第1章 计算机系统概论
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；
第1章-计算机系统的基本构成-完整版
运算器
运算器是完成运算功能的部件。
运算器中有一个算术逻辑单元（ALU）， 它执行各种数据运算操作。
算术运算：加、减、乘、除、数据格式转 换。
ALU
逻辑运算：按位对数据进行与、或、非、
控制信号
移位等运算。
ALU是一个多功能的运算电路，进行何种
运算取决于由控制器发出的控制信号。
运算结果
缺点：所有设备都连在一组总线上，总线 只能分时工作，使数据传输量受限。
AB
CPU
RAM
ROM
I/O接口 IO设备
IO设备
DB CB
面向CPU的双总线结构
输入输出（I/O）总线
CPU
I/O接口 I/O接口
存储总线
I/O接口
主存
IO设备
IO设备
IO设备
通过存储总线使CPU对主存进行读/写操作。通过I/O总线让CPU与I/O设备 进行数据交换。
(1) DMA (Direct Memory Access)方式的提出
中断方式仍很费时，无法实现大容量的快速数据交换。
每进行一次传送，CPU都要执行一次中断服务程序，且都要保 护和恢复断点，及保护现场等。这些操作与数据传送并无直 接联系，但很费时。
1.3 计算机系统的历史与发展
1.1 计算机的基本构成
输入
存储器 运算器
控制器
数据线路 控制信号
输出
微型计算机
以微处理器为核心 配上由大规模集成电路的存储器
（ROM/RAM）、输入／输出接口（I/O）电 路及系统总线（BUS）等所组成的计算机。 将这些组成部分集成在一片超大规模集成电 路芯片上则构成单片微型计算机
第1章 计算机系统概论
第一章计算机系统概论(含练习题)2010
1.4 （评价）计算机系统的性能指标
对各种机器指令平均执行时间及对应 指令使用频度综合计算后，得出单 位时间执行基本指令条数，为等效 速度。 • 常以MIPS和MFLOPS作为计量单位来 衡量运算速度： MIPS（Million Instructions Per Second），即每秒百万条指令； MFLOPS表示每秒百万次浮点运算。
第一章 计算机系统概论
主要内容： • 计算机发展概况； • 计算机系统简介（层次结构）； • 计算机硬件组成及工作过程； • 计算机系统的主要性能指标； • 计算机分类、应用及展望。
第一章 计算机系统概论
1.1 计算机发展概况 一、计算技术的发展及计算机的产生 • 人类社会信息化的产物。 • 解决社会和自然界各种问题的一种 工具。 二、计算机发展史 1.计算机“代”（generation)的划分 ——一般用表格表示如下：
1.1 计算机发展概况
• 指令在存储器内按顺序存放，通常指 令是顺序执行的，在特定情况下，可 根据运算结果或按设定条件改变执行 顺序； • 机器以运算器为中心，输入输出设备 与存储器的数据传送经过运算器。 （4）典型的冯·诺依曼计算机结构 见下图--
1.1 计算机发展概况
存储器
输入设备
运算器
输出设备
1.1 计算机发展概况
课后可作的练习 ：
1-1 查阅资料，比较各代计算机主要 软、硬件方面的变化（新出现的技 术）。 1-2 微型计算机也划分了各个“代”， 一般是以Intel微处理器型号作为划 分依据。请查阅资料，用表格的形式 简要描述以Intel微处理器为CPU的微 型计算机的主要发展阶段 。
计算机组成原理
2010—2011学年第一学期 课堂教学：56学时 计算机0801-0803班
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1章计算机系统概论
▪ 上海超级计算中心的“曙光”5000A位列第15名。
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超级计算机世界500强 排行榜前十名榜单（2010.6）
1.美国克雷公司 美洲豹 1.75 petaflop/s
2.中国曙光公司 星云 1.27 petaflop/s
3.美国IBM公司 走鹊
1.105 petaflop/s
4.美国克雷公司 克拉肯
▪ 这是自2004年以来，日本制造的超级计算机第一 次成为全球速度最快的超级计算机。据悉，K Computer的计算性能高达10petaflop/s（千万亿 次/秒），远超去年11月时位于榜首的超级计算机。 去年11月时排在计算性能排行榜第一位的是中国 天津国家超级计算中心的天河-1A，它的计算性 能为2.6petaflop/s。
▪ –内存总容量98TB ；
▪ –点点通信带宽40Gbps ；
▪ –共享磁盘总容量为1PB
▪ 天河一号A
▪ –2048颗我国仿制sun公司的UltraSparc T2 处理器（飞腾FT-1000）八核心处理器
▪ –14336颗Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心 处理器
▪ –7168块NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡
27
▪ 差距不容忽视——
▪ 核心差距在软件和应用，任务长期而艰巨
▪ 在硬件方面，不论是“天河一号”A，还是 “曙光星云”，其主要核心芯片都采用的 是美国的产品。在专家眼里，这个差距虽 然明显，但不是核心差距，更大的差距在 软件和应用方面，欠缺更多的是“软实 力”。
