第一章計算機系統(tǒng)概論

同學(xué)們大家好！謝謝大家的支持和協(xié)作！1/31/20231《計算機組成原理》

科學(xué)出版社教材：計算機組成原理

白中英主編第三版主講人：計算機科學(xué)與工程系李漢菊制作人：專升本200203班鄧偉課時60，機時12，4.5學(xué)分1/31/20232參考書目：1.計算機組成原理題解，題庫與實驗科學(xué)出版社第三版白中英楊春武主編2.計算機組成原理第二版華中科技大學(xué)出版社莫正坤高建生主編3.計算機組成與結(jié)構(gòu)清華大學(xué)出版社王愛英主編4.計算機原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清華大學(xué)出版社候炳輝主編5.計算機原理李勇1/31/20233課程安排：60學(xué)時第一章

計算機系統(tǒng)概論2學(xué)時第二章運算方法和運算器

12--14學(xué)時第三章存儲系統(tǒng)

10--12學(xué)時第四章指令系統(tǒng)2--4學(xué)時第五章中央處理器

10--12學(xué)時第六章總線系統(tǒng)4學(xué)時第七章外圍設(shè)備4--6學(xué)時第八章輸入輸出系統(tǒng)6--8學(xué)時復(fù)習(xí)2學(xué)時1/31/20234實驗安排：3個實驗12學(xué)時1.運算器組成實驗74181芯片2.半導(dǎo)體存儲器實驗2114芯片1K*4位3.時序電路實驗指導(dǎo)書：計算機組成原理實驗指導(dǎo)書王曉蘭編實驗指導(dǎo)老師：王曉蘭TEL：87543785實驗地址：南一樓807實驗時間：13，15，17周星期五下午：5—--8節(jié)（0201—0203班）星期五晚上：9—12節(jié)（0204---0206班）1/31/20235教學(xué)要求：計算機組成原理是計算機科學(xué)與工程系的一門核心必修課，在先導(dǎo)課和后繼課之間起著承上啟下的作用。學(xué)習(xí)這門課要求概念清晰,有較廣的知識面，注重培養(yǎng)自學(xué)能力,分析問題及動手設(shè)計,計算能力。每人準(zhǔn)備2個作業(yè)本。1/31/20236考核方式：全年級統(tǒng)一試卷平時成績：20分作業(yè)和到課情況10分實驗10分考試成績：80分

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第一章計算機系統(tǒng)概論1.1計算機的分類和應(yīng)用

1.1.1計算機的分類電子計算機從總體上分為兩大類:

電子模擬計算機和電子數(shù)字計算機。數(shù)字計算機分為:兩類

專用計算機和通用計算機。通用計算機分為:六類巨型機,大型機,中型機,小型機,微型機和單片機。

1/31/20238數(shù)字計算機和模擬計算機的主要區(qū)別

比較內(nèi)容數(shù)字計算機模擬計算機數(shù)據(jù)比較方式數(shù)字0和1電壓計算方式數(shù)字計數(shù)電壓組合和測量值控制方式程序控制盤上連線精度高低數(shù)據(jù)存儲量大小邏輯判斷能力強無1/31/20239通用計算機分類及比較單片機微型機小型機 中型機大型機巨型機 低高高低體積功耗數(shù)據(jù)存儲量指令系統(tǒng)價格簡易性1/31/2023101.1.2計算機的應(yīng)用計算機所以迅速發(fā)展,其生命力在于廣泛的應(yīng)用。歸納下面七個方面：1.科學(xué)計算2.自動控制3.測量和測試4.信息處理（商務(wù)處理和管理應(yīng)用）5.教育和衛(wèi)生6.家用電器7.人工智能1/31/202311計算機的特點:4點1.計算機具有自動進行各種操作的能力2.計算機具有高速處理的能力3.計算機具有超強的記憶能力4.計算機具有很高的計算精度與可靠的判斷能力1/31/202312計算機的發(fā)展階段1.1946年美國研制成功的ENIAC，使用了18000多個電子管，占地170平方米,總重量30噸,耗電140千瓦，每秒可以作5千次加減運算。2.當(dāng)今最先進計算機依舊遵循馮·若依曼基本原理運行第一代計算機46-50年代末第二代50末-60年代初第三代60年代中期-70年代初第四代70年代中期以后大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路

