計(jì)算機(jī)組成原理

西安郵電學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院

董染dodoliang@

本課程的地位及與其他課程關(guān)系

教材及參考書

《計(jì)算機(jī)組成原理》（第三版）科學(xué)出版社

《計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》西安郵電學(xué)院

《計(jì)算機(jī)組成原理》蔣本珊清華大學(xué)出版社

《計(jì)算機(jī)組成原理》唐朔飛高等教育出版社

《計(jì)算機(jī)組成原理》王閔電子工業(yè)出版社

《計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》王愛英清華大學(xué)出版社

第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

1.1計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

1.3計(jì)算機(jī)的軟件

1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

1.1計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用

1.1.1計(jì)算機(jī)的分類

電子計(jì)算機(jī)從總體上來說分為兩大類：

電子模擬計(jì)算機(jī)：電子模擬計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是

數(shù)值由連續(xù)量來表示，運(yùn)算

過程也是連續(xù)的。

電子數(shù)字計(jì)算機(jī)：電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要特

點(diǎn)是按位運(yùn)算，并且不連續(xù)

地跳動(dòng)計(jì)算。

電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是以近似于人類的“思維過

程”來進(jìn)行工作的，所以有人把它叫做電腦。它的

發(fā)明和發(fā)展是20世紀(jì)人類最偉大的科學(xué)技術(shù)成就

之一,也是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。

數(shù)字計(jì)算機(jī)又可分為專用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算

機(jī)。專用和通用是根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)

格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來劃分的。專用機(jī)是

最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī),它是針對(duì)某一

任務(wù)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，但是它的適應(yīng)性很差。通用機(jī)

適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。

通用計(jì)算機(jī)又分巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、

小型機(jī)、微型機(jī)和單片機(jī)六類，見圖所示。

假

體

積

功

能

據(jù)

效

令

指微型機(jī)\

格

彷

V大型機(jī)

高巨型機(jī)

1.1.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)所以迅速發(fā)展,其生命力在于它的

廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍幾乎涉及人類社

會(huì)的所有領(lǐng)域。下面歸納成六個(gè)方面來敘述：

★科學(xué)計(jì)算：科學(xué)研究和工程技術(shù)計(jì)算領(lǐng)域,

是計(jì)算機(jī)應(yīng)用最早的領(lǐng)域，也是應(yīng)用得較廣泛

的領(lǐng)域。

★自動(dòng)控制和測(cè)量：自動(dòng)控制是涉及面極廣

的一門學(xué)科,應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)、

國防以至我們?nèi)粘Ｉ畹取?/p>

★信息處理：計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，僅僅用于數(shù)值計(jì)

算。后來應(yīng)用范圍逐漸發(fā)展到非數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域，可

用來處理文字、表格、圖象、聲音等各類問題。

★教育和衛(wèi)生：計(jì)算機(jī)被譽(yù)為“教育史上的第

四次革命”，較多的應(yīng)用是CAI（計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)）。

★家用電器：21世紀(jì)，國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)控

制的設(shè)備將廣泛應(yīng)用于家庭。

★人工智能：人工智能，又稱“智能模擬”，簡單

地說，就是要使計(jì)算機(jī)能夠模仿人的高級(jí)思維活動(dòng)。

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

1.2.1數(shù)字計(jì)算機(jī)的硬件組成

數(shù)字計(jì)算機(jī)主要組成部分：

1.運(yùn)算器

2.控制器

3.存儲(chǔ)器

4.適配器與輸入輸出設(shè)備

圖1.2數(shù)字計(jì)算機(jī)

的主要組成結(jié)構(gòu)<>存儲(chǔ)器

系

跣

總

線

<>適能毒

1.運(yùn)算器:

運(yùn)算器能進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算，還可進(jìn)