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▪ 北京时间2011年6月20日消息，据国外媒体报道， 国际超级计算机组织在德国汉堡召开2011年年会 并公布今年6月份的全球超级计算机500强名单。 今年排在超级计算机500强名单首位的超级计算 机是日本RIKEN高级计算机科学研究所的K Computer。
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章计算机系统概论
计算机组成与结构第1章计算机系统概论在当今数字化的时代，计算机已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
从日常的通信交流到复杂的科学研究，从娱乐消遣到工业生产，计算机的身影无处不在。
要深入理解计算机是如何工作的，以及如何更好地利用它，我们首先需要了解计算机系统的组成与结构。
计算机系统可以看作是一个由多个部分协同工作的复杂整体。
它就像是一个高效运转的工厂，每个部件都有其特定的功能和职责。
首先，让我们来谈谈计算机的硬件部分。
硬件是计算机系统的物理基础，包括中央处理器（CPU）、内存、输入设备、输出设备和存储设备等。
中央处理器，也就是 CPU，是计算机的“大脑”。
它负责执行计算机程序中的指令，进行算术运算和逻辑判断。
想象一下，CPU 就像是工厂里的指挥中心，决定着生产的流程和节奏。
内存则是计算机的“临时工作区”，用于存储正在运行的程序和数据。
它的读写速度很快，但容量相对较小。
内存就像是工人手边的工作台，能够快速地获取和处理所需的工具和材料。
输入设备允许我们向计算机提供信息，比如键盘、鼠标、扫描仪等。
它们就像是工厂的原材料入口，将各种信息输入到计算机系统中。
输出设备则负责将计算机处理后的结果展示给我们，例如显示器、打印机、扬声器等。
可以把输出设备想象成工厂的成品出口，将生产出来的产品展示给外界。
存储设备用于长期保存数据和程序，包括硬盘、光盘、U盘等。
存储设备就像是工厂的仓库，能够大量且长期地存储各种物品。
接下来，我们再看看计算机的软件部分。
软件是计算机系统的灵魂，它指挥着硬件完成各种任务。
软件可以分为系统软件和应用软件两大类。
系统软件是管理和控制计算机硬件与软件资源的程序，比如操作系统、编译器、驱动程序等。
操作系统就像是工厂的管理层，负责协调各个部门的工作，确保整个工厂的高效运转。
应用软件则是为了满足用户的特定需求而开发的程序，例如办公软件、游戏软件、图像处理软件等。
应用软件就像是工厂里的各种生产线，专门生产特定类型的产品。
(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；
34
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
31
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。
32
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。
4
5
21
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
22
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。
计算机组成原理第一,二章重难点整理
重点难点内容整理第一章计算机系统概论重难点：计算机系统的基本组成和层次结构知识点1：计算机系统的组成计算机系统由计算机硬件和软件两部分组成。
1.硬件是计算机系统的物质基础，没有硬件就不成其为计算机。
计算机硬件包括中央处理机、存储器和外部设备。
中央处理机是计算机的核心部部件，由运算器和控制器两部分组成，主要功能是解释指令、控制指令执行、控制和管理机器运行状态，以及实时处理中央处理机内部和外部出现和各种应急事件。
存储器分为主存储器和辅助存储器。
主存储器的主要功能是存储信息和与中央处理机直接交换信息；辅助存储器包括磁盘机、磁带机和光盘机等，通常只与主存储器交换信息。
外部设备包括输入和输出设备、转换设备、终端设备等，如键盘、打印机、绘图仪和鼠标器等。
2. 软件通常分为两大类：系统软件和应用软件。
系统软件最靠近硬件层，是计算机的基础软件，如操作系统、高级语言处理程序等。
系统软件是计算机厂家预先设计好的。
操作系统主要用于组织管理计算机系统的所有便件和软件资源，使之协调一致、高效地运行；高级语言处理程序包括编译程序和解释程序等。
编译程序能将高级语言编写的源程序翻译成计算机执行的目标程序，解释程序是边解释边执行源程序。
应用软件处于计算机系统的最外层，是按照某种特定的应用而编写的软件。
知识点2：计算机系统的层次结构应用软件、系统软件和硬件构成了计算机系统的三个层次1.硬件系统位于最内层，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的操作界面。
3.应用软件位于最外层，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次成为虚拟机。
三个层次之间关系紧密，外层是内层功能的扩展，内层是外层的基础。
但是，层次划分不是绝对的。
第二章运算方法和运算器重难点：1.定点和浮点数的表示及范围。
2.定点补码的加减运算及实现。
3.一位原码/补码的乘法和一位原码/补码的除法及实现。
4.浮点算术运算。
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2
1.1
用来管理整个计算机系统， 系统软件 监视服务，使系统资源得到 (系统程序) 合理调度，高效运行。
语言处理程序（编译程序）
软 件
