第1章计算机系统简介
第1章 微型计算机系统概述
【学习目标】 了解微型计算机的发展。 了解微型计算机的特点。 认识微型计算机系统的组成。 了解微型计算机的主要性能指标。
1.1 微型计算机概况
世界上第一台电子计算机早在1946年就诞生了，然而微 型计算机在1971年才问世，它具有众多优点，其应用更 加广泛。微型计算机（见图1-1）具有体积小、重量轻、 耗电少、性价比最优、可靠性高、结构灵活等特点，其 应用深入到社会生活中的各个领域，并取得了飞速的发 展。计算机不仅能够完成数学运算，而且还可以进行逻 辑运算，同时还具有推理判断的能力。因此，人们又称 它为电脑。现在，科学家们正在研究具有思维能力的智 能计算机。随着科学技术的发展，人们对计算机的认识 也在不断地深入
操作系统方面
主流的操作系统有Linux、UNIX （System Ⅴ、UNIX BSD、SCO UNIX、 Solaris等）、Windows系列（现在主要有 Windows 98、Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Windows 2003、 Windows CE等）等。
图1-1 现代微型计算机
1.1.1 微型计算机的发展
现将有关计算机中央处理器（CPU）的一些基本概念介绍 如下： 中央处理器（CPU）是指把运算和控制功能集成在一起的 那块芯片，这块芯片俗称主机。 微型计算机系统是由中央处理器（CPU）配上一定容量的 存储器（或内存）、接口电路以及必要的外部设备组成。 单板机是指把CPU、一定数量的存储器芯片和I/O接口芯 片装在一块印刷电路板上，并在该板上配以具有一定功能的 输入、输出设备。 单片机是指把CPU、一定容量的存储器和必要的I/O接口 电路集成在一个硅片上。有的单片机还包括模数（A/D）和 数模（D/A）转换器。
第1章 计算机概述
计算机概述
第一章 计算机概述
第一章
计算机概述
第一章 计算机概述
1.1 1.2 1.3 1.4 计算机的发展历程 计算机的应用 计算机系统简介 计算机硬件的组成
第一章
计算机概述
第1章 计算机概述 章
1.1 计算机的发展历程
电子计算机又称电脑，是一种能够自动、高 速、精确地完成各种信息存储、数据处理、数值 计算、过程控制和数据传输的电子设备。1946年 2月，世界上第一台电子计算机（如图1-1所示） 在美国宾夕法尼亚大学问世，取名为ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Computer）。
第一章
计算机概述
图1-1 第一台电子管计算机
第一章
计算机概述
第一代（1946年—1956年）是电子管计算机 第一代 （如图1-2所示）。这个时期使用的逻辑元件是电 子管，也称电子管时代。主存储器先采用延迟线， 后采用磁鼓磁芯，外存储器使用磁带。软件方面 使用机器语言和汇编语言编写程序。这个时期计 算机的特点是：体积庞大、运算速度低（一般每 秒几千次到几万次）、成本高、可靠性差、内存 容量小。这个时期的计算机主要用于科学计算， 从事军事和科学方面的工作。其代表机型有 ENIAC、IBM650（小型机）、IBM709（大型机） 等。
第一章
计算机概述
1.2 计算机的应用 1.2.1 科学计算 科学计算也称数值计算。计算机最初是为解 决科学研究和工程设计中遇到的大量数学问题的 数值计算而研制的计算工具。随着现代科学技术 的进一步发展，数值计算在现代科学研究中的地 位不断提高。如在自然科学中的数学、物理、化 学、天文、地理等领域；在工程技术的航空、汽 车、造船、建筑等领域，都少不了计算机。特别 是在尖端科学领域中显得尤为重要。例如导弹、 飞船、卫星研究设计，都离不开计算机的精确计 算。
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；
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。
第一章微型计算机系统概述
计算机一次能处理的二进制数字的位数。取决于微处理 器的内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度
3. 微处理器的集成度
微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 Pentium 310万管/片
4. 内存容量
是CPU可以直接访问的存储器，内存大小反映了计 算机即时存储信息的能力；
以上只是一些主要性能指标，还须综合考虑其他因素。
一、 二，八，十，十六进制数
十进制数的两个主要特点：
1. 有十个不同的数字符号：0, 1, 2, … 9。 2. 遵循“逢十进一”原则。
一般地，任意一个十进制数N都可以表示为：
N=Kn-1×10n-1+Kn-2 ×10n-2+······+K1×101+K0×100
+
m
K-1×10-1+K-2×10-2+······+K-m×10-m = Ki 10 i
i n 1
*基数：数制所使用的数码的个数
*权：数制中每一位所具有的位值.
