1、第2章 电子计算机的基本结构,2. 1 冯诺依曼计算机模型 2. 2 电子计算机的组成结构 2. 3 计算机系统的分类 2. 4 电子计算机的性能评价 2. 5 电子计算机的特点与发展趋势,2 . 1 冯诺依曼计算机模型,2. 1 冯诺依曼计算机模型 （最初的）,2 . 1 冯诺依曼计算机模型,冯诺依曼计算机模型 的特点,计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。 存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元组成，每个存储单元的位数是相等且固定的，存储单元按地址访问。 “程序”是由一条一条的指令有序排列而成，而指令由操作码和地址码两部分组成。,2 . 1 冯诺
2、依曼计算机模型,冯诺依曼计算机模型 的特点（续）,指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制数形式进行运算 。 程序（指令）与数据是同等地不加区分地存储在同一个存储器中 。 设置“程序计数器PC”来指示下一条将要执行的指令的地址。每执行完一条指令，程序计数器就自动加1，指向下一条指令的存储单元。,2 . 1 冯诺依曼计算机模型,冯诺依曼计算机模型 的改进：（现代计算机）以存储器为中心连接在一起,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 1 电子计算机的基本组成 1.概述从组成的角度看，电子计算机由控制单元、运算单元、存储器、输入单元和输出单元组成。在具体实现时，通常将控制单元和运算单元集成在
3、一起，构成处理单元（Processing Unit，PU）。处理单元也称处理器（Processor）。,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 1 电子计算机的基本组成 2.处理单元的组成从逻辑上看，PU主要由算术逻辑单元ALU、控制单元CU以及一些暂存单元寄存器组以及内部总线组成成。ALU是计算机的运算装置，它能够完成“加、减、乘、除”等算术运算和“与、或、非、异或”等逻辑运算。一个基本的ALU由加法器、移位电路和若干内部寄存器及相应的控制逻辑和组成。,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 1 电子计算机的基本组成 2.处理单元的组成CU是PU的指挥机构，由程序计数器PC、存放
4、当前指令的指令寄存器IR、解释指令的指令译码器ID、发出各种命令信号的控制信号发生器及相应的控制逻辑组成。CU依据指令译码器产生的一系列操作命令/信号来指挥、协调PU乃至计算机系统中各个部件的工作。,2 . 2 电子计算机的组成结构,寄存器分为数据寄存器、地址寄存器和标志寄存器等。最常用的数据寄存器是用于存放加法运算结果的累加寄存器ACC，8086中的累加寄存器命名为AX。地址寄存器有基址寄存器、变址寄存器等。标志寄存器FR常见的标志有进位标志CF、溢出标志OF、辅助进位标志AF、零标志ZF、符号标志SF和奇偶标志PF等，这些标志分别占据标志寄存器FR中的不同位。,2 . 2 电子计算机的组成
5、结构,2. 2. 1 电子计算机的基本组成 3.硬件硬件指构成电子计算机的物理实体，如处理器、存储器（内存）、输入/输出控制器（接口电路）等芯片及其集成这些芯片的印制线路板主板，外设等。其中存储器包括：可以被处理器直接访问的主存储器（简称主存或内存）和不可被处理器直接访问的辅助存储器（简称辅存或外存） 。,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 1 电子计算机的基本组成 4.软件广义上，软件是“计算机程序、过程、规则及与这些程序、过程、规则有关的文档，以及从属于计算机系统运行的数据。” 狭义上，软件指发挥电子计算机功能的各种程序及相应的数据。按照性质和功能的不同，软件分为系统软件、应用软
6、件。,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 1 电子计算机的基本组成 5.固件（软件硬件化）对于那些不再需要改动而且经常被调用的软件，为了使其有更快的执行速度，可以将其存储在访问速度较快的只读存储器ROM芯片中,以硬件形式出现的软件称为“固件”。 ，,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 2 计算机体系结构、 计算机体系结构是指程序员所看到的机器的属性，即机器的概念性结构和功能表现。这里，程序员主要是指汇编程序员。,由于“计算机体系结构”概念的提出，又派生出两个新的重要概念 计算机组成和计算机实现,计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。一种计算机体系结构可以有多种不同的计算机组
