第一章计算机系统概论
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、
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
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；
北京化工大学-裴颂伟计算机组成原理-第1章计算机系统概论
1.2计算机发展简史
三、微处理器的发展 1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的
所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞 生了。 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。 1974年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而 4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而 设计的中央处理器。 20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便 是其中之一。 这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP 公司开发出了32位单片微处理器。 Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。 到现在的64
裴颂伟-2021年8月20日星期五
计算机组成原理
11/78
1.2计算机发展简史
第一代：电子真空管（Vacuum Tube ）1946～57年
46年诞生第1台电子计算机 ENIAC（埃尼阿克）
裴颂伟-2021年8月20日星期五
计算机组成原理
12/78
ENIAC（埃尼阿克）
体积大，重30吨，有18000多个真空管，每个电子管大约有 一个普通家用25瓦灯泡那么大！这样ENIAC就有了8英尺高 （约2．44米）、3英尺宽、100英尺长的身躯，重达30吨， 耗电140千瓦。每秒能进行5000次加法运算（据测算，人 最快的运算速度每秒仅 5次加法运算。
一、计算机的五代变化
第一代为1946—1957年，电子管计算机：数据 处理
第二代为1958—1964年，晶体管计算机：工业 控制
第三代为1965—1971年，中小规模集成电路计 算机：小型计算机
第1章 计算机系统概论第二版课后习题详细讲解
第1章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
2. 如何理解计算机的层次结构？答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。
（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。
（2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。
（3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。
通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。
各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。
3. 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。
答：机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。
高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。
4. 如何理解计算机组成和计算机体系结构？答：计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，如指令系统、数据类型、寻址技术组成及I/O 机理等。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的结构和功能，及相互连接方法等。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
第一章 计算机系统概论
第一章计算机系统概论（一）选择题1.有些计算机将一部分软件永恒地存于只读存储器中，称之为A.硬件B.软件C.固件D.辅助存储器E.以上都不对2.输入、输出装置以及外接的辅助存储器称为A.操作系统B.存储器C.主机D.外部设备3.计算机系统中的存储系统是指A. RAM存储器B. ROM存储器C.主存D.主存和辅存4.计算机与日常使用的袖珍计算器的本质区别在于A.运算速度的高低B.存储器容量的大小C.规模的大小D.自动化程度的高低5.冯·诺伊曼机工作方式的基本特点是A.多指令流单数据流B.按地址访问并顺序执行指令C.堆栈操作D.存储器按内容选择地址6.用户与计算机通信的界面是A. CPU B外部设备 C.应用程序 D 系统程序7.下列属于应用软件。
A.操作系统 B 编译程序 C.连接程序D文本出来程序8下列不是输入设备。
A.画笔与图形板 B 键盘 C.鼠标器 D 打印机9.下列各装置中，具有输入及输出功能。
A.键盘 B 显示器 C.磁盘驱动器 D 打印机10.下列设备中不属于输出设备。
A.打印机 B 磁带机 C.光笔 D 绘图仪11下列语句中是正确的。
A.数据库属于系统软件B.磁盘驱动器只有输入功能C.评估计算机的执行速度可以用每秒执行的指令数为判断依据D.个人计算机是小型机12.计算机只懂机器语言，而人类熟悉高级语言，故人机通信必须借助A.编译程序B.编辑程序C.连接程序D.载入程序13.计算机的算术逻辑单元和控制单元合称为A. ALUB. UPC. CPUD. CAD14.只有当程序要执行时，它才会去将源程序翻译成机器语言，而且一次只能读取、翻译并执行源程序中的一行语句，此程序称为A.目标程序B.编译程序C解释程序 D.汇编程序15下列语句中是正确的。