整数部分 小数部分
式中，10称为十进制数的基数，i表示数的某一位，10i 称该位 的权，Ki 表示第I位的数码。 Ki 的范围为0~9中的任意一个数
设基数用R表示，则对于二进制，R=2, Ki为0或1， 逢二进一。
m
N= Ki 2i i n1
4. 按体积大小分：
(1) 台式机(又称桌上型) (2) 便携式(又称可移动微机、笔记本型、
膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型)
四、微型计算机的主要性能指标
1. 运算速度
通常所说的计算机运算速度(平均运算速度)，是指每秒 钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”(MIPS) 来描述。
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）。
上海大学《计算机组成原理》笔记概要总结
计算机组成原理第一章—计算机系统概论1.1计算机系统的简介1. 计算机系统由硬件与软件两大部分组成2. 将高级程序语言翻译成机器语言的程序称为翻译程序，翻译程序有两种，一种是编译程序，一种是解释程序，编译与解释的区别在于，编译程序是将高级语言程序一次性翻译为机器语言程序，而解释程序是翻译一句，执行一句。
3. 高级语言经过编译程序翻译为汇编语言，汇编语言经汇编程序，翻译为机器语言程序1.2计算机的基本组成1.1945年冯诺依曼提出了"存储程序"的概念，冯诺依曼机特点：1. 计算机由存储器，运算器，控制器，输入设备与输出设备组成2. 指令与数据以同等地位存放在存储器内，按地址寻访3. 指令与数据均按二进制数表示4. 指令由操作码与地址码组成，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6. 计算机以运算器为中心，输入设备与输出设备的数据传送通过运算器来完成2.冯诺依曼机是由运算器为中心的，现代计算机是以存储器为中心的3.计算机的工作过程（必考）涉及的元器件：MAR(地址寄存器)，MDR(指令寄存器)，ALU(算数逻辑单元)，ACC(累加器)，MQ(乘商寄存器)，PC(程序计数器)，IR(指令寄存器)（掌握执行指令的全过程）4.机器字长：机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关5.存储容量：存储容量存储单元个数存储字长6.运算速度(可能出计算)：Vm = 1 / Tm 单位MIPS(百万指令每秒)CPI （执行每条指令所需要的时钟周期）= 1 / IPC(CPU每一周期执行指令的条数，一旦CPU设计完成，IPC的值不会变)第三章—系统总线3.1总线的基本概念总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的介质（总线的每条传输线可以传输1位二进制代码）3.2总线的分类总线按照数据传送方式可分为两类：1. 并行传输总线2. 串行传输总线按连接部件的不同可以分为三类（掌握加粗部分）：1. 片内总线(指芯片内部的总线)2. 系统总线3. 通信总线3.2.1片内总线概念：片内总线是指芯片内部的总线3.2.2系统总线系统总线是指CPU,I/O设备，主存各大部件的信息传输线按照系统总线的传输信息不同，可分为三类：1. 数据总线2. 地址总线3. 控制总线1.数据总线：双向传输总线，与机器字长与存储字长有关2.地址总线：单向传输总线，由CPU发出，主存的地址线位数与存储单元的个数有关3.控制总线：从单个来说传输是单向的，从总体来说传输的双向的3.2.3通信总线（了解即可）这类总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他操作系统之间的通信3.3总线特征与性能指标3.3.2总线性能指标1.总线宽度：总线宽度可以数据总线的宽度，用位来表示，例如8位，16位，32位2.总线带宽（要求会计算，且掌握提高总线速率的方式）：总线带宽可以理解为总线的传输速率，即单位时间上的传输数据的位数，通常用每秒传输的字节数来衡量，单位Mbps(兆字节每秒)例子：总线的频率为33Hz，总线宽度为32位，求总线带宽？33*（32/8）=132MBps3.总线复用：一条信号线上传输两种线号，例如，一条总线上即可传输地址信号，又可传输数据信号，此称之为总线复用3.3.3总线标准（掌握PCI,USB）1.PCI总线：为了提升总线性能，由Intel首先提出，PCI中文名称为外围部件互连，其最出名的特性为即插即用，即任何扩展卡插入系统便可直接工作，现在已推出了PCI-ExpressB总线：通用串行总线，真正的即插即用，这里的串行指的是串行通信，即使用一条数据线，将数据1位1位的进行传输，不可同时传输2位数据3.5总线控制1.为何使用总线控制？由于总线上连接着多个部件，什么时候由哪个部件发送信息，如何给信息传送定时，如何防止信息丢失，如何避免多个部件同时发送，如何规定接受信息的部件等一系列问题，都需要由总线控制器统一管理。
