1、1.2 功能模块级的计算机组成 1.2.1 计算机的Neumann体系结构1.2.2 计算机系统的功能部件1.2.3 计算机的工作过程,计算机的主要工作是扩展和延伸人脑的功能。所以计算机又称为电脑。开关电路奠定了电子计算机的物理基础。基于这些电子器件，就可以用大规模集成电路技术制造计算机的有关构件。构建一个系统基本方法有两种： 结构模拟法如人脑主要由神经细胞，从制造神经细胞开始构建计算机，就是结构模拟法； 功能模拟法分析人脑的基本功能，分别制造能完成这些功能的模块，来模拟人脑的工作。现代计算机基本采用的是功能模拟法。这一节介绍如何划分计算机的功能模块以及这些功能模块如何一起工作。,1.2.1
2、计算机的Neumann体系结构,算盘和电子计算机都是计算工具。它们的区别在什么地方呢？常言道：“算盘珠子，不拨不动”。这就是算盘与电子计算机的最大不同之处。也就是说，电子计算机是一种自动计算根据，而算盘是一种手动计算工具。进行任何工作，都要按照一定的操作步骤进行。这些操作步骤就组成了执行某种工作的程序（Program）。计算机所以能够自动工作，就是因为它能记住程序（把程序存储起来），然后按照程序的要求，一步一步地完成程序规定的操作任务。这种工作方式称为计算机的程序存储控制原理。而算盘没有存储程序的功能，只能靠人去操作。,程序存储控制原理最先应用在中国的提花机中。天工开物中就描画了人们用“提花龙
3、头”控制提花机织造大花纹织物的情形。后来提花机沿着丝绸之路传到欧洲，几经改进，成为用卡片控制的织布机。而真正将这一原理应用到计算机的是英国人Charies Babbage 一位一生涉猎过数学、铁路、邮政、经济和政治等许多方面的博学者。1812年Babbage开始考虑研制机械计算机，提出了程序存储控制原理的雏形。他设想的这台分析机计划由“工厂”和“仓库”两部分组成。“仓库”分为1000排，每排有50只齿轮，齿轮的不同位置表示不同的数据；将当时提花机上编织复杂图案用的穿孔卡片略加修改后作为计算步骤和数据的输入；最后,排出打印用的铅字作为计算结果的输出。Babbage还建议机器应具有操作者事先不知道
4、的、从几种方案中选择某一种方案的能力。用今天的计算机术语可以把Babbage的设计思想概括为： CPU“工厂”； 存储器“仓库”；卡片输入；打印输出；条件转移； 计算机程序；Babbage分析机的蓝图，提出了自动计算机必须包含的五大功能：输入、处理、存储、控制、输,出，为现代自动计算技术找出了一条道路：计算机器只有具有了记忆功能能记住数据和要进行的操作步骤并按这些步骤的规定对机器进行自动控制，才能按这些步骤实现自动计算。遗憾的是，由于当时的技术条件所限，这台分析机最终没有能够造出来。不过，Babbage仍然无愧为计算机之父。在电子时代首先提出将程序存储控制原理运用到计算机中的就是著名的Von
5、Neumann。Neumann。他于1946年6月出版的关于电子计算机逻辑设计的初步讨论报告中提出：指令要像数据那样存放在存储器中，并且可以像数据那样进行处理；要使用二进制；, 要使用程序存储控制方式工作。这3条统称Neumann原理。多半个世纪过去了。直到今天商品化的计算机还基本遵循着Neumann提出的这3条原理。人们通常把按照Neumann原理制作的计算机称为Neumann体系结构的计算机，简称Neumann计算机。,1.2.2 计算机系统的功能部件 从用户使用计算机的角度看，一台完整的计算机系统必须具有如下功能：运算、自我控制、存储、输入输出和用户界面。其中，运算、自我控制、存储、输入
6、输出功能由相应的功能模块CPU（Central Processing Unit，中央处理器，）、存储器、输入输出设备以及在它们之间传输信息的总线实现，用户界面主要由软件实现。下面分别介绍这些模块。1. 输入输出（I/）设备I/O设备是接收外部信息（如输入原始数据和程序）或用来向外部输出信息（如计算结果）的功能部件，如打印机、显示器、键盘、磁带机、扫描仪、鼠标器、光笔、触摸屏、条形码阅读器等。,2. 中央处理器（CPU）CPU是计算机的核心，它主要由运算部件、控制器和寄存器组所组成。(1) 控制器控制器的主要功能是按时钟提供的统一节拍，使计算机中的各部件能协调地工作。(2) 运算部件（ALU）