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微機的分類（4種）1按字長分有8位，16位，32位，64位。2按結(jié)構(gòu)分有單片機，單板機，多芯片機，多板機3按用途分有工業(yè)過程控制機，數(shù)據(jù)處理機4按CPU芯片型號分有286，386，486，奔騰586中央處理器簡稱CPU（CentralProcessingUnit)CPU主要包括運算器和控制器2個部件存儲器容量是指存儲器中包含的字節(jié)數(shù)通常用KB,MB,GB,TB為存儲器容量的單位1KB=1024字節(jié)，1MB=1024KB,1GB=1024MBCPU與內(nèi)存和在一起稱為主機內(nèi)存由半導(dǎo)體存儲器組成。1/31/202314

外存儲器常用的外存儲:磁盤，光盤，磁帶等。磁盤又分為:硬盤和軟盤1.硬盤的容量大的多，目前硬盤的容量一般是60--100G以上2.軟盤一般使用的3.5寸軟盤容量為1.44MB3.光盤簡稱CD-ROM容量為650MB4.移動閃存簡稱U盤容量一般32-128MB以上1/31/2023151.2計算機的硬件1.2.1數(shù)字計算機的硬件組成計算機的主要組成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線BUS適配器控制器存儲器運算器輸入設(shè)備I輸出設(shè)備OCpu=運+控1/31/202316

外部設(shè)備CPU

計算機硬件系統(tǒng)基本組成框圖輸入設(shè)備輸出設(shè)備控制器運算器存儲器1/31/2023171.運算器運算器好像一個由電子線路構(gòu)成的算盤。主要功能：

加，減，乘，除，邏輯運算。

有時作為數(shù)據(jù)通道。例：MOVR1,R2

在運算中位數(shù)越多,計算的精度就越高，但花費的電子器件也越多.

目前運算長度一般是:8位，16位，32位或64位.1/31/202318運算器結(jié)構(gòu)示意圖：

運算單元電路寄存器B累加器A1/31/202319問題：計算機中為何使用二進制？二進制運算規(guī)律簡單電子線路易實現(xiàn)物理器件原因

例：電平的高低,脈沖的有無,燈光的亮熄等。電子計算機中廣泛使用二進制數(shù)。1/31/202320讀寫控制電路存儲單元存儲體存儲單元0…01﹕1…11讀/寫命令地址總線存儲器組成框圖地址譯碼存儲單元0…00數(shù)據(jù)總線2.存儲器1/31/202321存儲器的功能：保存信息0/1

保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟存儲單元:把保存一個數(shù)的8/16個觸發(fā)器叫存儲單元。存儲地址:存儲器中的存儲單元的編號。存儲容量:存儲器中存儲單元的總數(shù)。外存儲器:

磁盤存儲器和光盤存儲器。內(nèi)存儲器:半導(dǎo)體存儲器。1/31/202322

3.控制器控制器是控制計算機各部件有條不紊工作的部件（1）計算程序指令：每一個基本操作就叫一條指令計算程序：解釋某一個問題的一串指令序列（2）指令的形式存儲程序:將解題的程序(指令序列)存放到存儲器中.程序控制:控制器依據(jù)存儲的程序來控制全機協(xié)調(diào)的完成計算任務(wù).操作碼地址碼1/31/202323

（3）控制器的基本任務(wù)：按照計算機程序所安排的指令序列，從存儲器取出一條指令放到控制器中，對該指令的操作碼進行分析判斷，然后根據(jù)指令性質(zhì)，執(zhí)行這條指令,進行相應(yīng)的操作。接著從存儲器中取第二條指令,再執(zhí)行。

把取指令的一段時間叫做取指周期，

執(zhí)行指令的一段時間叫做執(zhí)行周期。1/31/202324

（4）適配器與輸入輸出設(shè)備

輸入設(shè)備：能夠把人們用文字或語言所表達的問題直接送到計算機內(nèi)部處理（如鍵盤，鼠標(biāo)，掃描儀）

輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器設(shè)備所能接受和識別的信息形式。（如打印機，顯示器）計算機的輸入輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備。一個典型的計算機系統(tǒng)具有各種類型的外圍設(shè)備，有各種類型的適配器，它使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機進行聯(lián)系，使主機和外圍設(shè)備協(xié)調(diào)的工作。

