《计算机组成原理》教学课件 第一章

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计算机硬件的基本构成
（2）输出设备
作用是将计算机处理的结果以人们所能接受或其他 系统所要求的形式进行输出，如打印到纸上。常见的输出 设备有显示器、打印机、绘图仪等。输出设备也多为机电 装置，也需通过接口与CPU、存储器连接。
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计算机硬件的基本构成
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从数据输入输出的角度看，磁 盘机（硬盘）和磁带机也可以看作 输入/输出设备。当从磁盘或磁带读 取文件时，它们是输入设备，当向 磁盘或磁带保存文件时，它们是输 出设备。
辅存（外存）
计CPU直接访问的存储器，它存放着正在运行的 程序和数据，也可以存储计算的结果或中间结果。由 于主存直接与运算器、控制器交换信息，因此要求其 存取速度快，但存储容量较小。目前，计算机的主存 都采用大规模集成电路制成的半导体存储器。半导体 存储器具有存储密度大、体积小、重量轻、存取速度 快等优点。
计算机硬件的基本构成
Cache在任何时候都只是主存中一部分内容的 拷贝。当CPU要存取主存中的某个信息时，CPU首先检
查Cache，如果其有该信息，就立即存取它；如果没有， 就从主存中将包含该信息的一个数据块拷贝到Cache中， 再访问Cache读写该信息。由于计算机中的指令大部分是 顺序执行的（除转移指令外），很多数据也是顺序存放 和处理的（如数组），因此CPU下次要访问的信息很有 可能就是该信息的后续字，这种情况下，CPU访问Cache 即可，提高了处理速度。
计算机硬件的基本构成
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总线 03
总线是一组可为多个功能部件共享的公共信息传送线路。它将上述各大部件
连接成一个有机整体，如图所示。总线规定了计算机组件间交换数据的规范化方式 ，以一种通用的方式为各组件提供数据传送和控制逻辑。总线能分时接收各部件送 来的信息，并发送信息到各有关部件中。
计算机硬件的基本构成
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应用软件是指用户为解决某个应用
领域中的问题而编制的程序。包括各种科学 计算类软件、工程设计类软件、数据统计与 处理软件、情报检索软件、企业管理软件、 生产过程控制软件、文字处理软件、表格处
理软件、图形处理软件等。
计算机软件
1.3.2 程序设计语言
机器语言 01
机器语言是一种二进制语言，是用二进制代码来描
指令
输出 设备
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1.2.2 现代计算机的组织结构
现代计算机已经发展为 以存储器为中心，使输入/输 出操作尽可能绕过CPU，直接 在输入/输出设备和存储器之 间完成，以提高系统的整体运 行效率，其结构如图所示。
控制信号
输入 设备
控制器 指令
存储器 数据
运算器
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输出 设备
计算机硬件的基本构成
其特点是：
逻辑元件采用中小规模集成电路； 半导体存储器开始取代磁芯存储器； 高级语言和操作系统迅速发展，开始有了分时操作系统。
计算机的发展历程
（4）第四代计算机（1972至今）——超大规模集成电路时代。
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其特点是：
逻辑元件采用大规模集成电路和超大规模集成电路，并产生了微处理器； 半导体存储器完全取代了磁芯存储器，并不断向大容量、高速度发展，高速缓存、虚拟存储器 等技术相继出现，进一步提高了存储器的性能； 伴随着流水线、多处理器等并行技术的采用，计算机的运算速度已飞速提升。
早期的计算机只有主存，而现代计算机通 常采用三级存储体系，如图所示。 ➢ CPU能按存储单元地址直接访问主存（内
存）； ➢ 增加高速缓存（Cache）的目的是为了提
高速度，解决CPU与主存之间速度不匹配 的矛盾； ➢ 增加辅存（外存）的目的是弥补主存容量 的不足。
CPU
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Cache 主存（内存）
计算机硬件的基本构成
计算机硬件的基本构成
1.2.1 早期的冯·诺依曼机
1946年，美籍匈牙利数学家约翰·冯·诺 依曼（John von Neumann）在研究EDVAC（ Electronic Discrete Variable Automatic
Computer）时提出了“存储程序”的概念，
“存储程序”的思想奠定了现代计算机的基 本结构，以此概念为基础的各类计算机通称 为冯·诺依曼机。
述机器指令的。用机器语言编写的程序具有充分发挥硬件 功能的特点，机器语言又是计算机唯一能直接识别、直接 执行的计算机语言，所以程序的运行速度很快。但是用机 器语言所编写的程序很不直观，难懂、难写、难记，也难 以修改和维护。