操作系统 数据库管理系统
服务性程序（诊断、调试、连接）
网络软件
应用软件 按任务需要编制成的各种程序 3 (应用程序)
二、计算机系统的层次结构 1. 计算机的解题过程
35
例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑电 路完全相同。 (3) B机的平均指令执行速度为多少? 解答： (3) A机平均每条指令的时钟周期数=2.5μs/0.125μs=20。 因微机A和B片内逻辑电路完全相同，所以B机平均每 条指令的时钟周期数也为20。 由于B机的CPU主频为12MHz．所以B机的CPU时钟 周期=1/12MHz= 1/12μs。 B机的平均指令周期=20×(1/12）=5/3μs。 B机的平均指令执行速度=1/(5/3)μs=0.6MIPS。 另解：B机的平均指令执行速度=A机的平均指令执行 速度0.4MIPS×(12/8）=0.6MIPS。
计算机 组成
如何实现计算机体系结构所体现的属性
（具体指令的实现）（对程序员透明—不知道）
如何实现乘法指令
7
1.2 计算机的基本组成
电子计算机是一种自动计算工具，而算盘是手动计 算工具。 计算机有存储程序的功能，即能把由操作步骤编制 成的程序(program)记住，然后按程序的要求，逐 一完成程序规定的操作任务——程序存储控制原理
1.1
高级语 言程序 (源程序)
翻译
目标 程序
运行
结果
计算机
4
2、计算机系统的层次结构
高级语言
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
1.1
汇编语言 操作系统
机器语言 微指令系统
虚拟机器M2
传统机器 M1 微程序机器 M0
5
多级层次结构的计算机系统
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
用编译程序翻译 成汇编语言程序
30
2.存储容量
存放二进制信息的总位数
存储单元个数 × 存储字长 如
1.3
主存容量 （内存）
字节数 如 字节数
MAR MDR 容量 10b 8b 1 K × 8位 16b 32b 64 K × 32位
1K = 210
2 = 1 KB 221 = 256 KB 80 GB
13
1B = 23b
辅存容量 （外存）
CPU的寄存器堆
19
3.存储器(记忆装置)
(1)功能：保存程序、原始数据及中间结果。 (2)特点： 采用线性地址存取方式， 地址 单元内容 …… …… 可按位(b)、字节(B)、半字、 n-1 信息m-1 字(W)或者双字(DW)编址。 n 信息m 以字节(B)编址居多，即1个 n+1 信息m+1 …… …… 存储单元存1个字节的信息。 存储器容量：通常用KB、MB、GB、TB表示。
实线：数据线 计算机：它能接收信息，根据事先编好的程序，对信息进行处理， 虚线：控制线和反馈线 12 并给出处理结果。
一、典型的冯· 诺依曼计算机硬件框图
将信息转换成机 器能识别的形式
1.2
存储器
将结果转换成 人们熟悉的形式
输入设备
运算器
输出设备
控制器
实线：数据线 计算机：它能接收信息，根据事先编好的程序，对信息进行处理， 虚线：控制线和反馈线 13 并给出处理结果。
John von Neumann 冯诺依曼（电子计算机之父） (1903-1957)
9
Neumann计算机的基本组成
比喻:
若把计算机比作一个工厂,那么 运算器 车间 控制器 生产科 输入设备 供应科 输出设备 销售科 存储器 仓库
10
1.2 计算机的基本组成
Von Neumann是在电子时代提出把程序存储控制 原理用于计算机的第一人。
1GB = 230b
31
1.3 计算机硬件的主要技术指标
吉普森法 TM = fi ti
i =1
n
fi—第i条指令占全部操作的百分比数 Million Instruction Per Second t — 第 i 条指令的执行时间 3.运算速度 i
Cycle Per Instruction
MIPS CPI
33
例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑电
路完全相同。
(1) 若A机的CPU主频为8MHz，B机为12MHz，则A机
的CPU时钟周期为多少？
解答： (1) A机的CPU主频为8MHz，所以A机的CPU时钟周期 =1/8MHz=0.125μs。
34
例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑 电路完全相同。 (1) 若A机的CPU主频为8MHz，B机为12MHz，则A 机的CPU时钟周期为多少？ (2) 若A机的平均指令执行速度为0.4MIPS，那么A机 的平均指令周期为多少？ 解答： (1) A机的CPU主频为8MHz，所以A机的CPU时钟 周期=1/8MHz=0.125μs。 (2) A机的平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5μs。
每秒执行百万条指令 执行一条指令所需时钟周期数
FLOPS 每秒浮点运算次数
Floating Point Per Second
32
例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻 辑电路完全相同。 (1) 若A机的CPU主频为8MHz，B机为12MHz，则 A机的CPU时钟周期为多少？ (2) 若A机的平均指令执行速度为0.4MIPS，那么A 机的平均指令周期为多少？ (3) B机的平均指令执行速度为多少?