A. 1 KB= 1024x1024 BB. 1 KB=1024 MBC. 1 MB = 1024 x1024 BD. 1 MB = 1 024 B16.一片1 MB的磁盘能存储的数据。
第一章 计算机系统概论
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”。
第一章 计算机系统概论
第一章计算机系统概论大纲考点（1）计算机发展历程（2）计算机系统层次结构计算机硬件的基本组成；计算机软件的分类；计算机的工作过程。
（3）计算机性能指标吞吐量、响应时间；CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；MIPS、MFLOPS。
本章难度：★☆考察频度：★★☆实考试题分析名校真题精选单项选择题1．电子计算机问世至今，新型机器不断推陈出新，不管怎么更新，依然具有“存储程序”的特点，最早提出这种概念的是。
【上海交通大学1999年*】A．巴贝奇B．冯•诺依曼C．帕斯卡D．贝尔2．对有关数据加以分类、统计、分析，这属于计算机在______方面的应用。
A．数值计算B．辅助设计C．数据处理D．实时控制3．冯·诺依曼型计算机的最根本特征是。
【中科院计算所2001年】A．以运算器为中心B．采用存储程序原理C．存储器按地址访问D．数据以二进制编码，并采用二进制运算4．冯·诺依曼型计算机的基本工作方式是。
【中科院计算所1998年】A.控制流驱动方式B.多指令流多数据流方式C.微程序控制方式D.数据流驱动方式5．计算机系统采用层次化结构组成系统，从最上层的最终用户到最底层的计算机硬件，其层次化构成为。
A．高级语言机器—操作系统机器—汇编语言机器—机器语言机器—微指令系统B．高级语言机器—汇编语言机器—机器语言机器—操作系统机器—微指令系统C．高级语言机器—汇编语言机器—操作系统机器—机器语言机器—微指令系统D．高级语言机器—汇编语言机器—操作系统机器—微指令系统—机器语言机器6．计算机系统是由组成的。
【武汉大学2007年】A．CPU和存储器B．CPU和接口C．运算器和控制器D．硬件系统和软件系统7．下列描述中______是正确的。
【南京理工大学2001年*】A．控制器能理解、解释并执行所有的指令及存储结果；B．一台计算机包括输入、输出、控制、存储及算逻运算五个单元；C．所有的数据运算都在CPU的控制器中完成；D．以上答案都正确。
《微机原理》教学课件 第1章 计算机系统概述
0.09μm / 315万
执行速度 (MIPS)
0.06 0.75
1. 5
112
时钟频率 (MHz)
代表产品
<1
MCS-4,MCS-8 4004，8008
<4
Intel8080,8085 M6800,Z80
4~10
Intel8086,80286 M68000,Z8000
16~3G
Intel8386,80486 Pentium ,Ⅱ, Ⅲ，4
（3）知识库管理功能。要求能完成知识获取、检 索和更新等功能。
第一章 计算机系统概论
1.1.2 微型计算机的发展
微型计算机指采用超大规模集成电路，形成体积 小、重量轻、功能强、耗电少的计算机系统。
电子计算机技术 微型计算机
超大规模集成电路工艺技术
结 晶
微型机的发展是以微处理器的发展为表征的，以 微处理器为中心的微型机是电子计算机的第四代产 品。微处理器自1971年诞生以来，发展迅猛，每 2～3年就更换一代。
第一章 计算机系统概论
第五代计算机设想：
1981年日本提出实现智能计算机，但没有取得预 期的结果。美国也有多家公司推出智能计算机。一 般要求智能计算机具有下列功能：
（1）智能接口功能。能自动识别自然语言、图形、 图象。即有语音识别、视觉、感知、理解功能。
（2）解题推理功能。根据自身存储的知识进行推 理，具有问题求解和学习的功能。
第一章 计算机系统概论
2. 电子数字计算机的发展的四个阶段
时间
46－5 8
器件
电子管
58－6 4
晶体管
64－7 1
集成电路
71－今
大规模集 成电路
第一章 计算机系统概论习题
第一章计算机系统概论一、填空题：1.在计算机传统的术语中，将A.______和B.______合在一起称为CPU，而将CPU和C.______合在一起称为主机。
2.计算机硬件包括A.______、B.______、C.______、D.______、输入输出设备。
3.计算机软件一般分为两大类：一类叫A.______,另一类叫B.______。
操作系统属于C.______ 类。
4.主存储器容量通常以KB表示，其中K=A.______；硬盘容量通常以GB表示，其中G=B.______K。
5.存储A.______并按B.______顺序执行,这是冯•诺依曼型计算机的工作原理。
6.计算机系统中，根据应用条件和硬件资源不同，数据传输方式可采用：A.______传送、B.______传送和C.______传送。
7.字长是指__ ______ ______ ____，与机器有关；字节是指__ ______ ____，通常以KB表示。
8.计算机系统中的存储器分为A. 和B. 。
在CPU执行程序时,必须将指令存放在C. 中。
9.输入、输出设备以及辅助存储器统称为A. 。
10.计算机存储器的最小单位为A. 。
1KB容量的存储器能够存储B. 个这样的基本单位。
11.在计算机系统中，多个系统部件之间信息传送的公共通路称为A. 。
就其所传送的信息的性质而言，在公共通路上传送的信息包括B. 、C. 和D. 信息。
12.数字式电子计算机的主要外部特性是。
13.世界上第一台数字式电子计算机诞生于年。
14.第一代电子计算机逻辑部件主要由组装而成。
第二代电子计算机逻辑部件主要由组装而成。
第三代电子计算机逻辑部件主要由组装而成。
第四代电子计算机逻辑部件主要由组装而成。
15.当前计算机的发展方向是等方向发展。
16.电子计算机与传统计算工具的区别是。
17.冯·诺依曼机器结构的主要思想是。
18.冯·诺依曼机器结构由五大部分组成。
1计算机概论篇