7、运算部件是直接进行数据变换与运算的部件，其基本的运算内容如图1.11所示。也就是说，计算机是由电子开关组成的，由电子开关的开/关操作可以组成逻辑运算电路，逻辑运算电路可以组成加法器，在加法器的基础上可以进一步实现四则运算。,(3) 寄存器组 运算部件进行计算需要两个输入两个操作数，并产生两个输出：结果和运算特征。运算特征也称运算状态，如操作结果是否为零、是正还是负、有无进位、操作是加还是减等。取得这些操作特征的目的是为了决定下一步的操作。如要计算A+|B|，则要根据B是正还是负，决定下一步进行加还是减。,早先，计算机每进行一步操作，都要从存储器中取出一对操作数送往运算器中去运算，最后还要把操作
8、结果送回存储器的另外单元保存。但是在一系列的操作过程中，往往某次的操作结果便是下次操作的一个操作数，因此在运算器中设置一个寄存器组用以暂存一次运算的中间结果，为下一次操作提供一个操作数，可以避免把大量中间结果送回存储器所付出的时间和存储开销。 寄存器组也称通用寄存器组，与之对应的是专用寄存器组。通用寄存器组的主要作用是提供一个小的存储区。这样运算器工作时可以把一定数目的操作数存在通用寄存器中，减少CPU对存储器的访问，节省时间，少占存储单元。专用寄存器可以存储一些,特定的信息，如指令计数器、指令寄存器、状态标志寄存器等都是专用寄存器。通用寄存器组和专用寄存器组合称CPU的寄存器堆。其中，状态标
9、志寄存器（或称条件码寄存器）用于存放操作的特征。它的每一位都对应一个特征，通过对某个位的测试，为决定后继操作提供一个判断的依据。图1.12为运算部件工作示意图。,图1.13为中国科学院2002年9月28日宣布的、由我国科学家自主设计的高性能通用CPU芯片“龙芯一号”。“龙芯一号”芯片的芯核虽然只有钥匙孔大小，却集成了近400万个晶体管，每秒的运算速度超过2亿次，性能达到了1997年国际芯片设计水平。“龙芯一号”是一种高性能通用CPU，它既可以用在各类计算机上，也可以用于家用电器等产品上，可以运行LINUX等主流操作系统，进行网络浏览、视频点播、程序设计等。,3. 存储器它是计算机的记忆装置，用
10、以保存程序、原始数据以及运算的中间结果。它有如下特点：(1) “取之不尽，新来旧去”，即只有存进新的数据才能将旧的数据去掉，所以“存”、“取”的准确叫法应当是“写”、“读”。(2) 现代计算机基本上采用线性地址存取方式。如图1.14所示，每一个地址对应一个存储单元。存储单元可以按位(bit)或字节(8 bit)、字、半字、双字等编址。在按字节编址的情况下，每个存储单元存储1个字节（1 Byte）的信息。,存储器中存储单元的数量称为该存储器的容量（如640KB，2MB），它是评价计算机功能的重要指标之一。存储器容量愈大，所能存储的信息就越多。 (3) 容量、价格、存取速度是评价计算机存储器的三大
11、指标。但三者之间又互相制约：容量大，存取速度就要低；采用存取速度高的元件，成本就高；,成本高，就不允许做得容量太大。为此，现代计算机采用分级存储方式来解决这三者之间的矛盾。让存取速度高的存储器与CPU直接交换信息，它的价格高，但可以做得小一些，够CPU用便可以了；让存取速度稍低的存储器做它的后援，这一级可以做得大些；再让存取速度更低的做这一级的后援 。现代计算机最基本的是两级存储，即把存储器分为主（内）存储器与辅助（外）存储器两级。主存储器采用半导体存储器，辅助存储器采用磁介质存储器。磁盘就是目前广泛使用的一种辅助存储器。为了进一步提高计算机的性能，现代计算机多在主存和CPU之间又增加一级比主
