计算机组成原理1
计算机组成原理 [袁春风]chap1
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计算机的结构
南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
计算机的存储格式
南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
计算机操作部分流程图
南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
冯诺依曼结构的主要思想
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南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
非冯诺依曼计算机的发展
! 非冯诺依曼结构的计算机
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南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
公司的机
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同在年出现 与
相比 价格更低 更小巧 因而被称为小型机
! "#"$创造了小型机的概念 并使之成为数 十亿美元的工业 使#%成为了最大的小型 机制造商 主要特点 首次采用总线结构 &'!总线包含了个独立的信号通道 用 以传送控制 地址和数据信号 这种结构具有 高度的灵活性 允许将模块插入总线以形成各 种配置
南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
计算机的五个发展阶段
计算机时代划分
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问题 计算机的 基本功能是什么 问题 这些基本功 能如何实现
南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
系列计算机
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IBM公司于1964年研制成功 引入了兼容机
兼容机的特征
计算机组成原理第一章思考题
计算机组成原理第⼀章思考题1、什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个重要？ 计算机系统：由“硬件”和“软件”两⼤部分组成。
（原书就只写了这个，完全没再解释，总觉得应该会有更详细全⾯的概念，可惜百度了很久也没找到满意的） 计算机硬件：即计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元件、各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外设等等。
计算机软件：由⼈们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成。
通常可以分为两⼤类：系统软件和应⽤软件。
系统软件⼜称为系统程序，主要⽤来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确保⾼效运⾏。
应⽤软件⼜称应⽤程序，他是⽤户根据任务需要所编制的各种程序。
很显然缺⼀不可。
2、如何理解计算机系统的层次结构？3、说明⾼级语⾔、汇编语⾔和机器语⾔的差别及其联系。
机器语⾔：⽤户必须⽤⼆进制代码0/1编写程序。
难度很⼤，但可以直接在机器上执⾏。
汇编语⾔：符号式的程序设计语⾔。
⽤符号ADD、SUB、MUL、DIV等分别表⽰加减乘除等操作，并⽤符号表⽰指令或数据所在存储空间的地址，使程序员摆脱了⼆进制代码程序。
但是必须先将汇编语⾔程序翻译成机器语⾔程序后，才能被机器接受和运⾏。
这个翻译过程是由机器系统软件中的汇编程序来完成的。
由于汇编语⾔摆脱不了实际机器的指令系统，因此，汇编语⾔没有通⽤性，每台机器必须有⼀种与之相对应的汇编语⾔。
⾼级语⾔：这类⾼级语⾔对问题的描述⼗分接近⼈们的习惯，并且还具有较强的通⽤性。
程序员完全可以不必了解实际机器M1的机型、内部的具体组成及⾃⾝的指令系统，只要掌握这类⾼级语⾔本⾝所赋予的语法和语义，便可直接⽤这种语⾔编程，很⽅便。
当然在进⼊M1机器运⾏前，必须先将⾼级语⾔翻译成汇编语⾔（或其他中间语⾔程序），然后再将其翻译成机器语⾔程序。
通常，我们把⾼级语⾔程序翻译成机器语⾔程序的软件叫做翻译程序。
翻译程序有两种：⼀种叫编译程序，另⼀种叫解释程序。
计算机组成原理第1章PPT课件
3.数据传输率与数据通路宽度 （1）数据通路宽度: 数据总线一次能并行 传输的数据位数。 （2）数据传输率（带宽）：数据总线每秒 传输的数据量。
总线位数×总线时钟频率
总线带宽 =
8
（B/S）
主存带宽 =？
4.存储容量
1）主存容量
K、M、G、T
1024
指存储单元个数 × 位数。
决定地址位数
存储体
控制线路
数据寄存器 读/写线路
译码器
…………
地址寄存器
…………
存储体: 存放信息的实体。 寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。 读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂 存读/写数据。 控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作。 3）讨论 存储单元读/写原理、存储器逻辑设计
（3） 输入/输出设备 1）功能：转换信息。
换、逻辑控制等功能。
2.典型的硬件系统结构 （1）以总线为基础的系统结构 特点：结构简单、控制方便、扩展容易。
总线
部件 部件 部件
单总线结构 系统总线
CPU
M
接口
I/O
接口 I/O
（2）采用通道或IOP的系统结构 带通道的系统（图1-6）
主机
通道
I/O控制器
I/O
• 规模较小的系统可将通道部件设置在 CPU内部。
1.3.2 计算机的主要性能指标
1.基本字长 指操作数的基本位数。 和运算器、寄存器、总线有关，它影响
