计算机组成与结构第1章-计算机系统概述

计算机组成与结构第1章计算机系统概述为什么要开设“计算机组成与结构”重要的专业基础课有：数据结构操作系统组成结构/原理网络原理……计算机基础C语言/数据结构汇编语言操作系统组成与结构……3课程性质“计算机组成与结构”是计算机科学与技术专业各专业方向的一门重要的专业基础课程，在基础课和专业课之间起着承上启下的重要作用。后续课：计算机系统结构嵌入式系统微机原理与接口技术单片机原理……先修课：数字电路（数字逻辑）；“计算机组成与结构”讲的是什么？多种多样的计算机多种多样的计算机多种多样的计算机多机系统多机系统10既然如此有用，我们应该学习并掌握好“计算机组成与结构”这门课。具体来说，我们这门课学习的主要内容有：第1章计算机系统概述第2章运算方法与运算器

第3章寻址方式与指令系统第4章控制器第5章主存储器第6章存储器的结构第7章系统总线第8章输入/输出子系统学时：60学时（理论45+实验15）11课程目的本课程主要在单机系统范围内，介绍计算机硬件系统的基本组成和工作原理，讨论计算机各部件的基本组成原理以及各部件之间如何相互连接构成整机系统。为同学们进一步学习后续课程，培养对计算机软硬件系统的认知、设计与创新能力奠定良好的基础。

怎样学好这门课？认真听课课后及时复习、做作业能做到课前预习则更好参考资料做好实验

AEDK-CPT实验板15学习方法整体──细节──整体注意抽象概念与具体实例的关系。16强调两个层次的整机概念CPU整机概念硬件系统整机概念紧紧抓住各部件之间的信息传送方式和传送途径。学习方法17学习方法抓住一条主线以执行一条指令的基本过程为主线，把各章的知识点串成一条线，由粗到细层层深入注意整体配合以一条指令的执行过程为例，理解各部件间的关系，理解信息的表述、存储、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为一步步的微操作来实现的。18教材与参考书、考核方式教材与参考书罗福强，计算机组成与结构，人民邮电出版社，2014.1王爱英，计算机组成与结构，清华大学出版社，2013.1罗克露，计算机组成原理，电子工业出版社，2006.7马维华等，从8086到PentiumⅢ

微型计算机及接口技术，科学出版社，2000.2考核方式平时作业、考勤及实验40%期末考试 60%19关于考勤与平时表现分考勤无故缺席3次者，取消考试资格请假需有辅导员签字的学院标准请假条平时加分与扣分根据平时表现，可以有一些平时加分，如：上课积极回答问题、积极参加课堂活动、协助老师的教学（如主动帮老师擦黑板）等当然，也会有一些平时扣分，如：作业完成情况差、学习态度及其不端正等第1章计算机系统概述21第1章计算机系统概述总体要求学习重点参见教材P122第1章计算机系统概述主要内容计算机的设计思想（存储程序与程序控制）计算机的硬件组成（五大部件）计算机的软件配置（系统软件和应用软件）（略）计算机的基本工作过程23一、什么是计算机？计算机不同于一般的电子设备，是由硬件、软件组成的复杂的自动化设备，是能够自动、高速、准确地对信息进行运算、处理、存储和传输的电子设备。计算机与一般电子设备的最大区别：既有硬件，又有软件，软件和硬件协同工作；一般传统电子设备无软件。24二、计算机的分类计算机从总体上分：模拟计算机、数字计算机（数字计算机俗称电脑）计算机从用途上分：通用机、专用机数字计算机按性能进一步分：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机25计算机的应用1．科学计算2．信息管理3．过程检测与控制4．计算机辅助工程5．人工智能方面的研究和应用6．多媒体技术应用7．计算机网络……计算机已经应用于人类活动的各个领域，发挥着不可替代的重要作用MP4手机数码相机……互联网26三、计算机的设计思想