第一章 计算机概论
1.1计算机的基本知识
计算机的发展 计算机的特点 计算机的用途 计算机的种类 计算机的发展趋势
山东农业大学信息学院计算机系
第一章 计算机概论
1.1.1计算机的发展
什么是计算机
计算机是一种能快速而高效地完成 信息处理的数字化电子设备，它能 按照人们编写的程序对原始输入数 据进行加工处理、存储或传送，以 便获得所期望的输出信息，从而利 用这些信息来提高社会生产率并改 善人民的生活质量。
• 体积越来越小，价格越来越低，
• 软件越来越完善，有了操作系统。 这一时期的典型机器： 国外IBM-360等;国内709等。
集成电路
山东农业大学信息学院计算机系
第一章 计算机概论
第四代（1971年-现在）：大规模/超 大规模集成电路阶段
采用大规模集成电路和超大规模集成电路作为计 算机的逻辑元器件，半导体存储器代替了磁芯存储器， 目前，计算机的速度最高可以达到每秒几百万亿次浮 点运算。操作系统不断完善，高级程序设计语言功能 更加完善，人们的生活与计算机应用息息相关。
山东农业大学信息学院计算机系
第一章 计算机概论
六、中国近代计算机发展史
说到计算机发展史，中国绝对拥有计算历 史源头的地位。为什么呢？中国早在公元前 3000年就发明了算盘，这个无疑是现代计算机 的原始雏形。可是，具有优良科技基础的中国， 在后来的几千年中，却由于政治、文化、战争 等原因，逐渐成了世界科技落后国之一。但是 中国人并不会这样永远的落后下去。
电子管
山东农业大学信息学院计算机系
第一章 计算机概论
第二代计算机（1958－1964）晶体管
• 用晶体管代替了电子管 • 内存储器采用了磁心体 • 引入了变址寄存器和浮点运算硬件 • 利用I/O处理机提高了输入输出能力
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）。
计算机组成与结构第1章 计算机系统概述
计算机的过去
根据逻辑元件，计算机的发展划分为四代： 第一代(1946年～1958年)是电子管计算机 第二代(1959年～1964年)是晶体管计算机 第三代(1965年～1970年)是集成电路计算机 第四代( 1971年以后)是大规模和超大规模集成电路计算机
从1946年计算机诞生以来，大约每五年运算速度提高10倍，可 靠性提高10倍，成本降低10倍，体积缩小10倍。60多年来计算 机的发展过程，是在冯 · 诺依曼型计算机结构的基础上，紧紧围 绕提升运算速度、扩大存储容量、降低制造成本、提高系统可靠 性和使用的方便性为目的，不断采用新器件和研制新软件的过程。
23
二、计算机的分类
计算机从总体上分： • 模拟计算机、数字计算机（数字计算机俗称电脑）
计算机从用途上分： • 通用机、专用机
数字计算机按性能进一步分： • 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机
24
计算机的应用
1．科学计算 2．信息管理 3．过程检测与控制 4．计算机辅助工程 5．人工智能方面的
目前绝大多数计算机仍然建立在存储程序、程序控制概念的基础 上，称为冯·诺依曼型计算机。
28
外设
四、计算机的硬件组成
Байду номын сангаас输入设备
存储器
辅助存储器
输出设备
主存储器
主机
运算器
控制器
CPU
控制 数据 地址/指令
29
1、运算器
运算器的功能是执行算术运算、逻辑运算以及数据 转换，更复杂的运算分解成这些基本运算来实现。
计算机组成与结构第1章 计算机系统 概述
为什么要开设“计算机组成与结构”
重要的专业基础课有：
数据结构
第1章 计算机概论
2.计算机的组成结构
计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出
设备五部分构成
大学计算机基础
五大部分关系图
大学计算机基础
①运算器：对信息或数据进行处理和运算（主要是算术和逻辑运算）
的部件。
②存储器（Memory Unit）：存储程序和各种数据信息 ③控制器：整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调工
作
④输入设备：用来向计算机输入各种原始数据和程序的设备，键盘是 必备的输入设备、常见的输入设备还有鼠标、扫描仪、光电输入机等。
⑤输出设备：从计算机输出各种数据的设备，常用的输出设备有显示
器、打印机、绘图仪等。
大学计算机基础 大学计算机基础
1.2.2 指令、指令系统和程序
1.指令
指令是指能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计
大学计算机基础
目录
1.1
计算机概述
1.2 计算机基本工作原理 1.3 微型计算机系统
大学计算机基础
1.1 计算机概述
1.1.1 计算机的产生及发展 1.1.2 计算机的特点 1.1.3 计算机的产生
大学计算机基础
1.1.1 计算机的产生及发展
电子计算机：是一种能够快速、高效地对各种信息进行存储 和处理的电子设备。
算机（1971～现在）
第五代未来新型计算机
大学计算机基础
1.1.2 计算机的特点
运算速度快 精度高 存储容量大 具有可靠的逻辑判断力 可靠性高和通用性强
大学计算机基础
1.1.3 计算机的分类
1.按计算机信息的表示形式和对信息的处理方式
为数字计算机、模拟计算机和混合计算机
2.按计算机的用途
第1章计算机概论
1.3.2 各进制之间的转换
1、 进制和位权 十进制——以10为基数的计数体制 不同数位上的数具有不同的权值10i。 例如：
(333.33)D 位置计数法 =3 102 + 3 101+ 3 100+ 3 10-1 +3 10-2
权 权 权 权 权
10 i
基数
按权展开式
表示相对小数点的位置
神威Ⅰ计算机系统