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计算机硬件的基本构成
其特点如下：
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（1）计算机硬件系统由运算器、 存储器、控制器、输入设备和 输出设备5大部件组成。
（2）指令和数据以同等地位存 于存储器内，并可按地址寻访。
（3）指令和数据均用二进制代 码表示。
（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）早期的冯·诺依曼机以运算器
操作码用来表示操作的性质，地 通常是顺序执行，特定条件下，可 为中心，输入/输出设备通过运算
址码用来表示操作数在存储器中 根据运算结果或根据设定的条件改 器与存储器传送数据。
的位置。
变执行顺序。
计算机硬件的基本构成
典型的冯·诺依曼机结构如图所示。 控制信号
输入 设备
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控制器
运算器 数据
存储器
指令功能的要求进行所需要的操作。控制器从存储器中 取出指令，解释指令的操作码和地址码，并根据译码， 产生一系列的控制信号，控制计算机各部件协调工作， 并控制程序的执行顺序。因此，控制器的主要工作是不 断地取指令、分析指令和执行指令。
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计算机硬件的基本构成
运算器和控制器在结构关系上是非常密切的 ，它们之间有大量的信息频繁交换。在第三代计算 机中，还可以从结构上分清楚哪个是运算器，哪个 是控制器；到了第四代计算机，随着半导体制造工 艺的进步，将运算器和控制器集成在一个芯片上，
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计算机硬件的基本构成
（3）辅存（外存）
是主机的外围设备，用来存储大量的暂时不参加
运算或处理的数据和程序，因而允许存取速度较慢，一旦
需要，可成批地与主存交换信息。它是主存的后备和补 充，因此称为“辅助存储器”，如磁盘存储器、磁带
存储器、光盘存储器等。辅存的特点是存储容量大、可靠 性高、价格低，在脱机情况下可以永久地保存信息。
第二阶段
结构化程序设计阶段，其代表语言是PASCAL
第三阶段
面向对象程序设计阶段，其代表语言是C++
计算机的发展历程
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近年来随着网络技术的不断发展，又出现了可适应网络环境的面向对象语 言JAVA等。
与此同时，直接影响计算机系统性能提升的各种系统软件也有了长足的发 展，特别是操作系统，如Windows，Linux，UNIX等。
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地址总线
是 单 向 的 ， CPU 用 它来传送主存单元 地址或输入/输出端 口地址。
数据总线
主要用于传送各大 部件之间的数据信 息，如数字、命令 字、状态字等。
控制总线
主要用于传送控制信 号和时序信号，这些 信号用来指示数据是 要 读 出 还 是写 入 CPU ， CPU 是 要 访 问 存 储 器 还是输入/输出设备， 输入/输出设备或存储 器是否已就绪等。
计算机硬件的基本构成
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每个存储单元有一个唯一的编号，这个编号称为该存储单元的地址，可以用地址唯一地访
问到一个存储单元。存储器的结构如图所示。
计算机硬件的基本构成
（2）高速缓存（Cache）
存取速度比主存快，但比CPU内部的寄存器慢。Cache的容 量较小，且常被置于CPU与主存之间。
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目前绝大多数现代计算机仍 遵循冯·诺依曼的“存储程序”设 计思想。据此，计算机硬件均由
运算器、控制器、存储器、 输入/输出设备及将它们连接为 有机整体的总线构成。
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计算机硬件的基本构成
运算器 01
运算器的功能是在控制器的指挥下，对信息 或数据进行处理和运算（包括算术运算和逻辑运 算），因此通常称其为算术逻辑运算单元（ Arithmetic and Logical Unit，ALU）。运算器中还 应有存放操作数和运算结果的寄存器，包括移位 寄存器和若干通用寄存器等。
计算机组成原理
Principles of Computer Organization
本章导读
计算机系统由硬件和软件两部分组成。其中，硬件部分包括运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备5大功能部件，它们通过总线相互连 接成一个完整的硬件系统；软件部分包括系统软件和应用软件。本章将 介绍计算机系统中的一些基本概念，目的在于为读者学习后续章节打下 坚实的基础。
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计算机硬件的基本构成