適配器的作用：保證外圍設(shè)備用計算機系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接受信息。1/31/202325世界第一臺電子計算機：ENIAC1946年在美國賓夕法尼亞大學(xué)研制成功。電子管：18800多個重量：36噸繼電器：1500只電阻器：7000只電容器：10000只功耗：150kW體積：85立方米占地：170平方米1/31/2023261.2.2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過去和未來計算機的發(fā)展經(jīng)歷了五代：第一代:1946年電子管計算機第二代:1958年晶體管計算機第三代:1965年中小規(guī)模集成電路計算機第四代:1971年大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機.第五代:1986年巨大規(guī)模集成電路計算機1/31/202327VLSI：超大規(guī)模集成電路小規(guī)模門電路小于10個中規(guī)模門電路小于100個大規(guī)模門電路小于1000個超大規(guī)模門電路大于幾千個門電路1/31/202328

第一代計算機（1946～1958）

特征：（1）以電子管為基本電子器件.（2）使用機器語言和匯編語言.（3）應(yīng)用領(lǐng)域主要為科學(xué)計算.（4）運算速度每秒幾千～幾萬次.（5）體積大,功耗大,價格昂貴且可靠性差.1/31/202329

第二代計算機（1958～1964）特征：

（1）晶體管取代電子管.

（2）軟件技術(shù)上出現(xiàn)算法語言及操作系統(tǒng).

（3）應(yīng)用領(lǐng)域從科學(xué)計算擴展到數(shù)據(jù)處理.

（4）運算速度每秒幾萬～幾十萬次.

（5）體積縮小,功耗降低,可靠性提高.1/31/202330第三代計算機（1964～1971）

特征：

（1）采用集成電路（2）運算速度每秒幾十萬～幾百萬次（3）體積,功耗顯著減小,可靠性大大提高

（4）出現(xiàn)向大型和小型化兩極發(fā)展趨勢（5）軟件技術(shù)與計算機外圍設(shè)備發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大1/31/202331

第四代計算機（1971至今）特征：（1）中，大及超大規(guī)模集成電路（VLSI）成為計算機的主要器件。（2）運算速度從MIPS級提高到GIPS級乃至

TIPS級。（3）采用了多機并行處理與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)。（4）系統(tǒng)軟件的發(fā)展正向工程化及智能化發(fā)展。1/31/202332運算速度：MIPS級:每秒106條指令GIPS級:每秒109條指令TIPS級:每秒1012條指令1/31/202333我國電子計算機的研究從1953年開始，

1958年研制出第一臺計算機。40多年來,相繼研制出第二代,第三代計算機。從1982年開始,我國研制出每秒1億次的巨型機—銀河Ⅰ,Ⅱ型,中型機,32位超級小型系列機。1995年5月,由中科院計算機研究所國家智能計算機研究中心研制的“曙光1000”大規(guī)模并行處理機宣布誕生。我國計算機的發(fā)展概況：1/31/202334我國首臺萬億次計算機誕生：聯(lián)想深騰1800大規(guī)模計算機系統(tǒng)研制成功.2002年8月29日6位院士,7位專家鑒定會通過。使用512個處理機求解153600階線性方程組,實測性能達到每秒1.027萬億次浮點運算。1/31/202335萬億次計算機機身總長14米,包含20個機柜,256個計算功能節(jié)點機,526個高性能至強處理器萬億次計算機內(nèi)存容量272GB系統(tǒng)總硬盤空間為6TB實際運算速度排世界第24位為國內(nèi)第一個實測速度超過萬億次的計算機產(chǎn)品1/31/202336計算機發(fā)展的總趨勢：

計算機工業(yè)是當(dāng)今世界發(fā)展最快的工業(yè)之一。90年代，微型計算機已邁入64位的新時代.

精減指令計算機（RISC）

復(fù)雜指令計算機（CISC）

隨機存儲器,光盤,Cache等信息存儲技術(shù)正已驚人的速度發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從傳統(tǒng)的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向異步傳輸模式（ATM）發(fā)展,多媒體計算機正在國際范圍內(nèi)推廣使用,大規(guī)模并行處理系統(tǒng)（MPP）的處理速度已達到TFLOPS級,超立方體計算機,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機,光計算機等高性能的計算機正在加緊研究,試制之中。1/31/202337計算機發(fā)展的總趨勢微型化巨型化網(wǎng)絡(luò)化智能化1/31/202338問題：馮·若依曼基本原理是什么？計算機與計算器的區(qū)別？我國計算機是什么時侯研發(fā)的？1/31/2023391、馮·諾依曼型計算機的主要設(shè)計思想是什么？它包括哪些主要組成部分？答：馮·諾依曼型計算機的主要設(shè)計思想是：存儲程序并按地址順序執(zhí)行，它由存儲器、控制器、適配器和輸入輸出設(shè)備組成。2、計算機與計算器的區(qū)別？答：計算器充其量只能算是一個運算器，只能進行簡單的數(shù)值運算，它不能進行存儲、控制等活動。而計算機具有完完善的存取、控制和輸入輸出等功能，可以應(yīng)用到科學(xué)計算、自動控制、測量和測試、信息處理、教育和衛(wèi)生、家用電器、人工智能等方面參考答案:1/31/2023403、我國計算機是什么時侯研發(fā)的？答：我國電子計算機的研究從1953年開始，

