器件、电路
MEM总线 带宽
信号线数、时钟、传输方式
§1.2 计算机系统基本组成
一、冯·诺依曼模型计算机
*结构与组成： 由运算器、存储器、控制器、输入及输出设备组成， 以运算器为中心；
输出设备 输入设备
存储器 运算器 控制器
注：
数据信息 指令信息 控制信息 状态信息
*数据表示与运算： 指令及数据均用二进制方式表示，运算亦采用二进制方式
控制器
缓冲器
运算器
缓冲器
缓冲技术
程序 数据
存储器 输入设备 输出设备
直接存储器访 问(DMA)技术
结果
8
*由多种存储器构成存储系统： 解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能/价格
运算器
控制器 计算机 存储器
硬件
CPU
主存(内存)
主机
辅存(外存)
输入设备
I/O设备(外设)
输出设备
主机
CPU
主
算术逻辑单元ALU
*计算机实现：实现计算机组成时所体现的计算机属性
*相互关系： 计算机系统结构—确定软硬件功能分配及其界面特性； 计算机组成—逻辑实现系统结构的内容； 计算机实现—物理实现计算机组成的内容
举例
系统结构
计算机组成
计算机实现
乘法功能 是否有乘法指令 乘法器还是加法+移位
主存系统 最大容量、编址方式 速度保证、单体/多体
计算机 系统
计算机硬件— 计算机的物理实体；
如主机、外设等
表示应用需求
计算机软件— 具有特定功能的信息(程序)。 如系统程序、应用程序
*计算机系统功能的实现方式： 解题过程—
用户
①编辑 ②编译 ③运行
③ 解题结果
输入设备 输出设备
存储设备 处理设备
① 源程序 (高级语言)
②
目标程序 (机器语言)
功能的实现方式—
*存储程序原理—程序存储方式： 指令及数据预先存放(以等同地位)在存储器中；
*存储器结构： 由定长单元构成的一维空间，存储器按地址访问；
*指令组成： 由操作码及地址码组成；
操作码 地址码1 地址码2
表示操作的性质
表示操作数在存储器中的位置
例：若加法运算的操作码用010表示，第01000号与第10000 号两个存储单元内容相加的操作可表示为：
存
储
器
控制单元CU
MM
包含辅存( 如DISK等)
I/O 设备
*采用总线互连形式： 实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性
标准格式 按地址访问
CPU
主存
MEM总线
总线桥
I/O总线
I/O接口1 … I/O接口n
I/O接口 … I/O接口
I/O设备1
I/O设备n
I/O设备
非标准格式 min{所连I/O设备速度}
AC
ALU
Func
△约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y中内容
010 01000 10000
*存储程序原理—程序控制机制： 按程序逻辑顺序、自动地、逐条地取出指令并执行。
物理顺序 (指令地址)
指令内容
程序 逻辑顺序ຫໍສະໝຸດ A+0int nCount=0； ⑴
A+1
int nSum=0； ⑵
A+2 LP: nSum+=nCount； ⑶ ⑹ ⑼
A+3
nCount++；
计算机组成原理第1章计 算机系统概论任国林版
课件
2020年5月17日星期日
第1章 计算机系统概论
§1.1 计算机系统简介
一、计算机系统的软硬件
*电子计算机：
是采用按位及跳动式计算、能够根据逻辑判断结果控制计
算过程的电子式机器
*计算机的功能：
数据存储、数据传送、数据处理，过程控制
*计算机系统的组成：
①硬件具备数据的存储、传送及处理和过程控制功能 ②软件表示应用的数据处理及过程控制需求
└→程序(指令序列，硬件用不同指令表示不同功能) ③执行软件实现应用的数据处理及过程控制功能
*计算机系统组成的特性： 软件功能靠硬件实现，硬件性能靠软件反映
二、计算机系统的层次结构
虚拟机器 实际机器
用高级语言编程 用汇编语言编程 使用操作系统命令 用机器语言编程 使用微指令系统
(2)运算器 *功能：实现算术运算及逻辑运算，并暂存运算结果
*组成：
存储器
存储器
TEMP
AC
ALU
Func
寄存器 组(堆)
ALU
Func
累加器型运算器
*(AC)+[Y]→AC的运算过程：
(0) (AC)为被加数
寄存器型运算器 存储器
(1) 加数[Y]→TEMP
TEMP
(2) (AC)＋(TEMP) (3) ALU结果→AC
I/O设备
2、计算机部件的基本组成
(1)存储器
*功能：存储程序和数据、通过读/写操作接收/提供信息
…
… … … …
…… 地址译码器
*组成：
地址
存储阵列
0 1 … w-1
0 1
…
…
存储字长W
0
…
1
命令 数据
……
n-1
…
I/O电路
…
存储字 n-1
*术语：存储元件(存储元)—可存储一个二进制位的元件；
存储单元—可同时存储一串二进制位的元件； 存储字—存储单元内存储的二进制编码；
⑷⑺⑽
A+4
if (nCount<4) ⑸ ⑻ ⑾
goto LP；
A+5
COUT>>nSum； ⑿
循环的 指令执行过程
取指令 过程
执行指令 过程
+“1”
指令地址
指令发生 转移时
下条指令地址 由当前指令产生
二、计算机硬件的基本组成
1、计算机硬件的结构 现代计算机均在冯·诺依曼模型基础上进行改进
*采用以存储器为中心的结构： 使数据传送与数据处理并行，有利于提高系统性能
高级语言级机器 M4
用编译程序翻译 成汇编语言程序
汇编语言级机器 M3 或机器语言程序
用汇编程序翻译 成机器语言程序
操作系统级机器 M2
用机器语言解释 操作系统命令
机器语言级机器 M1
用微程序解释
微程序级机器 M0
直接执行机器指令 机器指令 直接执行微指令
三、计算机结构与组成
*计算机系统结构：机器语言程序员所看到的计算机属性 概念性结构和功能特性←┘
存储阵列—所有存储单元的集合 存储单元地址—每个存储单元被赋予的惟一编号 存储容量—存储阵列可存储的二进制位数
*完成操作的过程： 读操作—①接收地址及命令，内部操作； ②输出数据
①0…01
… … … … … 地址译码器
①Read
②1#的存储字
I/O电路
写操作—①接收地址及命令；
②接收数据，内部操作
高级语言级机器 M4
软件 汇编语言级机器 M3
软硬件 交界面
硬件
操作系统级机器 M2
机器语言级机器 M1 微程序级机器 M0
指令系统、数据表示、寻址方式, 存储系统，I/O系统、信息保护等
指令功能逻辑实现、部件组成、 控制机构、排队及缓冲技术等
数字电路级机器
器件技术、组装技术等
*计算机组成：实现计算机系统结构时所体现的计算机属性