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主存通常由随机存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read-Only Memory，ROM）组成，并通常称为主存储器。主存储器由许多存储单元组成，每个存储单元包 含若干个存储元件，每个存储元件存储一位二进制代码0或1。故而存储单元可存储一串二进制代 码，称这串代码为存储字，这串代码的位数称为存储字长，存储字长可以是一个字节（8 bit）或 字节的偶数倍。
这样的集成电路芯片称为中央处理器（ Central Processing Unit，CPU）。
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计算机硬件的基本构成
存储器 03
存储器是计算机用来存放程序和数据 的记忆部件，是计算机各种信息存放和 交流的中心。它的基本功能是在控制器的控制
下按照指定的地址存入或取出信息。
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计算机硬件的基本构成
计算机系统层次结构 计算机的性能指标 常见问题和易混淆知识点
计算机的发展历程
计算机的发展历程
1.1.1 计算机硬件的发展
（1）第一代计算机（1946～1957年）——电子管时代
其特点是： 逻辑元件采用电子管； 使用机器语言进行编程； 主存用延迟线或磁鼓存储信息，容量极小； 体积庞大，成本高； 运算速度较低，一般只有每秒几千到几万次。
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计算机硬件的基本构成
运算器的功能可以归纳为以下几点： 实现对数据的算术和逻辑运算
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暂时存放参与运算的 数据和某些中间运算
结果
01
02
03
挑选参加运算的数据，选 中要执行的运算功能，并 把运算结果输出到所要求 的部件中
计算机硬件的基本构成
控制器 02
控制器是计算机的控制中心，用来实现计算机 本身运算过程的自动化。它指挥计算机各部件按照
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计算机的发展历程
（2）第二代计算机（1958～1964年）——晶体管时代。
其特点是：
逻辑元件采用晶体管； 运算速度提高到每秒几万到几十万次； 主存使用磁芯存储器； 软件开始使用高级语言（如FORTRAN），有了操作系 统的雏形。
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计算机的发展历程
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（3）第三代计算机（1965～1971年）——中小规模集成电路时代。
计算机的发展历程
1.1.2 计算机软件的发展
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计算机软件的发展
计算机技术的发展 计算机语言的发展
面向机器的机器语言
面向汇编语言、面向问题 的高级语言
计算机的发展历程
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其中高级语言的发展真正促进了软件的发展。高级语言的发展又经历了几个 阶段：
第一阶段
代表语言是适用于科学计算和工程计算的 FORTRAN语言
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计算机硬件的基本构成
输入/输出设备 04
输入/输出设备是计算机与外界联系的重 要桥梁，是计算机系统中的一个不可或缺的
组成部分。
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计算机硬件的基本构成
（1）输入设备
作用是将程序和数据以计算机所能识别的形式 输入到计算机内。常见的输入设备有键盘、鼠标、 扫描仪、摄像机等。它们多是电子和机电混合的装 置，速度较慢，因此，一般通过接口与CPU、存储 器相连接。
学习目标
计算机硬件的基本知识，要
求达到“领会”层次
02
04 计算机系统层次结构，要
求达到“领会”层次
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01 计算机的发展历程，要求达到 “领会”层次
03 计算机软件的概念，要求 达到“识记”层次
05 计算机的性能指标，要求达 到“简单应用”层次
目录
计算机的发展历程 计算机硬件的基本构成 计算机软件
计算机软件
计算机软件是计算机系统的一个重要组成部分，它将各种计算机的指令组合起
来，使计算机硬件部分能正常工作并完成复杂的计算任务。通常把一个完整的程序及
相应的文档称为软件。
计算机软件
1.3.1 计算机软件的分类
系统软件是一组保证计算
机系统高效、正确运行的基础软 件，通常作为系统资源提供给用 户使用。主要包括操作系统、语 言处理系统、数据库管理系统、 分布式软件系统、网络软件系统、 各种服务程序等。