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。
第一章 计算机系统概述
《计算机组成与结构》
(3).存储器 – 内存 半导体存储器 与外存 磁盘、光盘等 存储器 内存(半导体存储器 与外存(磁盘 光盘等) 半导体存储器)与外存 磁盘、 功能：保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤。 功能：保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤。 存储介质：半导体存储器，由触发器构成， 存储介质：半导体存储器，由触发器构成，一个触发器 存放1bit。 存放 。 存储单元:保存一个数的多个触发器 称为一个存储单元。 保存一个数的多个触发器,称为一个存储单元 存储单元 保存一个数的多个触发器 称为一个存储单元。 存储单元的标识：单元地址，每个存储单元的编号。 存储单元的标识：单元地址，每个存储单元的编号。 存储容量:存储器所有存储单元的总容量 常用单位“ 、 存储器所有存储单元的总容量。 存储容量 存储器所有存储单元的总容量。常用单位“KB、 MB”表示 如64KB,128MB。存储容量越大 则计算机可 表示,如 表示 。存储容量越大,则计算机可 记忆储存的信息越多。 记忆储存的信息越多。 存储内容：无论是程序还是数据，均用二进制代码表示。 存储内容：无论是程序还是数据，均用二进制代码表示。 主机 = 中央处理器 + 主存储器
《计算机组成与结构》
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.
在计算机中各部件间来往的信号可分成三种 类型，即地址、数据和控制信号。通常这些 信号是通过总线传送的， CPU发出的控制信 号，经控制总线送到存储器和输入输出设备， 控制这些部件完成指定的操作。与此同时， CPU（或其他设备）经地址总线向存储器或 输入输出设备发送地址，使得计算机各个部 件中的数据能根据需要互相传送。
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
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。
第1章 计算机系统概述
1.4.2 电子 计算机的发展简史
• 第一代 电子管时代 电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言， 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 • 第二代 晶体管时代 晶体管时代(1958-1965) 变集中处理为分级处理，浮点运算、 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 • 第三代 中小规模集成电路时代 中小规模集成电路时代(1965-1970) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次 秒 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒 • 第四代 大规模集成电路时代 大规模集成电路时代(1971至今 至今) 至今 向大型机和微型机两个方向发展 • 现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 巨型化，微型化，网络化，智能化， 根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番，今后可再用 年 根据摩尔定律集成电路大体上每 个月翻一番，今后可再用10年。 个月翻一番
计算机组成与结构
清华大学 王爱英主编 主讲 马洪连
第一பைடு நூலகம்计算机系统概论
1.1 计算机的语言 自然语言：人类相互交流信息所用的语言 自然语言 高级语言：由于当前的计算机还不具备理解自然 高级语言 语言的能力，于是人们希望找到一种和自然语言 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 。 机器语言：然而目前的通用计算机不会直接执行 机器语言 用高级语言编写的程序，因而要先将其翻译成机 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）。 汇编语言：符号式程序设计语言。 汇编语言
1.4.3 计算机的六大分类
• 巨型机——世界几家公司生产，最快1.4万亿次，9千个CPU组成 Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河I, 银河II, 银河III • 小巨型机——功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速 美国Convex公司的C系列机为其代表产品。 • 大型机——大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调 度主机资源，代表产品有IBM360，370，4300等。 • 小型机——它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用， 典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列，国产太级 • 工作站——用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。 典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。 • 微型机——个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉
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。
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）
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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。
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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）
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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______。
第1章 计算机系统概述
第1章 计算机系统概述
