計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(一)

必算機(jī)組戚展理

第1章概論

1.1計(jì)算機(jī)的分類

1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史

1.3計(jì)算機(jī)的硬件

1.4計(jì)算機(jī)的軟件

1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

2008.9西安科技大學(xué)計(jì)算機(jī)系

必算機(jī)組戚展理

什么是計(jì)算機(jī)？

定義：一種存儲事先已經(jīng)編制好的程序并

能連續(xù)而自動地取出這些程序來執(zhí)行，

只能對事先已數(shù)字化的信息進(jìn)行算術(shù)或

邏輯運(yùn)算的快速工具。

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人類追隨計(jì)算機(jī)的腳步必算機(jī)組戚展理

①人類使用工具的進(jìn)步

機(jī)械工具一一棍子、機(jī)器（四肢）

測試工具一一各種儀器聲納（五官）

計(jì)算工具一一手指石頭貝殼算盤、計(jì)算機(jī)

（失腦）。

思考：計(jì)算機(jī)又稱為“電腦”，具有十分強(qiáng)

大的能力，那“電腦”會取代人類統(tǒng)治世界

嗎？

②計(jì)算器的發(fā)展

手工時代一機(jī)械時代一電子時代

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1.計(jì)算機(jī)的分類必算機(jī)組戚展理

計(jì)算機(jī)的分類（1）

＞按信息的形式和處理方式分

■電子模擬計(jì)算機(jī)

■電子數(shù)字計(jì)算機(jī)

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電子數(shù)字計(jì)算機(jī)

電子計(jì)算機(jī)是一種不需要人工直接干預(yù)，能夠自

動、高速、準(zhǔn)確的對各種信息進(jìn)行處理和存儲的電子

設(shè)備。

其它類型的計(jì)算機(jī):

■非電子計(jì)算機(jī)（如：光計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算

機(jī)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等）。

■非數(shù)字計(jì)算機(jī)（如：模擬計(jì)算機(jī)）去1%

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必算機(jī)組戚展理

表1.數(shù)字計(jì)算機(jī)與模擬計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別

比較內(nèi)容數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)

數(shù)據(jù)表不方式數(shù)字。和1電壓

電壓組合和測

計(jì)舁力式數(shù)字計(jì)算

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(qiáng)無

X

i?\

IA

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必算機(jī)組戚展理

計(jì)算機(jī)的分類(2)

＞按信息的形式和處理方式分

■電子模擬計(jì)算機(jī)

■電子數(shù)字計(jì)算機(jī)

A按用途分

■通用計(jì)算機(jī)

■專用計(jì)算機(jī)

T匕

?按規(guī)模分：

巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)

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必算機(jī)組戚展理

低

高

體

積

屹

功

倒

據(jù)

數(shù)

易

令

指

］微型機(jī)\性

希

價

一~~

大型機(jī)

高

巨型機(jī)低

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Computer/Year

RankSiteCoresDRpedkPower

Vendormax公娘氏原理

Roadrunner-BladeCenter

QS22/LS21Cluster

DOE/NNSA/LANLPowerXCell8i3.2Ghz/

11224001026.001375782345.50

UnitedStatesOpteronDC18GHz

VoltaireInfiniband/2008

IBM

BlueGene/L-eServerBlue

DOE/NMSA/LLT'JL

2GeneSolution/20072129924782059638232960

UnitedStates

IBM

ArgonneNationalBlueGene/PSolution/

3Laboratory2007163840450.30557.061260.00

UnitedStatesIBM

TexasAdvancedRanger-SunBladex6420.

ComputingOpteronQuad2Ghz,

462976326.00503.812000.00

Center/UnivofTexasInfiniband/2008

UnitedStatesSunMicrosystems

OakRidgeNationalJaguar-CrayXT4

5LaboratoryQuadCore21GHz/200830976205.00260.201580.71

UnitedStatesCrayInc

FofschungszentrumJUGENE-BlueGene/P

6Juelich(RJ)Solution/200765536180.0022282504.00

GermanyIBM

NewMexico

Encanto-SGIAltixICE

Computing

8200Xeonquadcore3.0

7ApplicationsCenter14336133201720386163

GHz/2007

(NMCAC)

