第一章计算机系统概论

同学们大家好！谢谢大家的支持和协作！1/31/20231《计算机组成原理》

科学出版社教材：计算机组成原理

白中英主编第三版主讲人：计算机科学与工程系李汉菊制作人：专升本200203班邓伟课时60，机时12，4.5学分1/31/20232参考书目：1.计算机组成原理题解，题库与实验科学出版社第三版白中英杨春武主编2.计算机组成原理第二版华中科技大学出版社莫正坤高建生主编3.计算机组成与结构清华大学出版社王爱英主编4.计算机原理与系统结构清华大学出版社候炳辉主编5.计算机原理李勇1/31/20233课程安排：60学时第一章

计算机系统概论2学时第二章运算方法和运算器

12--14学时第三章存储系统

10--12学时第四章指令系统2--4学时第五章中央处理器

10--12学时第六章总线系统4学时第七章外围设备4--6学时第八章输入输出系统6--8学时复习2学时1/31/20234实验安排：3个实验12学时1.运算器组成实验74181芯片2.半导体存储器实验2114芯片1K*4位3.时序电路实验指导书：计算机组成原理实验指导书王晓兰编实验指导老师：王晓兰TEL：87543785实验地址：南一楼807实验时间：13，15，17周星期五下午：5—--8节（0201—0203班）星期五晚上：9—12节（0204---0206班）1/31/20235教学要求：计算机组成原理是计算机科学与工程系的一门核心必修课，在先导课和后继课之间起着承上启下的作用。学习这门课要求概念清晰,有较广的知识面，注重培养自学能力,分析问题及动手设计,计算能力。每人准备2个作业本。1/31/20236考核方式：全年级统一试卷平时成绩：20分作业和到课情况10分实验10分考试成绩：80分

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第一章计算机系统概论1.1计算机的分类和应用

1.1.1计算机的分类电子计算机从总体上分为两大类:

电子模拟计算机和电子数字计算机。数字计算机分为:两类

专用计算机和通用计算机。通用计算机分为:六类巨型机,大型机,中型机,小型机,微型机和单片机。

1/31/20238数字计算机和模拟计算机的主要区别

比较内容数字计算机模拟计算机数据比较方式数字0和1电压计算方式数字计数电压组合和测量值控制方式程序控制盘上连线精度高低数据存储量大小逻辑判断能力强无1/31/20239通用计算机分类及比较单片机微型机小型机 中型机大型机巨型机 低高高低体积功耗数据存储量指令系统价格简易性1/31/2023101.1.2计算机的应用计算机所以迅速发展,其生命力在于广泛的应用。归纳下面七个方面：1.科学计算2.自动控制3.测量和测试4.信息处理（商务处理和管理应用）5.教育和卫生6.家用电器7.人工智能1/31/202311计算机的特点:4点1.计算机具有自动进行各种操作的能力2.计算机具有高速处理的能力3.计算机具有超强的记忆能力4.计算机具有很高的计算精度与可靠的判断能力1/31/202312计算机的发展阶段1.1946年美国研制成功的ENIAC，使用了18000多个电子管，占地170平方米,总重量30吨,耗电140千瓦，每秒可以作5千次加减运算。2.当今最先进计算机依旧遵循冯·若依曼基本原理运行第一代计算机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年代中期以后大规模和超大规模集成电路

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微机的分类（4种）1按字长分有8位，16位，32位，64位。2按结构分有单片机，单板机，多芯片机，多板机3按用途分有工业过程控制机，数据处理机4按CPU芯片型号分有286，386，486，奔腾586中央处理器简称CPU（CentralProcessingUnit)CPU主要包括运算器和控制器2个部件存储器容量是指存储器中包含的字节数通常用KB,MB,GB,TB为存储器容量的单位1KB=1024字节，1MB=1024KB,1GB=1024MBCPU与内存和在一起称为主机内存由半导体存储器组成。1/31/202314

外存储器常用的外存储:磁盘，光盘，磁带等。磁盘又分为:硬盘和软盘1.硬盘的容量大的多，目前硬盘的容量一般是60--100G以上2.软盘一般使用的3.5寸软盘容量为1.44MB3.光盘简称CD-ROM容量为650MB4.移动闪存简称U盘容量一般32-128MB以上1/31/2023151.2计算机的硬件1.2.1数字计算机的硬件组成计算机的主要组成结构系统总线BUS适配器控制器存储器运算器输入设备I输出设备OCpu=运+控1/31/202316

外部设备CPU

计算机硬件系统基本组成框图输入设备输出设备控制器运算器存储器1/31/2023171.运算器运算器好像一个由电子线路构成的算盘。主要功能：

加，减，乘，除，逻辑运算。

有时作为数据通道。例：MOVR1,R2

在运算中位数越多,计算的精度就越高，但花费的电子器件也越多.

