计算机组成原理第1章

控制器设计使用微程序控制技术，使控制器的设计规 整化。
结构化程序设计思想成熟，软硬件设计标准化。
典型代表是IBM360系列机和DEC的PDP-8小型机。
4．第四代（1971年~至今）：大规模/超大规模集成电路计算机
主要特点：逻辑元件 —— 大规模/超大规模集成电路（LSI/VLSI） 主 存 —— LSI/VLSI半导体芯片 辅 存 —— 磁盘、光盘 软 件 —— 高级程序设计语言、操作系统 应 用 —— 科学计算、数据处理、过程控制，并进入以计算机
计数器的值用3位输出V2V1V0表示。当值从5变到0时，进 位输出C的值为1，否则为0。在该例子中，C值保持1不 变，直到计数器从0变到1为止。
该计数器的有限状态机需有六个状态，任意标识为S0、 S1、S2、S3、S4和S5，状态Si相应于计数器的输出i，状 态按下列顺序排列：
S0→S1→S2→S0→S4→S5→S0→… 此外，为了处理模6计数器电源开启位于无效状态的情形， 我们包含另两个状态S6和S7。根据该计数器的工作情况， 很易得出其状态表如表1-3所示，其状态图如图1-5所示。
典型代表有ENIAC、IAS计算机、UNIVAC商用计算机和 IBM701计算机。
2．第二代（1959年~1964年）：晶体管计算机 主要特点：逻辑元件 —— 晶体管
主 存 —— 磁芯 辅 存 —— 磁盘 软 件 —— 高级程序设计语言、操作系统 应 用 —— 除科学计算外，已应用于数据处理、
过程控制 主要成就：
1.2.2 用RTL表示数字系统
1. 数字元件表示 第一个例子，考虑如图1-4（a）所示的D触发器。其功
能可用RTL语句表示为： LD：Q←D
当LD的输入为高时，便装载D输入端的值，并且输出端 Q可得到此值。 图1-4（b）表示的D触发器有一同步清0输入端。当CLR ＝1时，触发器应被置为0。
图1-4 D触发器：(a)无清0输入端 (b)有清0输入端
有时需要访问一个寄存器的单一位或位组。单 一位可以用带有下标的字母表示，如X3 或Y2 。 位组在RTL中可以用一个域表示；它们包含在 圆括号中。如X3、X2和X1可以写成X(3-1)或 X(3:1)。下述表示是有效的。
α ：X(3-1)←Y(2-0)
β ：X3←X2 γ ：X(3-0)←X(2-0),X3
网络为特征的应用时代。
主要成就：
1971年美国Intel公司成功地研制出了Intel 4004微处理器芯片。 微型计算机的出现，1981年IBM公司正式推出了全球第一台个人
计算机IBM PC。 面向对象、可视化程序设计概念出现；软件产业高度发达，各种
实用软件层出不穷，极大地方便了用户。
计算机技术与通信技术相结合，计算机网络把世界紧密地联系在 一起。
ARM是一种由英国剑桥ARM公司设计的基于RISC的微处 理器和微控制器序列。
多媒体技术的崛起。
典型代表是Intel x86系列、IBM PC机和各种超级计算机。
二十世纪八十年代初以来，许多科学家一直预测着第五 代计算机将朝哪个方向发展，综合起来大概有以下几 个研究方向： 人工智能计算机 超级计算机 激光计算机
超导计算机 生物晶体计算机（DNA计算机） 量子计算机
5．嵌入式系统和ARM 嵌入式计算机一般是以应用为中心，以计算机技术为
基础，软件、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可 靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成， 用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
机器语言是最低级的程序设计语言，具有平台 特定性，每一种微处理器都有自己的机器语言。
用机器语言编写的程序不易阅读、出错率高、 难以维护，也不能直观地反映使用计算机解决 问题的基本思路，因此现在几乎不被程序员采 用。然而，由高级语言和汇编语言编写的程序 可以转换成机器语言，然后再由微处理器执行。
1.1.3 汇编语言
首次将晶体管用于计算机，克服了第一台计算机的体积 大而笨重、造价高、功耗大和不稳定等缺陷。
发明了高级语言。1956年美国国防部发明了第一个专用 的高级语言Ada语言。1957年IBM公司发明了FORTRAN高 级语言，主要用于科学计算。
计算机兼容问题的产生。包括硬件兼容和软件兼容。 典型代表有IBM 7000系列计算机和PDP-1小型计算机。
汇编语言是面向机器的程序设计语言，与平台 相关，它能利用计算机所有硬件特性并能直接 控制硬件。它实际上是机器语言的符号化，亦 称为符号语言。
计算机不能直接识别使用汇编语言编写的程序， 需要将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译 作用的程序叫汇编程序，它比高级语言的编译 器要简单很多。
