全套课件 《计算机组织与系统结构》-季福坤

第1章 概论
本章学习目标
本章将介绍计算机存储程序控制的概念，详细讲解计算 机的硬件和软件组成、计算机的工作过程以及计算机的系统 结构。通过本章的学习，应该重点掌握和理解以下内容： • 掌握存储程序控制的概念 • 掌握计算机的硬件、软件基本概念以及它们之间的关系 • 了解计算机的工作过程、性能评价 • 掌握计算机的组成和系统结构 • 了解大中型计算机的典型结构
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第一章
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3．控制器
控制器是计算机中发号施令的部件，是计算机的指挥中心，它控制 计算机的各部件自动协调地工作。控制器的实质是解释程序，它每次从 存储器中读取一条指令，经过分析译码产生一串操作命令发向各个部件， 控制各部件动作，使整个计算机连续地、有条不紊地运行。
控制信息是由控制器发出。控制器产生信息的依据来自三个方面， 一是指令，它存放在指令寄存器中，是计算机操作的主要依据。二是各 部件的状态触发器，其中存放反映机器运行状态的有关信息。机器在运 行过程中，根据各部件的即时状态决定下一步操作是按顺序执行下一条 指令，还是转移执行其他指令，或者转向其他操作。三是时序电路，它 能产生各种时序信号，使控制器的操作命令被有序地发送出去，以保证 整个机器协调地工作，不至于造成操作指令间的冲突或先后次序上的错 误。
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1.1.2 计算机的硬件组成
根据“存储程序控制”的概念，由运算器、存储器、控制器、输入/ 输出设备五大基本部件组成的计算机称为冯·诺依曼计算机。其典型结构 框图如图1-1所示，
图1-1 典型的冯·诺依曼计算机结构框图
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早期的冯·诺依曼计算机在结构上是以运算器为中心的，但演变到现 在，已转向以存储器为中心了。图1-2为计算机最基本的组成框图。
1.1 电子计算机与存储程序 控制
1964年2月，以ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）命名的世界上第一台电子计算机诞生了。它是在美国陆军部 的主持下，由美国宾西法尼亚大学设计研制出来的。电子计算机是一种 不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确地对各种信息进行处理和 存储的电子设备。从今天的角度来看，ENIAC的性能并不好，但是它的 历史意义远远超出其实用价值，它是科学发展史上一个重要的里程碑， 它揭开了计算机时代的序幕。从第一台电子计算机诞生至今，随着计算 机逻辑原件的不断发展，把电子计算机分为电子管、晶体管、集成电路 以及大规模集成电路、超大规模集成电路四个发展阶段，称为四代。现 在正在研制第五代计算机——人工智能计算机，第五代计算机将具有智 能的知识信息处理系统，实现对自然语言、图形、图像与文字的综合处 理，能积累知识，总结经验，具有再学习的能力。
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第1章 概论
1.1 电子计算机与存储程序控制 1.2 计算机系统 1.3 计算机的工作过程与性能 1.4 计算机系统结构 退出
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பைடு நூலகம்
1.1 电子计算机与存储程序控 制
1.1.1 存储程序概念 1.1.2 计算机的硬件组成 返回目录
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第二，计算机内部采用二进制数来表示指令和数据。
第三，采用存储程序方式，这是冯·诺依曼思想的核心内容。它意味 将事先编好的程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程 序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行，这就是“存 储程序控制”的基本含义。它是计算机能高速自动运行的基础。
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运算器中还有若干个通用寄存器，用来暂存操作数，并存放运算 结果。寄存器的存取速度比存储器的存储速度快得多。
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图1-3 运算器结构示意图
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2．存储器
存储器是用来存储程序和各种数据信息的记忆部件，是计算机能够 实现“存储程序控制”的基础。
在计算机系统中，规模较大的存储器往往分为若干级，称为存储系 统。图1-4所示的是常见的三级存储系统。主存储器（简称主存或内存） 可和CPU直接交换信息，存取速度快但容量较小，一般用来存放当前正 在执行的程序和数据。辅助存储器（简称辅存或外存）设置在主机外部， 它的存储容量大，但存取速度较慢，一般用来存放暂时不参与运算的程 序和数据，这些程序和数据在需要时可传送到主存，因此它是主存的补 充和后援。当CPU速度很高时，为了使访问存储器的速度能与CPU的速 度相匹配，可在主存和CPU之间增设一级Cache（高速缓冲存储器）。 Cache的存取速度比主存更快，但容量更小，用来存放当前正在执行的 程序中的活跃部分，以便快速地向CPU提供指令和数据。
图1-2 计算机最基本的组成框图
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通常将控制器和运算器合称为中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU），中央处理器和主存储器一起组成主机部分，除去主 机以外的硬件装置（如输入/输出设备、外部存储器等）称为外围设备 或外部设备，简称外设。
1．运算器
运算器是对数据信息进行处理的部件，经常执行的运算是算术运 算和逻辑运算，所以运算器又称为算术逻辑部件（ALU——Arithmetic and Logical Unit）。
算术运算包括加、减、乘、除及其复合运算，但最终都可归结为 加法和移位两种基本操作，因此，通常把加法器看作运算器的核心。 逻辑运算一般指逻辑加、逻辑乘、逻辑取反及异或操作等。
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图1-4 三级存储系统
主存的工作方式是按存储单元的地址存放或读取各类信息的。主存 由若干存储单元组成，每个单元可存放一串若干位的二进制码表示的信 息。该信息的总位数称为一个存储单元的字长。全部存储单元统一编号， 称为存储单元的地址。注意，要把存储单元的地址和存储单元里存放的 内容（指令和数据）区分开，存储单元地址只有一个，是固定不变的， 而存储在其中的信息是可以更换的。
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1.1.1 存储程序概 念
美籍匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼（John Von Neumann）等人于1946 年6月在一篇题为《关于电子计算机仪器逻辑设计的初步探讨》的报告 中，首次提出了“存储程序控制”的概念，其内容可以概括为以下三点：
第一，计算机有运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五 大基本部件组成。