目前运算长度一般是:8位，16位，32位或64位.1/31/202318运算器结构示意图：

运算单元电路寄存器B累加器A1/31/202319问题：计算机中为何使用二进制？二进制运算规律简单电子线路易实现物理器件原因

例：电平的高低,脉冲的有无,灯光的亮熄等。电子计算机中广泛使用二进制数。1/31/202320读写控制电路存储单元存储体存储单元0…01﹕1…11读/写命令地址总线存储器组成框图地址译码存储单元0…00数据总线2.存储器1/31/202321存储器的功能：保存信息0/1

保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤存储单元:把保存一个数的8/16个触发器叫存储单元。存储地址:存储器中的存储单元的编号。存储容量:存储器中存储单元的总数。外存储器:

磁盘存储器和光盘存储器。内存储器:半导体存储器。1/31/202322

3.控制器控制器是控制计算机各部件有条不紊工作的部件（1）计算程序指令：每一个基本操作就叫一条指令计算程序：解释某一个问题的一串指令序列（2）指令的形式存储程序:将解题的程序(指令序列)存放到存储器中.程序控制:控制器依据存储的程序来控制全机协调的完成计算任务.操作码地址码1/31/202323

（3）控制器的基本任务：按照计算机程序所安排的指令序列，从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码进行分析判断，然后根据指令性质，执行这条指令,进行相应的操作。接着从存储器中取第二条指令,再执行。

把取指令的一段时间叫做取指周期，

执行指令的一段时间叫做执行周期。1/31/202324

（4）适配器与输入输出设备

输入设备：能够把人们用文字或语言所表达的问题直接送到计算机内部处理（如键盘，鼠标，扫描仪）

输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接受和识别的信息形式。（如打印机，显示器）计算机的输入输出设备通常称为外围设备。一个典型的计算机系统具有各种类型的外围设备，有各种类型的适配器，它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，使主机和外围设备协调的工作。

适配器的作用：保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接受信息。1/31/202325世界第一台电子计算机：ENIAC1946年在美国宾夕法尼亚大学研制成功。电子管：18800多个重量：36吨继电器：1500只电阻器：7000只电容器：10000只功耗：150kW体积：85立方米占地：170平方米1/31/2023261.2.2计算机系统结构的过去和未来计算机的发展经历了五代：第一代:1946年电子管计算机第二代:1958年晶体管计算机第三代:1965年中小规模集成电路计算机第四代:1971年大规模和超大规模集成电路计算机.第五代:1986年巨大规模集成电路计算机1/31/202327VLSI：超大规模集成电路小规模门电路小于10个中规模门电路小于100个大规模门电路小于1000个超大规模门电路大于几千个门电路1/31/202328

第一代计算机（1946～1958）

特征：（1）以电子管为基本电子器件.（2）使用机器语言和汇编语言.（3）应用领域主要为科学计算.（4）运算速度每秒几千～几万次.（5）体积大,功耗大,价格昂贵且可靠性差.1/31/202329

第二代计算机（1958～1964）特征：

（1）晶体管取代电子管.

（2）软件技术上出现算法语言及操作系统.

（3）应用领域从科学计算扩展到数据处理.

（4）运算速度每秒几万～几十万次.

（5）体积缩小,功耗降低,可靠性提高.1/31/202330第三代计算机（1964～1971）

特征：

（1）采用集成电路（2）运算速度每秒几十万～几百万次（3）体积,功耗显著减小,可靠性大大提高

（4）出现向大型和小型化两极发展趋势（5）软件技术与计算机外围设备发展迅速，应用领域不断扩大1/31/202331

第四代计算机（1971至今）特征：（1）中，大及超大规模集成电路（VLSI）成为计算机的主要器件。（2）运算速度从MIPS级提高到GIPS级乃至

TIPS级。（3）采用了多机并行处理与网络化技术。（4）系统软件的发展正向工程化及智能化发展。1/31/202332运算速度：MIPS级:每秒106条指令GIPS级:每秒109条指令TIPS级:每秒1012条指令1/31/202333我国电子计算机的研究从1953年开始，

