組一維排列 線性編址的存儲(chǔ)單元組成 每個(gè)存儲(chǔ)單元的位數(shù)是相等且固定的 存儲(chǔ)單元按地址訪問(wèn) 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(jì)算機(jī)模型 馮 諾依曼計(jì)算機(jī)模型的特點(diǎn) 續(xù) 指令和數(shù)據(jù)均采用二進(jìn)制數(shù)表示 并以二進(jìn)制數(shù)形式進(jìn)行運(yùn)算 程序 指令 與數(shù)據(jù)是同等地不加區(qū)分地存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)器中 設(shè)置 程序計(jì)數(shù)器PC 來(lái)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(jì)數(shù)器就自動(dòng)加1 指向下一條指令的存儲(chǔ)單元 2 1馮 諾依曼計(jì)算機(jī)模型 馮 諾依曼計(jì)算機(jī)模型的改進(jìn) 現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 以存儲(chǔ)器為中心連接在一起 2 2電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 2 2 1電子計(jì)算機(jī)的基本組成1 概述從組成的角度看 電子計(jì)算機(jī)由控制單元 運(yùn)算單元 存儲(chǔ)器 輸入單元和輸出單元組成 在具體實(shí)現(xiàn)時(shí) 通常將控制單元和運(yùn)算單元集成在一起 構(gòu)成處理單元 ProcessingUnit PU 處理單元也稱(chēng)處理器 Processor 2 2電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 2 2 1電子計(jì)算機(jī)的基本組成2 處理單元的組成從邏輯上看 PU主要由算術(shù)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(jì)算機(jī)的運(yùn)算裝置 它能夠完成 加 減 乘 除 等算術(shù)運(yùn)算和 與 或 非 異或 等邏輯運(yùn)算 一個(gè)基本的ALU由加法器 移位電路和若干內(nèi)部寄存器及相應(yīng)的控制邏輯和組成 2 2電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 2 2 1電子計(jì)算機(jī)的基本組成2 處理單元的組成CU是PU的指揮機(jī)構(gòu) 由程序計(jì)數(shù)器PC 存放當(dāng)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(hào)的控制信號(hào)發(fā)生器及相應(yīng)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(hào)來(lái)指揮 協(xié)調(diào)PU乃至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)部件的工作 2 2電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 寄存器分為數(shù)據(jù)寄存器 地址寄存器和標(biāo)志寄存器等 最常用的數(shù)據(jù)寄存器是用于存放加法運(yùn)算結(jié)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(biāo)志寄存器FR常見(jiàn)的標(biāo)志有進(jìn)位標(biāo)志CF 溢出標(biāo)志OF 輔助進(jìn)位標(biāo)志AF 零標(biāo)志ZF 符號(hào)標(biāo)志SF和奇偶標(biāo)志PF等 這些標(biāo)志分別占據(jù)標(biāo)志寄存器FR中的不同位 2 2電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 2 2 1電子計(jì)算機(jī)的基本組成3 硬件硬件指構(gòu)成電子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)體 如處理器 存儲(chǔ)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(shè)等 其中存儲(chǔ)器包括 可以被處理器直接訪問(wèn)的主存儲(chǔ)器 簡(jiǎn)稱(chēng)主存或內(nèi)存 和不可被處理器直接訪問(wèn)的輔助存儲(chǔ)器 簡(jiǎn)稱(chēng)輔存或外存 2 2電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 2 2 1電子計(jì)算機(jī)的基本組成4 軟件廣義上 軟件是 計(jì)算機(jī)程序 過(guò)程 規(guī)則及與這些程序 過(guò)程 規(guī)則有關(guān)的文檔 以及從屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù) 狹義上 軟件指發(fā)揮電子計(jì)算機(jī)功能的各種程序及相應(yīng)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(yīng)用軟件 2 2電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 2 2 1電子計(jì)算機(jī)的基本組成5 固件 軟件硬件化 對(duì)于那些不再需要改動(dòng)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(chǔ)在訪問(wèn)速度較快的只讀存儲(chǔ)器ROM芯片中 以硬件形式出現(xiàn)的軟件稱(chēng)為 固件 2 2電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 2 2 2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指程序員所看到的機(jī)器的屬性 即機(jī)器的概念性結(jié)構(gòu)和功能表現(xiàn) 這里 程序員主要是指匯編程序員 由于 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 概念的提出 又派生出兩個(gè)新的重要概念計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn) 一種計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以有多種不同的計(jì)算機(jī)組成 