7、成。 计算机实现是计算机组成的物理实现。一种计算机组成也可以有多种不同的计算机实现。,概念性的结构,功 能 特 性,数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式；,寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等；,指令系统：机器指令的操作类型、格式，指令间的排序和控制机制等；,中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；,存储系统：最小编址单位、编址方式、主存容量、最大寻址 空间等；,处理机工作状态：状态的定义和切换方式，如管态和目态；,输入输出系统：连接方式、数据交换方式、数据交换过程的 控制等；,信息保护，包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等
8、。,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 3 计算机系统的层次结构,为什么要分层？分工与协作，提高生产率。,问题：分几层为好？,2 . 2 电子计算机的组成结构,2. 2. 3 计算机系统的层次结构,虚拟机：因为用户在使用计算机时，看到的就是这些软件的界面，他并不了解也不必了解物理计算机内部的结构及工作原理。这些软件的界面向用户提供了他期望让计算机实现的全部功能。换句话说，这些软件的界面就是计算机所具有功能的具体体现。 虚拟机的实现有解释(Intelpretation)和翻译(Translation)两种途径。,透明性 (Transparency),本来存在的事物或属性，从某种角度看似
9、乎不存在。,例如：浮点数表示、乘法指令对高级语言程序员、应用程序员 透明对汇编语言程序员、机器语言程序员 不透明,例如：数据总线宽度、微程序对汇编语言程序员、机器语言程序员 透明对硬件设计者、计算机维修人员 不透明,体系结构设计，可以理解为：决定哪些事物对程序员透明，哪些事物对程序员不透明,2 . 3 计算机系统的分类,2. 3. 1 综述 1. 根据数据表示原理，电子计算机分为模拟式和数字式。 2. 依据性能的高低，计算机分为超级计算机、大型计算机、中型计算机、小型计算机、工作站和微型计算机。3. 按照结构集成的不同方式，微型计算机分为单片机和单板机。4. 计算机按其设计目的又可分为专用计算
10、机和通用计算机5. 根据计算机的用途不同，计算机分为个人计算机、工控机、军用计算机和嵌入式计算机,2 . 3 计算机系统的分类,2. 3. 1 综述 2. 3. 2 弗林分类法 按照指令流和数据流分别具有的多倍性，计算机分为： 单指令流单数据流（Single Instruction stream，Single Data stream. SISD） 单指令流多数据流（Single Instruction stream，Multiple Data stream. SIMD） 多指令流单数据流（Multiple Instruction stream，Single Data stream. MISD）
11、 多指令流多数据流（Multiple Instruction stream，Multiple Data stream. MIMD）,2 . 4 电子计算机的性能评价,基本字长 字： 字长： 主存储器容量 处理速度 主频 存储器的存取周期 功耗 吞吐率和响应时间 辅存容量 等等 *看书中的解释（27页）,2 . 5 电子计算机的特点与发展趋势,2. 5. 1 电子计算机的特点 能在程序控制下自动连续地工作 。 运算速度快，计算精度高 。 具有逻辑判断能力 。 通用性强 。 具有很强的“记忆”功能 。,2 . 5 电子计算机的特点与发展趋势,2. 5. 1 电子计算机的特点 2. 5. 2 电子计算机发展的动力 应用需求 ：求解疑难问题和改善人机接口 技术推动 ：软件的推动和硬件的推动,2 . 5 电子计算机的特点与发展趋势,2. 5. 1 电子计算机的特点 2. 5. 2 电子计算机发展的动力 2. 5. 3电子计算机的发展趋势 高：高速度 开：开放性 多：多媒体 智：智能化 网：网络化 虚：虚拟化,第五代计算机？,现代电子计算机的发展,
