計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)第1章-計算機(jī)系統(tǒng)概述

計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)第1章計算機(jī)系統(tǒng)概述為什么要開設(shè)“計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”重要的專業(yè)基礎(chǔ)課有：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)/原理網(wǎng)絡(luò)原理……計算機(jī)基礎(chǔ)C語言/數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)匯編語言操作系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)……3課程性質(zhì)“計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)各專業(yè)方向的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起著承上啟下的重要作用。后續(xù)課：計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)微機(jī)原理與接口技術(shù)單片機(jī)原理……先修課：數(shù)字電路（數(shù)字邏輯）；“計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”講的是什么？多種多樣的計算機(jī)多種多樣的計算機(jī)多種多樣的計算機(jī)多機(jī)系統(tǒng)多機(jī)系統(tǒng)10既然如此有用，我們應(yīng)該學(xué)習(xí)并掌握好“計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”這門課。具體來說，我們這門課學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有：第1章計算機(jī)系統(tǒng)概述第2章運(yùn)算方法與運(yùn)算器

第3章尋址方式與指令系統(tǒng)第4章控制器第5章主存儲器第6章存儲器的結(jié)構(gòu)第7章系統(tǒng)總線第8章輸入/輸出子系統(tǒng)學(xué)時：60學(xué)時（理論45+實驗15）11課程目的本課程主要在單機(jī)系統(tǒng)范圍內(nèi)，介紹計算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成和工作原理，討論計算機(jī)各部件的基本組成原理以及各部件之間如何相互連接構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)。為同學(xué)們進(jìn)一步學(xué)習(xí)后續(xù)課程，培養(yǎng)對計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的認(rèn)知、設(shè)計與創(chuàng)新能力奠定良好的基礎(chǔ)。

怎樣學(xué)好這門課？認(rèn)真聽課課后及時復(fù)習(xí)、做作業(yè)能做到課前預(yù)習(xí)則更好參考資料做好實驗

AEDK-CPT實驗板15學(xué)習(xí)方法整體──細(xì)節(jié)──整體注意抽象概念與具體實例的關(guān)系。16強(qiáng)調(diào)兩個層次的整機(jī)概念CPU整機(jī)概念硬件系統(tǒng)整機(jī)概念緊緊抓住各部件之間的信息傳送方式和傳送途徑。學(xué)習(xí)方法17學(xué)習(xí)方法抓住一條主線以執(zhí)行一條指令的基本過程為主線，把各章的知識點(diǎn)串成一條線，由粗到細(xì)層層深入注意整體配合以一條指令的執(zhí)行過程為例，理解各部件間的關(guān)系，理解信息的表述、存儲、加工及其控制原理弄清部件原理各部件的每一功能是如何分解為一步步的微操作來實現(xiàn)的。18教材與參考書、考核方式教材與參考書羅福強(qiáng)，計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)，人民郵電出版社，2014.1王愛英，計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)，清華大學(xué)出版社，2013.1羅克露，計算機(jī)組成原理，電子工業(yè)出版社，2006.7馬維華等，從8086到PentiumⅢ