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn) 一種計(jì)算機(jī)組成也可以有多種不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 概念性的結(jié)構(gòu) 功能特性 數(shù)據(jù)表示 硬件能夠直接認(rèn)別和處理的數(shù)據(jù)類(lèi)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(zhuān)用寄存器的定義 數(shù)量和使用規(guī)則等 指令系統(tǒng) 機(jī)器指令的操作類(lèi)型 格式 指令間的排序和控制機(jī)制等 中斷系統(tǒng) 中斷類(lèi)型 中斷級(jí)別和中斷響應(yīng)方式等 存儲(chǔ)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(jī)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(guò)程的控制等 信息保護(hù) 包括信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)的支持等 2 2電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 2 2 3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 為什么要分層 分工與協(xié)作 提高生產(chǎn)率 問(wèn)題 分幾層為好 2 2電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 2 2 3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 虛擬機(jī) 因?yàn)橛脩?hù)在使用計(jì)算機(jī)時(shí) 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(jì)算機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及工作原理 這些軟件的界面向用戶(hù)提供了他期望讓計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的全部功能 換句話說(shuō) 這些軟件的界面就是計(jì)算機(jī)所具有功能的具體體現(xiàn) 虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)有解釋 Intelpretation 和翻譯 Translation 兩種途徑 透明性 Transparency 本來(lái)存在的事物或?qū)傩?從某種角度看似乎不存在 例如 浮點(diǎn)數(shù)表示 乘法指令對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序員 應(yīng)用程序員透明對(duì)匯編語(yǔ)言程序員 機(jī)器語(yǔ)言程序員不透明 例如 數(shù)據(jù)總線寬度 微程序?qū)R編語(yǔ)言程序員 機(jī)器語(yǔ)言程序員透明對(duì)硬件設(shè)計(jì)者 計(jì)算機(jī)維修人員不透明 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 可以理解為 決定哪些事物對(duì)程序員透明 哪些事物對(duì)程序員不透明 2 3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi) 2 3 1綜述1 根據(jù)數(shù)據(jù)表示原理 電子計(jì)算機(jī)分為模擬式和數(shù)字式 2 依據(jù)性能的高低 計(jì)算機(jī)分為超級(jí)計(jì)算機(jī) 大型計(jì)算機(jī) 中型計(jì)算機(jī) 小型計(jì)算機(jī) 工作站和微型計(jì)算機(jī) 3 按照結(jié)構(gòu)集成的不同方式 微型計(jì)算機(jī)分為單片機(jī)和單板機(jī) 4 計(jì)算機(jī)按其設(shè)計(jì)目的又可分為專(zhuān)用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)5 根據(jù)計(jì)算機(jī)的用途不同 計(jì)算機(jī)分為個(gè)人計(jì)算機(jī) 工控機(jī) 軍用計(jì)算機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī) 2 4電子計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià) 基本字長(zhǎng)字 字長(zhǎng) 主存儲(chǔ)器容量處理速度主頻存儲(chǔ)器的存取周期功耗吞吐率和響應(yīng)時(shí)間輔存容量等等 看書(shū)中的解釋 27頁(yè) 2 5電子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì) 2 5 1電子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)能在程序控制下自動(dòng)連續(xù)地工作 運(yùn)算速度快 計(jì)算精度高 具有邏輯判斷能力 通用性強(qiáng) 具有很強(qiáng)的 記憶 功能 2 5電子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì) 2 5 1電子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)2 5 2電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的動(dòng)力應(yīng)用需求 求解疑難問(wèn)題和改善人機(jī)接口技術(shù)推動(dòng) 軟件的推動(dòng)和硬件的推動(dòng) 2 5電子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì) 2 5 1電子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)2 5 2電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的動(dòng)力2 5 3電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)高 高速度開(kāi) 開(kāi)放性多 多媒體智 智能化網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)化虛 虛擬化 第五代計(jì)算機(jī) 現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展