第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

1第一頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一緒論一、本課程與《微機(jī)原理》課的區(qū)別與聯(lián)系區(qū)別《計(jì)算機(jī)組成原理》以計(jì)算機(jī)的構(gòu)造原理為出發(fā)點(diǎn)，不針對(duì)具體機(jī)型，泛泛地從理論上來(lái)研究計(jì)算機(jī)上各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)原理《微機(jī)原理》以計(jì)算機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)具體機(jī)型，從實(shí)踐上來(lái)介紹計(jì)算機(jī)上各個(gè)部件如何有機(jī)地連為一個(gè)整體、協(xié)調(diào)工作、實(shí)行問(wèn)題求解第二頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一緒論聯(lián)系兩門(mén)課程都是針對(duì)計(jì)算機(jī)工作原理的，一個(gè)側(cè)重于理論、計(jì)算機(jī)的一般構(gòu)造原理；一個(gè)側(cè)重于實(shí)踐、具體機(jī)型的整體控制及工作控制過(guò)程。前者具有普遍的指導(dǎo)意義、后者是前者的一個(gè)具體事例。二者互為補(bǔ)充，以此使學(xué)習(xí)者達(dá)到對(duì)計(jì)算機(jī)工作原理的完整了解。第三頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一緒論二、為什么開(kāi)設(shè)本課1.本課程在計(jì)算機(jī)知識(shí)體系中占重要地位，是其核心課程之一。計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)編譯軟件公辦件操作系統(tǒng)智能系統(tǒng)軟理?yè)?jù)數(shù)管計(jì)輔助設(shè)用應(yīng)軟件機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言自然語(yǔ)言網(wǎng)通絡(luò)信第四頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1、高級(jí)語(yǔ)言：和自然語(yǔ)言接近，并能為計(jì)算機(jī)接受的語(yǔ)言，稱(chēng)為計(jì)算機(jī)的高級(jí)語(yǔ)言。2、機(jī)器語(yǔ)言（MachineLanguage）：由二進(jìn)制代碼表示的指令組成，能在機(jī)器上執(zhí)行的語(yǔ)言。3、匯編語(yǔ)言（AssemblyLanguage）:由助記符、符號(hào)地址和標(biāo)號(hào)來(lái)書(shū)寫(xiě)的程序就稱(chēng)為匯編語(yǔ)言。

三種語(yǔ)言的比較：高級(jí)語(yǔ)言容易學(xué)習(xí)，使用方便，通用性強(qiáng)，程序也比較短，便于推廣和交流；但高級(jí)語(yǔ)言必須經(jīng)過(guò)編譯才能執(zhí)行，而且編譯程序占內(nèi)存量大。機(jī)器語(yǔ)言不好記憶不易理解，使用麻煩，但在執(zhí)行時(shí)最快、最直接。匯編語(yǔ)言是一種較好的折衷，它的執(zhí)行速度與機(jī)器語(yǔ)言相仿，但比機(jī)器語(yǔ)言好理解，便于記憶和使用。第五頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一緒論本書(shū)的重點(diǎn)是計(jì)算機(jī)（單機(jī)）的基本組成原理及有關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展與實(shí)現(xiàn)提供了必要的也是最基本的知識(shí)。第六頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論一.概念1.中央處理器CPU(運(yùn)算器和控制器)

將控制器和運(yùn)算器集成在一起制成的大規(guī)模集成電路芯片。2.計(jì)算機(jī)

以中央處理器為核心,配上大規(guī)模集成電路的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、輸入輸出接口電路及其它相應(yīng)的輔助電路而構(gòu)成。3.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

由微型計(jì)算機(jī)以相應(yīng)的外部設(shè)備及其專(zhuān)用電路,電源,面板,機(jī)架以及足夠的軟件而構(gòu)成的系統(tǒng).第七頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1、運(yùn)算器和控制器

運(yùn)算器是對(duì)信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算的部件，經(jīng)常進(jìn)行的是算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。