1958年研制出第一台计算机。40多年来,相继研制出第二代,第三代计算机。从1982年开始,我国研制出每秒1亿次的巨型机—银河Ⅰ,Ⅱ型,中型机,32位超级小型系列机。1995年5月,由中科院计算机研究所国家智能计算机研究中心研制的“曙光1000”大规模并行处理机宣布诞生。我国计算机的发展概况：1/31/202334我国首台万亿次计算机诞生：联想深腾1800大规模计算机系统研制成功.2002年8月29日6位院士,7位专家鉴定会通过。使用512个处理机求解153600阶线性方程组,实测性能达到每秒1.027万亿次浮点运算。1/31/202335万亿次计算机机身总长14米,包含20个机柜,256个计算功能节点机,526个高性能至强处理器万亿次计算机内存容量272GB系统总硬盘空间为6TB实际运算速度排世界第24位为国内第一个实测速度超过万亿次的计算机产品1/31/202336计算机发展的总趋势：

计算机工业是当今世界发展最快的工业之一。90年代，微型计算机已迈入64位的新时代.

精减指令计算机（RISC）

复杂指令计算机（CISC）

随机存储器,光盘,Cache等信息存储技术正已惊人的速度发展,网络技术从传统的高速网络技术向异步传输模式（ATM）发展,多媒体计算机正在国际范围内推广使用,大规模并行处理系统（MPP）的处理速度已达到TFLOPS级,超立方体计算机,神经网络计算机,光计算机等高性能的计算机正在加紧研究,试制之中。1/31/202337计算机发展的总趋势微型化巨型化网络化智能化1/31/202338问题：冯·若依曼基本原理是什么？计算机与计算器的区别？我国计算机是什么时侯研发的？1/31/2023391、冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些主要组成部分？答：冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是：存储程序并按地址顺序执行，它由存储器、控制器、适配器和输入输出设备组成。2、计算机与计算器的区别？答：计算器充其量只能算是一个运算器，只能进行简单的数值运算，它不能进行存储、控制等活动。而计算机具有完完善的存取、控制和输入输出等功能，可以应用到科学计算、自动控制、测量和测试、信息处理、教育和卫生、家用电器、人工智能等方面参考答案:1/31/2023403、我国计算机是什么时侯研发的？答：我国电子计算机的研究从1953年开始，

1958年研制出第一台计算机。

40多年来,相继研制出第二代,第三代计算机。从1982年开始,我国研制出每秒1亿次的巨型机—银河Ⅰ,Ⅱ型,中型机,32位超级小型系列机。

1995年5月,由中科院计算机研究所国家智能计算机研究中心研制的“曙光1000”大规模并行处理机宣布诞生。1/31/202341计算机的系统结构的发展趋势计算机网络和分布式计算机系统能为信息处理提供廉价服务，计算机系统的进一步发展，“三网合一”，将进入以通信为中心的体系结构。计算机从数值计算为过渡到知识推理为主，使计算机进入知识处理阶段。随着大规模集成电路的发展，不仅用多处理机技术来实现计算机的功能，从而会出现计算机的动态结构，所谓的模块化的计算机系统结构。多媒体技术将有重大突破和发展，在微处理机，计算机网络和通信等方面引起一次重大变革。1/31/202342

计算机能得到广泛的应用与它的特殊性能分不开的。（1）快速性：电子计算机采用高速电子器件。采用了存储程序的设计思想。将要解决的问题和解决的方法及步骤预先存入计算机。

计算机的特性1/31/202343（2）通用性：计算机处理的信息是：数值数据，和非数值数据。这些非数值数据都可以用数字化编码表示。任何复杂信息都可以分解成基本操作，编制相应的程序，通过执行程序完成任务。

（3）准确性：

一是计算精度高，二是计算方法科学。精度取决于运算中数的位数，位数越多越精确。还与计算方法有关。

1/31/202344

（4）逻辑性：

逻辑判断与逻辑运算是计算机的基本功能之一。上述的四大特性是从计算机的外部角度来认识的，它们与计算机内部的固有特点相关，下图给出了两者之间的关系。1/31/202345

外部特征

内部特征

计算机外部特征和内部特点的对应关系快速性准确性数字化信息通用性存储程序逻辑性逻辑判断高速电子器件1/31/202346名词解释：

字长:组成一个字的二进制位数。例如8,16,32,64.数据字:表示某字代表要处理的数据。指令字:表示某字为一条指令。数据流:在执行器周期中从内存读出的信息流。由内存流向运算器。三网合一：电话网，电视网，计算机网。1/31/202347