计算机功能如此强大，大家一定会提出这样的问题：计算机到底是怎么构成的？其功能又是如何实现的？世界上，第一台数字电子计算机是1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学诞生的ENIAC。27世界上第一台计算机ENIACENIAC的特点：采用十进制 20个10位的累加器用开关手动编程18,000个电子管重30吨占地170平方米耗电140

KW5,000次/秒加法运算在今天看来，ENIAC并不完善，但它的诞生是具有里程碑意义的。28冯·诺依曼型计算机在研制ENIAC的同时，以美籍匈牙利数学家冯·诺依曼为首的研制小组提出了“存储程序、程序控制”的设计思想，体现该设计思想的计算机EDVAC在1951年问世。冯·诺依曼的存储程序控制概念概括起来为：计算机硬件应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。计算机内部采用二进制来表示指令和数据（表示与实现）。将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后启动计算机工作。这一点最为重要，即存储程序、程序控制的思想。目前绝大多数计算机仍然建立在存储程序、程序控制概念的基础上，称为冯·诺依曼型计算机。29四、计算机的硬件组成运算器控制器输入设备输出设备辅助存储器CPU控制数据地址/指令主机外设存储器主存储器301、运算器运算器的功能是执行算术运算、逻辑运算以及数据转换，更复杂的运算分解成这些基本运算来实现。通常采用二进制数进行运算，1和0可用电压的高和低、脉冲的有和无表示，具有实现的物质基础。使用二进制数的优点是运算规则简单、容易用电子线路来实现、可靠性非常高。

312、控制器控制器的作用是协调计算机各部件之间的工作。具体讲，控制器从内存中取出解题步骤（指令），加以分析后执行某种规定的操作。指令的作用是告诉控制器做什么操作，数据从哪里来、结果送到哪里去。指令由两大部分构成：操作码说明执行什么操作，而地址码说明数据的来源和去向。指令用二进制表示、并预先存放在存储器中，称为存储程序。控制器依据存储的程序控制计算机完成计算任务，称为程序控制。存储程序、程序控制是冯·诺依曼型计算机设计思想的核心。操作码地址码323、存储器存储器的功能是存放程序和数据。存储器由半导体器件构成，例如一个触发器有两个状态，可表示1位二进制数，16位数需要16个触发器。保存一个数的所有触发器合起来称为一个存储单元。每个单元都有一个编号，这个编号叫地址。存储器的所有存储单元的总数称为存储容量，用KB、MB、GB表示。存储容量越大，能记忆的信息越多。33４、输入设备输入设备的任务是把编好的程序和原始数据送到计算机中去，并把它们转换成计算机能识别、能接受的信息形式。计算机不能没有输入设备。输入设备的种类非常多，例如鼠标、键盘、扫描仪等是常见的输入设备；新设备不断出现，如软键盘。34５、输出设备输出设备的任务是把计算机的处理结果以人或其它设备能接受的形式送出计算机。计算机不能没有输出设备，否则计算机的存在就没有意义。输出设备的种类也非常多，例如显示器、打印机等是常见的输出设备。同样新的输出设备在不断问世，例如能用颜色表示水温的水龙头。输入、输出设备是人机交互的设备，统称为外部设备，简称外设。35CPU、主机、外设中央处理器CPU：

CPU=运算器+

控制器计算机主机：主机=中央处理器+

主存储器外部设备：

外设=主机以外的其它硬件装置36微机的硬件组成1.主板2.CPU3.主存4.总线5.输入/输出接口主机外设1.外存2.输入设备3.输出设备硬件37五、计算机总线结构微、小型计算机多采用总线结构。总线是一组能够为多个功能部件分时共享的信息传输的公共通路，是构成计算机系统的互连机构。总线的特点：分时、共享。单总线是总线结构中的一种，单总线并不是一根信号线，内含地址总线、数据总线、控制总线，同时还有相关控制电路。大、中型计算机则采用通道等方式连接各大部件，后续课程讨论。系统总线CPU主存储器接口外设接口外设38六、计算机的软件