控制器主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)本身運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)化，即實(shí)現(xiàn)程序的自動(dòng)執(zhí)行。2、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)，包含隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM，是計(jì)算機(jī)各種信息的存儲(chǔ)和交流中心。具有存儲(chǔ)、緩沖和傳遞信息的作用。第八頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論※存儲(chǔ)器分類(lèi)表存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器快檫型存儲(chǔ)器（FlashMemory）隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）MOS存儲(chǔ)器(靜態(tài)、動(dòng)態(tài))雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器EPROM,EEPROM只讀存儲(chǔ)器（ROM）PROMMROM磁盤(pán)（軟盤(pán)、硬盤(pán)、盤(pán)組）存儲(chǔ)器光盤(pán)存儲(chǔ)器磁帶存儲(chǔ)器緩沖存儲(chǔ)器第九頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論輸入設(shè)備：用來(lái)輸入原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序。輸入的信息有數(shù)字符、字母和控制符等。主要設(shè)備有：鍵盤(pán)、圖形輸入設(shè)備（鼠標(biāo)器、圖形板、跟蹤球、操縱桿、光筆）、圖像輸入設(shè)備（攝像機(jī)、掃描儀、傳真機(jī)）畫(huà)筆（或游動(dòng)標(biāo)）輸入、輸入和。輸出設(shè)備：用來(lái)輸出計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果，可以是數(shù)字、表格和圖形等。主要設(shè)備有：顯示器、打印設(shè)備（點(diǎn)陣式打印機(jī)、激光打印機(jī)、噴墨打印機(jī)）、繪圖儀（平板式、滾筒式）、語(yǔ)音輸出。第十頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論3.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)RAMROMI/O設(shè)備外存外設(shè)I/o通道系統(tǒng)組成硬件組成軟件組成主機(jī)外圍設(shè)備電源內(nèi)存儲(chǔ)器微處理器I/o接口電路系統(tǒng)總線(xiàn)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)編譯軟件。。高級(jí)語(yǔ)言匯編語(yǔ)言。。第十一頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論在計(jì)算機(jī)各部件間來(lái)往的信號(hào)可分為地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。通常這些信號(hào)是通過(guò)總線(xiàn)傳送的，如圖所示：

以總線(xiàn)連接的計(jì)算機(jī)框圖···

···

···輸入/輸出地址總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制總線(xiàn)運(yùn)算控制部件（CPU）存儲(chǔ)器輸入/輸出第十二頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論二.微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1、馮·諾依曼采用存儲(chǔ)程序方案開(kāi)發(fā)出EDVAC計(jì)算機(jī)，稱(chēng)為馮·諾依曼計(jì)算機(jī)。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)具有如下基本特點(diǎn)：①計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。②采用存儲(chǔ)程序的方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一個(gè)存儲(chǔ)器中。③數(shù)據(jù)以二進(jìn)制碼表示。④指令由操作碼和地址碼組成。⑤指令在存儲(chǔ)器中按執(zhí)行順序存放。⑥機(jī)器以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送都通過(guò)運(yùn)算器。第十三頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論二.微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況2、根據(jù)電子計(jì)算機(jī)所采用的物理器件的發(fā)展，一般把計(jì)算機(jī)的發(fā)展劃分為四個(gè)階段：第一代：電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1946—五十年代后期），主要特點(diǎn)是采用電子管作為基本器件。第二代：晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代（五十年代中期—六十年代后期），主要器件為晶體管，并采用了磁心存儲(chǔ)器。第十四頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第三代：集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（六十年代中期——七十年代前期），采用集成電路作為基本器件。第四代：大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代；以半導(dǎo)體存儲(chǔ)器取代磁心存儲(chǔ)器。自此，計(jì)算機(jī)機(jī)入大發(fā)展時(shí)期，通用機(jī)、巨型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)和工作站都得到了發(fā)展?！⑿蜋C(jī)的發(fā)展概況1、第一代微處理器（1971——1973年）4位或8位低檔機(jī)。代表產(chǎn)品：Intel公司的Intel4004,Intel440，低檔8位機(jī)如Intel8008