微型計算機(jī)及接口技術(shù)，科學(xué)出版社，2000.2考核方式平時作業(yè)、考勤及實驗40%期末考試 60%19關(guān)于考勤與平時表現(xiàn)分考勤無故缺席3次者，取消考試資格請假需有輔導(dǎo)員簽字的學(xué)院標(biāo)準(zhǔn)請假條平時加分與扣分根據(jù)平時表現(xiàn)，可以有一些平時加分，如：上課積極回答問題、積極參加課堂活動、協(xié)助老師的教學(xué)（如主動幫老師擦黑板）等當(dāng)然，也會有一些平時扣分，如：作業(yè)完成情況差、學(xué)習(xí)態(tài)度及其不端正等第1章計算機(jī)系統(tǒng)概述21第1章計算機(jī)系統(tǒng)概述總體要求學(xué)習(xí)重點(diǎn)參見教材P122第1章計算機(jī)系統(tǒng)概述主要內(nèi)容計算機(jī)的設(shè)計思想（存儲程序與程序控制）計算機(jī)的硬件組成（五大部件）計算機(jī)的軟件配置（系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件）（略）計算機(jī)的基本工作過程23一、什么是計算機(jī)？計算機(jī)不同于一般的電子設(shè)備，是由硬件、軟件組成的復(fù)雜的自動化設(shè)備，是能夠自動、高速、準(zhǔn)確地對信息進(jìn)行運(yùn)算、處理、存儲和傳輸?shù)碾娮釉O(shè)備。計算機(jī)與一般電子設(shè)備的最大區(qū)別：既有硬件，又有軟件，軟件和硬件協(xié)同工作；一般傳統(tǒng)電子設(shè)備無軟件。24二、計算機(jī)的分類計算機(jī)從總體上分：模擬計算機(jī)、數(shù)字計算機(jī)（數(shù)字計算機(jī)俗稱電腦）計算機(jī)從用途上分：通用機(jī)、專用機(jī)數(shù)字計算機(jī)按性能進(jìn)一步分：巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)、單片機(jī)25計算機(jī)的應(yīng)用1．科學(xué)計算2．信息管理3．過程檢測與控制4．計算機(jī)輔助工程5．人工智能方面的研究和應(yīng)用6．多媒體技術(shù)應(yīng)用7．計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)……計算機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于人類活動的各個領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的重要作用MP4手機(jī)數(shù)碼相機(jī)……互聯(lián)網(wǎng)26三、計算機(jī)的設(shè)計思想

計算機(jī)功能如此強(qiáng)大，大家一定會提出這樣的問題：計算機(jī)到底是怎么構(gòu)成的？其功能又是如何實現(xiàn)的？世界上，第一臺數(shù)字電子計算機(jī)是1946年2月15日在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生的ENIAC。27世界上第一臺計算機(jī)ENIACENIAC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140

KW5,000次/秒加法運(yùn)算在今天看來，ENIAC并不完善，但它的誕生是具有里程碑意義的。28馮·諾依曼型計算機(jī)在研制ENIAC的同時，以美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼為首的研制小組提出了“存儲程序、程序控制”的設(shè)計思想，體現(xiàn)該設(shè)計思想的計算機(jī)EDVAC在1951年問世。馮·諾依曼的存儲程序控制概念概括起來為：計算機(jī)硬件應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成。計算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來表示指令和數(shù)據(jù)（表示與實現(xiàn)）。將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，然后啟動計算機(jī)工作。這一點(diǎn)最為重要，即存儲程序、程序控制的思想。目前絕大多數(shù)計算機(jī)仍然建立在存儲程序、程序控制概念的基礎(chǔ)上，稱為馮·諾依曼型計算機(jī)。29四、計算機(jī)的硬件組成運(yùn)算器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備輔助存儲器CPU控制數(shù)據(jù)地址/指令主機(jī)外設(shè)存儲器主存儲器301、運(yùn)算器運(yùn)算器的功能是執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，更復(fù)雜的運(yùn)算分解成這些基本運(yùn)算來實現(xiàn)。通常采用二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，1和0可用電壓的高和低、脈沖的有和無表示，具有實現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。使用二進(jìn)制數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算規(guī)則簡單、容易用電子線路來實現(xiàn)、可靠性非常高。

