计算机系统概论ppt课件
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计算机系统概论
量子计算与未来展望
量子计算
量子计算是一种基于量子力学原理的计算方式，具有超强的并行计算能力和高度加密的安全性。量子计算的应用 前景广阔，包括化学模拟、优化问题求解、密码学等。
未来展望
随着人工智能、大数据、云计算和量子计算等技术的不断发展，计算机系统的未来将更加智能化、高效化和安全 化。同时，计算机系统的发展也将对人类社会的各个方面产生深远影响，如工业自动化、智慧城市、生物信息学 等。
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计算机病毒Leabharlann 型常见的计算机病毒类型包括蠕虫病毒、木马病毒、 宏病毒等，它们具有不同的传播途径和破坏行为。
3
计算机病毒防护
防护计算机病毒的措施包括安装防病毒软件、定 期更新病毒库、不随意打开未知来源的邮件和链 接、定期备份数据等。
网络攻击与防护
网络攻击定义
网络攻击是指利用网络漏洞或恶意行为对计算机系统进行破坏或窃取信息的行为。
大数据与云计算
大数据
大数据是指数据量巨大、复杂度高、处理速度快的数据集合。大数据技术的应用 包括数据挖掘、数据分析、数据可视化等，有助于企业做出更明智的商业决策。
云计算
云计算是一种基于互联网的计算方式，通过虚拟化技术将计算资源（如服务器、 存储设备、数据库等）汇聚到一个虚拟的云中，然后通过网络对外提供服务。云 计算的应用包括云存储、云桌面、云服务等。
网络协议与体系结构
OSI参考模型
01
开放系统互联参考模型，分为七个层次，分别为物理层、数据
链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
TCP/IP协议族
02
传输控制协议和互联网协议，是互联网的核心协议，包括IP、
计算机系统概论第三章
第三章数字逻辑结构在第一章中，我们提到计算机是由数量巨大的非常简单的结构所组成。
例如，Intel的Pentium Ⅳ微处理器，2000年推向市场，是由超过4千2百万个MOS晶体管制造的。
IBM Power PC 750 FX，2002年推出，是由超过3千8百万个MOS晶体管组成。
在本章中，我们将解释MOS晶体管作为逻辑单元的工作原理，如何将这些晶体管连接起来组成逻辑门，以及逻辑门是如何被互相连接起来而组成更大的制造计算机所需的单元。
在第四章，我们将把这些更大的单元连接起来组成计算机。
首先介绍晶体管。
3.1 晶体管今天的大多数计算机，或者说是大多数微处理器（所对应的计算机的核心）是由MOS 晶体管组成的。
MOS是金属氧化物半导体的英文缩写。
关于半导体的电子特性超出了本书的范围，它位于本书所描述的最底层的抽象之下，也就是说，如果晶体管出现差错，我们就受其控制，无法解决该问题了。
不过，也不太可能遇到晶体管出现问题的情况。
在此，我们只需了解MOS晶体管的两种类型：P型和N型。
它们都是进行逻辑运算的，其工作原理与墙上的电开关类似。
图3.1显示了最基本的电子电路，包括电源、一个墙上的开关和一盏灯。
为了让灯发光，电子必须流动；而为了使电子流动，必须存在一个从电源到灯、再回到电源的闭合电路。
通过操作开关可以控制电路的合与开，进而使灯打开或关闭。
我们使用一个N型或P型半导体晶体管来代替开关，控制电路的闭合。
图3.2是一个N 型晶体管的示意图，（a）单独出现的晶体管（b）出现在电路中的晶体管。
注意，在图3.2a 中的晶体管有三个终端，它们分别被称为栅极、源极和漏极，其命名原因不在本书范围之内。
如果N型晶体管的栅极被加以2.9伏电压，从源极到漏极的连接就相当于一段电线。
使用电子术语来说就是：在源极和漏极之间存在一个闭合回路，即导通。
如果N型晶体管的栅极被加以0伏电压，在源极和漏极之间的连接就被断开，在源极和漏极之间存在一个断路，即截止。
第1章 计算机系统概论-计算机组成原理-刘超-清华大学出版社
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
1 计算模型及其基本内容 计算模型是完成计算任务所必需遵循的基于形式化 描述的基本规则。工作单元(对计算机来说即是指令)之 间存在处理次序与数据依赖等两种关联性，用于控制处 理次序的工作驱动与数据依赖机制的数据传递是计算模 型的基本内容。工作驱动方式是计算模型的核心。
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
3 计算机工作过程 程序控制计算机完成计算任务过程可分为人工编制 程序和机器运行程序两个阶段。
存储器存储单 元地址
00000000 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 00001000 00001001 00001010 00001011 00001100 00001101 00001110 00001111 00010000
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
输入设备
辅助存储器 存储 系统
主存储器
输出设备 外设
运算器
控制器
具有存储层次计算机的体系结构框架
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
主存 储器
主机 CPU
算术逻辑运算 单元ALU
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
1 计算机体系结构及其范畴 计算机体系结构的一般定义是：机器语言程序员所 必须了解的计算机概念性结构和功能特性。 计算机体系结构作为一门学科，其研究内容主要有 两个方面：一是软件与硬件功能分配；二是如何最佳最 合理地实分配给硬件的功能。 计算机体系结构(或属性)的范畴有：数据表示、指 令系统、寻址方式、寄存器组织、存储组织、中断机构、 机器状态、输入输出结构、信息保护等。
第1章计算机系统概论
18800电子管 18800电子管 30吨 30吨 150平方米 150平方米 150kw 5000次十进制加法 次十进制加法/ 5000次十进制加法/秒
ENIAC
ENIAC
ENIAC
ENIAC的特点： ENIAC的特点：十进制表示 的特点 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 为了改进程序的输入方式： 二进制表达方 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制表达方 式和存储程序控制计算机构想。 存储程序控制计算机构想 式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一 个计算机模型EDVAC 个计算机模型EDVAC