SGI

UnitedStates

Computational

EKA-ClusterPlatform

Research

3000BL460cXeon53xx

8LabofatonesTATA14384132.80172611602.24

3GHzInfiniband/2008I

SONS

Hewlett-Packard

India

BlueGene/PSolution/

IDRIS

9200840960112.5013926315.00

France

IBM

二匕蜀仁著毛條

TotalExplorationSGIAltixICE8200EX.Xeon

10Productionquadcore3.0GHz/20081024010610磔理川290

2008.9FranceSGI

2.計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史必算機(jī)組戚展理

類型時期主要器件重要特征

第1代1946-電子管機(jī)器語言，匯編語言。速度低，體積大，價

1957格昂貴，可靠性差，用于科學(xué)計(jì)算。速度達(dá)

幾千次到幾萬次

第2代1958-晶體管算法語言，操作系統(tǒng)。體積縮小，可靠性提

1964I高。從科學(xué)計(jì)算到數(shù)據(jù)處理。每秒幾萬次到

幾十萬次

第3代1964-中小規(guī)模體積小，可靠性大大提局，速度達(dá)幾白萬次，

1971集成電路軟件技術(shù)和外設(shè)發(fā)展迅速應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

第4代1971-大/超大規(guī)模速度提高至幾千萬億次

1992集成電路出現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)/

第5代1991-巨大規(guī)模速度提高至幾億次乃至上百億次。＜72

集成電路出現(xiàn)單片機(jī)上匚1

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必算機(jī)組戚展理

世界上第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)

1946.2.15ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator

ENIAC的設(shè)計(jì)開始于1943年，一直使用到1955年。

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必算機(jī)組戚展理

ENIAC的特點(diǎn):

采用十進(jìn)制

20個10位的累加器

用開關(guān)手動編程

18,000個電子管

重30噸

占地170平方米

耗電140KW

5,000次/秒加法運(yùn)算

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新寡機(jī)組戚雇理

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必算機(jī)組戚展理

40年代的編程方法

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必算機(jī)組戚展理

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必算機(jī)組戚展理

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各時代代表機(jī)型必算機(jī)組戚展理

時代機(jī)型產(chǎn)地

?■ENIAC1946十進(jìn)制美■賓州大學(xué)

EDSAC1949二進(jìn)制和“存儲程序”英■劍橋大學(xué)

103(M-3)1957-59中科院計(jì)算所

IBM70901958IBM

DJS-21,108,X-2,441B中國

—IBM360/370系歹ijIBM

CDC6000/7600,STAR-100,CRAY-1CDC

NOVA,PDP-11美

DJS-130/200中國A、

四微型機(jī)APPLE,IBM-PCAPPLE,iBiyi，

VAX系列

長城0520,................長城計(jì)'算機(jī)

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必算機(jī)組戚展理

機(jī)器字長與數(shù)據(jù)通路寬度

A機(jī)器字長：是指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)，也

即CPU在同一時間內(nèi)能夠一次處理的二進(jìn)制位

數(shù)。

?數(shù)據(jù)通路寬度:是指數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送

信息的位數(shù)。

■CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路寬度（內(nèi)部總線）：機(jī)器字長

■CPU外部數(shù)據(jù)通路寬度（系統(tǒng)總線）：系統(tǒng)總線位

數(shù)」'/；

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淳四代計(jì)算機(jī)中微處理器的發(fā)展:

Intel4004必算機(jī)組戚展理

1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上

第一塊4位芯片Intel4004,標(biāo)志著第一代微處

理器問世，微處理器和微機(jī)時代從此開始。

1971年11月，Intel推出MCS-4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

（包才舌4001ROM芯片、4002RAM芯片、4003

移位寄存器芯片和4004微處理器）

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4004

?4004包含2300個晶體管,尺寸規(guī)格為3mm乂4mm,計(jì)