计算精度、指令功能。 8 — 16 — 32 — 64位
2. 运算速度 （1）定点/浮点四则运算时间
（2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（Hz）
5M 100M 1G 2.0G 3.2G （4）典型程序执行时间 （5）每条指令平均执行周期.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序
计算机组成原理1-4章带答案
第一章一、选择题1．冯·诺依曼机工作的基本方式的特点是______。
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 存贮器按内容选择地址2．完整的计算机应包括______。
A 运算器、存储器、控制器；B 外部设备和主机；C 主机和实用程序；D 配套的硬件设备和软件系统；3.计算机硬件能直接执行的只有______。
A.符号语言 B 机器语言 C 汇编语言 D 机器语言和汇编语言二、简答题1. 冯·诺依曼计算机的特点是什么？（p8）1、计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。
2、指令和数据以同等地位存放于存储器内，并按地址寻访。
3、指令和数据均用二进制表示。
4、指令有操作码和地址码组成，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。
5、指令在存储器内按顺序存放。
通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
6、机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。
三、名词解释CPU、机器字长、存储容量、MIPS、FLOPSCPU（Central Processing Unit 中央处理器）：中央处理器（机），是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成。
存储容量=存储单元个数*存储字长MIPS：Million Instruction Per Second，每秒执行百万条指令数，为计算机运算速度指标的一种计量单位FLOPS：Floating Point Operation Per Second，每秒浮点运算次数，计算机运算速度计量单位之一。
第三章一、选择题1．系统总线中控制线的功能是______。
A 提供主存、I / O接口设备的控制信号和响应信号B 提供数据信息C 提供时序信号D 提供主存、I / O接口设备的响应信号2.系统总线地址线的功能是______。
A 选择主存单元地址；B 选择进行信息传输的设备；C 选择外存地址；D 指定主存和I / O设备接口电路的地址；3.同步传输之所以比异步传输具有较高的传输频率是因为同步传输______。
计算机组成原理第一章
被减数 减法 差
乘数
乘法 乘积高位 乘积低位
被除数
除法 余数
商
X
加数
减数
被乘数 除数
第23页，共63页。
① 加法操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
加
初态 ACC [M]
[ACC]+[X]
M
被加数 X ACC
第24页，共63页。
② 减法操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
减
初态 ACC [M]
[ACC]-[X]
M
被减数 X ACC
第25页，共63页。
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]
第26页，共63页。
被乘数 MQ X
ACC
ACC∥MQ
④ 除法操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
除
M
初态 ACC
被除数
[M] X
同组成和实现的一系列（Family）不同档次、不同
型号的机器
兼容机
系列机和兼容机需要保证向后兼容
不同厂家生产的具有相同计算机结构（不同的组成 和实现）的计算机
第39页，共63页。
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
第43页，共63页。
用脑电波控制的电脑：附着在人头皮的传感器把 脑电波传给电脑，也可用无线电传递，在数千米 之外就能轻而易举的控制电脑。
计算机组成原理课后习题及答案(完整版)
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7
• 3. 什么是摩尔定律？该定律是否永远生效 ？为什么？
• 答：P23，否，P36
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8
系统总线
第三章
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9
1. 什么是总线？总线传输有何特点？ 为了减轻总线的负载，总线上的部件都应 具备什么特点？
解：总线是多个部件共享的传输部件； 总线传输的特点是：某一时刻只能有 一路信息在总线上传输，即分时使用； 为了减轻总线负载，总线上的部件应 通过三态驱动缓冲电路与总线连通。
解： 总线标准——可理解为系统与模块、 模块与模块之间的互连的标准界面。 总线标准的设置主要解决不同厂家各 类模块化产品的兼容问题； 目前流行的总线标准有：ISA、EISA、 PCI等； 即插即用——指任何扩展卡插入系统 便可工作。EISA、PCI等具有此功能。
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16
11. 画一个具有双向传输功能的总线逻
12
总线的主设备（主模块）——指一次总
线传输期间，拥有总线控制权的设备（模块）； 总线的从设备（从模块）——指一次总
线传输期间，配合主设备完成传输的设备（模 块），它只能被动接受主设备发来的命令；
总线的传输周期——总线完成一次完整 而可靠的传输所需时间；
总线的通信控制——指总线传送过程中 双方的时间配合方式。