1958年研制出第一臺計算機。

40多年來,相繼研制出第二代,第三代計算機。從1982年開始,我國研制出每秒1億次的巨型機—銀河Ⅰ,Ⅱ型,中型機,32位超級小型系列機。

1995年5月,由中科院計算機研究所國家智能計算機研究中心研制的“曙光1000”大規(guī)模并行處理機宣布誕生。1/31/202341計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢計算機網(wǎng)絡(luò)和分布式計算機系統(tǒng)能為信息處理提供廉價服務(wù)，計算機系統(tǒng)的進一步發(fā)展，“三網(wǎng)合一”，將進入以通信為中心的體系結(jié)構(gòu)。計算機從數(shù)值計算為過渡到知識推理為主，使計算機進入知識處理階段。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，不僅用多處理機技術(shù)來實現(xiàn)計算機的功能，從而會出現(xiàn)計算機的動態(tài)結(jié)構(gòu)，所謂的模塊化的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。多媒體技術(shù)將有重大突破和發(fā)展，在微處理機，計算機網(wǎng)絡(luò)和通信等方面引起一次重大變革。1/31/202342

計算機能得到廣泛的應(yīng)用與它的特殊性能分不開的。（1）快速性：電子計算機采用高速電子器件。采用了存儲程序的設(shè)計思想。將要解決的問題和解決的方法及步驟預(yù)先存入計算機。

計算機的特性1/31/202343（2）通用性：計算機處理的信息是：數(shù)值數(shù)據(jù)，和非數(shù)值數(shù)據(jù)。這些非數(shù)值數(shù)據(jù)都可以用數(shù)字化編碼表示。任何復(fù)雜信息都可以分解成基本操作，編制相應(yīng)的程序，通過執(zhí)行程序完成任務(wù)。

（3）準(zhǔn)確性：

一是計算精度高，二是計算方法科學(xué)。精度取決于運算中數(shù)的位數(shù)，位數(shù)越多越精確。還與計算方法有關(guān)。

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（4）邏輯性：

邏輯判斷與邏輯運算是計算機的基本功能之一。上述的四大特性是從計算機的外部角度來認識的，它們與計算機內(nèi)部的固有特點相關(guān)，下圖給出了兩者之間的關(guān)系。1/31/202345

外部特征

內(nèi)部特征

計算機外部特征和內(nèi)部特點的對應(yīng)關(guān)系快速性準(zhǔn)確性數(shù)字化信息通用性存儲程序邏輯性邏輯判斷高速電子器件1/31/202346名詞解釋：

字長:組成一個字的二進制位數(shù)。例如8,16,32,64.數(shù)據(jù)字:表示某字代表要處理的數(shù)據(jù)。指令字:表示某字為一條指令。數(shù)據(jù)流:在執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流。由內(nèi)存流向運算器。三網(wǎng)合一：電話網(wǎng)，電視網(wǎng)，計算機網(wǎng)。1/31/202347

存儲器的單位210=1KB220=1MB230=1GB240=1TBbit位:最小單位：0、1Byte字節(jié)：八個二進制位。

Word字：計算機一個字與機器字長有關(guān)。1/31/202348

數(shù)字電子計算機的完整定義：數(shù)字電子計算機是一種能自動地高速地對各種數(shù)字化信息進行運算處理的電子設(shè)備。自動的含義是指程序執(zhí)行時，不再需要人的干預(yù)，程序能連續(xù)發(fā)出各種命令，控制計算機完成預(yù)定的操作任務(wù)。它區(qū)別于過去的計算工具，（計算器）也區(qū)別于模擬電子計算機。1/31/2023491.3計算機的軟件

1.3.1軟件的組成和分類

系統(tǒng)程序：用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能和用途。應(yīng)用程序：是用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序。軟件1/31/202350系統(tǒng)程序的分類