行邏輯運(yùn)算?？紤]到電子器件的特性，計(jì)算機(jī)中通常采

用二進(jìn)制數(shù)。這是因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)律非常簡單，

在電子線路中比較容易實(shí)現(xiàn)，而且設(shè)備也最省,其示意

圖L3運(yùn)算器結(jié)構(gòu)示意圖

2.存儲(chǔ)器:

存儲(chǔ)器的功能:保存或“記憶”計(jì)算機(jī)的有關(guān)信息。

存儲(chǔ)器地址：存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存

儲(chǔ)單元的編號(hào)，稱為地址。

存儲(chǔ)單元：由多個(gè)存儲(chǔ)位構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)單元，通常由8

個(gè)存儲(chǔ)位組成。

存儲(chǔ)位：存儲(chǔ)的是0或1表示的二進(jìn)制代碼，通常由一

個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成。

存儲(chǔ)容量：旬諸器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)。通常用單位

“KB、MB”表示，如64KB,128KB。

內(nèi)存儲(chǔ)器簡稱內(nèi)存，是具有一定存儲(chǔ)容量的半導(dǎo)體存

儲(chǔ)器。相對(duì)而言，計(jì)算機(jī)中配備的存儲(chǔ)容量更大的磁

盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等稱為外存儲(chǔ)器。

3.控制器

控制器是計(jì)算機(jī)中發(fā)號(hào)施令的部件,它控

制計(jì)算機(jī)的各部件有條不紊地進(jìn)行工作。具體

地講,控制器的任務(wù)是從內(nèi)存中取出操作指令

加以分析,然后執(zhí)行某種操作：

(1)程序

對(duì)于比較復(fù)雜的算題，計(jì)算機(jī)在運(yùn)算前必

須化成一步一步簡單的加、減、乘、除等基本

操作來做。每一個(gè)基本操作就叫做一條指令，

而解算某一問題的一串指令序列，叫做該問題

的計(jì)算程序,簡稱為程序。

(2)指令的形式

每條指令應(yīng)當(dāng)明確告訴控制器，從存儲(chǔ)器的

哪個(gè)單元取數(shù)，并進(jìn)行何種操作。

指令的內(nèi)容由兩部分組成，即操作的性質(zhì)和操

作的地址。前者稱為操作碼，后者稱為地址碼。

操作碼地址碼

操作碼：指出指令所進(jìn)行的操作,如加、減、乘、

除、取數(shù)、存數(shù)等等；

地址碼：參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)應(yīng)從存儲(chǔ)器的哪個(gè)單元

取，運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個(gè)單元。

目1.5指令和數(shù)據(jù)在

存儲(chǔ)器中用二進(jìn)制市當(dāng)存儲(chǔ)存儲(chǔ)器

2

指令操作碼3

A

4

加法001

u

減法

0106

乘法0117

除法1008

取數(shù)1019

10

存數(shù)110

11

打印111

12

停機(jī)00013

?

(3)控制器的基本任務(wù)

計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，指令必須是按一定的

順序一條接一條地進(jìn)行。控制器的基本任務(wù)，

就是按照計(jì)算程序所排的指令序列，先從存儲(chǔ)