计算机组成原理：第一章-计算机系统体系结构
一计算机系统体系结构1.1 什么是计算机体系结构本章的第一个概念是计算机系统(computer system)。
计算机系统包括读取并执行程序的中央处理单元(CPU，保存程序和数据的存储器以及将芯片转换为实用系统的其他子系统。
这些子系统会使CPU与显示器、打印机、Internet等外部设备之间的通信变得更加容易。
•cpu(处理器): 计算机实际执行程序的部分•微处理器: 在单个硅片上实现的CPU•微机: 围绕微处理器构建的计算机计算机的性能既取决于CPU；也取决于其他子系统。
如果不能高效进行数据传输，仅仅提高CPU的性能是毫无意义的。
Figure 1:•信息(程序和数据): 保存在存储器中；计算机会使用不同类型的存储器，达到不同的目的。
–如果不能叫信息保存在正确的存储器，那么CPU的速度再快也将毫无意义–Cache: 保存常用的数据是高速专用的存储器。
–主存: 存放大量的工作数据，断电消失–辅存: 指磁盘等，用于存储海量的数据。
永久存储•组成计算机的各个子系统通过总线连接在一起，数据通过总线从计算机中的一个位置传递到另一个位置。
什么是计算机Figure 2:•输入: 指用户交给计算机的信息•输出: 指计算机返回给用户的信息可编程计算机接收两种类型的输入: 它将要处理的数据，以及准确描述要如何处理输入数据的程序。
程序不过是计算机所执行的完成给定任务的操作序列。
Figure 3:•CPU读程序并完成程序指定的操作。
内部使用寄存器来保存数据•存储器系统保存两类信息:程序，程序处理或产生的数据计算机从存储器中读出指令并执行这些指令(即完成或执行指令定义的动作)。
执行指令时，可能要从存储器中读出数据，对数据进行操作，将数据写回存储器。
寄存器是CPU内部用来存放数据的存储单元。
时钟提供了脉冲流,所有内部操作都在时钟脉冲的触发下进行。
时钟频率是决定计算机速度的一个因素程序执行过程Figure 4:CPU先读取一条指令；在CPU分析或解码指令；从存储器中读出这条指令所需的所有数据。
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”。
计算机组成原理目录
计算机组成原理目录目录如下：第1篇概论第1章计算机系统概论1.1 计算机系统简介1.1.1 计算机的软硬件概念1.1.2 计算机系统的层次结构1.1.3 计算机组成和计算机体系结构1.2 计算机的基本组成1.2.1 冯·诺依曼计算机的特点1.2.2 计算机的硬件框图1.2.3 计算机的工作步骤1.3 计算机硬件的主要技术指标1.3.1 机器字长1.3.2 存储容量1.3.3 运算速度1.4 本书结构思考题与习题第2章计算机的发展及应用2.1 计算机的发展史2.1.1 计算机的产生和发展2.1.2 微型计算机的出现和发展2.1.3 软件技术的兴起和发展2.2 计算机的应用2.2.1 科学计算和数据处理2.2.2 工业控制和实时控制2.2.3 网络技术的应用2.2.4 虚拟现实2.2.5 办公自动化和管理信息系统2.2.6 CAD/CAM/CIMS2.2.7 多媒体技术2.2.8 人工智能2.3 计算机的展望思考题与习题第2篇计算机系统的硬件结构第3章系统总线3.1 总线的基本概念3.2 总线的分类3.2.1 片内总线3.2.2 系统总线3.2.3 通信总线3.3 总线特性及性能指标3.3.1 总线特性3.3.2 总线性能指标3.3.3 总线标准3.4 总线结构3.4.1 单总线结构3.4.2 多总线结构3.4.3 总线结构举例3.5 总线控制3.5.1 总线判优控制3.5.2 总线通信控制思考题与习题第4章存储器4.1 概述4.1.2 存储器的层次结构4.2 主存储器4.2.1 概述4.2.2 半导体存储芯片简介4.2.3 随机存取存储器4.2.4 只读存储器4.2.5 存储器与CPU的连接4.2.6 存储器的校验4.2.7 提高访存速度的措施4.3 高速缓冲存储器4.3.1 概述4.3.2 Cache—主存地址映射4.3.3 替换策略4.4.1 概述4.4.2 磁记录原理和记录方式4.4.3 硬磁盘存储器4.4.4 软磁盘存储器4.4.5 磁带存储器4.4.6 循环冗余校验码4.4.7 光盘存储器思考题与习题附录4A 相联存储器第5章输入输出系统5.1 