各種服務(wù)性程序（診斷程序，排錯程序）語言程序（匯編程序，編譯程序，解釋程序）操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)系統(tǒng)程序1/31/202351

通常將系統(tǒng)軟件分為：六類（1）操作系統(tǒng)：是管理計算機各種資源，自動調(diào)度用戶作業(yè)程序，處理各種中斷的軟件。如批處理操作系統(tǒng)，分時操作系統(tǒng)及實時操作系統(tǒng)。（2）語言處理程序：一般分為解釋程序與編譯程序兩類。（3）標(biāo)準(zhǔn)庫程序：

1/31/202352（4）服務(wù)性程序：提供各種運行所需的服務(wù)，是一種輔助計算機工作程序。（5）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：用來管理系統(tǒng)中所有的文件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。（6）計算機網(wǎng)絡(luò)軟件：是為計算機網(wǎng)絡(luò)配置的系統(tǒng)軟件。1/31/202353計算機系統(tǒng)的功能由硬件或由軟件實現(xiàn)，在邏輯功能上是等價的。計算機系統(tǒng)的軟件與硬件可以相互轉(zhuǎn)化，互為補充。固件：程序固定在ROM中組成的部件。

固件的特點：具有軟件的靈活性、具有硬件的快速性。1/31/2023541.3.2軟件的發(fā)展演變源程序翻譯成機器語言通常有兩種方法：通過編譯程序翻譯成目標(biāo)程序然后執(zhí)行通過解釋程序逐條翻譯，立即執(zhí)行手編程序（機器語言）匯編程序（匯編語言）源程序（算法語言）1/31/2023551.4計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)從功能上分為:5個層次級別

(1)微程序設(shè)計級

(2)一般機器級

(3)操作系統(tǒng)級

(4)匯編語言級

(5)高級語言級1/31/2023565.高級語言級4.匯編語言級2.一般機器級計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.微程序設(shè)級3.操作系統(tǒng)級1/31/202357說明:一：1，2，3級是面向機器的，是為支持高層的需要而設(shè)置的，4，5級是面向程序員而設(shè)置的。其中4，5級采用的語言必須被翻譯成1，2，3數(shù)字化語言，才能被機器識別。二：層次之間的關(guān)系十分密切，上層是下層功能的擴展，下層是上層的基礎(chǔ)。三：層次的劃分不是絕對的，它是動態(tài)變的。

1/31/202358多媒體技術(shù)簡介:多媒體計算機硬件系統(tǒng)：主要包括媒體主機如個人機，工作站，超級微機等多媒體輸入設(shè)備：攝像機，電視機，麥克風(fēng)，錄象機，錄音機，掃描儀，CD-ROM多媒體輸出設(shè)備：打印機，繪圖儀，音響，電視機，喇叭，錄音機，錄象機,高分辨率的屏幕等多媒體存儲設(shè)備：硬盤，光盤，聲像磁帶等多媒體功能卡：視頻卡，聲音卡，壓縮卡，家電控制卡，通訊卡等操作控制設(shè)備：鼠標(biāo)，鍵盤，觸摸屏，操作桿。1/31/202359英文縮寫詞

ABUS addressbus 地址總線AC accesscycle 存儲周期ACR accumulator 累加器A/D analogtodigitalconverter

模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ALU arithmeticlogicunit

運算器，算術(shù)邏輯部件

1/31/202360ASCII Americasdandardcodeforinformationg

美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼ATM asynchronustransmissionmode

異步傳輸模式BG busgrant 總線允許BIU businterfaceunit 總線接口單元BPI bitsperinch

位/英寸

CAI computeraidedinstruction

計算機輔助教學(xué)CPU centrolprocessingunit中央處理器CRC cyclicredundancycheck

循環(huán)冗余校驗

1/31/202361CRT catheode－raytube 陰極射線管CS controlstorage 控制存儲器CS chipselect 片選CU controlunit 控制部件D/A digitaltoanalogconverter

數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器DBR databufferregister 數(shù)字緩沖寄存器DBUS databus

數(shù)據(jù)總線DMA directmemoryaccess

直接存儲器存取EU executive unit

執(zhí)行部件

1/31/202362GAL genericarraylogic通用陣列邏輯GB gigabytes 千兆字節(jié)GIPS gigaofinstructionsperseond

每秒千兆條指令GR generalregist