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 计算机概论 计算机系统的组成 计算机的分类 计算机的信息表示 思 考 题
1.1 计算机概论
1.1.1 计算机的发展历史和发展趋势
第一台计算机产生于1946年,美国 按计算机采用的电子逻辑器件划分为四代：
第一代：电子管 第二代：晶体管 第三代：中小规模集成电路 第四代：大规模集成电路
| 小数位 尾数部分
1.4 计算机的信息表示
1.4.3 常用的数据编码
BCD码
BCD码也叫做8421码，是一种二进制的数字编码形式，用4位 二进制数来编码1位十进制数。例：(8765)10=(1000 0111 0110 0101)8421
字符编码
常用的字符有十进制数字符号0～9，大小写的英文字母，各种 运算符、标点符号等。为了便于计算机识别与处理，这些字符 在计算机中是用二进制形式来表示的，通常称为字符的二进制 编码。国际上通用的是美国标准信息交换码(American Standard Code for Information Interchange，ASCII)。
汉字编码
根据国标GB 2312—1980规定，全部国标汉字及符号组成 94×94的矩阵，在这个矩阵中，每一行称为一个“区”，每 一列称为一个“位”。这样，就组成了94个区(01～94区)，每 个区内有94个位(01～94)的汉字字符集。
1.5 思考题
1. 计算机的发展经历了哪几代？每一代的特点是什么？ 2. 计算机系统的基本组成是什么？每一部分又包括哪些内容？ 3. 简述计算机的应用主要包含哪些方面。 4. 微型计算机可以分为哪几类？每一类的特点是什么？ 5. 将下列十进制数转换为BCD码：6021、9257、7368。 6. 计算机能够直接识别和处理的语言是什么？ 7. 微型计算机中普遍使用的字符编码是什么码？ 8. 根据传送内容的不同，总线分为哪几种？ 9. 分别说出3款台式机品牌名称和3款笔记本电脑品牌的名称。 10. 比较一下笔记本电脑、移动PC和一体化电脑有什么不同。 11. 字节是计算机中最常用、最基本的存储单位，用什么来表示？一般英 文字符是多少个字节？而汉字是由几个字节构成的？
第1章 计算机系统概述
2．运算器 运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件
，经常进行的运算是算术运算和逻辑运算。
息的存储和交流的中心。 4．输入设备 输入设备用于输入原始数据和程序等信息。 常用的输入设备有键盘、鼠标、光电输入机 等。
3．存储器 存储器用来存储程序和数据，是计算机各种信
5．输出设备 输出设备用于输出计算结果和各种有用信息
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第1章
计算机系统概述
1982年采用大、中规模集成电路研制成16位 的DJS-150机。 1983年国防科技大学推出向量运算速度达一亿 次的银河I巨型计算机。1992年向量运算速度达10亿 次的银河Ⅱ投入运行。1997年银河Ⅲ投入运行，速 度为130亿次每秒，内存容量为9.15GB。 1999年具有世界水平的大规模并行计算机系统 神威I号研制成功，其最高运算速度达每秒3840亿次 浮点运算。 2002年，国内第一台万亿次超级计算机——联 想深腾诞生。
（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输 入设备、输出设备五大部件构成。
（2）采用存储程序的方式，将程序和数据放 在同一存储器中，参加运算。 （3）采用二进制码表示数据和指令。 （4）指令由操作码和地址码组成。
（5）以运算器为中心，输入输出设备与存储 器间的数据传送都通过运算器。
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第1章
2. 按用途分类：
计算机系统概述
通用计算机 ：功能齐全、通用性强 ；
专用计算机 ：功能单一、可靠性高，作为军 事、工业控制等方面的专用设 备；
一般所讲的计算机都是通用计算机 。
3. 按计算机的规模分类： 巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机。
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）。
第一章计算机发展史计算机系统的组成
• 冯.诺依曼结构计算机存储程序的计算机方案包 含的三个要点 • 1.采用二进制数的形式表示数据和指令 • 2.将指令和数据安执行顺序都存放在存储器中 • 3.由控制器、运算器、存储器、输入设备和输 出设备五大部分组成计算机。 • 其工作核心是存储程序和程序控制
计算机的特点和分类
1.计算机的主要特点 （1）运算速度快。现在的电子计算机可以达到每秒上亿次，甚至更高。 （2）计算精度高。电子计算机的计算精度是其他计算工具无法相比的。 （3）具有记忆和逻辑判断能力。 （4）程序进行自动化。计算机与以前的所有计算工具本质区别在于它 能摆脱人的干预，自动、连续地进行各 种操作。
控制器
运算器 存储器
大容量存储器
存储 器
存放程序 和数据
执行算术运算 和逻辑运算
I/O设备 I/O子系统
计算机系统的硬件组成 输入/输出设备
常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。 常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪等。
微型计算机的基本组成
（1）计算机硬件系统
• 计算机硬件系统由五部分构成 • 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。 • 1、输入设备：输入设备是用来向计算机主机输入程序和数 据的设备。 • 2、运算器（ALU）：是计算机中进行算术运算和逻辑运算 的部件。 • 3、控制器：是统一控制和指挥计算机各个部件协调工作的 部件。 • 运算器和控制器合称为中央处理器（CPU）是计算机的核心 部件。 • 4、存储器：是用来存储程序和数据的部件把数据从存储器 中取出的过程称为读，把数据存入存储器的过程称为写存 储容量用B、KB、MB、GB等单位表示通常将存储器分为内 存储器和外存储器。
国于1980年制定的国家标准GB2312—80，代号为
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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• 1944年，哈佛大学德霍华德·埃肯博士和IBM公司的一个 工程师小组合作，以100万美元的巨资研制了一台称为 Mark－I的计算机。它的体积很大（高8英尺，长55英尺）， 速度也很慢（执行一次乘法操作需要3－5秒）。而且Mark －I仅一部分是电子式的，另一部分仍然是机械式的。
第一章《计算机系统简介》
