计算机导论_杨月江主编_9787302469001

本书是根据计算机科学与技术专业、网络工程专业、物联网专业、软件工程专业以及信息管理与信息系统专业的规范及应用型本科院校教学需求特点编写的。教材本着“通俗易懂, 注重理论、兼顾实践、科学导学”的原则进行编写, 针对大学一年级学生的特点, 由浅入深、循序渐进地对计算机相关知识进行讲解, 重点培养学生对本学科的整体认知, 提高学生的动手能力, 引导学生的兴趣点, 为学生制定大学期间的学习计划和学习策略提供指导。

　　第3章计算机硬件基础

　　本章学习目标

　　熟练掌握计算机硬件系统的基本组成。

　　了解计算机的指令系统与机器语言。

　　熟练掌握微型计算机系统的组成及其性能指标。本章先介绍计算机硬件的基本组成部分和冯·诺依曼体系结构，再介绍计算机的指令系统以及机器语言、汇编语言和高级语言，最后介绍微型计算机的组成及性能指标。

　　3.1计算机硬件的基本组成

　　计算机硬件（computerhardware）是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种物理装置的总称。这些物理装置按系统结构的要求构成一个有机整体，为计算机软件运行提供物质基础。简言之，计算机硬件的功能是输入并存储程序和数据，以及执行程序把数据加工成可以利用的形式。从外观上来看，微机由主机箱和外部设备组成。主机箱内主要包括CPU、内存、主板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各种扩展卡（声卡、显卡、网卡）、连接线和电源等；外部设备包括鼠标、键盘、显示器、音箱、打印机、U盘和视频设备等，这些设备通过接口和连接线与主机相连。计算机硬件的组成如图3.1所示。

　　图3.1计算机硬件的组成3.1.1冯·诺依曼机体系结构

　　冯·诺依曼理论的要点是，数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。人们把冯·诺依曼的这个理论称为冯·诺依曼体系结构，如图3.2所示。

　　图3.2冯·诺依曼体系结构

　　从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯·诺依曼体系结构，所以冯·诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。

　　电子计算机的问世，最重要的奠基人是英国科学家艾兰·图灵（AlanTuring）和美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（VonNeumann）。图灵的贡献是建立了图灵机的理论模型，奠定了人工智能的基础，而冯·诺依曼则是首先提出了计算机体系结构的设想。

　　1946年冯·诺依曼提出存储程序原理，把程序本身当作数据来对待，程序和程序处理的数据用同样的方式存储，并确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法。半个多世纪以来，计算机制造技术发生了巨大变化，但冯·诺依曼体系结构仍然沿用至今。

　　计算机的基本原理是存储程序和程序控制。预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据通过输入设备输送到计算机内存中。每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤。

　　计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去，直至遇到停止指令。

　　程序与数据一样存储，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作，是计算机最基本的工作原理。

　　1.冯·诺依曼体系结构

　　20世纪30年代中期，科学家冯·诺依曼大胆地提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时，他还提出预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。

　　1945年6月，冯·诺依曼提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念，按这一结构建造的计算机称为存储程序计算机，又称为通用计算机。冯·诺依曼计算机主要由运算器、控制器、存储器和输入输出设备组成，其特点是:程序以二进制代码的形式存放在存储器中；所有的指令都由操作码和地址码组成；指令在存储器中按照执行的顺序存放；以运算器和控制器作为计算机结构的中心等。冯·诺依曼计算机广泛应用于数据处理和控制方面，但是也存在一定的局限性。

　　(1)采用存储程序方式，指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中。数据和程序在内存中是没有区别的，它们都是内存中的数据，当EIP（32位机的指令寄存器）指针指向哪，CPU就加载哪段内存中的数据，如果是不正确的指令格式，CPU就会发生错误中断。指令和数据都可以送到运算器进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。

　　(2)存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。

　　(3)指令由操作码和地址组成。操作码指明本指令的操作类型，地址码指明操作数和地址。操作数本身无数据类型的标志，它的数据类型由操作码确定。

　　(4)通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令记数器指明要执行的指令所在的单元地址。指令记数器只有一个，一般按顺序递增，但执行顺序可随运算结果或当时的外界条件而改变。