2000年8月，由我国自主研发的峰值运算速度达到每秒 3840亿浮点结果的高性能计算机神威Ⅰ投入商业运营。我国继 美国、日本之后，已成为第三个具备研制高性能计算机能力的 国家。该系统在当今全世界已投入商业运行的前 500位高性能 计算机中排名第48位。 这个被命名为神威Ⅰ计算机系统的可缩放大规模并行计算 机系统，主要技术指标和性能达到了国际先进水平，是我国在 巨型计算机研制和应用领域取得的重大科研成果，从而打破了 西方某些国家在高性能计算机领域对我国的限制。 神威Ⅰ计算机系统的应用范围主要涉及气象气候、航空航 天、信息安全、石油勘探、生命科学等领域。北京高性能计算 机应用中心在试运行期间，已开发成功多个基于神威Ⅰ计算机 系统的实用化大型应用软件。初步统计，神威Ⅰ计算机系统使 用率达到60%以上，在国民经济建设领域正发挥着积极作用。 如：与我国气象局合作开发的集合数值天气预报系统，在 8小 时内可完成32个样本、10天全球预报；与中科院生物物理所合 作开发的人类基因克隆系统，已完成人类心脏基因克隆运算， 取得了达到国际先进水平的成果。
两种分类方法
1、按功能分类：
①专用计算机
应用于特殊领域，在特定用途下非常有效， 功能单一
②通用计算机 功能齐全，通用性强，用途广泛，但效率 相对专用机低
(完整word版)计算机组成原理期末试题及答案
第一章计算机系统概论计算机的硬件是由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备。
早起将运算器和控制器合在一起称为CPU（中央处理器）。
目前的CPU包含了存储器，因此称为中央处理器。
存储程序并按地址顺序执行，这是冯·诺依曼型计算机的工作原理，也是CPU自动工作的关键。
计算机系统是一个有硬件、软件组成的多级层次结构，它通常由微程序级、一般程序级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级组成，每一级上都能进行程序设计，且得到下面各级的支持。
习题：4冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括那些主要组成部分？主要设计思想是：存储程序通用电子计算机方案，主要组成部分有：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备5什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据字？什么是指令字？存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。
每个存储单元都有编号，称为单元地址。
如果某字代表要处理的数据，称为数据字。
如果某字为一条指令，称为指令字7指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分它们是指令还是数据？每一个基本操作称为一条指令，而解算某一问题的一串指令序列，称为程序第二章运算方法和运算器按对阶操作。
直接使用西文标准键盘输入汉字，进行处理，并显示打印汉字，是一项重大成就。
为此要解决汉字的输入编码、汉字内码、子模码等三种不同用途的编码。
1第三章 内部存储器CPU 能直接访问内存（cache 、主存）双端口存储器和多模块交叉存储器属于并行存储器结构。
cache 是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU 和主存之间速度不匹配而采用的一项重要的硬件技术，并且发展为多级cache 体系，指令cache 与数据cache 分设体系。
要求cache 的命中率接近于1适度地兼顾了二者的优点又尽量避免其缺点，从灵活性、命中率、硬件投资来说较为理想，因而得到了普遍采用。
习题： 1设有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：（1）该存储器能存储多少个字节的信息？（2）如果存储器由512K ×8位SRAM 芯片组成，需要多少片；（3）需要多少位地址做芯片选择？(1)字节M 4832*220= (2)片84*28*51232*1024==K K (3)1位地址作芯片选择 2 已知某64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若使用4M ×8位DRAM 芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用内存条结构形式，问：（1） 若每个内存条16M ×64位，共需几个内存条？（2）每个内存条共有多少DRAM 芯片？ （3）主存共需多少DRAM 芯片？CPU 如何选择各内存条？(1). 共需模块板数为m ：m=÷2^24=4(块)(2). 每个模块板内有DRAM 芯片数为32 (片)(3) 主存共需DRAM 芯片为：4*32=128 (片)每个模块板有32片DRAM 芯片，容量为16M ×64位，需24根地址线(A23~A0) 完成模块板内存储单元寻址。
白中英计算机组成原理第1章_计算机系统概论
○ 减轻CPU的数据传送负担，提高系统的整体 性能；
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1.3.2 运算器
功能： 处理所有的算术及逻辑运算。
通常称为ALU(算术逻辑单元)
特点：
采用二进制数据进行运算； 运算器一次可以处理的数据 位数称为机器字长； 机器字长一般为8、16、32、 64位，机器字长直接决定着运算的精度和能力； 运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成。
数据 数据
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冯· 诺依曼机的特点
由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设 备五个部分组成； 存储器以二进制形式存储指令和数据；
指令由操作码和地址码组成；
存储程序并按地址顺序执行；
冯 · 诺依曼机的核心设计思想，机器自动化工作 的关键；
以运算器为中心。
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冯· 诺依曼机与现代微机
存储器
问题2：如何对以上设备分类？
输入输出设备 中央处理设备 存储设备 接口转换卡 部件连接线