•它采用了间接寻址技术。在这种技术中，间接寻址指令所 它采用了间接寻址技术。在这种技术中， 它采用了间接寻址技术 形成的地址，不是存放操作数的地址， 形成的地址，不是存放操作数的地址，而是用来形成操作 数地址的地址。这种寻址技术在分类、 数地址的地址。这种寻址技术在分类、排序中是非常有用 的； •采用了专用的程序控制指令，这种指令对应于不同程序 采用了专用的程序控制指令， 采用了专用的程序控制指令 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对， LINK/TRA指令对 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对，即后来人们常 称的调用子程序/子程序返回指令对， 称的调用子程序/子程序返回指令对，对调用子过程等是 十分有效的； 十分有效的； •I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制 I/O 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU I/O设备间的字 CPU和 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU和I/O设备间的字 长能够匹配； 长能够匹配； •采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术 I/O处理机请求访问主存储器时 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期， CPU的主存访问请求延迟一个存储周期 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期，但是并不 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期； CPU的操作 CPU操作推迟一个存储周期 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期；
ENIAC
ENIAC
ENIAC
ENIAC的特点： ENIAC的特点：十进制表示 的特点 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 为了改进程序的输入方式： 二进制表达方 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制表达方 式和存储程序控制计算机构想。 存储程序控制计算机构想 式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一 个计算机模型EDVAC 个计算机模型EDVAC
•它采用了间接寻址技术。在这种技术中，间接寻址指令所 它采用了间接寻址技术。在这种技术中， 它采用了间接寻址技术 形成的地址，不是存放操作数的地址， 形成的地址，不是存放操作数的地址，而是用来形成操作 数地址的地址。这种寻址技术在分类、 数地址的地址。这种寻址技术在分类、排序中是非常有用 的； •采用了专用的程序控制指令，这种指令对应于不同程序 采用了专用的程序控制指令， 采用了专用的程序控制指令 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对， LINK/TRA指令对 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对，即后来人们常 称的调用子程序/子程序返回指令对， 称的调用子程序/子程序返回指令对，对调用子过程等是 十分有效的； 十分有效的； •I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制 I/O 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU I/O设备间的字 CPU和 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU和I/O设备间的字 长能够匹配； 长能够匹配； •采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术 I/O处理机请求访问主存储器时 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期， CPU的主存访问请求延迟一个存储周期 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期，但是并不 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期； CPU的操作 CPU操作推迟一个存储周期 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期；
数字逻辑与计算机组成原理：第一章 计算机系统概论
的通用电子数字计算机方案EDVAC，这就是人们
通常所说的冯·诺依曼型计算机。
该计算机采用“二进制”代码表示数据和指 令，并提出了“程序存储”的概念，它奠定 了现代电子计算机的基础。
2．计算机的发展阶段
从第一台电子计算机的诞生到现在，人们根 据计算机所采用的电子器件的变化，将计算 机的发展分为四个时代。
1946年 美国 ENIAC 1955年退役
十进制运00 5 000
多个电子管 多个继电器 千瓦 吨 平方英尺 次加法／秒
用手工搬动开关和拔插电缆来编程
IBM 360计算机
IBM公司1964年推出的IBM360是影响最大的最早采 用集成电路的第三代计算机
Intel 公司的典型微处理器产品
8080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium Ⅳ
8位 16位 16位 32位 32位 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位
计算机硬件系列课程结构
计算机系统结构
计算机系统的 软硬件功能分配
计算机组成原理 数字逻辑
计算机系统的 逻辑实现 计算机组成的 物理实现
数字逻辑与计算机组成原理 的关系
数字逻辑是计算机组成原理的先修课程
计算机组成原理课程中经常出现的译码器、 编码器、数据选择器、数据分配器、队列、 堆栈、锁存器、寄存器等术语，必须在数字 逻辑课程中牢固掌握基本概念。
➢ 1958年，德克萨斯仪器公司的基尔白(Clair Kilby)、仙 童半导体公司的诺依斯(Robert Noyce)等人研究实现了 集成电路。以后集成度越来越高，出现了超大规模集成 电路，这是电子学的又一次革命，也是近代科学技术发 展的新的标志。
计算机概论
应用软件的使用