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4. 为什么要设置总线判优控制？常见的集 中式总线控制有几种？各有何特点？哪种方式响 应时间最快？哪种方式对电路故障最敏感？
解：总线判优控制解决多个部件同时申请总 线时的使用权分配问题；
常见的集中式总线控制有三种： 链式查询、计数器查询、独立请求；
特点：链式查询方式连线简单，易于扩充，
计算机组成原理1
一、填空题1 字符信息是符号数据，属于处理（非数值 ）领域的问题，国际上采用的字符系统是七单位的（ASCLL ）码。
2 按IEEE754标准，一个32位浮点数由符号位S（1位）、阶码E（8位）、尾数M（23位）三个域组成。
其中阶码E的值等于指数的真值（ e ）加上一个固定的偏移值（ 127 ）。
3 双端口存储器和多模块交叉存储器属于并行存储器结构，其中前者采用（ 空间 ）并行技术，后者采用（时间 ）并行技术。
4 虚拟存储器分为页式、（段 ）式、（ 段页 ）式三种。
5 安腾指令格式采用5个字段：除了操作码（OP）字段和推断字段外，还有3个7位的（ 地址码 ）字段，它们用于指定（ 寄存器 ）2个源操作数和1个目标操作数的地址。
6 CPU从内存取出一条指令并执行该指令的时间称为（指令周期 ），它常用若干个（ CPU周期 ）来表示。
7 安腾CPU中的主要寄存器除了128个通用寄存器、128个浮点寄存器、128个应用寄存器、1个指令指针寄存器（即程序计数器）外，还有64个（推断寄存器 ）和8个（ 分支寄存器）。
8 衡量总线性能的重要指标是（总线带宽 ），它定义为总线本身所能达到的最高传输速率，单位是（MB/s ）。
9 DMA控制器按其结构，分为（选择型 ）DMA控制器和（ 多路型 ）DMA控制器。
前者适用于高速设备，后者适用于慢速设备。
10 64位处理机的两种典型体系结构是（英特尔64体系结构）和（安腾体系结构 ）。
前者保持了与IA-32的完全兼容，后者则是一种全新的体系结构。
1 在计算机术语中，将ALU控制器和（ 内 ）存储器合在一起称为（主机 ）。
2 数的真值变成机器码可采用原码表示法，反码表示法，（ 补码 ）表示法，（ 移码 ）表示法。
3 广泛使用的（ SRAM ）和（ DRAM ）都是半导体随机读写存储器。
前者的速度比后者快，但集成度不如后者高。
4 反映主存速度指标的三个术语是存取时间、（存储器带宽 ）和（ 存储周期 ）。
计算机组成原理第一章总结
第一章计算机系统概述1.电子（电子线路）数字（电子线路是数学式）通用（计算机本身功能多样）计算机系统。
2.计算机系统由计算机硬件（构成计算机的所有实体部件的组合）和计算机软件（一系列按照待定顺序组织的计算机数据和指令的集合）组成。
3.硬件指由中央处理器，存储器以及外围设备等组成的实际装置，硬件的作用是完成每条指令规定的功能。
指令是计算机运行的最小的功能单位，指令是指示计算机硬件执行某种运算，处理功能的命令。
4.软件是为了使用计算机而编写的各种系统的和用户的程序，程序由一个序列的计算机指令组成。
指令是用于设计的一种计算机语言。
5.计算机系统的层次结构：数字逻辑层，微体系结构层（这两层是硬件部分），指令系统层（处在硬件和软件系统），操作系统层，汇编语言层，高级语言层（这三层是软件部分）。
6.运算器（ALU，算术逻辑单元）（1）算术运算和逻辑运算（2）在计算机中参与运算的数是二进制的（3）运算器的长度一般是8，16，32或64位。
7.存储器（1）存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器，组成一个存储单元。
（2）存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号称为地址。
（3）内存储器（ROM,RAM）8.信息单位（1）位（bit，简写b）数字计算机信息单位；包含1位二进制（0或1）（2）字节（Byte,简写B）由8位二进制信息组成（3）字（Word）计算机一次所能处理的二进制位数，至少一个字节，通常把组成一个字的二进制位数称为字长9.存储器的分类（1）按照在计算机中的作用（主存储器，寄存器，闪速存储器，高速缓冲存储器，辅助存储器等）10.主存储器（主存）通常采用半导体存储器（1）随机存取存储器（RAM）CPU可读写，断电时内容被消除（2）只读存储器（ROM）CPU只能读写，断电后可保留其数据，存储在ROM中的软件常被称为固件。
11.寄存器（CPU内部的一组特殊存储单元）（1）读写速度比主存快的多，通常被用于使用最为频繁的数据项，以避免多次访问主存，减少主存访问可大大加快计算机速度。
计算机组成原理实验1-汇编语言实验
微处理器与接口技术实验指导实验一监控程序与汇编语言程序设计实验一、实验要求1、实验之前认真预习，明确实验的目的和具体实验内容，设计好主要的待实验的程序，做好实验之前的必要准备。
2、想好实验的操作步骤，明确通过实验到底可以学习哪些知识，想一想怎么样有意识地提高教学实验的真正效果。
3、在教学实验过程中，要爱护教学实验设备，认真记录和仔细分析遇到的现象与问题，找出解决问题的办法，有意识地提高自己创新思维能力。
4、实验之后认真写出实验报告，重点在于预习时准备的内容，实验数据，实验过程、遇到的现象和解决问题的办法，自己的收获体会，对改进教学实验安排的建议等。
善于总结和发现问题，写好实验报告是培养实际工作能力非常重要的一个环节，应给以足够的重视。
二、实验目的【1】学习和了解TEC-XP16教学实验系统监控命令的用法；【2】学习和了解TEC-XP16教学实验系统的指令系统；【3】学习简单的TEC-XP16教学实验系统汇编程序设计。
三、实验注意事项（一）实验箱检查【1】连接电源线和通讯线前TEC-XP16实验系统的电源开关一定要处于断开状态，否则可能会对TEC-XP16实验系统上的芯片和PC机的串口造成损害。
【2】五位控制开关的功能示意图如下：【3】几种常用的工作方式【开关拨到上方表示为1，拨到下方为0】（二）软件操作注意事项【1】用户在选择串口时，选定的是PC机的串口1或串口2，而不是TEC-XP16实验系统上的串口。
即选定的是用户实验时通讯线接的PC机的端口；【2】如果在运行到第五步时没有出现应该出现的界面，用户需要检查是不是打开了两个软件界面，若是，关掉其中一个再试；【3】有时若TEC-XP16实验系统不通讯，也可以重新启动软件或是重新启动PC再试；【4】在打开该应用软件时，其它的同样会用到该串口的应用软件要先关掉。