。集成度：2000個(gè)晶體管/片。特點(diǎn)：指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)算能力差、速度慢；軟件用機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。第十五頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論2、第二代微處理器（1974——1978年）8位中檔和高檔機(jī)代表產(chǎn)品：Intel公司的8080，Motorola公司的M6800，Rockwell公司的PPS-8等；Intel公司的8085，Zilog公司的Z80，Motorola公司的M6809。集成度：4900~10000個(gè)晶體管/片特點(diǎn)：指令系統(tǒng)相對(duì)完善、速度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)；已具有典型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)；軟件配置有匯編、BASIC、FORTRAN等高級(jí)語(yǔ)言幾操作系統(tǒng)。主要應(yīng)用于教學(xué)和實(shí)驗(yàn)、工業(yè)控制和智能儀器中。第十六頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論3、第三代微處理器（1978——1981年）16位微處理器代表產(chǎn)品：Intel8086/8088Zilog公司研制成Z8000；Motorola公司也推出了M6800。集成度：Intel8086(2.9萬(wàn)只晶體管/片)Z8000（1.75萬(wàn)只晶體管/片）

M6800（集成度為6.8萬(wàn)只晶體管/片）。特點(diǎn)：①指令系統(tǒng)完善、速度更快；②硬件配置齊全、還配置了功能較強(qiáng)的系統(tǒng)軟件；③已達(dá)到或超過(guò)原中底檔小型機(jī)的水平。第十七頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論4、第四代微處理器（1981——1992年）32位高檔微處理器。

代表產(chǎn)品：Intel80386SX/80386DX；

Intel80486(80386、80387、8KB高速緩存器)；

IBM-PC/80486和IBM-PC/80586；

Motorola公司也推出了M6800；5、第五代微處理器（1992年以后）64位高檔微處理器代表產(chǎn)品：Intel公司的Pentium等；特點(diǎn)：①集成度又有了新的突破，例如Intel公司的Pentium-100集成度高達(dá)510萬(wàn)只晶體管/片。②采用整數(shù)嵌入技術(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算器以及超通道技術(shù)，每個(gè)指令周期可以執(zhí)行2條指令，運(yùn)算速度刷新了。結(jié)論：發(fā)展主要表現(xiàn)在提高集成度和速度兩大方面。第十八頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論三、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用1、科學(xué)計(jì)算2、數(shù)據(jù)處理3、計(jì)算機(jī)控制4、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造5、人工智能第十九頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程

CPU即中央處理器，它是計(jì)算機(jī)的大腦，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、控制都是由它來(lái)處理的。它的發(fā)展非常迅速，就像一列不斷在加速的火車(chē)一樣。那么經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，現(xiàn)在的CPU究竟成了什么樣呢？未來(lái)CPU將會(huì)是一個(gè)什么樣子呢？別急，等我慢慢來(lái)向大家闡述一下。在向大家介紹CPU詳細(xì)的情形之前，務(wù)必要讓大家弄清楚到底CPU是什么？它到底有那些重要的性能指標(biāo)呢？第二十頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程CPU的英文全稱(chēng)是CentralProcessingUnit，我們翻譯成中文也就是中央處理器。CPU從雛形的出現(xiàn)到發(fā)展壯大的今天，由于制造技術(shù)的越來(lái)越先進(jìn)，在其中所集成的電子元件也越來(lái)越多，上萬(wàn)個(gè)，甚至是上百萬(wàn)個(gè)微型的晶體管構(gòu)成了CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。那么這上百萬(wàn)個(gè)晶體管是如何工作的呢？看上去似乎很深?yuàn)W，其實(shí)只要?dú)w納起來(lái)稍加分析就會(huì)一目了然的，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為控制單元，邏輯單元和存儲(chǔ)單元三大部分。而CPU的工作原理就象一個(gè)工廠(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的加工過(guò)程：進(jìn)入工廠(chǎng)的原料（指令），第二十一頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程經(jīng)過(guò)物資分配部門(mén)（控制單元）的調(diào)度分配，被送往生產(chǎn)線(xiàn)（邏輯運(yùn)算單元），生產(chǎn)出成品（處理后的數(shù)據(jù)）后，再存儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)（存儲(chǔ)器）中，最后等著拿到市場(chǎng)上去賣(mài)（交由應(yīng)用程序使用）。CPU作為是整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的核心，它往往是各種檔次微機(jī)的代名詞，如往日的286、386、486，到今日的奔騰三、奔騰四等等，CPU的性能大致上也就反映出了它所配置的那部微機(jī)的性能，因此它的性能指標(biāo)十分重要。在這里我們向大家簡(jiǎn)單介紹一些CPU主要的性能指標(biāo)：第二十二頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程第一、主頻，倍頻，外頻。經(jīng)常聽(tīng)別人說(shuō)：“這個(gè)CPU的頻率是多少多少…”，其實(shí)這個(gè)泛指的頻率是指CPU的主頻，主頻也就是CPU的時(shí)鐘頻率，英文全稱(chēng)：CPUClockSpeed，簡(jiǎn)單地說(shuō)也就是CPU運(yùn)算時(shí)的工作頻率。一般說(shuō)來(lái)，主頻越高，一個(gè)時(shí)鐘周期里面完成的指令數(shù)也越多，當(dāng)然CPU的速度也就越快了。不過(guò)由于各種各樣的CPU它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不盡相同，所以并非所有的時(shí)鐘頻率相同的CPU的性能都一樣。至于外頻就是系統(tǒng)總線(xiàn)的工作頻率；而倍頻則是指CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。三者是有十分密切的關(guān)系的：主頻=外頻x倍頻。第二十三頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程