算性能地迪姆性當(dāng)呼的［同欣￡,會期售用為200奧無。

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必算機(jī)組戚展理

8008

1972年4月，霍夫等人開發(fā)出

第一個8佳微處理器Intel

8008o由于8008采用的是P

溝道MOS微處理器斗「因岫處

屬第一代微處理器乩

七匚*

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必算機(jī)殂戚原理

8080第二代微處理器

1973年8月，霍夫等人研制出8枚微處理器Intel

8080,以N溝道MOS也路取代了P溝道，第二省，微

處理器就此誕生。、

主頻2MHz的8080恙片運(yùn)算速度比800^祗10僖，

可存取64KB存儲器，使用了基于6微米技術(shù)的6000

個晶體管，處理速度為。

齒安初您大0.學(xué)64計(jì)M算1機(jī)P系S

2008.9

Intel8086第三代微處理器必算機(jī)組戚展理

1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微處理

器，標(biāo)志著第三代微處理器問世。它采用16位

寄存器、16位數(shù)據(jù)總線和29000個3微米技術(shù)的

晶體管，售價360美元。

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Z80微處理器必算機(jī)組戚展理

Zilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處理器，廣泛

用于微型計(jì)算機(jī)和工業(yè)自動控制設(shè)備。當(dāng)時，

zilog、Motorola和Intel在微處理器領(lǐng)域三足鼎

立。

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川口1以竽川異"L：

Altair8800行善機(jī)殂鼠展理

1975年4月，MITS發(fā)布第一個通用型Altair8800,

售價375美元，帶有1KB存儲器。這是世界上第

一臺微型計(jì)算機(jī)。

Altair定位在青年電腦迷市場

PaulAllen和BillGates在三周內(nèi)為Altair開發(fā)出

BASIC語言，MITS成為兩個未來富翁的第一個客

戶

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Apple必算機(jī)組戚展理

1976年3月,SteveWozniak和SteveJobs開發(fā)出微型

計(jì)算機(jī)AppleI,4月1日愚人節(jié)這天，兩個Steve成立

了Apple計(jì)算機(jī)公司。

AppleII是第一個帶有彩色圖形的個人計(jì)算機(jī)，售價

為1300美元。AppleII及其系列改進(jìn)機(jī)型風(fēng)靡一時，

這使Apple成為微型機(jī)時代最成功的計(jì)算機(jī)公司。

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198LPC元年必算機(jī)組戚展理

早在1980年7月，一個負(fù)責(zé)“跳棋計(jì)劃”的在人小組

秘密來到佛羅里達(dá)州波克羅頓鎮(zhèn)的IBM研究發(fā)展中心,

開始開發(fā)后來被稱為IBMPC的產(chǎn)品。一年后的8月12

日，IBM公司在紐約宣布第一臺IBMPC誕生，這個開

創(chuàng)計(jì)算機(jī)歷史新篇章的時刻。

第一臺IBMPC采用了主頻為4.77MHz的Intel8088

操作系統(tǒng)是Microsoft提供的MS-DOS

IBM將其命名為“個人電腦(PersonalComputer)

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必算機(jī)組戚展理

計(jì)算機(jī)的發(fā)展日新月異

從CPU的發(fā)展來看

4004—>8008->8086,8088->80186-

>80286->80386->80486-586-

>pentium->PII->PIII->P4

從計(jì)算機(jī)的規(guī)模,運(yùn)算速度上看,

巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、

微型機(jī)、單片機(jī)號

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必算機(jī)組戚展理

(奔騰6(Pentium-6)一個芯片里就含有600萬個晶體管)

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行善機(jī)殂周原理

CMOS元件的斤美速度比人腦神纏元的傳輸速度典—

快10%當(dāng)其密度可以同人腦神經(jīng)元相當(dāng)時，可以想

象計(jì)算機(jī)的功能將是何等的強(qiáng)大。所以過去一臺大

型計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在就可以變成臺式機(jī)、掌上機(jī)，象筆

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計(jì)算機(jī)發(fā)展的理論基礎(chǔ)和規(guī)律汁落機(jī)殂鼠原理

工、邏輯代數(shù)

2、圖靈機(jī)：英國數(shù)學(xué)家圖靈證明理想的通用數(shù)字計(jì)算機(jī)是可以制造出

來的。現(xiàn)代通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型

3、馮?諾依曼計(jì)算機(jī)原理：二進(jìn)制存儲程序并按地址順序執(zhí)行（程序控

制）

4、Moore定律：微處理器內(nèi)晶體管數(shù)每18個月翻一番

5、Bell定律：如果保持計(jì)算能力不變，微處理器的價格每18個月減少一半

6、Gilder定律：未來25年（工996年預(yù)言）里，主干網(wǎng)的帶寬將每6個月增

加一倍

7、Metcalfe定律：

8、半導(dǎo)體存儲器發(fā)展規(guī)律：DRAM密度每年增加60%、聲三上翻面播、

9、硬盤存儲技術(shù)發(fā)展規(guī)律：硬盤的密度每年增加約一倍'、

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我國計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展行善機(jī)殂朗原理