00000 00001 00002 00003 取数005 加法006 减法007 存数008 停机 a b c
29
00004 00005 00006
00007 00008
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
字长越长，表数范围越大，精度越高。
字长会影响机器的运算速度。 字长对硬件（ALU、数据总线、存储字长的位数） 的造价有较大的影响。 与 CPU 中的 寄存器位数 有关
1.2 计算机的基本组成
二、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. 存储程序 6. 以运算器为中心
14
三、计算机硬件框图
1. 以存储器为中心的计算机硬件框图
控制器 数据 输入设备 程序
1812年英国人巴贝奇(Babbage)开始研制机械计算 机，提出了程序存储控制原理的雏形。 巴贝奇提出了自动计算机必须包含 的五大功能，即：输入(I)+存储(M) +处理(P)+控制(C)+输出(O) Charies Babbage
（1792-1871） 8
1.2 计算机的基本组成
Von Neumann是在电子 时代提出把程序存储控 制原理用于计算机的第 一人。 Neumann理论奠定了现 代电子数字计算机的理 论。 按照该理论制成的计算 机叫Neumann体系结构 的计算机。简称 Neumann计算机。
一台完整计算机的功能——运算+控制+存储+输入 /输出+用户界面 实现：CPU+M+I/O+BUS+软件
17
1.输入/输出(I/O)设备
18
2.中央处理器(CPU)
它是计算机的核心，它由ALU + CU + Regs组成
(1)控制器：按时钟提供的统一节拍，使计算机中各 部件协调工作。 (2)算术逻辑部件ALU (Arithmetic Logical Unit) 它是直接进行数据变换与运算的部件。由加法 器组成，ALU的最基本操作是加法和逻辑运算。 (3)寄存器组：暂存运算中间结果 通用寄存器组：存放操作数 专用寄存器组：存储特定信息
下图是早期计算机中典型模块间的连接方式。因没从全局 角度统一考虑各部件间的连接问题，造成部件间连接的复 杂性。为减少部件连接的复杂性，现代计算机采用了总线 连接技术。
输入命令 输出命令
控制器
数 据
输入设备
运算器
存数
取数
输出设备
结果
存储器
注:实线代表传输数据 虚线代表传输控制命令和信号
22
4.总线
总线连接方式：是现代计算机(尤为微、小型机)采用的方式。 总线：是一簇由并行导线组成的传递信息的公共通路。 总线的三种类型：数据总线——用于传输数据； 地址总线——用于传输内存存储单元地址； 控制总线——用于传输控制信号。 总线的任务：在计算机各部件之间，起沟通信息的作用。
CPU
20
3.存储器(记忆装置)
(3)存储器的三大指标
容量(Capacity)+价格(Cost)+速度(Speed) 容量大 速度 ，速度 成本 容量 采用分级存储方式来解决上述矛盾
主存
辅助软硬件
cache 主存 辅存
cache主辅存三级存储系统 主辅存两级存储系统
辅存
CPU
主存
辅存
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4.总线
Neumann原理可总结为三条（1946）:
(1) 指令像数据一样存放在存储器中，并像数据那 样进行处理； （2）要使用二进制； （3）要使用程序存储控制方式工作。
11
一、典型的冯· 诺依曼计算机硬件框图
存放数据 和程序 算术运算 逻辑运算