2017年江苏省专转本计算机复习资料汇总第2章

计算机系统
计算机硬件 系统软件 计算机软件
计算机软件是指在计算机中 运行的各种程序及其处理的 数据和相关的文档
应用软件 文字处理 通信 ··· 娱乐
计算机是一个复杂的系统
复杂性：硬件由数以亿计的元器件组成，软件由数以亿计的指令组成 多样性：硬件与光、电、声等有关，软件与数学、逻辑···等有关 层次性：分层(hierarchical) 结构
A计算机的程序不能在B计算机上直接运行， B计算机的程序也不能在A 计算机上直接运行
2.2.3 CPU的性能指标
如何衡量CPU的性能？
计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢，
它由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显 卡等，但通常CPU是主要因素
CPU性能高低的主要指标是CPU的速度，有2种衡
量方法：
1.
计算每秒钟可执行的指令数目（单位：MIPS、 MFLOPS）
2.
使用常用软件（办公软件、数字媒体处理软件和3D 游戏等）的执行速度来衡量CPU的性能
影响CPU性能的主要因素(之一)
CPU的字长（位数）

目前PC使用的CPU大多是32位处理器，新一代的PC 机将使用64位处理器
主频（CPU时钟频率）
CPU的任务
CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对
数据进行操作
存储数据 和指令 执行指令 处理数据
存储器
指令，数据
中央 处理器
处理结果
CPU的结构和任务
CPU主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成 CPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作
已经启动运行 的程序和数据
存放待执行 指令的地址
hardware
指令是什么？
指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指令是构
成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的
指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组
成： 操作码
指出CPU应执行何种操作的一 个命令词，例如加、减、乘、 除、取数、存数等
操作数地址
指出该指令所操作(处理)的数 据或者数据所在位置
按总线上传输信号分类
数据总线、地址总线、控制总线
2.1.3 计算机的分类
计算机的分类（1）
按内部逻辑结构分类

8位/16位/32位/64位 单CPU/多CPU

· · ·
巨型计算机 (supercomputer)
按性能和价格分类



大型计算机
小型计算机 个人计算机 (personal computer)
指令1 指令2 指令k 指令n
程 序
外存储器
⑤任务完成后 ，将处 理得到的全部结果成 批传送到外存以长久 保存
数据1 数据2 数据m
内 存 储 数 器
据
②CPU 从内存中逐条 读取该程序的指令及 相关的数据
CPU
③CPU 逐 条 执行指令,按 指令要求完 成对数据的 运算和处理
④将指令的运算处理 结果送回内存保存
什么是嵌入式计算机？
把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路
全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为 “单片计算机”或“嵌入式计算机” 用途举例：内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置， 例如

数码相机、MP3播放器、手机、计算机外围设备、汽车、 机顶盒等
特点： 功能固定、专用，软件固化在芯片上，通常不能改变 大多应满足实时信息处理的要求 以最低成本满足应用要求 能适应恶劣工作环境
2.2 CPU的逻辑结构 与工作原理
2.2.1 CPU的逻辑结构
2.2.2 CPU的性能指标
2.2.1 CPU的逻辑结构
冯· 诺依曼计算机的结构与原理
存储器 中央 处理器
输入设备
运算器和控制器
输出设备
(1) 计算机包括运算器、存储器、控制器、I/O设备；
(2) 程序(指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器 中；存储器中存放的指令和数据按地址进行存取 ； (3) 指令是由CPU一条一条顺序执行的，无需人工干预。
(简称内存或主存)
外存储器
(简称外存或辅存)
存取速度 很快 存储容量 较小(因单位成本较高) 性质 断电后信息消失
较慢 很大(因单位成本较低) 断电后信息保持
用途
存放已经启动运行的程序 和需要立即处理的数据
长期存放计算机系统中几乎所有 的信息
与CPU关 CPU所处理的指令及数据 程序及相关数据必须先送入内 系 直接从内存中取出 存后才能被CPU使用
“存储程序控制” 原理
将问题的解算步骤编制成为程序，程序连同它所处理的数
据都用二进位表示并预先存放在存储器中
程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的
数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到 程序执行完毕为止
①任务启动时，执行 该任务的程序和数据 从外存成批传送到内 存
第2章 计算机组成原理
2.1 计算机的组成与分类
2.2 CPU的结构与原理 2.3 PC机的主机 2.4 常用输入设备 2.5 常用输出设备
2.6 外存储器
2.1 计算机的组成与分类
2.1.2 计算机的组成
计算机是一个复杂系统
计算机硬件是计算 机系统中所有实际 物理装置的总称
运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备 操作系统 数据库管理系统 程序语言处理系统
IBM公司：Power5、Power6等（苹果的Macintosh使用）
同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性：

A计算机（使用新型号CPU）的程序不能在B计算机（使用老型号CPU） 上运行， B计算机的程序却能在A计算机上运行
不同公司的不同CPU产品其指令系统不同，它们互相不兼容：