312、控制器控制器的作用是協(xié)調(diào)計算機(jī)各部件之間的工作。具體講，控制器從內(nèi)存中取出解題步驟（指令），加以分析后執(zhí)行某種規(guī)定的操作。指令的作用是告訴控制器做什么操作，數(shù)據(jù)從哪里來、結(jié)果送到哪里去。指令由兩大部分構(gòu)成：操作碼說明執(zhí)行什么操作，而地址碼說明數(shù)據(jù)的來源和去向。指令用二進(jìn)制表示、并預(yù)先存放在存儲器中，稱為存儲程序?？刂破饕罁?jù)存儲的程序控制計算機(jī)完成計算任務(wù)，稱為程序控制。存儲程序、程序控制是馮·諾依曼型計算機(jī)設(shè)計思想的核心。操作碼地址碼323、存儲器存儲器的功能是存放程序和數(shù)據(jù)。存儲器由半導(dǎo)體器件構(gòu)成，例如一個觸發(fā)器有兩個狀態(tài)，可表示1位二進(jìn)制數(shù)，16位數(shù)需要16個觸發(fā)器。保存一個數(shù)的所有觸發(fā)器合起來稱為一個存儲單元。每個單元都有一個編號，這個編號叫地址。存儲器的所有存儲單元的總數(shù)稱為存儲容量，用KB、MB、GB表示。存儲容量越大，能記憶的信息越多。33４、輸入設(shè)備輸入設(shè)備的任務(wù)是把編好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計算機(jī)中去，并把它們轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能識別、能接受的信息形式。計算機(jī)不能沒有輸入設(shè)備。輸入設(shè)備的種類非常多，例如鼠標(biāo)、鍵盤、掃描儀等是常見的輸入設(shè)備；新設(shè)備不斷出現(xiàn)，如軟鍵盤。34５、輸出設(shè)備輸出設(shè)備的任務(wù)是把計算機(jī)的處理結(jié)果以人或其它設(shè)備能接受的形式送出計算機(jī)。計算機(jī)不能沒有輸出設(shè)備，否則計算機(jī)的存在就沒有意義。輸出設(shè)備的種類也非常多，例如顯示器、打印機(jī)等是常見的輸出設(shè)備。同樣新的輸出設(shè)備在不斷問世，例如能用顏色表示水溫的水龍頭。輸入、輸出設(shè)備是人機(jī)交互的設(shè)備，統(tǒng)稱為外部設(shè)備，簡稱外設(shè)。35CPU、主機(jī)、外設(shè)中央處理器CPU：

CPU=運(yùn)算器+

控制器計算機(jī)主機(jī)：主機(jī)=中央處理器+

主存儲器外部設(shè)備：

外設(shè)=主機(jī)以外的其它硬件裝置36微機(jī)的硬件組成1.主板2.CPU3.主存4.總線5.輸入/輸出接口主機(jī)外設(shè)1.外存2.輸入設(shè)備3.輸出設(shè)備硬件37五、計算機(jī)總線結(jié)構(gòu)微、小型計算機(jī)多采用總線結(jié)構(gòu)?？偩€是一組能夠為多個功能部件分時共享的信息傳輸?shù)墓餐罚菢?gòu)成計算機(jī)系統(tǒng)的互連機(jī)構(gòu)?？偩€的特點(diǎn)：分時、共享。單總線是總線結(jié)構(gòu)中的一種，單總線并不是一根信號線，內(nèi)含地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，同時還有相關(guān)控制電路。大、中型計算機(jī)則采用通道等方式連接各大部件，后續(xù)課程討論。系統(tǒng)總線CPU主存儲器接口外設(shè)接口外設(shè)38六、計算機(jī)的軟件

軟件分為兩大類：系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件

系統(tǒng)軟件分為四類：服務(wù)性程序語言類程序操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

應(yīng)用軟件舉例：工程設(shè)計程序數(shù)據(jù)處理程序自動控制程序企業(yè)管理程序情報檢索程序科學(xué)計算程序，等

39軟件的發(fā)展機(jī)器語言匯編語言算法語言操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)匯編程序這算什么我來翻譯解釋程序/編譯程序這也沒什么，我們來解釋/翻譯100101110

001100101

110000110

……40七、計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機(jī)不能簡單地認(rèn)為是一種電子設(shè)備，它是一個十分復(fù)雜的、由硬件和軟件結(jié)合而成的整體。既然計算機(jī)由軟、硬件構(gòu)成，那么在計算機(jī)內(nèi)部，軟件和硬件采用什么方式進(jìn)行組織來構(gòu)成計算機(jī)系統(tǒng)呢？41計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機(jī)系統(tǒng)通常被認(rèn)為由6個不同的級組成：

第六級應(yīng)用語言級第五級高級語言級第四級匯編語言級第三級操作系統(tǒng)級第二級傳統(tǒng)機(jī)器級第一級微程序級為滿足某種用途而專門設(shè)計，其語言是各種面向問題的應(yīng)用語言。用戶看到的是能解決某些專門問題的智能機(jī)器。