1953年開始研究，1958年研究出第一臺計(jì)算機(jī)，103型

通用計(jì)算機(jī)

50年來相繼研究出了第二代，第三代計(jì)算機(jī)。

80年代研究出了每秒1億次的巨型機(jī)，銀河1,11,其他如

曙光天演（清華BBS,學(xué)校高性能計(jì)算中心）。1985年6月，

中國第一臺自行研制的微機(jī)長城0520研制成功，其廣告

詞是：“一臺我們自己制造的能夠處理中文的電腦”。

在高性能計(jì)算，并行計(jì)算上已緊跟國際先進(jìn)水平，但計(jì)

算機(jī)的核心部件CPU技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。T匕%：

z'/1

中科院研究開發(fā)的龍芯/GODSON2匚1

ir\

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BootRa?n

IDf軟瞄MCIROM

SDHM

SIMM168

MIALEC

兄手燈

ATWitiihifin*

化橋芯X?

木芯

CPU

HAG

S或口

PS?.

處區(qū)像樣口

U58*忖，取件箕比kDA27PCIixa及外部過著

wnx??p解科18ISW1口芯片總線1TUH

龍芯開發(fā)板布局圖

3.計(jì)算機(jī)的硬件組成必算機(jī)組戚展理

中央處理器（CPU）

CPU=運(yùn)算器+控制器

主機(jī)

主機(jī)=中央處理器+主存儲器

外部設(shè)備

除去主機(jī)以外的硬件裝置（如輸入設(shè)分

出設(shè)備、外存儲器等）

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硬件組成框圖必算機(jī)組戚展理

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計(jì)算機(jī)與馮?諾依曼體系必算機(jī)組戚展理

廠1、算術(shù)、邏輯運(yùn)算

I（我們在小學(xué)就已學(xué)完的加減乘除四則運(yùn)

算）

T2、信息的數(shù)字化

（一架冰冷的機(jī)器所能聽懂的唯一語言）

J3、存貯程序的工作方式

（現(xiàn)代化的流水線）么

符合以上特征的即被稱之為馮?諾祓曼/;

體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)六

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電子數(shù)字計(jì)算機(jī)與存儲程序控制必算機(jī)組戚展理

存儲程序概念

馮?諾依曼等人在1946年6月提出存儲程序概念：

計(jì)算機(jī)（指硬件）應(yīng)由運(yùn)算器、存儲器、控制

器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成；

計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來表示指令和數(shù)據(jù)；

，將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，

然后再啟動計(jì)算機(jī)工作，使計(jì)算機(jī)在不需要人

工干預(yù)的情況下，自動、高速地從存儲器中取

出指令加以執(zhí)行。盟不

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X4*錠Jrt施射庖

約翰.馮?諾依曼(JohnVonNeumann)

體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)（1）

到目前為止，幾乎生產(chǎn)的所有計(jì)算機(jī)都

是馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，這也是

我們正在使用的諸如奔2奔3之類的微機(jī)

的體系結(jié)構(gòu)。（但是現(xiàn)森的好真機(jī)科學(xué)

家伙，凡帝打破馮?崔保晏體"必節(jié)

機(jī)的數(shù)率才犍得到突破）

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/_L筲兒》/a/W

馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)（2）

1,采用二進(jìn)制代碼表示數(shù)據(jù)和指令。

2.采用存儲程序工作方式，即：

r事先編制福格。

Y

實(shí)現(xiàn)蔣儲福本。

匈劭、透發(fā)也執(zhí)行程本。

I

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X4*誼J。、加蘇班19

馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)（3）

3.由以下五大部件組成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。

「A:運(yùn)算器（進(jìn)行簡單四則運(yùn)算邏輯運(yùn)算）

B:控制器（命令自己或外部設(shè)備作這作那）

C:存儲器

T匕

D:輸入設(shè)備

E:輸出設(shè)備

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新屬機(jī)組戚展理

一中央處理器

計(jì)一主存一

控制器

算I_

件f外存k

機(jī)一輸入/輸出設(shè)備

III

系

一總線操作系統(tǒng)