显示器，键盘，鼠标，音箱
CPU（集处理和控制于一身） 硬盘、内存 显卡、声卡 总线
问题3：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？
一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两部分。
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5
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1.2.2 半导体存储器的发展
20世纪50~60年代，磁芯存储器 价格昂贵，体积大，破坏性读出 1970年，半导体存储器
价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写
1974年之后，半导体存储器
价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。
有关存储器的介绍详见第3章
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1.2.3 微处理器的发展
冯· 诺依曼机结构
输入设备
运算器
输出设备
控制器
计算机系统概论第一章测验及答案
第章练习题参考答案一、判断题（正确，错误）.信息是认识主体所感知或所表述的事物运动及其变化方式的形式、内容和效用。
.信息就是数据。
.知识来源于信息。
.信息是可以交换的。
.信息处理的本质是数据处理。
.经加工后的信息一定比原始的信息更能反映现实的最新状态。
.信息技术是指用来取代人们信息器官功能，代替人类进行信息处理的一类信息技术。
.集成电路芯片的集成度越高，其工作速度就越快。
.集成电路按用途可分为通用和专用两类，机中的存储器芯片属于专用集成电路。
.现代微处理器都是大规模集成电路。
.现代通信指的是使用电波或光波传递信息的技术。
通信的任务就是传递信息。
.通信就是传递信息，因此书、报、磁带、唱片等都是现代通信的媒介。
.通信系统中的发送与接收设备称之为“终端”。
.在通信系统中，计算机既可以用作信源也可以用作信宿，接收和发送的都是数字信号。
.通信系统中信源和信宿之间必须存在信道，才能实现信息的传输。
.光纤是绝缘体，不受外部电磁波的干扰。
.微波可以按任意曲线传播。
.微波可以经电离层反射传播。
.与同轴电缆相比，双绞线容易受到干扰，误码率较高，通常只在建筑物内部使用。
.光纤通信、微波通信、卫星通信、移动通信，它们的任务都是传递信息，只是其传输介质和技术各有不同。
.微波中继站之间的距离大致与塔高平方成正比。
一般为公里左右。
.中低轨道通信卫星相对于地面是静止的。
.同步轨道上的卫星数目是有限的。
.卫星通信是微波接力通信向太空的延伸。
.传输信息量与传输速率是相同的概念。
.模拟信号是随时间而连续变化的物理量，包含无穷多个值。
.信道的带宽总是指信道上所能通过的信号的频带宽度。
和是指将任意多路信号复合在同一个信道中传输。
.无线电广播中的中波段和短波段都采用调幅方式调制声音信号，而且都利用电离层反射传输信号。
.调频广播比调幅广播的声音质量好，原因是调频广播的传输频带较宽，且外界信号不会对声音的频率形成干扰。
.光纤通信是利用光纤传导光信号来实现的，因此光纤不能弯曲。
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210 byte＝1K 210 K＝1M 210 M＝1G 210 G＝1T
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1.3计算机的硬件
六、控制器
控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、 指令译码、执行指令。取指周期和执行周期
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1.3计算机的硬件
六、控制器 指令有两部分：操作的性质和操作的地址
三、冯·诺依曼型计算机 存储程序 按地址自动执行 五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输 入设备、输出设备 以运算器为中心
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1.3计算机的硬件
冯· 诺依曼型计算机
存储器
输入
运算器
输出
控制器 数据信号 控制信号 地址信号
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1.3计算机的硬件
电子数字计算机。它是在算盘的基础上发展起 来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计 算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳 动计算。
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1.1计算机的分类
数字计算机 数据表示方式 数字0/1 计算方式 控制方式 精度 数据存储量 数字计数 程序控制 高 大 模拟计算机 电压 电压组合和测量值 盘上连线 低 小 无
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1.3计算机的硬件
七、适配器与I/O设备
输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器
内部所能接收和识别的二进制信息形式 输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器 设备所能接收和识别的信息形式 适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主 机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作 总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间 进行数据传送的公共通路。