器取出一條指令放到控制器中，對(duì)該指令的操

作碼由譯碼器進(jìn)行分析判別，然后根據(jù)指令性

質(zhì)，執(zhí)行這條指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作。接著從

存儲(chǔ)器取出第二條指令，在執(zhí)行這第二條指令。

依次類推，通常把取指令的一段時(shí)間叫做取指

周期，而把執(zhí)行指令的一段時(shí)間叫做執(zhí)行周期。

（4）指令流和數(shù)據(jù)流

由于計(jì)算機(jī)件使用。和1兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，所以使

用“位”（bit）作為數(shù)字計(jì)算機(jī)的最小信息單位。CPU

向存儲(chǔ)器送入或從存儲(chǔ)器取出信息時(shí)，用B（字節(jié)）和

W（字）等較大的信息單位來工作。一個(gè)“字節(jié)”由8位

二進(jìn)制信息組成，而一個(gè)“字”則至少由一個(gè)以上的

字節(jié)組成。通常把組成一個(gè)字的二進(jìn)制位數(shù)叫做字長。

計(jì)算機(jī)字既可以代表指令，也可以代表數(shù)據(jù)。如

果某字代表要處理的數(shù)據(jù)則稱為數(shù)據(jù)字；如果某字為

一條指令則稱為指令字。

指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)放在內(nèi)存中，從形式上看它們都

是二進(jìn)制數(shù)碼。一般來講，在取指周期中從內(nèi)存讀出

的信息是指令流，它流向控制器；而執(zhí)行周期中從內(nèi)

存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運(yùn)算器。

4.適配器與輸入輸出設(shè)備

輸入設(shè)備的作用是把人們所熟悉的某種信息形式

變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式。

輸出設(shè)備的作用是把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其

他機(jī)器所能接收和識(shí)別的信息形式。

計(jì)算機(jī)的輸入/輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備。由

于種類繁多且速度各異，因而它們不是直接地同高速

工作的主機(jī)相連接，而是通過適配器部件與主機(jī)相連

接。適配器的作用相當(dāng)與一個(gè)轉(zhuǎn)換器，它可以保證外

圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)所要求的形式發(fā)送或接受信息。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還必須有總線。系統(tǒng)總線是多個(gè)系

統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線,

計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間實(shí)現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制

信息的操作。

1.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過去和未來

自1946年在美國賓夕法尼亞大學(xué)制成的世界上第一

臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)以來，計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代

的變化：

(1)1946年開始的第一代電子管計(jì)算機(jī)：

計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度一般為每秒幾千次至幾萬次，體積

龐大，成本很高，可靠性較低，在此期間，形成了計(jì)算

機(jī)的基本體系，確定了程序設(shè)計(jì)的基本方法，數(shù)據(jù)處理

機(jī)開始得到應(yīng)用。

(2)1958年開始的第二代晶體管計(jì)算機(jī)：

運(yùn)算速度提高到幾萬次至幾十萬次，可靠性提高，

體積縮小，成本降低，工業(yè)控制機(jī)開始得到應(yīng)用。

(3)1965年開始第三代中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī):

可靠性進(jìn)一步提高，體積進(jìn)一步縮小，成本進(jìn)一步

下降，運(yùn)算速度提高到幾十萬次至幾百萬次。在此期間,

形成機(jī)種多樣化，生產(chǎn)系列化，使用系統(tǒng)化，小型計(jì)算

機(jī)開始出現(xiàn)。

(4)1971年開始的第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：

可靠性更進(jìn)一步提高，體積更進(jìn)一步縮小，成本更進(jìn)

一步降低，速度提高到每秒幾百萬次至幾千萬次。有幾片

大規(guī)模集成電路組成的微型機(jī)開始出現(xiàn)。

(5)1986年開始的第五代超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī):

運(yùn)算速度提高到每妙幾億次至上百億次。由一片巨

大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)開始出現(xiàn)。

總之，從1946年計(jì)算機(jī)誕生以來，大約每隔五年運(yùn)算

速度提高10倍，可靠性提高10倍，成本降低10倍，體積縮

小10倍。

計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍在繼續(xù)發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)是：

將進(jìn)入以通信為中心的體系結(jié)構(gòu)。

計(jì)算機(jī)智能化將進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)入知識(shí)處理階段。

不僅用多處理機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算機(jī)，而且會(huì)出現(xiàn)

計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。

多媒體技術(shù)將有重大突破和發(fā)展。

1.3計(jì)算機(jī)的軟件

1.3.1軟件的組成和分類

計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、適配器、

總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。這些部件或設(shè)備都是由

元件構(gòu)成的有形物體，稱為硬件。

計(jì)算程序組織并指揮計(jì)算機(jī)各個(gè)部件高速自動(dòng)地完

成各種運(yùn)算。因?yàn)樗菬o形的東西，所以稱為軟件。

例如用算盤進(jìn)行運(yùn)算，算盤本身就是硬件，而運(yùn)算法

則和解題步驟等就是軟件。事實(shí)上，利用電子計(jì)算機(jī)