（三）联机通讯失败自检如果上述的硬件和软件的操作都正确，联机却依旧失败，可以进行如下测试：【1】测试PC机的串口是否能正常工作，或是换一台PC或换同一台PC的另一个串口再试，在换串口时要将TEC-XP16实验系统断电，换完后重新启动实验系统和软件；【2】检查机器上的元器件插接是否正确(建议用户对照能够正常通讯的实验系统进行详细检查)，有没有被学生动过，尤其是扩展内存和扩展I/O接口时，芯片方向是否插对，片选信号有没有连接；【3】检查相应的短路子是否连接正确；【4】建议教师预留一台运行正常的TEC-XP16实验系统备用，机器出问题后可以对照检查。
计算机组成原理清华1教材
第四代计算机—超大规模集成电路计算机 设计方法和设计工具的重视 第五代计算机—普适计算机 信息空间和信息空间的入口的矛盾严重限制 了人们获取信息和处理信息的能力 个人数字助理（ Personal Digital Assistant ， PDA）是这一代计算机的典型代表
普适计算特殊性主要有： （1）硬件和软件经常是协同设计的； （2）一种重要目标就是将物理世界和信息 世界相互关联； （3）网络基础设施尤其是无线网络技术的 发展为普适计算提供了物质基础； （4）设备实现小尺寸、微功耗和低成本。 人们周围将有大量功能多样和形态各异的 计算设备。
系列机具有以下特性： 1) 相同的或相似的指令集：多数情况下，系列中的所有成 员都其有完全相同的指令集。这样，能够在一台机器上执 行的指令同样也能在另一台机器上执行。某些情况下，系 列中低端产品的指令集是高端产品的一个子集。这意味着 程序可以向上而不能向下移植。 2) 相似或相同的操作系统：产品家族中的所有成员都有相 同的基本操作系统。有些情况下，高端成员会增添一些新 特性。 3) 更高的速度：成员机器从低端到高端，指令执行速度从 低到高。 4) 更多的I/O端口数：成员机器从低端到高端，I/O端口 数越来越多。 5) 更大的内存容量：成员机器从低端到高端，内存容量越 来越大。 6) 成本增加：成员机器从低端到高端，成本越来越高。
摩尔定律:单个芯片中的晶体管数目每年能够翻一番。 摩尔定律的影响: 1) 在芯片集成度快速增长的期间，单个芯片的成本几乎没 有变化，这意味着计算机逻辑电路和存储器电路的成本显 著下降。 2) 因为在集成度更高的芯片中逻辑和存储器单元的位置更 靠近，电路长度更短，所以提高了工作速度。 3) 计算机变得更小，更容易放置在各种环境中。 4) 减少了电能消耗及对冷却的要求。 5) 集成电路内部的连接比芯片间的连接更可靠，由干芯片 中的电路增加，芯片间的连接变得更少。
北航计算机组成原理讲义-1
指令周期：指令执行的时间，包括取指令、
分析指令、执行指令所需的时间。
机器周期：指令周期按功能分成几个不同的
阶段，每个阶段所需的时间，称为一个机器
周期。比如取指周期，取数周期等。
节拍周期：也是时钟周期，微操作执行的时
间。
时钟脉冲信号：计算机系统的基本定时信号，
是其他时序信号的基准
一个指令周期 ＝ N 个机器周期
Memory）
•运算器＋控制器＝CPU（Central Process Unit）
计算机组成（2）
存储器
保存程序和数据 存储单元（bit, Byte, Word) 地址的概念（每一个字节单元一个唯一的地址） 存储器的工作方式：读、写 组成：存储体＋地址缓冲部件＋数据缓冲部件＋读写控制部件 存储器的层次：Cache ＋ RAM ＋ Disk ＋ Tape
L64852 MBus control
M-S Adapter
SBus
SBus
DMA
SCSI Ethernet
SBus Cards
STDIO
serial kbd mouse audio RTC
Floppy
计算机的工作原理
❖机器指令：计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的 二进制代码。
➢指令格式：操作码 ＋ 操作数（操作数地址） ➢操作码：指明指令的操作性质 ➢操作数（地址）：指令操作数的位置（或操作数本身）
指令的执行过程：微操作
Q AC Q
Q 微Q操作：计算机可以完成的最基D 本
B的D操作，一条机器指令的执行可以
AND
AC + B
AC
解释为一系列的微操作的执行
A B 操AN作D 性质：对数据进行某种处ALU理
11254计算机组成原理(一)
11254计算机组成原理(一)计算机组成原理1. 什么是计算机组成原理•计算机组成原理是指计算机硬件和软件之间的协同工作原理。
•它涉及到计算机的各个组成部分，包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等。
2. 计算机的基本组成部分•中央处理器（CPU）：负责执行指令和处理数据。
•内存：存储程序和数据。
•输入输出设备：用于与计算机进行交互和数据的输入输出。
•总线：连接CPU、内存和输入输出设备，传输数据和控制信号。
3. 计算机的工作原理•指令周期：CPU执行一条指令所经过的所有阶段的时间。
•指令流水线：将多个指令在不同阶段同时执行，以提高CPU的效率。
•指令集体系结构：描述了计算机所能执行的指令集合和指令的格式。
•冯·诺依曼结构：将指令和数据存储在同一存储器中，并通过总线传输。
4. CPU的组成和工作原理•控制单元（CU）：从内存中取指令并解码，控制各个部件的工作。
•算术逻辑单元（ALU）：执行算术和逻辑运算。
•寄存器：用于存储指令和数据中间结果。
5. 存储器的层次结构•寄存器：位于CPU内部，速度最快但容量最小。
•高速缓存存储器（Cache）：位于CPU和主存储器之间，以提供更快的数据访问速度。
•主存储器（RAM）：存储程序和数据，速度较快但容量较小。
•辅助存储器（硬盘、光盘等）：容量较大但速度较慢。
6. 输入输出设备的工作原理•输入设备：将外部数据转换为计算机可识别的格式。
•输出设备：将计算机处理后的数据转换为人类可识别的格式。
7. 总线的作用和分类•总线的作用：传输数据和控制信号。
•地址总线（Address Bus）：传输内存地址。
•数据总线（Data Bus）：传输数据。
•控制总线（Control Bus）：传输控制信号。
8. 计算机系统的性能指标•主频和时钟周期：主频表示CPU的工作速度，时钟周期是主频的倒数。