概述5.1.1 输入输出系统的发展概况5.1.2 输入输出系统的组成5.1.3 I/O设备与主机的联系方式5.1.4 I/O设备与主机信息传送的控制方式5.2 I/O设备5.2.1 概述5.2.2 输入设备5.2.3 输出设备5.2.4 其他I/O设备5.2.5 多媒体技术5.3 I/O接口5.3.1 概述5.3.2 接口的功能和组成5.3.3 接口类型5.4 程序查询方式5.4.1 程序查询流程5.4.2 程序查询方式的接口电路5.5 程序中断方式5.5.1 中断的概念5.5.2 I/O中断的产生5.5.3 程序中断方式的接口电路5.5.4 I/O中断处理过程5.5.5 中断服务程序的流程5.6 DMA方式5.6.1 DMA方式的特点5.6.2 DMA接口的功能和组成5.6.3 DMA的工作过程5.6.4 DMA接口的类型思考题与习题附录5A ASCⅡ码附录5B BCD码附录5C 奇偶校检码第3篇中央处理器第6章计算机的运算方法6.1 无符号数和有符号数6.1.1 无符号数6.1.2 有符号数6.2 数的定点表示和浮点表示6.2.1 定点表示6.2.2 浮点表示6.2.3 定点数和浮点数的比较6.2.4 举例6.2.5 IEEE754标准6.3 定点运算6.3.1 移位运算6.3.2 加法与减法运算6.3.3 乘法运算6.3.4 除法运算6.4 浮点四则运算6.4.1 浮点加减运算6.4.2 浮点乘除法运算6.4.3 浮点运算所需的硬件配置6.5 算术逻辑单元6.5.1 ALU电路6.5.2 快速进位链思考题与习题附录6A 各种进位制6A.1 各种进位制的对应关系6A.2 各种进位制的转换附录6B 阵列乘法器和阵列除法器附录6C 74181逻辑电路第7章指令系统7.1 机器指令7.1.1 指令的一般格式7.1.2 指令字长7.2 操作数类型和操作类型7.2.1 操作数类型7.2.2 数据在存储器中的存放方式7.2.3 操作类型7.3 寻址方式7.3.1 指令寻址7.3.2 数据寻址7.4 指令格式举例7.4.1 设计指令格式应考虑的各种因素7.4.2 指令格式举例7.4.3 指令格式设计举例7.5 RISC技术7.5.1 RISC的产生和发展7.5.2 RISC的主要特征7.5.3 RISC和CISC的比较思考题与习题第8章 CPU的结构和功能8.1 CPU的结构8.1.1 CPU的功能8.1.2 CPU结构框图8.1.3 CPU的寄存器8.1.4 控制单元和中断系统8.2 指令周期8.2.1 指令周期的基本概念8.2.2 指令周期的数据流8.3 指令流水8.3.1 指令流水原理8.3.2 影响流水线性能的因素8.3.3 流水线性能8.3.4 流水线中的多发技术8.3.5 流水线结构8.4 中断系统8.4.1 概述8.4.2 中断请求标记和中断判优逻辑8.4.3 中断服务程序入口地址的寻找8.4.4 中断响应8.4.5 保护现场和恢复现场8.4.6 中断屏蔽技术思考题与习题第4篇控制单元第9章控制单元的功能9.1 微操作命令的分析9.1.1 取指周期9.1.2 间址周期9.1.3 执行周期9.1.4 中断周期9.2 控制单元的功能9.2.1 控制单元的外特性9.2.2 控制信号举例9.2.3 多级时序系统9.2.4 控制方式9.2.5 多级时序系统实例分析思考题与习题第10章控制单元的设计10.1 组合逻辑设计10.1.1 组合逻辑控制单元框图10.1.2 微操作的节拍安排10.1.3 组合逻辑设计步骤10.2 微程序设计10.2.1 微程序设计思想的产生10.2.2 微程序控制单元框图及工作原理10.2.3 微指令的编码方式10.2.4 微指令序列地址的形成10.2.5 微指令格式10.2.6 静态微程序设计和动态微程序程序设计10.2.7 毫微程序设计10.2.8 串行微程序控制和并行微程序控制10.2.9 微程序设计举例思考题与习题附录10A PC整机介绍10A.1 主板10A.1.1 主板的主要组成部件10A.1.2 CPU芯片及插座(插槽)10A.1.3 内存条插槽10A.1.4 扩展插10A.1.5 配套芯片和器件10A.1.6 主板结构的改进10A.2 芯片组10A.2.1 芯片组的功能10A.2.2 芯片组的组成《计算机组成原理》是2008年1月1日高等教育出版社出版的图书，作者是唐朔飞。
《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1章__计算机系统基础
1.3.2 指令和指令系统
指令：能被计算机识别并执行的二进制代码， 它规定了计算机能完成的某一种操作。
指令组成：操作码+操作数 指令系统：一台计算机所有指令的集合，包