　　(5)以运算器为中心，I/O设备与存储器间的数据传送都要经过运算器。

　　(6)数据以二进制表示。

　　2.冯·诺依曼体系结构的特点

　　计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。冯·诺依曼体系结构奠定了现代计算机的基本结构，其特点如下。

　　(1)计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示。

　　(2)顺序执行程序。计算机运行过程中，把要执行的程序和处理的数据首先存入主存储器（内存），计算机执行程序时，将自动地按顺序从主存储器中取出指令一条一条地执行，这一概念称为顺序执行程序。

　　(3)计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

　　运算器（arithmeticunit）由算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器和通用寄存器组等组成。算术逻辑单元的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。运算器与控制器共同组成了CPU的核心部分。

　　控制器（controlunit）是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。控制器从存储器中逐条取出指令，分析每条指令规定的是什么操作以及所需数据的存放位置等，然后根据分析的结果向计算机其他部件发出控制信号，统一指挥整个计算机完成指令所规定的操作。计算机自动工作的过程，实际上是自动执行程序的过程，而程序中的每条指令都是由控制器来分析执行的，它是计算机实现“程序控制”的主要设备。

　　通常把控制器与运算器合称为中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）。工业生产中总是采用最先进的超大规模集成电路技术来制造中央处理器，即CPU芯片。它是计算机的核心设备。它的性能(主要是工作速度和计算精度)对计算机的整体性能有全面的影响。

　　硬件系统的核心是中央处理器。它主要由控制器和运算器等组成，并采用大规模集成电路工艺制成的芯片，又称为微处理器芯片。

　　CPU品质的高低，直接决定了一个计算机系统的档次。反映CPU品质的最重要指标是主频和数据传送的位数。主频说明了CPU的工作速度，主频越高，CPU的运算速度越快。常用的CPU主频有1.5GHz、2.0GHz、2.4GHz等。CPU传送数据的位数是指计算机在同一时间能同时并行传送的二进制信息位数。常说的16位机、32位机和64位机，是指该计算机中的CPU可以同时处理16位、32位和64位的二进制数据。随着型号的不断更新，微机的性能也不断提高。

　　存储器（memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途可将存储器分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电后，内存中的数据会丢失。

　　输入设备（inputdevice）是向计算机输入数据和信息的设备，是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、游戏杆和语音输入装置等都属于输入设备。输入设备是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数据的程序输入到计算机中。计算机能够接收各种各样的数据，既可以是数值型的数据，也可以是各种非数值型的数据，如图形、图像和声音等都可以通过不同类型的输入设备输入到计算机中，进行存储、处理和输出。

　　输出设备（outputdevice）用于接收计算机数据的输出显示、打印、播放声音和控制外围设备操作等，把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像和声音等形式表示出来。

　　3.冯·诺依曼体系结构的作用

　　冯·诺依曼体系结构是现代计算机的基础，现在大多数计算机仍然采用冯·诺依曼体系结构，只是做了一些改进而已，并没有从根本上突破冯·诺依曼体系结构。

　　根据冯·诺依曼体系结构构成的计算机必须具有如下功能:把需要的程序和数据送至计算机中；必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力；能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；能够按照要求将处理结果输出给用户。

　　将指令和数据同时存放在存储器中，是冯·诺依曼体系结构的特点之一，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成，冯·诺依曼提出的计算机体系结构奠定了现代计算机的结构理念。

　　3.1.2微处理器基础

　　微处理器是用一片或几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传统的中央处理器相比，具有体积小、质量小和容易模块化等优点。微处理器的基本组成部分有寄存器堆、运算器、时序控制电路以及数据和地址总线。微处理器能完成取指令、执行指令以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

　　中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件被统称为微处理器。注意，微处理器本身并不等于微型计算机，仅仅是微型计算机的中央处理器。

　　微处理器已经无处不在，无论是录像机、智能洗衣机、移动电话等家电产品，还是汽车引擎控制、数控机床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。微处理器不仅是微型计算机的核心部件，也是各种数字化智能设备的关键部件。国际上的超高速巨型计算机、大型计算机等高端计算系统也都采用大量的通用高性能微处理器建造。

　　1.微处理器的分类

　　根据微处理器的应用领域，微处理器可以分为3类:通用高性能微处理器、嵌入式微处理器和数字信号处理器、微控制器。

　　通用处理器追求高性能，它们用于运行通用软件，配备完备、复杂的操作系统。

　　嵌入式微处理器强调处理特定应用问题的高性能，主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统，主要用于蜂窝电话、CD播放机等消费类家电。