•MIPS和FLOPS：MIPS表示每秒执行百万条指令数，FLOPS表示每秒执行的浮点运算次数。
计算机组成原理部分参考答案 (1)
习题一1.什么是程序存储工作方式？答：计算机的工作方式——存储程序工作方式。
即事先编写程序，再由计算机把这些信息存储起来，然后连续地、快速地执行程序，从而完成各种运算过程。
2.采用数字化方法表示信息有哪些优点？用数字化方法表示信息的优点：（1）抗干扰能力强, 可靠性高。
（2）依靠多位数字的组合，在表示数值时可获得很宽的表示范围以及很高的精度。
（3）数字化的信息可以存储、信息传送也比较容易实现。
（4）可表示的信息类型与范围及其广泛，几乎没有限制。
（5）能用逻辑代数等数字逻辑技术进行信息处理，这就形成了计算机硬件设计的基础。
3.如果有7×9点阵显示出字符A的图像，请用9个七位二进制代码表示A的点阵信息。
4.数字计算机的主要特点是什么？1.（1）能在程序控制下自动连续地工作；（2|）运算速度快；（3）运算精度高；（4）具有很强的信息存储能力；（5）通用性强，应用领域及其广泛。
5.衡量计算机性能的基本指标有哪些？答：衡量计算机性能的基本指标：（1）基本字长——参加一次运算的数的位数；（2）数据通路宽度——数据总线一次能并行传送的位数；（3）运算速度——可用①CPU的时钟频率与主频，②每秒平均执行指令数，③典型四则运算的时间来表示。
（4）主存储器容量——可用字节数或单元数（字数）×位数来表示。
（5）外存容量——常用字节数表示。
（6）配备的外围设备及其性能。
（7）系统软件配置。
7.系统软件一般包括哪些部分？列举你所熟悉的三种系统软件。
系统软件一般包括操作系统，编译程序、解释程序、各种软件平台等。
例如WINDOWS98操作系统，C语言编译程序等，数据库管理系统。
8.对源程序的处理有哪两种基本方式？对源程序的处理通常有两种处理方式：解释方式和编译方式。
习题二1.将二进制数(101010.01)2转换为十进制数及BCD码。
解：(101010.01)2 = (42.25)10 = (01000010.00100101)BCD2.将八近制数(37.2)8转换为十进制数及BCD码.解:(37.2)8 = (31.25)10 =(011001.010101)BCD3.将十六进制熟(AC.E)转换为十进制数及BCD码.解: (AC.E)16 =(174.875)10 = (000101110100.100001110101)BCD4.将十进制数(75.34)10转换为8位二进制数及八进制数、十六进制数。
计算机组成原理1章习题解答
PC→MAR
Ad(IR)→MAR
MDR→IR
取数
MDR→ACC，存数
ACC→据都存于存储器中，计算机如何区分它们？
解：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
单元
IR
ACC
ALU
控制器
X
I/O
图 1.1 计算机框图
解：指令“ADD M”的真实含义是将地址为 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的被加数通过 ALU（算逻部件）相加，结果仍放在运算器中。结合图
1.1，设运算器中 ACC存放被加数， X存放加数，求和结果存放在 ACC中。故完成 “ADD M”
出图 1.1中各寄存器的位数，并指出哪些寄存器之间有信息通路。
解：由主存容量为 64K×32位
得 216＝64 K. 故 MAR为 16位，PC为 16位，MDR为 32位。
因指令字长＝存储字长＝机器字长
则 IR、ACC、MQ、X均为 32位
寄存器之间的信息通路有
1
计算机组成原理第
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存取出的
0、1代码是指令；在执行阶段访
存取出的
0、1代码是数据。例如，完成
ADD M指令需两次访存：第一次访存是取指阶段，
CPU
根据
PC给出的地址取出指令；第二次访存是执行阶段，
CPU根据存于
IR的指令中
指令的信息流程为：
取指令 PC → MAR → M → MDR → IR
单元1 计算机组成原理
单元1 计算机组成原理学习目标（1）了解计算机硬件的组成及其功能；计算机的分类；微处理器（2）了解CPU的结构；指令与指令系统；指令的执行过程；CPU的性能指标（3）了解PC机的主板、芯片组与BIOS；Cache存储器与主存储器（4）了解PC机I／0操作的原理；I／O总线与I／O接口（5）了解常用输入设备、输出设备、外存储器的功能、分类、性能指标及基本工作原理学习知识1、计算机硬件的组成及其功能计算机系统由硬件和软件两部分组成。
计算机硬件主要包括中央处理器（CPU）、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等，它们通过系统总线互相连接。
（1）输入设备①输入设备的概念向计算机输入数据和信息的设备统称为“输入设备”。
②输入设备的分类输入设备有多种。
例如数字和文字输入设备（键盘、写字板等），位置和命令输入设备（鼠标器、触摸屏等），图形输入设备（扫描仪、数码相机等），声音输入设备（麦克风、MIDI 演奏器等），视频输入设备（摄像机），温度、压力输入设备（温度、压力传感器）等。
（2）中央处理器能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作的部件被称为处理器。
现代计算机中一般包含有多个(微)处理器，它们各有不同的分工和任务,用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU，CPU是计算机必不可少的核心组成部件。
过去，个人计算机通常只有1个CPU；现在，大部分PC机虽然仍只有1个CPU芯片，但其内部却包含有2个、4个或6个CPU(内核)，目的是提高系统性能。
（3）内存储器①内存储器的概念内存是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。
计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。
②内存储器的工作原理内存的作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。