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第一台电子计算机（ENIAC）
5000次加法/秒 体重28吨 占地170M2
18,800只电子管
1500个继电器 耗电150KW
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1.2计算机发展简史
二、半导体存储器的发展 20世纪50～60年代，所有计算机存储器都是由微 小的铁磁体环 1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容 量半导体存储器 从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯 片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、 16MB、64MB、256MB、GB。 其中1K=210,1M=220,1G=230
四、运算器
算术运算和逻辑运算 在计算机中参与运算的 数是二进制的 运算器的长度一般是8、 16、32或64位
运算电路单元
寄存器B
累加器A
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1.3计算机的硬件
五、存储器
存储数据和程序（指令） 容量（存储单元、存储单元地址、存储容量） 分类内存（ROM、RAM）、外存 存储器单位：
第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由 机器硬件直接执行微指令。 第二级是一般机器级，也是硬件级,也称为机器语言级， 它由微程序解释机器指令系统。 第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操 作系统由机器指令和广义指令组成，广义指令是操作系 统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。 第四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式 语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支 持和执行。 第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编 写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序 支持和执行。
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手工模仿计算机工作（1）
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1.3计算机的硬件
二、数字计算机基本组成 控制器：人的大脑的操作控制功能 运算器：人的大脑的计算功能 存储器：人的大脑记忆功能 输入设备：交互接口，笔 输出设备：交互接口，纸
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1.3计算机的硬件
总 线 和 输 入 输 出 接 口
（第六章） （ 第 七 、 八 章 ） 14
输入设备 输出设备
1.3计算机的硬件
一、硬件组成要素 通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组 成和工作原理。 假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔， 要求我们计算y=ax+b-c这样一个题目。 解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。
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第一章小结
计算机系统的 基本概念
构成：硬件和软件 层次结构
计算机系统的基本工作原理 计算机的基本组成部分
五大部件
冯· 诺依曼型计算机特点 计算机发展特点
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第一章 计算机系统概论
1.1计算机的分类 1.2计算机发展简史 1.3计算机的硬件 1.4计算机的软件 1.5计算机系统的层次结构
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1.1计算机的分类
一、电子计算机从总体上来说分为两大类。 电子模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。 模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运
操作码 地址码
指出指令所进行的操作 加、减、乘、除、取数、存数等 表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元取 运算的结果应存到哪个单元
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1.3计算机的硬件
六、控制器 控制器完全如何区分开哪些是指令字，哪些是数 据字?
时间上和空间上： 取指周期中从内存读出的信息流是指 令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信 息流是数据流，它由内存流向运算器。
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系统软件的发展
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1.5计算机系统的层次结构