　　微控制器价位相对较低，在微处理器市场上需求量最大，主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。

　　2.微处理器的发展历程

　　CPU从最初发展至今已经有几十年的历史了，按照其处理信息的字长，CPU可以分为4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及最新的64位微处理器，可以说个人计算机的发展是随着CPU的发展而前进的。微机是指以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以集成了计算机主要部件——控制器和运算器的微处理器（MicroProcessorUnit，MPU）为核心的计算机。经过多年的发展，微处理器的发展大致可分为6代。

　　(1)第一代（1971—1973年）。通常是4位或8位微处理器，典型的是Intel4004和Intel8008微处理器。Intel4004是一种4位微处理器，可进行4位二进制的并行运算，它有45条指令，速度为0.05MIPS（MillionInstructionsPerSecond，每秒百万条指令）。Intel4004的功能有限，主要用于计算器、电动打字机、照相机、台秤、电视机等家用电器上，使这些电器设备具有智能化，从而提高它们的性能。Intel8008是世界上第一种8位的微处理器。存储器采用PMOS工艺。该阶段计算机工作速度较慢，微处理器的指令系统不完整，存储器容量很小，只有几百字节，没有操作系统，只有汇编语言。主要用于工业仪表和过程控制。

　　(2)第二代（1974—1977年）。典型的微处理器有Intel8080/8085，Zilog公司的Z80和Motorola公司的M6800。与第一代微处理器相比，集成度提高了1～4倍，运算速度提高了10～15倍，指令系统相对比较完善，已具备典型的计算机体系结构及中断、直接存储器存取等功能。

　　由于微处理器可用来完成很多以前需要用较大设备完成的计算任务，价格又便宜，于是各半导体公司开始竞相生产微处理器芯片。但这些芯片基本没有改变Intel8080的基本特点，都属于第二代微处理器。它们均采用NMOS工艺，集成度约9000只晶体管，平均指令执行时间为1～2μs，采用汇编语言、BASIC、FORTRAN编程，使用单用户操作系统。

　　(3)第三代（1978—1984年），即16位微处理器。1978年，Intel公司率先推出16位微处理器Intel8086，同时，为了方便原来的8位机用户，Intel公司又提出了一种准16位微处理器Intel8088。1981年，美国IBM公司将8088芯片用于其研制的IBMPC机中，从而开创了全新的微机时代。也正是从Intel8088开始，个人计算机（PC）的概念开始在全世界范围内发展起来。从8088应用到IBMPC机上开始，个人计算机真正走进了人们的工作和生活之中，它也标志着一个新时代的开始。

　　(4)第四代（1985—1992年），即32位微处理器。1985年10月17日，Intel公司划时代的产品80386DX正式发布了，其内部包含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz，最后还有少量的40MHz产品。

　　(5)第五代（1993—2005年）是奔腾（Pentium）系列微处理器时代。典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6系列微处理器芯片。内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。随着MMX（MultiMediaeXtended）微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶。

　　(6)第六代（2005年至今）是酷睿（Core）系列微处理器时代。“酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比。早期的酷睿是基于笔记本处理器的。“酷睿2”英文名称为Core2Duo，是Intel公司在2006年推出的新一代基于Core微架构的产品体系统称，于2006年7月27日发布。“酷睿2”是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版和移动版三大领域。其中，服务器版的开发代号为Woodcrest，桌面版的开发代号为Conroe，移动版的开发代号为Merom。

　　“酷睿2”处理器的Core微架构是Intel公司的以色列设计团队在Yonah微架构基础之上改进而来的新一代Intel架构。最显著的变化在于对各个关键部分进行强化。为了提高两个核心的内部数据交换效率，采取共享式二级缓存设计，两个核心共享高达4MB的二级缓存。

　　2010年6月，Intel公司再次发布革命性的处理器——第二代Corei3/i5/i7。它隶属于第二代智能酷睿家族，全部基于全新的SandyBridge微架构，相比第一代产品主要有5点重要革新:①采用全新32nm的SandyBridge微架构，更低功耗，更强性能；②内置高性能GPU（核芯显卡），视频编码、图形性能更强；③睿频加速技术2.0，更智能，更高效能；④引入全新环形架构，带来更高带宽与更低延迟；⑤全新的AVX、AES指令集，加强浮点运算与加密解密运算。