統(tǒng)

編譯程序、

系統(tǒng)軟件解釋程序

一各種軟件平臺’

件應(yīng)用軟件

是指系統(tǒng)中各類程序和文件。

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筲』Za/瓊

正確評價馮?諾依曼的貢獻(xiàn)

JohnLouisvonNeumann

(1903-1957)

＞馮?諾依曼是大名鼎鼎、

成就卓著的科學(xué)家。在

現(xiàn)代數(shù)學(xué)、量子物理學(xué)、

邏輯學(xué)、氣象學(xué)、軍事

學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、決策論、

博弈論以及計(jì)算機(jī)等學(xué)

科做出了重大貢獻(xiàn)。

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計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)簡介必算機(jī)組戚展理

什么是計(jì)算機(jī)硬件？

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成

廠LCPU

2,主存儲器

3,外存儲器

]41/0設(shè)備

5.總線

匚6?接口

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引TH瓜做戚原理

CPU主存接口接口

I/O設(shè)備I/O設(shè)備

機(jī)

C主

接PU

器

口

3存

,

儲

器

一

接

器

口

2008.9

存儲器（主存儲器）必算機(jī)組戚展理

計(jì)算機(jī)存取數(shù)據(jù)的部件，常用半導(dǎo)體做成，存

儲器中存放二進(jìn)制單元稱為在座單元，每個存

儲單元有一個編號，稱為地址，計(jì)算機(jī)是根據(jù)

地址來訪問存儲器的。

存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)有存儲容量和速度。速

度可用存取時間和存儲周期來衡量，存取時間

TA是指從啟動一次存儲器操作（讀/寫）到完

成該操作所需的時間。存儲周期Tm是指邊疆

兩次訪問存儲器所需的最小時間間隔。通常

Tm比TA稍大，這是由于存儲器的積壓部分都/

必須有一段穩(wěn)定恢復(fù)的時間，所以讀出后木篦二

立即進(jìn)行訪問。七j1

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控制器行善機(jī)殂朗原理

是計(jì)算機(jī)的控制指揮部件，也是全機(jī)的

控制指揮中心，其主要功能是通過向計(jì)

算機(jī)的各個部分發(fā)出控制信號，使整個

機(jī)器自動、協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。

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運(yùn)算器必算機(jī)組戚展理

在控制器的控制下，完成算術(shù)運(yùn)算和邏

輯運(yùn)算的部件。

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輸入設(shè)備行善機(jī)做周原理

輸入設(shè)備是給計(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備。

輸入住處通過輸入設(shè)備轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能

識別的二進(jìn)制代碼，送入存儲器中保存。

常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)器和光筆。

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輸出設(shè)備必算機(jī)組戚展理

輸出設(shè)備是輸出計(jì)算結(jié)果的設(shè)備。常見

的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖機(jī)

等。

T匕

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4.計(jì)算機(jī)的軟件必算機(jī)組戚展理

-操作系統(tǒng)

一語言處理程序，匯編、編譯、解釋程序

-數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

系統(tǒng)軟—一診斷、排錯程序I

一反病毒程序■

服務(wù)性程序------卸載程序

一備份程序

軟件分類

-辦公軟件包文件壓縮程序

應(yīng)用軟『瀏覽器

實(shí)時控制軟件

圖形圖像處理軟件

—

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必算機(jī)組戚展理

5.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

一般用戶

觀察到的

計(jì)算機(jī)硬

件系統(tǒng)

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必算機(jī)組戚展理

專業(yè)用戶觀

察到的計(jì)算

機(jī)硬件系統(tǒng)

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必算機(jī)組戚展理

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層第6級|應(yīng)用語言級［虛擬機(jī)器）

?應(yīng)用程序二

次結(jié)構(gòu)第5級|高級語言級，虛擬機(jī)器廠

A編譯程序:

虛擬計(jì)算機(jī):由軟件第4級卜匚編語言級|虛擬機(jī)器廠

?匯編程序一

實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。第3級|操作系統(tǒng)級［虛擬機(jī)器）一

A操作系統(tǒng)