指令1 指令2
存放待执行的 指令并进行译 码
程 序
指令地址 指令
指令计数器 指令寄存器
操作命令
指令k
指令n
控 制 器
中 央 处 理 器
内 数 存 据 储 器
数据1 数据2 数据m
操作数地址 数据
寄 存 器 组
运 算 器
完成规定的运 算
暂存等待处 理的数据
2.2.2 指令与指令系统
software
instruction set
举例: 10 02 06
把02存储单元和06存储单元中的内 容相加，和数保存在02单元
指令在计算机中的执行过程
1. 取指令：CPU的控制器从
存储器读取一条指令并放 入指令寄存器 2. 指令译码：指令寄存器中 的指令经过译码，决定该 指令应进行何种操作、操 作数在哪里 3. 执行指令 3.1 取操作数 3.2 进行运算 4. 修改指令计数器，决定下 一条指令的地址
计算机硬件的逻辑结构 1
经典计算机的逻辑结构（冯.诺依曼计算机）
存储器
输入设备
运算器和控制器
输出设备
（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）
计算机硬件的逻辑结构 2
现代计算机的逻辑结构
CP U
中央处理器 (运算器及其控制) 内存储器
memor y
总线(bus)
I/O设备通过I/O接 口与各自的控制器 连接，然后由控制 器与I/O总线相连
寄存器内存 内存寄存器
Intel 奔腾处理器的指令系统由于历史的原因，并
不符合上述原则！
关于奔腾4系列的指令系统
产品发展过程为：8088（8086）→80286 →80386→80486
→Pentium→Pentium PRO→Pentium II →Pentium III →Pentium 4 →奔腾D→奔腾至尊→酷睿→酷睿2

除了CPU之外，计算机中还有哪些处理器？
(4) 存储器
地址
00000 00001 00010 00011 00100
01101001
存储内容
10101010
· · · · · · ·
功能：

· · · · ·
储存以二进位形式表示的程序和数据
分类：内存储器/外存储器
11110 11111
内存储器

作为服务器 (server)使用
曙光4000A巨型计算机
笔记本PC
台式PC 平板 工作站 (workstation)
独立使用或作为 客户机(client)使用
2.1.4 微处理器 和嵌入式计算机
什么是微处理器？
微处理器（MPU ）是使用单片大规模集成电路制成的、
具有运算和控制功能的电子部件，例如:
Intel 8080 chip
什么是中央处理器(CPU)？
计算机中通常有多个不同的处理器，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
多数个人计算机只有1个CPU，但有一些计算机包
含有2个、4个、8个甚至成百上千个CPU
问题：
指令执行周期
1 取指令
2 指令译码
3 执行指令 4 修改指 令计数器
关于指令系统
CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统，
即它的机器语言 指令应该简单，简单才能提高速度!
1. 2. 3.
操作功能要简单，不宜太多、太复杂 指令的格式要统一：固定长度、统一分段 操作数的来源要有限制： 算术逻辑运算指令的操作数只能来自寄存器 LOAD/STORE指令的操作数来自(或送到)内存
(2) 输出设备
输出(output)的双重含义：
1.把信息送出计算机的过程; 2.从计算机输出的内容
输出设备(output devices)

功能：从计算机输出信息 输出设备有多种，例如:

显示器——输出文字、符号和图形
打印机——打印文字、符号和图形 扬声器——输出声音

(多数)输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可 感知的形式(文字、符号、图形、声音等)
Intel 4004
Intel 8086
Intel 奔腾4
Intel 酷睿2
MPU是各种类型计算机的核心组成部分

用于执行系统软件和应用软件的MPU 称为“CPU” 目前几乎所有计算机的CPU使用的都是微处理器
除了用作CPU的通用微处理器之外， 还有许多专用的微
处理器产品：绘图处理器、通信处理器等



奔腾D 、奔腾至尊等又增加了SSE3指令
关于CPU的兼容性
不同公司生产不同的CPU产品：

Intel公司：Pentium系列、赛扬系列 、至强等 AMD公司：独龙、闪龙、炫龙等 SUN公司：Ultra SPARC处理器 HP公司： PA-RISC、Itanium 处理器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
互相兼容
输入设备(input devices)

功能：用来向计算机输入信息 输入设备有多种，例如:

键 盘 —— 输入文字、符号和命令 鼠标器——输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令 扫描仪——输入图片 麦克风——输入声音

输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中 的信息都使用二进位来表示
(3) 中央处理器(运算控制器)
什么是处理器(processor)？

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，特点是：

由数字电路组成，结构非常复杂 所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几 个平方厘米)，称为“微处理器” (microprocessor)
Intel 4004 chip
(5) 总线(bus)
功能：

用于连接CPU、内存、外存和各种I/O设备并在它们之间传
输信息的一组共享的传输线及其控制电路
按连接方式分类

系统总线：连接CPU、内存、I/O接口的总线 CPU总线（或前端总线） ：用于连接CPU和内存的总线 I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线
为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式”开发新的处理
器，即所有新处理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充 功能更强的新指令。例如：

Pentium比80386增加了的80多条浮点指令，
Pentium II比Pentium增加了50多条处理多媒体信息的指令 （Multimedia Extension，称为MMX）， Pentium III比Pentium II增加了70条处理128位长操作数的流式单 指令多数据指令(Streaming SIMD Extention,SSE) Pentium 4又比Pentium III 增加了144条指令（称为SSE2）
控制器
控制器 I/O接口 输入设备
控制器 I/O接口 输出设备
控制器 外存储器接口 外存储器
storag e
与经典计算机结构相比的3个变化：

集中控制→分散控制 存储器→内存储器＋外存储器 通过CPU通信→通过总线进行通信
(1) 输入设备
输入(input)的双重含义：
1.把信息送入计算机的过程; 2.向计算机输入的内容