• 安装与卸载：根据需要安装和卸载应用软件 • 功能与性能：了解应用软件的功能和性能特点，选择合适的应用软件 • 更新与维护：定期更新和维护应用软件，确保其正常运行
04
计算机网络基础
计算机网络的结构与分类
计算机网络的结构
• 星型结构：中心节点连接所有其他节点，适合小型网络 • 总线型结构：所有节点连接到一条总线上，适合大型网络 • 环型结构：节点按环形连接，数据在环中传输，适合需要实时响应的网络
电子计算机的发展
• 20世纪70年代，微型计算机的出现，如苹果II、IBM PC等，使计算机进入家庭和企业 • 20世纪80年代，个人电脑的发展，如IBM PC Jr.、康柏Compaq等，使计算机更加普及 • 20世纪90年代，互联网的出现，如万维网、电子邮件等，使计算机的应用领域得到了极大 的拓展
计算机网络的分类
• 局域网（LAN）：覆盖范围小，如家庭、办公室等 • 城域网（MAN）：覆盖范围较大，如城市、地区等 • 广域网（WAN）：覆盖范围广，如国家、洲际等
互联网的发展与协议
互联网的发展
• 20世纪60年代，美国国防部创立了ARPANET，为互联网的发展奠定了基础 • 20世纪90年代，万维网的出现，使互联网成为信息传播的主要途径 • 21世纪初，移动互联网的发展，使互联网更加便捷和普及
防护措施
• 防火墙：用于阻止未经授权的访问和网络攻击 • 加密技术：用于保护数据的机密性和完整性 • 安全策略：制定网络安全的规章制度和管理措施
05
计算机应用领域
办公自动化的实现与应用
办公自动化的应用
• 文字处理：使用Word、WPS Office等软件进行文字编辑和处理 • 电子表格：使用Excel、WPS Spreadsheets等软件进行数据处理和分析 • 演示文稿：使用PowerPoint、WPS Presentation等软件进行演示和报告
• 安装与卸载：根据需要安装和卸载应用软件 • 功能与性能：了解应用软件的功能和性能特点，选择合适的应用软件 • 更新与维护：定期更新和维护应用软件，确保其正常运行
04
计算机网络基础
计算机网络的结构与分类
计算机网络的结构
• 星型结构：中心节点连接所有其他节点，适合小型网络 • 总线型结构：所有节点连接到一条总线上，适合大型网络 • 环型结构：节点按环形连接，数据在环中传输，适合需要实时响应的网络
电子计算机的发展
• 20世纪70年代，微型计算机的出现，如苹果II、IBM PC等，使计算机进入家庭和企业 • 20世纪80年代，个人电脑的发展，如IBM PC Jr.、康柏Compaq等，使计算机更加普及 • 20世纪90年代，互联网的出现，如万维网、电子邮件等，使计算机的应用领域得到了极大 的拓展
计算机网络的分类
• 局域网（LAN）：覆盖范围小，如家庭、办公室等 • 城域网（MAN）：覆盖范围较大，如城市、地区等 • 广域网（WAN）：覆盖范围广，如国家、洲际等
互联网的发展与协议
互联网的发展
• 20世纪60年代，美国国防部创立了ARPANET，为互联网的发展奠定了基础 • 20世纪90年代，万维网的出现，使互联网成为信息传播的主要途径 • 21世纪初，移动互联网的发展，使互联网更加便捷和普及
防护措施
• 防火墙：用于阻止未经授权的访问和网络攻击 • 加密技术：用于保护数据的机密性和完整性 • 安全策略：制定网络安全的规章制度和管理措施
05
计算机应用领域
办公自动化的实现与应用
办公自动化的应用
• 文字处理：使用Word、WPS Office等软件进行文字编辑和处理 • 电子表格：使用Excel、WPS Spreadsheets等软件进行数据处理和分析 • 演示文稿：使用PowerPoint、WPS Presentation等软件进行演示和报告
第一章 计算机系统概论
5
1．2．1 计算机硬件 ． ．
1．运算器 ． 用于信息加工的部件，又称执行部件。它对数据信息进行算术运算 和逻辑运算。它由算术逻辑部件 ALU 和一系列寄存器组成。 算术运算指加、减、乘、除和其他复合运算，逻辑运算指与、或、 非、异或、比较、移位。 运算器包含多个寄存器，称为通用寄存器组，使用它们可减少访问 存储器的次数，提高运算速度。寄存器用于存放运行指令和运算操作 数，累加器除了存放运算操作数外，还存放中间结果和最终结果。 计算机采用二进制计数。二进制 二进制的运算规律非常简单，易于用物 二进制 易于用物 理的方式实现。 理的方式实现 二进制数的位数越多，计算精度就越高，但是位数越多，所需的电 子器件也越多。计算机运算器的运算宽度（ 机器字长 ） 通常为 8×2n 计算机运算器的运算宽度（机器字长） 计算机运算器的运算宽度 × （n 为自然数，目前最大为 3），即 8 位、16 位、32 位或 64 位。 即
9
1．2．1 计算机硬件 ． ．
指令和数据均以二进制信息形式存放在内存，按读取时间和存放 空间区分。取指周期中从内存中读出的信息流是指令流，它流向控制 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流， 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流 执行周期中从内存中读出的信息流是数据流 它流向运算器。 数据流， 器；执行周期中从内存中读出的信息流是数据流，它流向运算器 3．存储器 ． 存放程序和数据。分为若干个带地址的存储单元，数据以二进制 方式按地址存储。 读写过程：传送存储单元地址 → 地址译码器译码 → 选中存储单 元 → 从存储单元读出数据或向存储单元写入数据。 主板上的存储器为半导体触发器，每一个存储元（触发器）可存 储一位二进制信息。一个半导体触发器的 Q 输出端有两种电平状态， 输出高电平为 “1”，输出低电平为 “0”，通过输入端电平和时钟的控 制可改变触发器的输出状态，分别输出 “1” 或 “0”。
1．2．1 计算机硬件 ． ．
1．运算器 ． 用于信息加工的部件，又称执行部件。它对数据信息进行算术运算 和逻辑运算。它由算术逻辑部件 ALU 和一系列寄存器组成。 算术运算指加、减、乘、除和其他复合运算，逻辑运算指与、或、 非、异或、比较、移位。 运算器包含多个寄存器，称为通用寄存器组，使用它们可减少访问 存储器的次数，提高运算速度。寄存器用于存放运行指令和运算操作 数，累加器除了存放运算操作数外，还存放中间结果和最终结果。 计算机采用二进制计数。二进制 二进制的运算规律非常简单，易于用物 二进制 易于用物 理的方式实现。 理的方式实现 二进制数的位数越多，计算精度就越高，但是位数越多，所需的电 子器件也越多。计算机运算器的运算宽度（ 机器字长 ） 通常为 8×2n 计算机运算器的运算宽度（机器字长） 计算机运算器的运算宽度 × （n 为自然数，目前最大为 3），即 8 位、16 位、32 位或 64 位。 即
9
1．2．1 计算机硬件 ． ．