第二：內(nèi)存總線(xiàn)速度，英文全稱(chēng)是Memory-BusSpeed。CPU處理的數(shù)據(jù)是從哪里來(lái)的呢？學(xué)過(guò)一點(diǎn)計(jì)算機(jī)基本原理的朋友們都會(huì)清楚，是從主存儲(chǔ)器那里來(lái)的，而主存儲(chǔ)器指的就是我們平常所說(shuō)的內(nèi)存了。一般我們放在外存（磁盤(pán)或者各種存儲(chǔ)介質(zhì)）上面的資料都要通過(guò)內(nèi)存，再進(jìn)入CPU進(jìn)行處理的。由于內(nèi)存和CPU之間的運(yùn)行速度或多或少會(huì)有差異，因此便出現(xiàn)了二級(jí)緩存，來(lái)協(xié)調(diào)兩者之間的差異，而內(nèi)存總線(xiàn)速度就是指CPU與二級(jí)高速緩存和內(nèi)存之間的通信速度。第二十四頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程擴(kuò)展總線(xiàn)速度，英文全稱(chēng)是Expansion-BusSpeed。擴(kuò)展總線(xiàn)指的就是指安裝在微機(jī)系統(tǒng)上的局部總線(xiàn)如VESA或PCI總線(xiàn)，我們打開(kāi)電腦的時(shí)候會(huì)看見(jiàn)一些插槽般的東西，這些就是擴(kuò)展槽，而擴(kuò)展總線(xiàn)就是CPU聯(lián)系這些外部設(shè)備的橋梁。第二十五頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程下面，我們看一下CPU的發(fā)展歷程：CPU的溯源可以一直追到1971年。當(dāng)時(shí)還處在發(fā)展階段的INTEL公司推出了世界上第一臺(tái)微處理器4004。[微處理器：就是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把計(jì)算機(jī)的中央處理單元（CPU—CentralProcessingUnit）即計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器和控制器集成在一個(gè)芯片上稱(chēng)為微處理器（Microprocessor）.]這不但是第一個(gè)用于計(jì)算器的4位微處理器，也是第一款個(gè)人有能力買(mǎi)得起的電腦處理器。1978年，Intel公司再次領(lǐng)導(dǎo)潮流，首次生產(chǎn)出16位的微處理器，并命名為i8086，Intel在后續(xù)CPU的命名上沿用了原先的X86序列，第二十六頁(yè)，共二十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程Intel在后續(xù)CPU的命名上仍沿用了原先的X86序列，直到后來(lái)因商標(biāo)注冊(cè)問(wèn)題，才放棄了繼續(xù)用阿拉伯?dāng)?shù)字命名。至于在后來(lái)發(fā)展壯大的其他公司，例如AMD等，在486以前（包括486）的CPU都是按Intel的