汇编语言比机器语言易于读写、调试和修改， 同时具有机器语言的全部优点，即目标代码简 短，占用内存少，执行速度快，能有效地访问 和控制计算机的各种硬件设备。但在编写复杂 程序时，相对高级语言来说代码量较大，开发 效率较低。
本章首先简单介绍程序员与计算机的接口界面：计算 机的语言；然后介绍如何使用RTL语言来描述数字系统； 接着介绍计算机的发展演变和性能指标；最后重点讨 论计算机的基本组成和工作原理，以期提供一个计算 机系统的整个概貌。
1.1计算机的语言
计算机程序设计语言分为三类： 高级语言、汇编语言和机器语言。
1.1.1 高级语言
用RTL代码描述此触发器的一种尝试为：
LD： Q←D
CLR： Q←0
然而当D、LD和CLR都等于1时，系统会失败。解
决的方法是改变条件使得两者互斥。下述两种 方法均有效，前者让CLR输入端优先，而后者 让LD优先。
CLR’LD：Q←D
LD：Q←D
CLR：Q←0
LD’CLR：Q←0
第二个例子，考虑一个没有CLR输入端的JK触发 器。它的行为可用RTL描述如下： J’K：Q←0 JK’：Q←1 JK ：Q←Q’ 当J＝K＝0时，不满足条件，触发器保持它原有 的值，此时不需要RTL语句，因为没有传送。
1.2寄存器传输语言
1.2.1微操作和寄存器传输语言
寄存器传送语言RTL（Register Transfer Language） 是初级硬件描述语言，适用于描述寄存器级的硬 件组成，能精确而简练地描述计算机的各种基本 操作。
微操作（micro-operation）是计算机中最基本的操 作，这些操作可以简单到从一个寄存器拷贝数据 到另一个寄存器中，或者更复杂，例如，把两个 寄存器中的数据相加存储到第三个寄存器中。
计算机组成原理
学时：80学时
第1章 计算机系统概述
计算机是一种能自动、快速、准确地实现信息存储、 数值计算、数据处理和过程控制等多种功能的电子机 器，是一个复杂的系统。
本书采用自顶向下、由表及里的方法来描述计算机系 统。从系统的主要部件开始，描述它的结构和功能， 然后逐级深入推进到层次结构的底层。
高级语言是一种近似自然语言并能被计算机接受 的语言，指那些具有最高级抽象的语言。这些语 言隐藏了计算机和操作系统的细节，被称之为平 台无关。C++、Java和Fortran等都是高级语言。
使用高级语言描述任务最简单、直观、高效且容 易理解，但需要有编译器的支持。
1.1.2 机器语言
机器语言是微处理器能直接识别并执行的唯一 一种语言，其表现形式是二进制编码。
图1-2 数据传送α：X←Y,Y←Z的实现
数字系统中有可能需同时拷贝相同的数据到多 个目的地。例如，α＝1时发生下述情况： α： X←Y，Z←Y
寄存器Y可同时被多个寄存器读取，两个微操 作可同时执行。一种实现方法如图1-3所示。
图1-3 实现数据传送α：X←Y，Z←Y
另一方面，数字系统不能同时往同一寄存器中 写入两个不同的值。例如，α：X←Y，X←Z是无 效的。
S5
1
S0
1
000
S6
X
S0
1
111
S7
X
S0
1
111
为了用RTL表示该系统，首先需定义条件S0到S7对应于V2V1V0从000到 111，然后考虑模6计数器的每种可能行为。
当计数器的值从000变到100且它的U信号有效时，计数器的输出增 加。相应的RTL语句为： （S0+S1+S2+S3+S4）U： V←V+1，C←0
图1-6 模6计数器RTL代码的两种实现 (a)用一个寄存器 (b)用一个计数器
1.3 计算机的发展演变和性能
1.3.1 计算机简史
自从1946年美国宾夕法尼亚大学W·Mauchly、J·P·Eckert两 位教授研制的第一台计算机ENIAC（Electronic Numerical Intergrator And Calculator）问世以来，计算机的发展已 经历了60多年。
1．第一代（1946年~1959年）：电子管计算机 主要特点：逻辑元件 —— 电子管
主 存 —— 磁鼓 辅 存 —— 磁带 软 件 —— 机器语言、符号语言 应 用 —— 科学计算 主要成就：
数字电子计算机的出现，揭开了人类历史的新篇章。
1945年美国普林斯顿大学教授约翰·冯·诺依曼提出了 “存储程序的概念”，即程序和数据一起存放在存储器 中。该思想奠定了现代计算机组成与工作原理的基础， 被称为冯·诺依曼思想；以此思想为基础的各类计算机 被称为冯·诺依曼计算机。
图1-1 具有控制信号的数据传送α：X←Y的实现: (a)用直接通路 (b)用总线
提高系统性能的一种方法是同时执行两个或多 个微操作。例如，如果某系统在α=1时执行 X←Y和Y←Z的传送，则这种情况可以表示成：
α：X←Y，Y←Z 或者 α：Y←Z，X←Y
图1-2给出了实现上述微操作的硬件，注意这里 不能使用单一的总线来实现。
图1-5 模6计数器的状态图