指令和数据均以二进制信息形式存放在内存，按读取时间和存放 空间区分。取指周期中从内存中读出的信息流是指令流，它流向控制 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流， 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流 执行周期中从内存中读出的信息流是数据流 它流向运算器。 数据流， 器；执行周期中从内存中读出的信息流是数据流，它流向运算器 3．存储器 ． 存放程序和数据。分为若干个带地址的存储单元，数据以二进制 方式按地址存储。 读写过程：传送存储单元地址 → 地址译码器译码 → 选中存储单 元 → 从存储单元读出数据或向存储单元写入数据。 主板上的存储器为半导体触发器，每一个存储元（触发器）可存 储一位二进制信息。一个半导体触发器的 Q 输出端有两种电平状态， 输出高电平为 “1”，输出低电平为 “0”，通过输入端电平和时钟的控 制可改变触发器的输出状态，分别输出 “1” 或 “0”。
第1讲 计算机系统概述
第一章 计算机系统概论
1.2
1.2.1
计算机的分类及应用
计算机的分类
1. 按信息的表示形式和处理方式分类 数字计算机： 处理离散的、数字化的信息 模拟计算机： 处理连续变化的模拟量信息 数字模拟混合计算机： 处理的信息既有数字量 又有模拟量 通常所说的计算机都指的是数字计算机 。
第一章 计算机系统概论
1946年由美国宾夕法尼 亚大学研制的ENIAC 重达30吨 占地170m2 18000个电子管 1500个继电器 耗电150kW
第一台电子数字积分计算机 Electronic Numerical Integrator And Calculator
第一章 计算机系统概论
ENIAC与现代微型机的比较：
第一章 计算机系统概论
注： （1）存储器有很多存储单元，每个存储单元存放 一个数据。为区分不同的存储单元，为每个存储单 元进行编号，这个编号就称为存储单元的地址。 （2）输入设备和输出设备常合称为输入/输出设 备，简称I/O（Input/Output）设备。 （3）运算器和控制器合在一起称为中央处理单 元——CPU(Central Processing Unit)。
解释方式 将用户编写的源程序的一条语句翻译成机器
语言后，立即执行它，且不保留机器语言， 然后，再翻译下一条语句，如此重复，直到 程序结束。它的特点是翻译一次只能执行一 次，当第二次重复执行时，又要重新翻译， 因而效率较低。
第一章 计算机系统概论
2．计算机系统的层次结构
计算机系统的多级层次结构如下图所示：
（3）采用二进制码表示数据和指令。 （4）指令由操作码和地址码组成。
（5）以运算器为中心，输入输出设备与存储 器间的数据传送都通过运算器。
计算机系统概述
1.3.4 计算机工作过程
3.运算器 运算器包括3个寄存器(ACC、MQ 和X,现代计算机内部往往设有
通用寄存器组)和1个算术逻辑单元(ALU)。 表1.3列出了寄存器存放不同类别操作数的情况。
4.I/O 系统 I/O系统包括各种外部设备及相应的接口。每种设备都由I/O接
口与主机联系,它接受控制单元CU发出的各种控制命令,完成相应 的操作。
C指P令I 的平N 均(C时P钟Ii周期IC数i )为/ I:C i 1 (1 40000 2 30000 2 20000 2 10000 ) /105 1.6
N
CPU测执 试行 程序时的间执行时i（ 1间C为P:I i ICi） 时钟周期长度
N
（CPI i ICi） 时钟频率 i 1
4）运算速度 (1)CPU执行时间 CPU执行时间=CPU时钟周期数/频率
或 CPU执行时间=CPU时钟周期数×时钟周期长度
1.2.2 计算机系统的主要技术指标
4）运算速度
(2)平均运行时钟周期数CPI
CPI=CPU时钟周期数/指令条数IC 由此可得CPU执行时间的另一表达式:
CPU执行时间=CPI×IC×时钟周期长度
MFLOPS=程序浮点运算次数/（程序执行时间*10^6）
MIPS和MFLOPS是单位时间内的执行次数,所以机器越快,其MIPS和 MFLOPS越高。
1.3 计算机系统的层次结构
1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5
计算机硬件 计算机软件 计算机系统层次结构 计算机工作过程 计算机组成与计算机系统结构的关系
？？ 量子？生物？智能？
第一代电子管计算机—IBM709大型机
第二代晶体管计算机——IBM7094
1 计算机系统概论
输出设备用来输出计算机的处理结果。可以是数字、
字母、表格、图形等。
计算机硬件的组成框图
CPU（包括运算器和控制器） 存储器 ROM RAM 输入/输出设备(I/O设备) 运算器 和控制 总线 器 DB—DATA BUS CPU AB—ADDRESS BUS CB—CONTROL BUS
计算机硬件系统组成
22
1.3 什么是硬件?什么是软件?两者谁更重要? 为什么？ 答：硬件是计算机系统的实体部分，它由看得 见摸得着的各种电子元器件及各类光、电、机 设备的实物组成，包括主机和外部设备等。 软件是指用来充分发挥硬件功能，提高机器 工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算 机系统工作的程序集合，是无形的。 硬件和软件是不可分割的统一体，前者是后 者的物质基础，后者是前者的“灵魂"，它们 23 相辅相成，互相促进。
软件部分 硬、软界面 硬件部分
操作系统软件层（操作系统） 指令系统层（指令系统） 微体系结构层（微程序控制器） 数字逻辑层（硬件逻辑部件）
计算机系统的层次结构
站在不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性各不相同。
计算机系统的层次结构 （2）软件和硬件逻辑上的等价性
计算机系统以硬件为基础，通过软件扩充其功能，并以执 行程序方式体现其功能。硬件完成最基本的功能，而复杂 的功能则通过软件实现。计算机是一个软件和硬件结合的 整体系统。
计算机的语言简介
自然语言：人类相互交流信息所用的语言。 高级语言：一种和自然语言接近并能为计算机接受 的语言，这种语言被称为计算机的高级语言。 汇编语言：符号式程序设计语言，属于低级语言。 机器语言：机器能执行的语言，这种语言被称为机器 语言（由二进制代码表示的指令组成）。
计算机系统概论
uA5…uA0 010000 000010 001000 000100 000101 000110 000001 001101 000001 000011 000111 001110 010110 000001 001111 010101 010010 010100 010111 000001 011000 000001 000001 010000 010001
计算机 系统概论
计算机
存储器
I/O
系统总线
CPU
中央处理单元 控制单元
ALU CU
内部 互连
排队 逻辑