只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU 再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。
计算机组成原理第一章
计算机组成原理第一章计算机组成原理第一章主要涉及计算机发展的历史背景及计算机的基本概念。
在计算机产生之前，人们使用机械计算器进行数学计算，并且需要手动操作进行算术运算。
而计算机的诞生改变了这种情况，计算机可以自动执行计算任务，大大提高了计算速度和精确度。
计算机系统由硬件和软件两部分组成。
硬件包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备等。
而软件则是安装在计算机硬件上的程序和数据。
计算机通过执行软件中的指令来完成各种任务。
计算机的基本运算包括加法、减法、乘法和除法。
在计算机中，数值以二进制形式表示，并且利用电子开关来表示0和1。
这种二进制形式的计算和存储使得计算机系统更加高效和可靠。
在计算机系统中，信息的传输是通过电路连接实现的。
信息可以通过数据总线、控制总线和地址总线进行传输。
数据总线负责传输数据，控制总线负责控制和协调计算机内部各个部件的工作，地址总线用于指定存储器或者设备的地址。
计算机也需要进行数据的存储和检索。
内存是计算机存储数据和程序的地方，它被划分为多个存储单元，每个存储单元可以存储一个数据或者指令。
计算机还需要外部存储器来存储大量的数据，例如硬盘和光盘等。
计算机的指令集架构是计算机体系结构的重要组成部分。
指令集架构定义了计算机系统中处理器的指令和寄存器，以及指令的执行方式。
目前常用的指令集架构包括x86、ARM和MIPS 等。
计算机的工作方式可以分为单指令周期工作方式和多指令周期工作方式。
单指令周期工作方式意味着计算机每个指令在一个时钟周期内完成执行。
而多指令周期工作方式则允许计算机在一个时钟周期内执行多个指令。
总之，计算机组成原理第一章主要介绍了计算机的基本概念和发展历史，以及计算机系统的组成和工作方式。
了解这些基本知识对于理解计算机的工作原理和设计原则非常重要。
第1章 概论 计算机组成原理
5
第一台电子数字计算机ENIAC 第一台电子数字计算机 ENIAC的特点： 的特点： 的特点 – 采用十进制 – 20 个10位的累加器 位的累加器 – 用开关手动编程 – 18,000个电子管 个电子管 – 重30 吨 – 占地170平方米 占地 平方米 – 耗电 耗电140 KW – 5,000次/秒加法运算 次 秒加法运算
第1章 概论 章
12
5.控制器 控制器 控制器是根据从存储器读来的指令， 控制器是根据从存储器读来的指令， 产生一系列控制信号， 产生一系列控制信号，控制其他部件完 成指令的功能。 成指令的功能。 在控制器的控制下，各部件协调工作， 在控制器的控制下，各部件协调工作， 完成指令的功能，这就是整机概念。 整机概念 完成指令的功能，这就是整机概念。
第1章 概论 章
27
固件 固件是指那些存储在能永久保存信息 的器件（ 的器件（如ROM）中的程序，是具有软件 ）中的程序， 功能的硬件。 功能的硬件。固件的性能指标介于硬件与 软件之间，吸收了软、硬件各自的优点， 软件之间，吸收了软、硬件各自的优点， 其执行速度快于软件，灵活性优于硬件， 其执行速度快于软件，灵活性优于硬件， 是软、硬件结合的产物。 是软、硬件结合的产物。
7
第1章 概论 章
存储程序概念（ 1.1.2 存储程序概念（续）
世界上第一台计算机ENIAC不是存储程序 不是存储程序 世界上第一台计算机 计算机。 计算机。 EDVAC 冯·诺依曼设计的存储程序计算机 诺依曼设计的存储程序计算机 1951年诞生。 年诞生。 年诞生 EDSAC 事实上的第一台存储程序计算机 1949年诞生 1949年诞生。 年诞生。 目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概 念的基础上， 诺依曼型计算机。 念的基础上，称冯·诺依曼型计算机。 诺依曼型计算机 也出现了一些突破冯·诺依曼结构的计算机 诺依曼结构的计算机， 也出现了一些突破冯 诺依曼结构的计算机， 统称非冯结构计算机， 统称非冯结构计算机，如：数据驱动的数据流 计算机、需求驱动的归约计算机和模式匹配驱 计算机、 动的智能计算机等。 动的智能计算机等。
白中英计算机组成原理第1章计算机系统概论
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。
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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）。
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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。
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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
计算机组成原理实验1_脱机运算器
实验一．脱机运算器部件实验一、教学计算机的通电启动和关闭操作1.教学计算机系统通电启动的操作步骤：(1) 准备一台串行接口运行正常的PC机；(2) 将TH-union计原16放在实验台上，打开实验箱的盖子，确定电源处于断开状态；(3) 将黑色的电源线一端接220V交流电源，另一端插在计原16实验箱的电源插座；(4) 取出通讯线，将通讯线的9芯插头接在计原16实验箱后板上左侧位置的串口插座，另一端接到PC机的串口上；(5) 将计原16实验系统左下方的五个黑色的功能控制开关置于00010的位置（连续、内存读指令、微程序、联机、16位），开关拨向上方表示“1”，拨向下方表示“0”；(6) 接通电源，船形开关和5V电源指示灯亮。
(7) 在PC机上运行PCEC16.EXE文件，根据使用的PC机的串口情况选“1”或“2”，其它的设置一般不用改动,直接回车即可。