12、存速度更高的高速缓冲存储器Cache，形成三级存储体系。,4. 总线计算机是一种复杂的电子设备，由许多部件组成。早期的计算机中典型的模块之间的连接如图1.15所示。图中，实线表示传输数据，虚线表示传输控制命令和信号。,这种结构没有站在全局的角度统一考虑各部件之间的连接问题，造成部件之间连接的复杂性。随着计算机的发展，部件不断增加，问题越来越突出。为了减少部件连接的复杂性，在发展接口技术的同时开始考虑建立中多个部件间的公用信息通道总线（bus）。如图1.16所示，建立总线，首先是要按照传输的内容建立信息公用通道，把总线分为三种类型：数据总线：传输数据。地址总线：传输内存存储单元地址。控制总线：传
13、输控制信号。在每一种总线上，相应的信息在总线控制器的控制下，分时地传输不同部件间的信息。,在物理上，总线由直接印刷在电路板上的导线和安装在电路板上的各种插槽组成。其他部件以插件板的形式插装在插槽上。图1.17为总线、插槽和部件插件板之间的连接状况示意图。随着计算机元器件的进步和计算机体系结构的发展，推动了总线技术的发展，使其逐渐成为计算机技术中一个重要分支。5. 主板,主板是一块矩形电路板，它提供了计算机的主要电路系统。计算机的主要模块CPU、存储器卡、总线及其扩充插槽、外设控制部件（如显示卡、打印卡、声卡等）、外设接口、电压调节器和时钟生成器等都安装在主板上。图1.18为一个主板结构实例。,
14、印刷电路板（PCB）是主板的主体，是其他器件生存的“土地”。它由几层树脂和铜箔“迹线”（铜箔走线）相间粘合在一起。简单的器件可以采用四层PCB（图1.19（a）；当需要安装双处理器或处理器引脚超过425根时，就要采用六层PCB（图1.19（b）。,1.2.3 计算机的工作过程 1. 程序程序就是为特定问题求解而设计的指令序列。程序中的每条指令规定机器完成一组基本操作。如果把电子计算机完成一次任务的过程比作乐队的一次演奏，那么控制器就好比是指挥，计算机的其他功能部件好比是各个乐器与演员，而程序就好比是乐谱。因此，与其说是指挥在指挥乐队，不如说是乐谱在指挥乐队，或者说是指挥按照乐谱的规定指挥乐队。
15、计算机的工作过程就是执行程序的过程，或者控制器是根据程序的规定对计算机实施控制的。例如，对于算式,a + b b0a + |b|=a - b b0 计算机的解题步骤大致如下：步骤1：取a步骤2：取b步骤3：判断： 若0, 执行步骤4 若b0, 执行步骤6步骤4：执行a+b步骤5：转步骤7,步骤6：执行a-b步骤7：结束对于像步骤3这样的操作，可通过指令系统中的转移类指令来实现。在执行转移指令时，要对状态标志寄存器中的有关内容进行测试。如图1.20所示的条件分支转移指令的执行情况是：若转移条件成立，则转至B段入口；否则，转至AB段入口。,计算机的工作过程，可以归结为从存储器中取出一条指令，然后分
16、析这条指令，完成指令规定的操作内容，再取下一条指令 。简而言之，计算机的工作过程是：取指令分析指令执行指令再取下一条指令，直到程序结束的反复循环过程。通常把其中的一次循环称为计算机的一个指令周期。 这样，就把程序对计算机的控制，归结为每个指令周期中指令对计算机的控制。2. 指令程序是由指令组成的。指令是机器所能领会的一组编排成特定格式的代码串，它要求机器在一个规定的时间段（指令周期）内，完成一组特定的操作。通常一条指令应包括如下基本内容：,(a)指出计算机所应完成的一组操作内容，如传送（MOV）、加（ADD）、减（SUB）、输出（OUT）、停机（HALT）、转移（JP）等。这部分称为指令的操作
17、码部分。(b) 两个操作数的地址和存放结果的地址及其寻找方式。由于运算器中设置了寄存器组，用以暂存一次运算的结果，并为下一次操作提供一个操作数，这时便可省去两个地址，形成单操作数地址指令。(c) 为了保证程序执行的连续性，在执行一条指令的时候，还须指出下一条指令的地址。但是由于指令在存储器的程序区中一般是顺序存放的，所以只须设一个指令指针，每执行一条指令，指令指针自动加1，便可自动指出下一条指令地址，而不必,在指令中专门指出下一条指令的地址。只有转移指令中才指出下一条指令的地址。这时指令指针的内容将由转移指令所指示的内容去改变。因此，指令的基本格式可以归结为操作码OP和操作数地址AD两部分。3