進(jìn)行計(jì)算、控制或作其他工作時(shí)，需要有各種用途的程

序。

因此，凡是用于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的各種程序，統(tǒng)稱為

這臺(tái)計(jì)算機(jī)的程序或軟件系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)軟件一般分為兩大類：一類叫系統(tǒng)程序，

一類叫應(yīng)用程序

系統(tǒng)程序用來簡化程序設(shè)計(jì)及使用方法，提高計(jì)

算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途。

它包括以下四類：

各種服務(wù)性程序;語言程序;

操作系統(tǒng);數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

應(yīng)用程序是用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題所編

制的程序，如工程設(shè)計(jì)程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動(dòng)控

制程序、企業(yè)管理程序、情報(bào)檢索程序、科學(xué)計(jì)算程

序等等。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，這類程序的種類越

來越多。

1.3.2軟件的發(fā)展演變

如同硬件一樣，計(jì)算機(jī)軟件也是在不斷發(fā)

展的，下面以系統(tǒng)程序?yàn)槔?，簡要說明軟件的

發(fā)展演變過程。

1.目的程序

早期計(jì)算機(jī)中，人們直接用機(jī)器語言編寫

程序，這種編寫程序的方式稱為手編程序。這

種用機(jī)器語言書寫的程序，計(jì)算機(jī)完全可以識(shí)

別并能執(zhí)行，所以又叫做目的程序。但是用機(jī)

器語言編寫程序很繁瑣，又耗費(fèi)大量的人力和

時(shí)間，容易出錯(cuò)，出錯(cuò)后尋找錯(cuò)誤也相當(dāng)費(fèi)事,

這就大大限制了計(jì)算機(jī)的使用。

2.匯編程序

為了編寫程序方便翻譯和提高機(jī)器的使

用效率，人們用一些約定的文字、符號(hào)和數(shù)

字按規(guī)定的格式來表示各種不同的指令，然

后再用這些特殊符號(hào)表示的指令來編寫程序,

這就是所謂的匯編語言。借助于匯編程序，

計(jì)算機(jī)本身自動(dòng)地把符號(hào)語言表示的程序（稱

為匯編源程序）翻譯成用機(jī)器語言表示的目的

程序。

3.高級(jí)語言程序

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化和便于程序交流，使

不熟悉具體計(jì)算機(jī)的人也能很方便地使用計(jì)算機(jī)，人

們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語言的算法語言。

算法語言是指按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號(hào)

以及由這套基本符號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學(xué)

語言，直觀通用，與具體機(jī)器無關(guān)，只要稍加學(xué)習(xí)就能

掌握，便于推廣使用計(jì)算機(jī)。

用算法語言編寫的程序稱為源程序，這種源程序

是不能由機(jī)器直接識(shí)別和執(zhí)行的，必須給計(jì)算機(jī)配備

一個(gè)即懂算法語言又懂機(jī)器語言的翻譯，才能把源程

序翻譯為機(jī)器語言。

翻譯通常采用下面兩種方法：

1.計(jì)算機(jī)配置一套用機(jī)器語言寫的編譯程序,

它把源程序翻譯成目的程序，然后機(jī)器執(zhí)行目的

程序，得出計(jì)算結(jié)果。但由于目的程序一般不能

獨(dú)立運(yùn)行，還需要一種叫做運(yùn)行系統(tǒng)的輔助軟件

來幫助。通常，把編譯程序和運(yùn)行系統(tǒng)和稱為編

譯系統(tǒng)。

2.使源程序通過所謂的解釋系統(tǒng)進(jìn)行解釋執(zhí)