(具体步骤附后)(8) 按一下“RESET”按键,再按一下“START”按键，PC机屏幕上显示：TH-union CRT MONITORVersion 1.0 April 2001Computer Architectur Lab.， Tsinghua UniversityProgrammed by He Jia>这个版权信息显示出来之后，表示教学机已经进入正常运行状态，等待输入监控命令。
实验注意事项：1.连接电源线和通讯线前TH-union计原16实验系统的电源开关一定要处于断开状态，否则可能损坏教学计算机系统的或PC机的串行接口电路；2.五个黑色控制开关的功能示意图如下：开关位置，自左向右共5个，分别控制1 2 3 4 5向上拨：单步手工拨指令组合逻辑运算器联机 8位向上拨：连续读内存指令微程序运算器脱机 16位几种常用的工作方式，（开关向上拨表示为1，向下拨表示0）工作方式功能开关状态连续运行程序、硬连线控制器、联机、16位机 00110连续运行程序、微程序控制器、联机、16位机 00010单步、手拨指令、硬连线控制器、联机、16位机 11110单步、手拨指令、微程序控制器、联机、16位机 11010单步、脱机运算器实验、16位机 100002.关闭教学计算机系统在需要关闭教学计算机系统时，应首先通过安装在机箱右侧板上的开关关闭交流电源，教学机上的全部指示灯都会熄灭。
计算机组成原理名词解释
2.ROM：只读存储器，一种只能读取数据不能写入数据的存储器。
3.SRAM：静态随机访问存储器，采用双稳态电路存储信息。
4.DRAM：动态随机访问存储器，利用电容电荷存储信息。
5.EDO DRAM：增强数据输出动态随机访问存储，采用快速页面访问模式并增加了一个数据锁存器以提高数据传输速率。
1.原码：带符号数据表示方法之一，一个符号位表示数据的正负，0代表正号，1代表负号，其余的代表数据的绝对值。
2.补码：带符号数据表示方法之一，正数的补码与原码相同，负数的补码是将二进制位按位取反后在最低位上加1.
3.反码：带符号数据的表示方法之一，正数的反码与原码相同，负数的反码是将二进制位按位取反
12.操作数寻址方式：指令中地址码的内容及编码方式。
13.系统指令：改变计算机系统的工作状态的指令。
14.特权指令：改变执行特权的指令，用于操作系统对系统资源的控制。
15.自陷指令：特殊的处理程序，又叫中断指令。
16.寻址方式：对指令的地址码进行编码，以得到操作数在存储器中的地址的方式。
10.快闪存储器：一种非挥发性存储器，与EEPROM类似，能够用电子的方法擦除其中的内容。
11.相联存储器：一种按内容访问的存储器，每个存储单元有匹配电路，可用于是cache中查找数据。
12.多体交叉存储器：由多个相互独立、容量相同的存储体构成的存储器，每个存储体独立工作，读写操作重叠进行。
5.外围设备：计算机的输入输出设备，包括输入设备，输出设备和外存储设备。
6.数据：编码形式的各种信息，在计算机中作为程序的操作对象。
7.指令：是一种经过编码的操作命令，它指定需要进行的操作，支配计算机中的信息传递以及主机与输入输出设备之间的信息传递，是构成计算机软件的基本元素。
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、器件的设计、装配技术等属于计算机实现。
计算机组成原理 31
例:① 主存容量与编址方式(按位、按字节、
按字访问等)的确定属于计算机系统结构。
②为达到所定性能价格比，主存速度应多快 ，在逻辑结构上需采用什么措施(如多体交叉 存储等)属于计算机组成。 ③主存系统的物理实现，如存储器器件的选 定、逻辑电路的设计、微组装技术的选定属于 计算机实现。
计算机组成原理
16
计算机硬件系统的一种构成形式 存储器 系 统 总 线
运算器 控制器
适配器
输入设备 输出设备
17
计算机组成原理
计算机硬件系统的一种构成形式
4 PC+4 I 25-21 I 20-16 PC 指令 存储器 IR I15-11 I31-28 I 25-0 x4 Target
控制器
x4
计算机组成原理 7
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
8
计算机系统的基本构成
计算机系统
计算机硬件
计算机软件
主机
外设
主存 I/O接口
CPU 系统总线
辅存
I/O设备
运算器
控制器
内部寄存器组
计算机组成原理
9
计算机系统的基本构成
计算机系统
课程简介
课程性质与地位： 专业基础必修课程,承上启下 课程目的与任务：
建立计算机硬件系统的完整概念，以单 机系统为研究对象，阐述计算机系统的硬 件组成以及各部件的工作原理
计算机组成原理
4
课程主要内容
1、计算机系统概论 2、逻辑电路设计基础 3、信息编码和数据表示 4、计算机算法和算法逻辑实现 5、存储器 6、计算机指令构成和寻址方式 7、处理机设计 8、流水线处理机 9、存储系统 10、输入输出设备 11、输入输出系统
32
计算机组成原理
例:①确定是否有乘法指令属于计算机系统
结构。
②乘法指令是用专门的乘法器实现，还是经 加法器用重复的相加和右移操作来实现，属于计 算机组成。 ③乘法器、加法器的物理实现，如器件的选定 (器件集成度、类型、数量、价格)及所用微组 装技术等，属于计算机实现。
计算机组成原理 33
计算机系统结构、计算机组成和计算机实 现是三个不同的概念，但随着技术、器件和应 用的发展，三者之间的界限越来越模糊。
编译
操作系统
指 令 系 统
逻辑 设计
计算机组成原理
组 实
成 现
器件，封 装、机箱、 电源、冷 却设计
30
系统结构、组成、实现三者之间的区别
例 ① 机器指令集的确定属于计算机系统结 构。
② 指令的实现，如取指令、取操作数、运
算、送结果等具体操作及其排序方式属 于计 算机组成。
③ 实现指令集中所有指令功能的具体电路
第2级 第1级 第0级
机器指令时序
硬操作时序
物理计算机 （硬件）
从语言功能层次划分
计算机组成原理 21
计算机系统的层次结构
第0级由硬件实现。 第1级由微程序实现。 第2级是传统指令系统（机器语言）机器。 第3级是操作系统机器。操作系统是运行在第２级上的解释程序 第4级是汇编语言机器。 第5级是高级语言机器。 第6级是应用语言机器。
•面向计算机本身的软件--OS，故障处理程序等
•面向计算机维护人员的软件--调试、纠错、测试程序等 •面向用户的软件--汇编、编译和解释程序、DBMS等