一、多级计算机系统 计算机不能简单地认为是一种电子设备， 而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。 它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能 进行程序设计， 如图所示。
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1.5计算机系统的层次结构
二、五级计算机层次系统
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1.4计算机的软件
一、软件的组成与分类
系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提 高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及 用途。它包括以下四类：
①各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 ②语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等 ③操作系统，管理计算机资源（处理器、内存、外设、各种编 译/应用程序），自动调度用户的作业
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1.2计算机发展简史
一、计算机的五代变化
第一代为1946—1957年，电子管计算机：数据处 理 第二代为1958—1964年，晶体管计算机：工业控 制 第三代为1965—1971年，中小规模集成电路计算 机：小型计算机 第四代为1972—1990年，大规模和超大规模集成 电路计算机：微型计算机 第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机： 单片机
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IBM PC系列机 8088CPU
IBM PC机 IBM PC/XT机 IBM PC/AT机
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1.3计算机的硬件
（第五章） 控 制 器
中央处理单元CPU 运 算 器
（第二章）
（ 第 三 章 ）
高速缓存
主存储器
虚拟存储器
(磁盘设备)
能力 强
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1.1计算机的分类
二、数字计算机分类
数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、 运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类：
专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的 计算机，但是它的适应性很差。 通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了 效率、速度和经济性。
应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制 的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控 制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算 程序等
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1.4计算机的软件
二、软件的发展演变
编程语言的发展
手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码 汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编 高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解 释程序 操作系统：批处理操作系统、分时操作系统、实时 操作系统、网络操作系统 数据库管理系统：FOXPRO、SQL、ORACLE
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1.2计算机发展简史
三、微处理器的发展 第1代：4位和低档8位微机 4004→4040→8008 第2代：中高档8位微机 Z80、I8085、M6800，Apple-II微机 第3代：16位微机 8086→8088→80286，IBM PC系列机
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1.1计算机的分类
三、通用计算机分类
通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、 性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器 价格等可以分为： 超级计算机 大型机 服务器 工作站 微型机 单片机
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1.1计算机的分类
四、计算机的应用
计算机之所以迅速发展,其生命力在于它的广 泛应用并协助人类取得了辉煌的成就。计算机的 应用范围几乎涉及人类社会的所有领域。 科学计算 自动控制和测量 信息处理 教育和卫生 家用电器 人工智能
1.2计算机发展简史
三、微处理器的发展 第4代：32位微机 80386→80486→Pentium→Pentium II →Pentium III →Pentium 4 32位PC机、Macintosh机、PS/2机 第5代：64位微机 Itanium、64位RISC微处理器芯片 微机服务器、工程工作站、图形工作站