高級語言級是為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的，由各種高級語言編譯程序支持，面向程序員。

提供一種符號語言即匯編語言，以減少程序編寫復(fù)雜性，并由匯編程序翻譯成機(jī)器語言，這一級由匯編程序支持。

由操作系統(tǒng)實現(xiàn)。它要直接管理傳統(tǒng)機(jī)器的軟硬件資源，是傳統(tǒng)機(jī)器的延伸；同時要對整個系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。機(jī)器語言是該機(jī)的指令集，機(jī)器語言程序可由微程序解釋，即由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)。這一級是軟硬件的分界面。

微指令編寫的微程序直接由硬件執(zhí)行，微程序被固化于只讀存儲器ROM中，常稱為固件。1、2級面向機(jī)器設(shè)計者虛擬機(jī)物理機(jī)42計算機(jī)執(zhí)行程序的過程舉例說明：將編制好的程序放在主存中，由控制器控制逐條取出指令執(zhí)行。以單累加寄存器結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器為例，計算a+b-c=?43計算機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)機(jī)器字長：能直接處理的二進(jìn)制信息的位數(shù)。字長標(biāo)志著精度，字長越長，精度越高，如64位比32精度高。主頻：CPU的時鐘頻率。一般情況下，時鐘頻率越高，運(yùn)算速度越快。整機(jī)速度由多種因素決定?？偩€寬度：數(shù)據(jù)總線一次能并行傳輸信息的位數(shù)。一般指外部數(shù)據(jù)總線的寬度。存儲容量：系統(tǒng)能存儲的二進(jìn)制字節(jié)的總數(shù)，單位：KB、MB、GB、TB等。運(yùn)算速度：每秒能執(zhí)行指令數(shù)，單位：百萬條指令/秒。44數(shù)字計算機(jī)的特點(diǎn)能在程序控制下自動連續(xù)地工作運(yùn)算速度快運(yùn)算精度高信息存儲能力強(qiáng)通用性好45八、計算機(jī)的過去和未來

世界上第一臺電子數(shù)字計算機(jī)是1946年2月15日在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生的ENIAC。從今天的眼光來看，這臺計算機(jī)功耗大又不完善，但卻是科學(xué)史上一次劃時代的創(chuàng)舉，它奠定了電子計算機(jī)的基礎(chǔ)。自從這臺計算機(jī)問世以來，計算機(jī)大致經(jīng)歷了四個階段的變化。46計算機(jī)的過去根據(jù)邏輯元件，計算機(jī)的發(fā)展劃分為四代：第一代(1946年～1958年)是電子管計算機(jī)第二代(1959年～1964年)是晶體管計算機(jī)第三代(1965年～1970年)是集成電路計算機(jī)第四代(1971年以后)是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機(jī)從1946年計算機(jī)誕生以來，大約每五年運(yùn)算速度提高10倍，可靠性提高10倍，成本降低10倍，體積縮小10倍。60多年來計算機(jī)的發(fā)展過程，是在馮

·

諾依曼型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，緊緊圍繞提升運(yùn)算速度、擴(kuò)大存儲容量、降低制造成本、提高系統(tǒng)可靠性和使用的方便性為目的，不斷采用新器件和研制新軟件的過程。47計算機(jī)的未來微型計算機(jī)將向更微型化、網(wǎng)絡(luò)化、高性能、多用途的方向發(fā)展。體積越來越微小。巨型計算機(jī)向更巨型化、超高速、并行處理、智能化的方向發(fā)展。功能越來越強(qiáng)大。進(jìn)入以通訊為中心的體系結(jié)構(gòu)，計算機(jī)就是網(wǎng)絡(luò)。48

本章要點(diǎn)：

1．計算機(jī)系統(tǒng)的概念：

硬件和軟件的綜合體 2.層次結(jié)構(gòu)及虛擬機(jī)器概念 3.馮·諾依曼體制的要點(diǎn)及存儲程序控制的含義 4．計算機(jī)硬件的典型組成結(jié)構(gòu) 5．計算機(jī)的主要性能指標(biāo)了解及自學(xué)內(nèi)容了解內(nèi)容：

