2011-计算机体系结构

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1、计算机硬件系统北京大学计算机系代亚非图灵机模型巴贝奇(C.Babbage,1791～1871)：英国数学家，发明了差分机、分析机(100个变量的复杂算式），最早提出程序设计的思想，是公认的计算机之父。图灵(AlanTuring，1912～1954):英国科学家。提出了图灵机模型，是现代计算机的理论模型。冯.诺依曼(Von.Neumann,1903～1957):美国数学教授，提出了冯.诺依曼结构，奠定了现代计算机体系结构框架，被称为现代计算机之父。冯·诺依曼结构我们看到的计算机系统机箱内部芯

2、片内部机器语言编译程序（翻译）人理解的高级语言可执行程序机器语言符号化表示01代码inta=5,b=4,c;1000100000011000010000000c=a+b;1000100000010000001000000cout<

3、X0001010101110110notxor数字电路—硬件逻辑电路MOS晶体管有三个极:源极(S)、栅极（G）和漏极（D）当栅极为高电位时，源极和漏极之间导通（呈低阻抗）；当栅极为低电位时，源极和栅极之间截止（呈高阻抗）。V>VDGS导通状态DGSGDSG截至状态VG

4、1and0A加数B加数andor0Sum和数11and1+1(进位0)=0(进位1)101xorxor1bit全加器100一个加法器的实现（续）4bit全加器数字电路—硬件逻辑电路计算机能执行哪些指令是由硬件决定，并且决定了指令的代码集。假设：1011000110100111是加法指令，它代表的是给做加法的硬指令件部件加电信号的一种命令。无论多么复杂的应用，到了计算机硬件一层就是输入驱动硬件逻辑电路动作数字电路---硬件逻辑电路指令集合（指令系统）：一个指令规定计算机执行一个基本操作，是计

5、算机硬件能够识别并直接执行的操作命令。一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，称为该种计算机的指令集合或指令系统。芯片上的集成电路中充满了微小的电路器件，它们构成不同的功能模块，如加法器、存储器、计数器等。由电路器件组合而成直接实现某种特定的算数逻辑运算的硬件称为硬件逻辑电路。例如加法硬件逻辑、乘法硬件逻辑等。没有直接完成乘法的硬件逻辑，则不存在乘法指令。芯片内部知识结构控制器控制器运运算器算器存存储器储器主机逻逻辑门辑门半导体材料半导体材料计算机中的总线总线：总线是计算机中数据传送的

6、通路。一共有三种总线数据总线：传输数据控制总线：传送指令地址总线：传送地址中央处理单元—运算器中央处理单元（CPU）的结构CPU由运算器和控制器组成，它们被集成在一个芯片上，也称微处理器.运算器对各种数据或信息进行算术运算或逻辑运算的主要部件。运算器包含寄存器（暂存等待处理的数据）和累加器（暂存计算结果）。中央处理单元—运算器主存储器，存放寄存器用于暂运算器的计算数据和程序存待处理数据工作流程RAM①③寄存器1④累加器寄存器2运算器②加暂存计算结果，控制器并送入存储器知识结构

7、控制器控制器运运算器算器存存储器储器主机逻逻辑门辑门半导体材料半导体材料中央处理单元—控制器控制器字长：是指中央处理器可以同时处理多少位数据，通常可以认为是寄存器的长度。早期的微处理器的字长是是4位，现在是64位。处理数据的单位，一般指寄存器的长度。指令的格式：操作数和操作码部分例如：c=a+b;(操作码是加法，操作数是a和b中的内容)指令周期取指令、分析指令，执行指令。指令计数器加1中央处理单元—控制器控制器对其它部分进行协调控制，对输入输出设备的运行进行监控.RAM①指令计数

8、器地址M1②地址M2④指令寄存器地址M3③数据指针M2两个数据指针M3数相加ALU1、从指令计数器中读出指令在内存中的地址2、从内存中取出指令，放到指令寄存器3、分析指令寄存器中的指令得知数据的地址4、从内存中取出数据送计算器中央处理单元—控制器影响处理器运算速度的硬件因素：频率、微结构高速缓冲存储器(Cache)、指令集合。时钟频率主频:时钟每秒发出脉冲信号的个数主频越快,CPU执行指令的节拍越快.执行一条指令的时间包括：取指令、分析指令、执行指令（包括存储）。Cache减少