寄存器 解码器
寄存器
控制 存储器
软件技术
机器语言:01100111100000010 汇编语言:ADD CL, BH 机器语言为: 00000010 11001111 高级语言:int a,b,c; a=1; b=2; c=a+b;
由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成
软件
???
计算机系统由（ 硬件）系统和（软件 ）系统 构成
若以电视机比喻计算机硬件和软件的关系 ，则电视机好比（ 硬件），（电视节目 ）好比 软件 现在主要采用（ 总线 ）结构作为计算机硬件 之间的连接方式
二、计算机系统的层次结构
高级语言
汇编语言 操作系统 机器语言
程序 — 运算的 全部步骤 指令 — 每 一个步骤
数字仪表板系统的数据流图
读旋转 信号
确定 加速/ 减速
箭头
指示
产生 加速、 减速显示
sps
上箭头
收集和 求平均
⊕
水平线
下箭头
⊕
计算 里程 超速值
计算 Mph和 超速值
白中英计算机组成原理第1章计算机系统概论
标志寄存器的影响设置。
指令的形式
操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等； 地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。
2019/11/22
40
计算机运算y＝ax＋b－c
指令
指令地址 操作码 地址码 指令操作内容
1 2 3 4 5 6 7 8
数据地址
99 10 11 12 20119/311/22
利用率
在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比 表示。
处理机字长（机器字长）
处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位； 机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性（不一定完全一样）。
2019/11/22
30
1.2.4 计算机的性能指标（2/3）
MDR(存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。
2019/11/22
39
1.3.4 控制器
功能： 根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，
协调计算机的各个部件的工作。 主要任务：
解释并执行指令； 控制指令的执行顺序； 负责指令执行过程中，操作数的寻址； 根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对
专用计算机
是针对某一任务设计的最有 效、最经济和最快速的计算
机，但适应性很差。
低
高
双核机
处理数字量信息
单片机 体积
分 类
按位运算，
不连续地跳动计算 通用计算机
适应性很大，但
微型机 服务器
牺牲了效率、速
模拟计算机 度和经济性。
大型机
功能
简
数据存储量 易
指令系统
性
价格
指令的形式
操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等； 地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。
2019/11/22
40
计算机运算y＝ax＋b－c
指令
指令地址 操作码 地址码 指令操作内容
1 2 3 4 5 6 7 8
数据地址
99 10 11 12 20119/311/22
利用率
在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比 表示。
处理机字长（机器字长）
处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位； 机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性（不一定完全一样）。
2019/11/22
30
1.2.4 计算机的性能指标（2/3）
MDR(存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。
2019/11/22
39
1.3.4 控制器
功能： 根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，
协调计算机的各个部件的工作。 主要任务：
解释并执行指令； 控制指令的执行顺序； 负责指令执行过程中，操作数的寻址； 根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对
专用计算机
是针对某一任务设计的最有 效、最经济和最快速的计算
机，但适应性很差。
低
高
双核机
处理数字量信息
单片机 体积
分 类
按位运算，
不连续地跳动计算 通用计算机
适应性很大，但
微型机 服务器
牺牲了效率、速
模拟计算机 度和经济性。
大型机
功能
简
数据存储量 易
指令系统
性
价格
计算机系统概论
第3页/共9页
1-3 指令周期
• 处理器执行的程要两个步骤
• 处理器从存储器读一条指令
• fetch
• 处理器执行指令
• excute
第4页/共9页
1-3 取指令和执行指令
• 取指令：处理器从程序计数器(PC)保存的寄存器地址中取指令，存放在指令寄存器(IR)中。 • 执行指令：处理器解析IR中的指令并执行对应操作。这些操作分为四类：
第2页/共9页
1-1 计算机部件:顶层视图
• 存储地址寄存器(MAR)
• 确定下一次读写的存储 器地址
• 存储缓冲寄存器(MBR)
• 写入存储器的数据 • 从存储器中读出的数据
• I/O地址寄存器(I/O AR)
• 确定一个特定的输入/输 出设备
• I/O 缓冲寄存器(I/O BR)
• 缓存输入/输出设备与处 理器间的交换数据
第7页/共9页
阶段总结
计算机的基本构成，处理器，主存，I/O模块，系统总线。 处理器的内部寄存器，有些是用户可见的，有些是不可见的，控制或状态寄存器 指令的执行，分为取指令，执行指令阶段
第8页/共9页
感谢您的观看。
第9页/共9页
• 处理器-存储器
• 在存储器和处理器之间传递数据
• 处理器-I/O
• 处理器和I/O模块间传递数据
• 数据处理
• 数据的算术操作和逻辑操作
• 控制
• 改变执行顺序
第5页/共9页
1-3 理想计算机的特征
注：
a：指令寄存器中的存储格式 b：数据寄存器中的存储格式
第6页/共9页
1-3 程序执行的例子 将地址940的存储单元中的内容与地址为941的存储单 元中的内容相加，并将结果保存在后一个单元
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每个存储单元赋予一个地址号
按地址寻访
.