存储器的单位210=1KB220=1MB230=1GB240=1TBbit位:最小单位：0、1Byte字节：八个二进制位。

Word字：计算机一个字与机器字长有关。1/31/202348

数字电子计算机的完整定义：数字电子计算机是一种能自动地高速地对各种数字化信息进行运算处理的电子设备。自动的含义是指程序执行时，不再需要人的干预，程序能连续发出各种命令，控制计算机完成预定的操作任务。它区别于过去的计算工具，（计算器）也区别于模拟电子计算机。1/31/2023491.3计算机的软件

1.3.1软件的组成和分类

系统程序：用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能和用途。应用程序：是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。软件1/31/202350系统程序的分类

各种服务性程序（诊断程序，排错程序）语言程序（汇编程序，编译程序，解释程序）操作系统数据库管理系统系统程序1/31/202351

通常将系统软件分为：六类（1）操作系统：是管理计算机各种资源，自动调度用户作业程序，处理各种中断的软件。如批处理操作系统，分时操作系统及实时操作系统。（2）语言处理程序：一般分为解释程序与编译程序两类。（3）标准库程序：

1/31/202352（4）服务性程序：提供各种运行所需的服务，是一种辅助计算机工作程序。（5）数据库管理系统：用来管理系统中所有的文件，实现数据共享。（6）计算机网络软件：是为计算机网络配置的系统软件。1/31/202353计算机系统的功能由硬件或由软件实现，在逻辑功能上是等价的。计算机系统的软件与硬件可以相互转化，互为补充。固件：程序固定在ROM中组成的部件。

固件的特点：具有软件的灵活性、具有硬件的快速性。1/31/2023541.3.2软件的发展演变源程序翻译成机器语言通常有两种方法：通过编译程序翻译成目标程序然后执行通过解释程序逐条翻译，立即执行手编程序（机器语言）汇编程序（汇编语言）源程序（算法语言）1/31/2023551.4计算机系统的层次结构从功能上分为:5个层次级别

(1)微程序设计级

(2)一般机器级

(3)操作系统级

(4)汇编语言级

(5)高级语言级1/31/2023565.高级语言级4.汇编语言级2.一般机器级计算机系统层次结构1.微程序设级3.操作系统级1/31/202357说明:一：1，2，3级是面向机器的，是为支持高层的需要而设置的，4，5级是面向程序员而设置的。其中4，5级采用的语言必须被翻译成1，2，3数字化语言，才能被机器识别。二：层次之间的关系十分密切，上层是下层功能的扩展，下层是上层的基础。三：层次的划分不是绝对的，它是动态变的。

1/31/202358多媒体技术简介:多媒体计算机硬件系统：主要包括媒体主机如个人机，工作站，超级微机等多媒体输入设备：摄像机，电视机，麦克风，录象机，录音机，扫描仪，CD-ROM多媒体输出设备：打印机，绘图仪，音响，电视机，喇叭，录音机，录象机,高分辨率的屏幕等多媒体存储设备：硬盘，光盘，声像磁带等多媒体功能卡：视频卡，声音卡，压缩卡，家电控制卡，通讯卡等操作控制设备：鼠标，键盘，触摸屏，操作杆。1/31/202359英文缩写词

ABUS addressbus 地址总线AC accesscycle 存储周期ACR accumulator 累加器A/D analogtodigitalconverter

模拟/数字转换器ALU arithmeticlogicunit

运算器，算术逻辑部件

1/31/202360ASCII Americasdandardcodeforinformationg

美国信息交换标准码ATM asynchronustransmissionmode

异步传输模式BG busgrant 总线允许BIU businterfaceunit 总线接口单元BPI bitsperinch

位/英寸

CAI computeraidedinstruction

计算机辅助教学CPU centrolprocessingunit中央处理器CRC cyclicredundancycheck

循环冗余校验

1/31/202361CRT catheode－raytube 阴极射线管CS controlstorage 控制存储器CS chipselect 片选CU controlunit 控制部件D/A digitaltoanalogconverter

数字/模拟转换器DBR databufferregister 数字缓冲寄存器DBUS databus

数据总线DMA directmemoryaccess

直接存储器存取EU executive unit

执行部件

1/31/202362GAL genericarraylogic通用阵列逻辑GB gigabytes 千兆字节GIPS gigaofinstructionsperseond

每秒千兆条指令GR generalregist