括数据传送指令，数据处理指令，程序控制 指令，输入/输出指令和其他指令。
37
1.3.2 指令和指令系统
指令的执行：主要由“取指令”，“指令译码”， “指令执行”，“结果写回”四种基本操作构成， 这个过程不断重复进行。
超级计算机集群“红杉”（Sequoia）
21
1.2.2 大型计算机
我国国防科技大学研制的“天河1号”计算机， 2010年11月排名世界500强计算机第1名
“天河1号”计算机性能：
2560个计算节点，6144个3.0GHz的Intel Xeon处理 器，2560片显卡，内存总容量为98TB
点对点通信带宽：40Gbit/s 峰值计算速度：每秒钟2570万亿次。
49
1.4.2 CPU系统
CPU的组成
50
1.4.2 CPU系统
英特尔公司CPU产品
酷睿（Core）系列，主要用于台式微机和笔记本 微机。
至强（Xeon）系列，主要面向PC服务器。 凌动（Atom）系列，主要用于平板微机。
51
1.4.2 CPU系统
CPU技术性能
系统结构，指令系统，处理字长，工作频率，高 速缓存容量，加工线路宽度，工作电压等。
（2）硬盘 机械硬盘和电子硬盘（SSD）
63
1.4.4 存储系统
机械硬盘和电子硬盘的比较
64
1.4.4 存储器系统
硬盘容量
320GB，500GB，1TB，2TB或更高。
硬盘尺寸
3.5英寸、2.5英寸等。
计算机组成原理考试题库(无答案)
【章节】第一章计算机系统概述【知识点】1、计算机系统简介2、计算机的基本组成3、计算机硬件的主要技术指标【单选题】1．运算器的核心部件是。
A．数据总线 B．数据选择器C．累加寄存器 D．算术逻辑运算部件2．存储器主要用来。
A．存放程序 B．存放数据C．存放微程序 D．存放程序和数据3．至今为止，计算机中所含所有信息仍以二进制方式表示，其原因是。
A．节约元件 B．运算速度快C．物理器件性能决定 D．信息处理方便。
4．对计算机软、硬件资源进行管理，是的功能。
A．操作系统 B．数据库管理系统C．语言处理程序 D．用户程序5．微型计算机的发展以技术为标志。
A．操作系统 B．微处理器 C．硬盘 D．软件6．电子计算机的算术/逻辑单元、控制单元及主存储器合称为___。
A．CPU B．ALU C．主机 D．UP7．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．外围设备8．用户与计算机通信的界面是______。
A．CPU B．外围设备 C．应用程序 D．文本处理9．下列______属于应用软件。
A．操作系统 B．编译程序C．连接程序 D．文本处理10．下列______不是输入设备。
A．画笔及图形板 B．键盘 C．鼠标器 D．打印机11．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。
12．用户与计算机通信的界面是______。
A．CPU； B．外围设备；C．应用程序； D．系统程序。
13．在下列最能准确反映计算机主要功能的是。
A．计算机可以存储大量信息B．计算机能代替人的脑力劳动C．计算机是一种信息处理机D．计算机可实现高速运算。
14．计算机硬件能直接执行的只能是。
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答案：B 15．由0、1代码组成的语言称为______。
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。
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
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1.1 现代计算机的分类
1. 服务器:服务器主要分为网络服务器、打印服务器、 磁盘服务器和文件服务器等几种。服务器有容量很大的存 储器和快速的输入/输出通道，具有功能强大的处理能力和 连网能力。 2. 工作站:工作站是一种高档的微型计算机。 3. 台式机:台式机就是通常所说的微机，由主机箱、 CRT或LCD显示器、键盘、鼠标等设备组成，也称桌面机。 4. 便携机 :便携机也称笔记本电脑。 5. 手持机:手持机又称掌上电脑或亚笔记本电脑。
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1.5 微型计算机的性能评价
微型计算机的性能是由多种因素共同组成决定的，一般 应考虑以下几个方面。 1. 主频 2. 基本字长 3. 存储器容量大小 4. 运算速度 5. 指令系统的功能 6. 系统的兼容性 7. 系统的可靠性