　　2012年4月24日，Intel公司正式发布了Ivybridge（IVB）处理器。22nmIvyBridge会将执行单元的数量翻一番，达到最多24个，自然会带来性能上的进一步跃进。IvyBridge会加入支持DX11的集成显卡。另外，新加入的XHCIUSB3.0控制器则共享其中4条通道，从而提供最多4个USB3.0，从而支持原生USB3.0。CPU的制作采用3D晶体管技术，耗电量会减少一半。

　　3.微处理器的组成

　　微处理器由算术逻辑单元（ArithmeticLogicalUnit，ALU）、累加器和通用寄存器组、程序记数器（也称为指令指标器）、时序和控制逻辑部件、数据与地址锁存器/缓冲器、内部总线组成。其中运算器和控制器是其主要组成部分。

　　1)算术逻辑单元

　　算术逻辑单元主要完成算术运算（+、－、×、÷、比较）和各种逻辑运算（与、或、非、异或、移位）等操作。ALU是组合电路，本身无寄存操作数的功能，因而必须有保存操作数的两个寄存器:暂存器(TMP)和累加器(AC)，累加器既向ALU提供操作数，又接收ALU的运算结果。

　　定时与控制逻辑是微处理器的核心控制部件，负责对整个计算机进行控制，包括从存储器中取指令，分析指令（即指令译码）以确定指令操作和操作数地址，取操作数，执行指令规定的操作，送运算结果到存储器或I/O端口等。它还向微机的其他各部件发出相应的控制信号，使CPU内外各部件间协调工作。

　　内部总线用来连接微处理器的各功能部件并传送微处理器内部的数据和控制信号。

　　必须指出，微处理器本身并不能单独构成一个独立的工作系统，也不能独立地执行程序，必须配上存储器和输入输出设备构成一个完整的微型计算机后才能独立工作。

　　2)存储器

　　微型计算机的存储器用来存放当前正在使用的或经常使用的程序和数据。存储器按读、写方式分为随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）和只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）。RAM也称为读/写存储器，工作过程中CPU可根据需要随时对其内容进行读或写操作。RAM是易失性存储器，即其内容在断电后会全部丢失，因而只能存放暂时性的程序和数据。ROM的内容只能读出不能写入，断电后其所存信息仍保留不变，是非易失性存储器，所以ROM常用来存放永久件的程序和数据。如初始导引程序、监控程序、操作系统中的基本输入输出管理程序(BIOS)等。

　　3)I/O接口

　　输入输出接口电路是微型计算机的重要组成部件。它是微型计算机连接外部输入输出设备及各种控制对象并与外界进行信息交换的逻辑控制电路。由于外设的结构、工作速度、信号形式和数据格式等各不相同，因此它们不能直接挂接到系统总线上，必须用输入输出接口电路来做中间转换，才能实现与CPU间的信息交换。I/O接口也称为I/O适配器，不同的外设必须配备不同的I/O适配器。I/O接口电路是微机应用系统必不可少的重要组成部分。任何一个微机应用系统的研制和设计，实际上主要是I/O接口的研制和设计。

　　4)总线

　　总线是计算机系统中各部件之间传送信息的公共通道，是微型计算机的重要组成部件。它由若干条通信线和起驱动隔离作用的各种三态门器件组成。微型计算机在结构形式上总是采用总线结构，即构成微机的各功能部件（微处理器、存储器、I/O接口电路等）之间通过总线相连接，这是微型计算机系统结构上的独特之处。采用总线结构之后，使系统中各功能部件间的相互关系转变为各部件面向总线的单一关系，一个部件（功能板/卡）只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中，从而使系统功能扩充或更新容易，结构简单，可靠性大大提高。在微型计算机中，根据总线所处位置和应用场合，总线被分为以下4级。

　　（1）片内总线。它位于微处理器芯片内部，故称为芯片内部总线。用于微处理器内部ALU和各种寄存器等部件间的互连及信息传送。由于受芯片面积及对外引脚数的限制，片内总线大多采用单总线结构，这有利于芯片集成度和成品率的提高，如果要求加快内部数据传送速度，也可采用双总线或三总线结构。

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