31
(2)存储器的基本组成
存储体
MAR MDR
主存储器
MAR
存储器地址寄存器：存放欲访问的 存储单元的地址，其位数反映存储 单元的个数
MDR
存储器数据寄存器：用来存放从 存储体某单元取出的代码或者准 备存入某存储单元的代码，其位 数与存储字长相等。
设 MAR = 4 位
例2 用数字代码表示字符
A 表示为01000001 B 表示为01000010
例3 用数字代码表示命令，状态
启动
表示为00
停止
表示为01
正在工作
表示为10
工作结束
表示为11
.
13
2 在物理机制上用数字信号表示数字代码
数字
型电
信号
例1 用电平信号表示数字代码 高电平 低电平
例2 用脉冲信号表示数字代码 有脉冲 无脉冲
语言处理程序
软
操作系统 服务性程序
件
数据库管理系统
网络软件
应用软件
用户按任务需要编制成的各种
程序（科学计算程序，数据处理程序，
过程控制程序，事务管理程序等）
.
8
例：下面不属于系统程序的是？
A. 数据库系统
✔
B. 操作系统
C. 编译程序
D. 汇编程序
例：下面属于应用软件的是？
A. 操作系统
B. 编译程序
• 分析指令 OP(IR) CU
• 执行指令 Ad(IR) MAR M MDR ACC
…
• 打印结果
• 停机
.
38
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.机器字长 CPU 一次能处理数据的位数
与 CPU 中的 寄存器位数 有关
2.运算速度
主频
n
吉普森法 TM = i =1 fi ti MIPS 每秒执行百万条指令
主存储器 8
I/O
36
以加法ADD M（M为主存地址）为例，写出完成该指 令的信息流程（从取指令开始）
分析：在运算器中ACC存放被加数，X存放加数，求和 结果放在ACC中，ADD M 是指将地址为M的存储单元 中的加数取出并送至运算器中，然后和存放在运算器 中被加数通过ALU相加，结果仍放在运算器中。
.
5
本章的重点：计算机的工作过程
本章的难点：理解计算机如何区分同样以 0,1代码的形式存储在存储器中的指令和数 据。
.
6
1.1 计算机系统简介
一、 计算机软件、硬件的概念
1. 计算机系统
计 算
硬件
机
系 统 软件
计算机的实体 如主机、外设等
由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成
.
7
系统软件 用来管理整个计算机系统
CU
一条 分析指令 IR 指令 执行指令 CU
取指 访存 执行 访存
IR PC
PC 存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（PC）+ 1 PC
IR 存放当前欲执行的指令
.
34
(4)主机完成一条指令的过程
以取数指令为例 取指令地址码指示的存储单元中的操 作数X到ACC中
U
ACC MQ ALU
…5
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
减
初态 ACC [M]
[ACC]-[X]
M 被减数 X ACC
.
28
③ 乘法操作过程
AC0 C MQ
AALUU
X
运算器
指令
乘
M
初态 ACC [M]
[ACC]
0
[X]×[MQ]
.
被乘数 MQ X
ACC
ACC∥MQ
乘积的高位 积的低位
29
④ 除法操作过程
ACC MQ ALU
计算机组成原理
Computer Organization
.
1
为什么要学习计算机组成原理？
✓ 一门专业基础课程 ✓ 计算机专业（硬件OR软件方向）终生要
与计算机系统打交道 ✓ 后续多门课程的基础（系统结构，操作系
统，编译原理，高级语言程序设计，计算 机网络，数据库）
.
2
本课程的任务
讨论单机系统范围内计算各部件和系统 的组成以及内部工作机制。
+
x9 9!
-
…
√x =
1 2
(
yn +
x yn
)
(
n
=
0,
1,
2,
…)
• 编制解题程序
程序 — 运算的 全部步骤
指令 — 每 一个步骤
.
19
编程举例
计算 ax2 + bx + c = (ax + b)x + c
取x 至运算器中 乘以x 在运算器中
乘以a 在运算器中
存ax2 在存储器中
取b 至运算器中
1
0
1
.
14
1.2 计算机的基本组成
一、冯·诺依曼计算机的特点
1. 计算机由五大部件组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器 可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 指令在存储器内按顺序存放。
6. 机器以运算器为中心，I/O设备与存储器
间的数据传送通过运. 算器完成
程序
存储器
计算 输出设备
结果
运算器
.