2013年8月4日星期日2时57分51秒
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1.2 计算机系统的组成
1.2.2 计算机硬件系统组成 1. 控制器:控制器是整个计算机的指挥中心，由它从存储器取出程序中 的控制信息，经过分析后，按照要求给其他部分发出控制信号，使各部分 能够协调一致地工作。 2. 运算器:运算器是一个“信息加工厂”，大量数据的运算和处理工作 就是在运算器中完成的。其中的运算主要包括基本算术运算和基本逻辑运 算。 3. 存储器:存储器是计算机中用来存放程序和数据的地方，并根据指令 要求提供给有关部分使用。计算机中的存储器实际上是指由主存储器（内 存）、辅助存储器（外存）和高速缓冲存储器组成的存储器系统。
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第 1 章 计算机系统简介
1.1 现代计算机的分类 1.2 计算机系统的组成 1.3 微型计算机的硬件组成 1.4 微型计算机的软件2时57分51秒
计算机组装与维护技能实训教程(第3版)
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习 题
1．简述计算机系统由哪几部分组成，各部分的功能是 什么？ 2．什么是系统总线？它分哪几类？ 3．简述计算机的工作原理。 4．评价一个微型计算机有哪些指标？
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在计算机系统中，输入设备和输出设备通称为计算机的外部设 备。近几年来，随着多媒体技术的迅速发展，各种类型的音频、视 频设备都已列入了计算机外部设备的范围之内。
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1.3 微型计算机的硬件组成
目前从构成微 型计算机的功能 部件来看，主要 由主机、显示器、 键盘、鼠标和一 些其他的外部设 备组成，如图1.3 所示。
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1.3 微型计算机的硬件组成
根据光盘存储技术的不同，光盘驱动器可分为以下8种。 （1）CD-ROM（Compact Disk-Read Only Memory，只读光盘驱动器） （2）CD-R（可写光盘驱动器）/CD-RW（可擦写光 盘驱动器） （3）DVD-ROM（数字视频只读光盘驱动器） （4）DVD＋RW （5）DVD-RAM（数字视频可反复擦写光盘驱动器） （6）PD光驱 （7）MO （8）Combo
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1.3 微型计算机的硬件组成
1.3.4 微型计算机的输出设备——显示器和打印机
显示器和打印机是微型计算机常用的输出设备，它们的主要 功能就是将计算机的计算结果（包括中间结果和最终结果）显 示在显示器上或通过打印机打印在纸上，以便用户查看计算结 果或长期保存结果。
1.3 微型计算机的硬件组成
1.3.5 微型计算机中的信息通道——系统总线
系统总线是CPU与其他部件之间传送数据、地址和控制信息 的公共通道。根据传送内容的不同，可分为数据总线、地址总 线和控制总线，每组总线都由多根线组成。
1. 数据总线DB（Data Bus） 数据总线用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间传送数 据。 2. 地址总线AB（Address Bus）
1. 显示器:显示器通过显示卡接到系统总线上，两者一起构成 显示系统，显示器是微型计算机与用户进行交互不可缺少的部 件。
2. 显示卡:显示卡是连接CPU与显示器的接口电路。
3. 打印机:打印机是计算机上最为常用的输出设备。计算机上 常用的打印机主要有点阵式打印机、激光式打印机和喷墨式打 印机。
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1.4 微型计算机的软件系统
1.4.2 应用软件 应用软件是为了解决各类实际问题而设计的软件程序。 1. 字处理软件 2. 电子表格软件 3. 绘图软件 4. 课件制作软件 5. 网络通信软件
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计算机应用技术教研室
2013年8月4日星期日2时57分51秒
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内容简介