1.2計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)

1.3計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計自學(xué)內(nèi)容：

1.4計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類及其發(fā)展并行性的概念50

第1章概論課堂練習(xí)一、選擇題1.發(fā)明的第一臺電子數(shù)字計算機(jī)是 A.ENIACB.EDVACC.EDSAC

。D.UNIVAC2.世界上第一臺電子數(shù)字計算機(jī)研制成功的時間是。A.1946年B.1947年C.1951年D.1952年3.多媒體計算機(jī)是指。

A.具有多種外部設(shè)備的計算機(jī) B.能與多種電器連接的計算機(jī) C.能處理多種媒體信息的計算機(jī)D.借助多種媒體操作的計算機(jī)4.電子數(shù)字計算機(jī)工作最重要的特征是。

A.高速度C.存儲程序自動控制

B.高精度D.記憶力強(qiáng)51

第1章概論課堂練習(xí)一、選擇題5.通常所說的主機(jī)是指 A.CPU C.CPU、內(nèi)存和外存

。 B.CPU和內(nèi)存D.CPU、內(nèi)存和硬盤。6.CPU處理的數(shù)據(jù)基本單位為字，一個字的二進(jìn)制位數(shù)為 A.8B.16C.32D.與CPU芯片的型號有關(guān)7.bit的意義是。C.字長D.二進(jìn)制位

A.字8.1MB=B.字節(jié)

。A.1000字節(jié)B.1024字節(jié)C.1000*1000字節(jié)D.1024*1024字節(jié)。9.一個字節(jié)的二進(jìn)制位數(shù)為 A.2B.4C.8D.1652

第1章概論課堂練習(xí)一、選擇題10.一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)包括 A.運(yùn)算器、存儲器、控制器 C.主機(jī)和實用程序 11.中央處理機(jī)（CPU）包括

。 B.外部設(shè)備和主機(jī) D.配套的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)。

A.運(yùn)算器 C.控制器和運(yùn)算器12.CPU中控制器的功能是 A.進(jìn)行邏輯運(yùn)算B.控制器D.運(yùn)算器和存儲器

。 B.進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算C.分析指令并發(fā)出相應(yīng)的控制信號D.只控制CPU工作13.計算機(jī)能直接識別的語言是。A.匯編語言B.自然語言C.機(jī)器語言D.高級語言53

第1章概論課堂練習(xí)一、選擇題14.微型計算機(jī)中運(yùn)算器的主要功能是。

A.控制計算機(jī)的運(yùn)行 C.分析指令并執(zhí)行15.計算機(jī)的軟件系統(tǒng)包括 A.程序與數(shù)據(jù)

B.算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算D.負(fù)責(zé)存取存儲器中的數(shù)據(jù)

。 B.系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件

D.程序、數(shù)據(jù)與文檔。

C.操作系統(tǒng)與語言處理程序16．計算機(jī)的存儲器系統(tǒng)包括 A.RAMB.ROMC.主存儲器D.Cache、主存儲器和輔助存儲器17.微型計算機(jī)的發(fā)展以技術(shù)為標(biāo)志。A.操作系統(tǒng)B.微處理器C.磁盤D.軟件18.電子計算機(jī)技術(shù)在約七十年中雖有很大的進(jìn)步，但至今其運(yùn)行仍遵循著一位科學(xué)家提出的基本原理。這位科學(xué)家是。A.牛頓B.愛因斯坦C.愛迪生D.馮·諾依曼54

第1章概論課堂練習(xí)二、填空題2．現(xiàn)在主要采用結(jié)構(gòu)作為微/小型計算機(jī)硬件之間的連接方式3．三態(tài)門電路比普通門電路多一種狀態(tài)。4．計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)中，位于硬件之外的所有層次統(tǒng)稱為。1．計算機(jī)系統(tǒng)由系統(tǒng)和系統(tǒng)構(gòu)成。55

第1章概論課堂練習(xí)三、判斷題1．存儲程序的基本含義是將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入主存中。2．利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把計算機(jī)的運(yùn)算部件和控制部件做在一塊集成