17
二.现代计算机硬件框图
运算器 ALU
CPU
控制器 CU
主机
存储器
主存 辅存
输入设备
I/O
输出设备
主机
CPU
主
ALU
存
CU
.
硬件
I/O
18
三、计算机的工作步骤
1.上机前的准备
• 建立数学模型
• 确定计算方法
sin x = x -
x3 3!
+
x5 5!
-
x7 7!
取x 至运算器中
乘以a 在运算器中 加b 在运算器中
乘以x 在运算器中
加c 在运算器中
乘以x 在运算器中
加ax2 在运算器中
加c 在运算器中 .
20
指令格式举例
操作码 地址码
地址码表示参加运算的 数在存储器内的位置
取数 000001 存数 加 乘 打印 停机
α 0000001000 β γ δ
[α]
[ACC] [ACC]+[γ] [ACC]×[δ]
[ ]
.
ACC
β ACC ACC 打印机
21
计算 ax2 + bx + c 程序清单
指令和数据存于 主存单元的地址
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
指令 操作码 地址码 000001 0000001000 000100 0000001001 000011 0000001010 000100 0000001000 000011 0000001011 000010 0000001100 000101 0000001100 000110
通常完成一条指令可分为取指阶段和执行阶段。在取 指阶段通过访问存储器可将指令取出；在执行阶段通过访 问存储器可将操作数取出。这样，虽然指令和数据都是以 0,1代码形式存在存储器中，但CPU可以判断出在取指阶段 访问存储器取出的0,1代码是指令；在执行杰顿防存取出 的0,1代码是数据。可见，CPU就是根据取指阶段和执行阶 段的防存性质不同来区分指令和数据的。
通常用字节数表示辅存容量
.
40
练习
1. 存放预执行指令的寄存器是？
IR 2. 在CPU中跟踪指令后继地址的寄存器是？
PC 3. 一般8为的微型机系统以16位来表示地址，则该计算机系
统有多少个地址空间？
65536
4. 一片1MB的磁盘能存储多少数据？
220字节
.
41
问题？？
指令和数据都存于存储器中，计算机如何区 分它们？
解：取指令 PC
MAR
M
MDR
IR
分析指令 OP（IR） CU
执行指令 Ad(IR)
MAR
M
MDR X
ACC ALU ,同时 X
ALU
ALU
ACC
.
37
(5) ax2 + bx + c 程序的运行过程
• 将程序通过输入设备送至计算机
• 程序首地址
PC
• 启动程序运行
• 取指令 PC MAR M MDR IR ,(PC )+ 1 PC
.
42
2. 执行最快的语言？
机器语言
3. 计算机中负责指令译码的是？
控制单元
4. 计算机存储数据的基本单位？
比特（bit）
5. 32位的个人计算机，一个字节有几位组成？
.
23
8
.
24
.
25
2.计算机的解题过程
(1)运算器的基本组成及操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
寄存器 ACC
MQ
加法 被加数 和
高级语言：C,FORTRAN,BASIC,PASCAL等，机器也不直接识别高级语 言，必须先将高级语言翻译成汇编语言，然后再将其翻 译成机器语言程序
.
11
信息的数字化表示 1 在计算机中用数字代码表示各种信息
二进制 代码
例1 用数字代码表示数据 6 表示为 0 110
-7 表示为 1 111
按地址寻访
.
31
(2)存储器的基本组成
存储体
MAR MDR
主存储器
MAR
存储器地址寄存器：存放欲访问的 存储单元的地址，其位数反映存储 单元的个数
MDR
存储器数据寄存器：用来存放从 存储体某单元取出的代码或者准 备存入某存储单元的代码，其位 数与存储字长相等。
设 MAR = 4 位
例2 用数字代码表示字符
A 表示为01000001 B 表示为01000010
例3 用数字代码表示命令，状态
启动
表示为00
停止
表示为01
正在工作
表示为10
工作结束
表示为11
.
13
2 在物理机制上用数字信号表示数字代码
数字
型电
信号
例1 用电平信号表示数字代码 高电平 低电平
例2 用脉冲信号表示数字代码 有脉冲 无脉冲
语言处理程序
软
操作系统 服务性程序
件
数据库管理系统
网络软件
应用软件
用户按任务需要编制成的各种
程序（科学计算程序，数据处理程序，
过程控制程序，事务管理程序等）
.
8
例：下面不属于系统程序的是？
A. 数据库系统
✔
B. 操作系统
C. 编译程序
D. 汇编程序
例：下面属于应用软件的是？
A. 操作系统
B. 编译程序
• 分析指令 OP(IR) CU
• 执行指令 Ad(IR) MAR M MDR ACC
…
• 打印结果
• 停机
.
38
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.机器字长 CPU 一次能处理数据的位数
与 CPU 中的 寄存器位数 有关
2.运算速度
主频
n
吉普森法 TM = i =1 fi ti MIPS 每秒执行百万条指令
主存储器 8
I/O
36
以加法ADD M（M为主存地址）为例，写出完成该指 令的信息流程（从取指令开始）
分析：在运算器中ACC存放被加数，X存放加数，求和 结果放在ACC中，ADD M 是指将地址为M的存储单元 中的加数取出并送至运算器中，然后和存放在运算器 中被加数通过ALU相加，结果仍放在运算器中。
.
5
本章的重点：计算机的工作过程
本章的难点：理解计算机如何区分同样以 0,1代码的形式存储在存储器中的指令和数 据。
.