详细介绍了最新微型计算机系统的各个组成部件（如 主板、CPU、硬盘、显示器、显示卡、光驱、鼠标、键盘、 机箱、电源、声卡、打印机、扫描仪等）的组成、工作原 理、技术参数、常见型号、选购及硬件组装、BIOS参数设 置、软件的安装和驱动程序的设置，以及常见故障的检测 与维修技术等内容。
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1.3 微型计算机的硬件组成
（1）CPU:CPU（中央处理器）也叫微处理器，是一块 高度集成化的芯片，由运算器和控制器组成，是整个微型 计算机运算和控制的核心部件。 （2）内部存储器:内部存储器简称内存，是微型计算机 的数据存储中心，主要用来存储程序及等待处理的数据， 可与CPU直接交换数据。它由大规模半导体集成电路芯片 组成，其特点是存储速度快，但容量有限，不能长期保存 所有数据。 （3）扩展槽:扩展槽用来插入各种外部设备的适配卡。 选择主板时，应注意它的扩展卡数量和总线标准。其中， 前者反映主板的扩展能力；后者反映了主板的速度。
2013年8月4日星期日2时57分51秒
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1.2 计算机系统的组成
4. 输入设备
输入设备的主要作用是把程序和数据等信息转换成计算机所能 识别的编码，并按顺序送往内存。常见的输入设备有键盘、鼠标、 扫描仪、数码相机等。
5. 输出设备 输出设备的主要作用是把计算机处理的数据、计算结果等内部 信息按人们要求的形式输出。常见的输出设备主要有显示器、打印 机、绘图仪等。
2013年8月4日星期日2时57分51秒 计算机组装与维护技能实训教程(第3版)
1.3 微型计算机的硬件组成
3. 半导体存储器（闪存） 闪存采用半导体作为存储介质，作为一种新型的 EEPROM内存（电可擦可写可编程只读内存），它不仅具 有RAM内存可擦写、可编程的优点，而且还具有ROM内 存的写入数据在断电后不会消失的优点，因此从诞生之日 起，闪存就成了数码相机、闪盘等设备的最佳存储介质。 1.3.3 微型计算机的输入设备——键盘和鼠标 键盘和鼠标是现代微型计算机中最主要的输入设备，计 算机所需要处理的程序、数据以及各种操作命令都是通过 它们输入的。
地址总线用于CPU访问主存储器或外部设备时传送相关的地 址。3. 控制总线CB（Control Bus）
控制总线用于传送CPU对主存储器和外部设备的控制信号。
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1.4 微型计算机的软件系统
1.4.1 系统软件 系统软件是计算机设计者或厂商提供的使用和管理计算 机的软件，通常包括操作系统、语言处理系统、数据库管 理系统、各种服务程序及网络系统等。 1．操作系统 2. 计算机语言 3. 语言处理（翻译）程序 4. 常用服务性程序 5. 网络软件
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1.2 计算机系统的组成
1.2.1 计算 机系统概述 一个完整的 计算机系统是 由硬件系统和 软件系统两部 分组成的，如 图1.1所示。
图1.1 计算机系统的组成
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1.3 微型计算机的硬件组成
1.3.2 微型计算机的后援——外存储器 外存储器又称为辅助存储器（Auxiliary Memory）， 简称为辅存，是用来存放需要长期保存或相对来说暂时不 用的各种程序和数据的。 1. 磁存储器 磁存储器主要有软盘、硬盘和磁带等。目前应用最广泛 的磁存储设备有软盘、硬盘和磁带等。 2. 光盘存储器 光盘存储器使用激光进行信息的读写，比磁盘存储器具 有更大的存储容量，同时，具有信息保存时间长的优点。
1.2 计算机系统的组成
1. 硬件系统:硬件系统是指构成计算机系统的物理实体，主要 由各种电子部件和机电装置组成。硬件系统的基本功能是接受 计算机程序，并在程序的控制下完成数据输入、数据处理和输 出结果等任务。 2. 软件系统:软件系统是指为计算机运行提供服务的各种计算 机程序和全部技术资料。软件系统的任务是保证计算机硬件的 功能得以充分发挥，并为用户提供一个直观、方便的工作环境。 3. 二者关系:计算机硬件是构成计算机系统的物质基础，而计 算机软件是计算机系统的灵魂，二者相辅相成，缺一不可。
图1.3 微型计算机系统组成框图
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