行，即逐個(gè)解釋并立即執(zhí)行源程序的語句,它不是

編出目的程序后再執(zhí)行，而是直接逐一解釋語句

并得出計(jì)算結(jié)果。

4.作系

為了塞脫用戶直接使用機(jī)器并獨(dú)占機(jī)器這

種情況，依靠計(jì)算機(jī)來管理自己和管理用戶，于

是人們又創(chuàng)造出操作系統(tǒng)。它是隨著硬件和軟

件不斷發(fā)展而逐漸形成的一套軟件系統(tǒng)用來管

理計(jì)算機(jī)資源（如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各

種編譯、應(yīng)用程序）和自動(dòng)調(diào)度用戶的作業(yè)程序,

而使多個(gè)用戶能有效地共用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

根據(jù)不同使用環(huán)境要求，操作系統(tǒng)目前大致

令為批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操

作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等多種。

5.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)在信息處理、情報(bào)檢索及各種

管理系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展，要求大量處理某些數(shù)據(jù),

建立和檢索大量的表格。這些數(shù)據(jù)和表格按一

定的規(guī)律組織起來，使得處理更方便,檢索更迅速,

用戶使用更方便,于是出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫。所謂數(shù)據(jù)

庫就是實(shí)現(xiàn)有組織地、動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)大量相關(guān)數(shù)

據(jù)，方便多用戶訪問的計(jì)算機(jī)軟、硬件資源組成

的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件一起,組成了

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

1.4.1多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1.微程序設(shè)計(jì)級(jí)

這是一個(gè)實(shí)在的硬件級(jí)，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)

行微命令。如果某一個(gè)應(yīng)用程序直接用微命令來編

寫，那么可在這一級(jí)上運(yùn)行應(yīng)用程序。

2一般機(jī)器級(jí)

也稱為機(jī)器語言級(jí)，由微程序解釋機(jī)器指令系

統(tǒng)。這一級(jí)也是硬件級(jí)。

3.操作系統(tǒng)級(jí)

由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機(jī)器指

令和廣義指令組成，這些廣義指令是操作系統(tǒng)定義

和解釋的軟件指令，所以這一級(jí)也稱為混合級(jí)。

4.匯編語言級(jí)

給程序人員提供一種符號(hào)形式語言，以減

少程序編寫的復(fù)雜性。這一級(jí)由匯編程序支持

和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫，則

機(jī)器必須要有這一級(jí)的功能；如果應(yīng)用程序不

采用匯編語言編寫，則這一級(jí)可以不要。

5.高級(jí)語言級(jí)

面向用戶，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)

置的。這一級(jí)由各種高級(jí)語言編譯程序支持和

執(zhí)行。

圖L6計(jì)算機(jī)冢繡的

高級(jí)語言級(jí)

層次結(jié)構(gòu)示意圖

編碑程序

匯編語言皴

c匯域程序

3級(jí)操作系酰級(jí)

操作系統(tǒng)

2級(jí)TOL藉級(jí)|

1級(jí)I微程總城星級(jí).

徵程序直接由硬件執(zhí)行

1.4.2軟件與硬件的邏輯等價(jià)性

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨

勢(shì)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因?yàn)槿?/p>

何操作可以由軟件來實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件來實(shí)現(xiàn)；任

何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。

對(duì)于某一功能采用硬件方案還是軟件方案，取決于器

件價(jià)格、速度、可靠性、存儲(chǔ)容量、變更周期等因素。

就目前而言，一些計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是，把原來明顯

地在一般機(jī)器級(jí)通過編制程序?qū)崿F(xiàn)的操作，如整數(shù)乘

除法指令、浮點(diǎn)運(yùn)算指令、處理字符串指令等等，改

為直接由硬件完成。

總之，隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的

發(fā)展，實(shí)體硬件機(jī)的功能范圍不斷在擴(kuò)大。由于容量

大、價(jià)格低、體積小、可以改寫的只讀存儲(chǔ)器提供了

軟件固化的良好物質(zhì)手段