18、. 指令的执行（1）控制器的功能指令所规定的内容是通过控制器去执行的，也就是说控制器是按照一条条指令的内容发号施令的。为了保证指令得以正确执行，控制器应具有如下功能。 定序功能 保证按程序规定的顺序执行指令。,定时功能 电子计算机对信息的加工，是信息在计算机的逻辑电路中流通过程中完成的。这些电路都有一定的时延，从信息输入某一部件到稳定需要一定的时间。由于信息传送的路径每每不同，各种信息通路的时延参差不齐。为了保证计算机工作的准确性，控制器就要像乐队指挥用拍子指挥演奏一样，为各部件提供统一节拍，使各条指令以及组成每条指令的各基本操作（通常称为微操作），都严格地按规定的时间表有条不紊地执行，以便当
19、一个部件要动作时，所需的信号都能同时到达。操作控制功能 控制器应能按指令规定的内容，在相应的节拍向有关部件发出操作控制信号。（2）控制器的组成,在控制器中，上述功能分别由指令部件、时序部件和操作控制部件承担。它们的组成如图1.21所示。,（a）指令部件：指令部件的主要功能是取指令和分析指令。它主要由指令指针IP（也有称指令计数器IC或指令指针PC的）、指令寄存器IR、指令译码器、地址计算部件组成。 指令指针的功能是指出当前指令的地址。它具有加1功能，在通常情况下每取一条指令后自动加1，以指出下条指令的地址。遇特殊情况（如转移）可以通过地址计算部件形成下一条指令的地址。指令寄存器保存由存储器取来
20、的指令，并分别把OP和AD送指令译码和地址计算部件。指令译码器也称操作码译码器。它按操作码的要求内容向操作控制部件提供相应的操作电位。,地址计算部件的作用是对指令中地址码进行（变址、间址等）运算，求出的操作数地址送存储器取出数据；或者把转移指令中指出的下一条指令地址送IP。 （b）时序部件：时序部件也称节拍发生器，它能为各部件提供一个时间标准节拍。时钟频率（如50 MHz, 75 MHz, 90 MHz, 100 MHz, 133 MHz, 166 MHz, 750 MHz，800 MHz，1GHz，2GHz ）越高，计算机的工作速度就越快。（c）操作控制部件：它的功能是根据指令译码器的规定内
21、容，在规定的节拍内向有关部件发出操作控制信号。（3）指令的执行过程,通常计算机执行一条指令的步骤如下： 把指令指针IP中的指令地址送存储器，按地址取出指令送指令寄存器IR； 根据IR中的地址码，由地址计算部件形成操作数地址送存储器，取出数据，送到运算器中的寄存器（寄存器组）； 将IR中的操作码OP送指令译码器进行译码； 计算机有关部件在控制器发出的操作控制信号的控制下，执行操作码OP所规定的操作； 指令指针IP加1，形成下一条指令地址。如遇转移指令，则按转移指令对状态标志寄存器测试的结果，决定是否将转移指令中指出的指令地址送指令指针IP。,开 关 操 作,逻 辑 运 算,加 法 运 算,四 则
22、 运 算,图1.11 计算机运算的形成层次,返回,状 态 标 志 寄 存 器,其他寄存器,累加器,运算部件,图1.12 运算部件工作示意图,返回,图1.13 我国自主研制成功的CPU芯片“龙芯一号”,返回,存储单元内容,信息n-1,信息n,信息n+1,地址,n-1,n,n+1,图1.14 计算机的线性地址,返回,输入设备,运算器,输出设备,存储器,控制器,图1.15 典型的Neumann计算机结构,返回,中 央 处 理 单 元 (CPU),总 线,内存 储器,磁盘 适配 器,输入 输出 接口,其他 外设 接口,通信 线路 接口,磁盘 驱动 器,输入 输出 设备,各种 外设,通信 线路,图 1.16 用总线连接的计算机,返回,图1.17 总线、总线插槽和部件插件板之间的连接,返回,图1.18 主板及其部件安装,返回,（a）四层PCB （b）六层PCB图1.19 印刷电路板（PCB）结构,返回,存储器,一般指令,一般指令,转移指令,一般指令,一般指令,一般指令,一般指令,. . .,存储器,B段入口,条件 满足,条件 不满 足,A段入口,图1.20 转移指令,返回,图1.21 控制器工作原理图,返回,