6
1.1 计算机系统简介
一、 计算机软件、硬件的概念
1. 计算机系统
计 算
硬件
机
系 统 软件
计算机的实体 如主机、外设等
由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成
.
7
系统软件 用来管理整个计算机系统
CU
一条 分析指令 IR 指令 执行指令 CU
取指 访存 执行 访存
IR PC
PC 存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（PC）+ 1 PC
IR 存放当前欲执行的指令
.
34
(4)主机完成一条指令的过程
以取数指令为例 取指令地址码指示的存储单元中的操 作数X到ACC中
U
ACC MQ ALU
…5
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
减
初态 ACC [M]
[ACC]-[X]
M 被减数 X ACC
.
28
③ 乘法操作过程
AC0 C MQ
AALUU
X
运算器
指令
乘
M
初态 ACC [M]
[ACC]
0
[X]×[MQ]
.
被乘数 MQ X
ACC
ACC∥MQ
乘积的高位 积的低位
29
④ 除法操作过程
ACC MQ ALU
计算机组成原理
Computer Organization
.
1
为什么要学习计算机组成原理？
✓ 一门专业基础课程 ✓ 计算机专业（硬件OR软件方向）终生要
与计算机系统打交道 ✓ 后续多门课程的基础（系统结构，操作系
统，编译原理，高级语言程序设计，计算 机网络，数据库）
.
2
本课程的任务
讨论单机系统范围内计算各部件和系统 的组成以及内部工作机制。
+
x9 9!
-
…
√x =
1 2
(
yn +
x yn
)
(
n
=
0,
1,
2,
…)
• 编制解题程序
程序 — 运算的 全部步骤
指令 — 每 一个步骤
.
19
编程举例
计算 ax2 + bx + c = (ax + b)x + c
取x 至运算器中 乘以x 在运算器中
乘以a 在运算器中
存ax2 在存储器中
取b 至运算器中
1
0
1
.
14
1.2 计算机的基本组成
一、冯·诺依曼计算机的特点
1. 计算机由五大部件组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器 可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 指令在存储器内按顺序存放。
6. 机器以运算器为中心，I/O设备与存储器
间的数据传送通过运. 算器完成
程序
存储器
计算 输出设备
结果
运算器
.
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二.现代计算机硬件框图
运算器 ALU
CPU
控制器 CU
主机
存储器
主存 辅存
输入设备
I/O
输出设备
主机
CPU
主
ALU
存
CU
.
硬件
I/O
18
三、计算机的工作步骤
1.上机前的准备
• 建立数学模型
• 确定计算方法
sin x = x -
x3 3!
+
x5 5!
-
x7 7!
取x 至运算器中
乘以a 在运算器中 加b 在运算器中
乘以x 在运算器中
加c 在运算器中
乘以x 在运算器中
加ax2 在运算器中
加c 在运算器中 .
20
指令格式举例
操作码 地址码
地址码表示参加运算的 数在存储器内的位置
取数 000001 存数 加 乘 打印 停机
α 0000001000 β γ δ
[α]
[ACC] [ACC]+[γ] [ACC]×[δ]
[ ]
.
ACC
β ACC ACC 打印机
21
计算 ax2 + bx + c 程序清单
指令和数据存于 主存单元的地址
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
指令 操作码 地址码 000001 0000001000 000100 0000001001 000011 0000001010 000100 0000001000 000011 0000001011 000010 0000001100 000101 0000001100 000110
通常完成一条指令可分为取指阶段和执行阶段。在取 指阶段通过访问存储器可将指令取出；在执行阶段通过访 问存储器可将操作数取出。这样，虽然指令和数据都是以 0,1代码形式存在存储器中，但CPU可以判断出在取指阶段 访问存储器取出的0,1代码是指令；在执行杰顿防存取出 的0,1代码是数据。可见，CPU就是根据取指阶段和执行阶 段的防存性质不同来区分指令和数据的。
通常用字节数表示辅存容量
.
40
练习
1. 存放预执行指令的寄存器是？
IR 2. 在CPU中跟踪指令后继地址的寄存器是？
PC 3. 一般8为的微型机系统以16位来表示地址，则该计算机系
统有多少个地址空间？
65536
4. 一片1MB的磁盘能存储多少数据？
220字节
.
41
问题？？
指令和数据都存于存储器中，计算机如何区 分它们？
解：取指令 PC
MAR
M
MDR
IR
分析指令 OP（IR） CU
执行指令 Ad(IR)
MAR
M
MDR X
ACC ALU ,同时 X
ALU
ALU
ACC
.
37
(5) ax2 + bx + c 程序的运行过程
• 将程序通过输入设备送至计算机
• 程序首地址
PC
• 启动程序运行
• 取指令 PC MAR M MDR IR ,(PC )+ 1 PC
.
42
2. 执行最快的语言？
机器语言
3. 计算机中负责指令译码的是？
控制单元
4. 计算机存储数据的基本单位？
比特（bit）
5. 32位的个人计算机，一个字节有几位组成？
.
23
8
.
24
.
25
2.计算机的解题过程
(1)运算器的基本组成及操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
寄存器 ACC
MQ
加法 被加数 和
高级语言：C,FORTRAN,BASIC,PASCAL等，机器也不直接识别高级语 言，必须先将高级语言翻译成汇编语言，然后再将其翻 译成机器语言程序
.
11
信息的数字化表示 1 在计算机中用数字代码表示各种信息
二进制 代码
例1 用数字代码表示数据 6 表示为 0 110
-7 表示为 1 111