计算机系统的发展历程 计算机系统的应用 数据在计算机系统中的表示方法
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1
计算机与人工智能
• 计算机行业的梦想
– 让计算机（Computer）能像人一样 地思考，与人自然交流，
– 人工智能（Artificial Intelligence）
• 图灵测试
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⑷ 第四代电子计算机（1971年到1980年）：采用中、 大规模集成电路构成逻辑电路。
(5)第五代电子计算机 （1981年以后）：采用超大规
202模0/7/2集成电路构成逻辑电路。
7
1．第一代计算机（1946－1957）
• 计算机的早期研究是从20世纪30年代末开始的。当时英国 的数学家艾伦·图灵在一篇论文中描述了通用计算机应具 有的全部功能和局限性，这种机器称为图灵机。
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பைடு நூலகம்
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• 由于第二代计算机使用了晶体管，与第一代计算机 相比，它的体积小、速度快、能耗低、可靠性高。 由于高级程序设计语言的广泛使用，将计算机从少 数专业人员手中解放出来，成为广大科技人员都能 够使用的工具，推进了就计算机的普及与应用。
• 这个时期典型的计算机有IBM公司生产的 IBM7094和CDC(Control Data Corporation， 控制数据公司)生产的CDC1640计算机等。
• 1965年，DEC（Digital Equipment Corporation，数字 设备公司）推出了第一台商业化的使用集成电路为主要器 件的小型计算机PDP－8，从而开创了计算机发展史上的 新纪元。
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• 第三代计算机的共同特点是：用小规模或中规模的 集成电路来代替晶体管等分立元件；用半导体存储 器代替磁心存储器；使用微程序设计技术简化处理 机的结构；在软件方面则广泛引入多道程序、并行 处理、虚拟存储系统以及功能完备的操作系统，同 时还提供了大量的面向用户的应用程序。
机来完成。
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按照计算机所用的逻辑元件（电子器件）来划分 计算机的时代：
⑴ 第一代电子计算机(1946年到1957年）：基本逻辑 电路由电子管组成。
⑵ 第二代电子计算机（1958年到1964年）：基本逻 辑电路由晶体管电子元件组成。
⑶ 第三代电子计算机（1965年到1970年）：基本逻 辑电路由小规模集成电路组成。
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2．第二代计算机（1958－1964）
• 第二代计算机的主要特点是：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；利用了 I/O处理机提高了输出能力；在软件方面配 置了子程序库和批处理管理程序，并且推 出了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高 级程序设计语言及相应的编译程序。
• ENIAC的诞生，开创了第一代电子计算机地新纪元。
• 1953年，IBM公司生产了第一台商业化的计算机IBM701。 随后，IBM公司共计生产了19台这种型号的计算机，满足 了当时的需要。
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• 第一代计算机的共同特点是：逻辑器件使 用电子管；用穿孔卡片机作为数据和指令 的输入设备；用磁鼓或磁带作为外存储器； 使用机器语言编程。虽然第一代计算机的 体积大、速度慢、能耗高、使用不便且经 常发生故障，但是它一开始就显示了强大 的生命力。
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1.1 计算机系统的发展历程
1．计算机的诞生 世界上第一台电子数值积分计算机诞生于1946年。
2．计算机的发展历程
计算机从处理数据的方法上分成模拟式计算机和 数字式计算机。
模拟机是以连续变化的物理量表示所测量的数据
来模拟某一变化过程，它主要用于仿真研究。数字机
则以数字量表示数据。模拟机所做的工作都可由数字
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3．第三代计算机（1965－1971）
• 1958年，第一个集成电路（integrated circuit，IC）问世。
• 所谓集成电路是将大量的晶体管和电子线路组合在一块硅 晶片上，故又称其为芯片。小规模集成电路每个芯片上的 元件数为100个以下，中规模集成电路每个芯片上则可以集 成100－10000个原件。
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计算机与人工智能
• 1997年，IBM公司研制的深蓝超级计算 机在一场“人机大战”中打败了国际象棋 大师卡斯帕罗夫
– 被誉为“人工智能的一大胜利”
• 深蓝的主要研制者之一许峰雄博士：
– 胜利靠的只是不知疲倦地高速运算，并不是什 么智能
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计算机与信息技术
• 计算机技术与通信技术结合，构成了信息技 术（Information Technology），诞生了一 个新词：IT
• 嵌入式系统是IT未来的主要发展方向之一
– 典型的嵌入式系统有：机器人、手机和智能家电 等
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计算机
• 计算机是用来延伸人的能力的工具，需要 人来驾驭
• 我们的职责是让非计算机专业的人更容易 驾驭它
• 完成这一目标的主要手段之一就是
“编程（Programming）”
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• 1946年，宾夕法尼亚大学的约翰·莫克莱博士和他的研究 生普雷斯帕·埃克特一起研制了称为ENIAC（电子数字积 分计算机），它被公认为是世界上第一台电子计算机。 ENIAC是一个庞然大物，全机共使用了18000多个电子管， 1500多个继电器，占地167平方公尺。ENIAC的运算速度达 到每秒钟5000次，这是划时代的“高速度”。特别是采取 了普林斯顿大学数学教授冯·诺依曼“存储程序”的建议， 即把计算机程序与数据一起存储在计算机中，从而可以方 便地返回到前面地指令或反复执行，解决了ENIAC在操作 上地不便。