（2）应用软件：为解决某个应用领域的具体任 务而编制的程序
计算机组成原理
12
计算机硬件系统的基本构成
控制器 内部 外设
CPU
系统 主存
总线
运算器
总线
软件系统
应用软件
计算机组成原理 35
小结
计算机组织(organization)是指计算机 的各个操作部件工作原理以及它们之间的相 互联系，这些操作部件用来具体实现计算机 结构的属性，如计算机内部的控制信号，存 储技术，与外部设备的接口等。
计算机组成原理
36
Jump Aluop PCSource MemRead MemWrite MemtoReg
Rx A Dx Ry 寄存器堆 Rz B Dy Dz RegWrite
ALU
Add 数据 Do 存储器 Di
PCWrite
IRWrite
I15-0
RegDst
符号扩展
ALUSource
专用通路结构例子
计算机组成原理 18
同一程序可以在不同复杂度级别进行表示
计算机组成原理 23
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
24
计算机系统结构、组成及其实现
计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和 对软硬件界面的确定
软件
指令系统体系结构（ISA）
计算机组成原理
——运算速度、存储容量、I/O带宽
计算机组成原理 27
结构、组成和实现
计算机系统的组成是指计算机系统结构的逻
辑实现，主要包括：
确定数据通路的宽度 确定各种操作对功能部件的共享程度 确定专用的功能部件 确定功能部件的并行度 设计缓冲和排队策略 设计控制机构 确定采用何种可靠性技术
参考教材：
郑纬民 《计算机组成和设计-硬件/软件接口（第二版）》。清华大学 出版社 王爱英.《计算机组成与结构》.清华大学出版社.１９８９ 江义鹏.《计算机组成原理》.人民邮电出版社.１９８８ 俸远祯.《计算机组成原理》.电子工业出版社 李亚民.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社.2000年 袁开榜.《计算机组成原理》高等教育出版社 白中英、韩兆轩编.《计算机组成原理》.科学出版社 唐朔飞.《电子数字计算机原理》.哈尔滨工业大学出版社参考书： 邹海明.《计算机组织与结构》.电子工业出版社.１９９３年.版
计算机组成原理
第一讲
计算机系统概述
2013年9月9日
计算机组成原理 1
本讲主要内容
课程简介 计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
2
将回答:
本课程重要吗？ 计算机硬件有哪些基本部件构成？
计算机系统如何构成？ 本课程中探讨问题的前提？
计算机组成原理 3
计算机组成原理 5
主要教学环节
课堂教学：64学时 实验教学：16学时
实验内容：
运算器实验 存储器实验 微控制器实验 基本模型机设计
考试：笔试成绩 + 实验成绩 + 平时成绩
本课程重要吗？
计算机组成原理 6
教材：
Computer organization & design (the hardware/software interface) (second edition) David A. Patterson John L. Hennessy
计算机系统如何构成？ 计算机硬件有哪些基本部件构成？
计算机组成原理
19
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
20
计算机系统的层次结构
第6级 应用语言
第5级
第4级
高级语言
汇编语言 系统原语 机器指令系统 虚拟计算机 （软件）
第3级
25
计算机系统结构= 指令系统体系结构 + 机器组成 + …
“计算机系统结构(Computer Architecture)”
计算机组成原理
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系统结构的研究范围
外特性: ——指令系统、数据表示、寻址方式、寄存器集
界面设计:
——确定硬件功能
新型系统结构设计:
——并行性、数据流、推理机、神经网
性能成本评价:
计算机组成原理 15
计算机的组成部件
计算机的5大部件中，运算器和控制器是 信息处理的中心部件，所以它们合称为“中 央处理单元”（CPU：Central Processing Unit）。存储器、运算器和控制器在信息处 理操作中起主要作用，是计算机硬件的主体 部分，通常被称为“主机”。而输入 （Input）设备和输出（Output）设备统称 为“外部设备”，简称为外设或I/O设备。
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计算机组成原理
计算机实现是指计算机组成的物理
实现，包括：
处理机、主存储器等部件的物理结构 器件的集成度和速度 专用器件的设计 器件、模块、插件、底版的划分与连接 信号传输技术 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺 及技术等
计算机组成原理 29
相互关系
外特性 设计
应用程序
计算机软件
计算机硬件
应用软件
系统软件
操作系统 语言处理程序 诊断程序 各种标准程序库 。。。
计算机组成原理
MIS ERP OFFICE OUTLOOK 。。。
10
计算机软件（Software）： 是指能使计算机工作的程序和程序运行时所需 要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明 和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。
程序+数据+文档
计算机硬件（Hardware）： 是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这 些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。 计算机硬件指可触摸得到的物理设备实体
计算机组成原理 11
计算机软件（Software）： （1）系统软件：为用户便于使用和管理计算机 而编制的程序，由系统设计者和厂家提供。
寄存 器组
计算机组成