软件分为两大类：系统软件、应用软件

系统软件分为四类：服务性程序语言类程序操作系统数据库管理系统

应用软件举例：工程设计程序数据处理程序自动控制程序企业管理程序情报检索程序科学计算程序，等

39软件的发展机器语言汇编语言算法语言操作系统数据库管理系统汇编程序这算什么我来翻译解释程序/编译程序这也没什么，我们来解释/翻译100101110

001100101

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……40七、计算机系统的层次结构计算机不能简单地认为是一种电子设备，它是一个十分复杂的、由硬件和软件结合而成的整体。既然计算机由软、硬件构成，那么在计算机内部，软件和硬件采用什么方式进行组织来构成计算机系统呢？41计算机系统的层次结构计算机系统通常被认为由6个不同的级组成：

第六级应用语言级第五级高级语言级第四级汇编语言级第三级操作系统级第二级传统机器级第一级微程序级为满足某种用途而专门设计，其语言是各种面向问题的应用语言。用户看到的是能解决某些专门问题的智能机器。

高级语言级是为方便用户编写应用程序而设置的，由各种高级语言编译程序支持，面向程序员。

提供一种符号语言即汇编语言，以减少程序编写复杂性，并由汇编程序翻译成机器语言，这一级由汇编程序支持。

由操作系统实现。它要直接管理传统机器的软硬件资源，是传统机器的延伸；同时要对整个系统的任务进行调度。机器语言是该机的指令集，机器语言程序可由微程序解释，即由微程序解释机器指令系统。这一级是软硬件的分界面。

微指令编写的微程序直接由硬件执行，微程序被固化于只读存储器ROM中，常称为固件。1、2级面向机器设计者虚拟机物理机42计算机执行程序的过程举例说明：将编制好的程序放在主存中，由控制器控制逐条取出指令执行。以单累加寄存器结构的运算器为例，计算a+b-c=?43计算机主要技术指标机器字长：能直接处理的二进制信息的位数。字长标志着精度，字长越长，精度越高，如64位比32精度高。主频：CPU的时钟频率。一般情况下，时钟频率越高，运算速度越快。整机速度由多种因素决定。总线宽度：数据总线一次能并行传输信息的位数。一般指外部数据总线的宽度。存储容量：系统能存储的二进制字节的总数，单位：KB、MB、GB、TB等。运算速度：每秒能执行指令数，单位：百万条指令/秒。44数字计算机的特点能在程序控制下自动连续地工作运算速度快运算精度高信息存储能力强通用性好45八、计算机的过去和未来

世界上第一台电子数字计算机是1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学诞生的ENIAC。从今天的眼光来看，这台计算机功耗大又不完善，但却是科学史上一次划时代的创举，它奠定了电子计算机的基础。自从这台计算机问世以来，计算机大致经历了四个阶段的变化。46计算机的过去根据逻辑元件，计算机的发展划分为四代：第一代(1946年～1958年)是电子管计算机第二代(1959年～1964年)是晶体管计算机第三代(1965年～1970年)是集成电路计算机第四代(1971年以后)是大规模和超大规模集成电路计算机从1946年计算机诞生以来，大约每五年运算速度提高10倍，可靠性提高10倍，成本降低10倍，体积缩小10倍。60多年来计算机的发展过程，是在冯

·

诺依曼型计算机结构的基础上，紧紧围绕提升运算速度、扩大存储容量、降低制造成本、提高系统可靠性和使用的方便性为目的，不断采用新器件和研制新软件的过程。47计算机的未来微型计算机将向更微型化、网络化、高性能、多用途的方向发展。体积越来越微小。巨型计算机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化的方向发展。功能越来越强大。进入以通讯为中心的体系结构，计算机就是网络。48

本章要点：

1．计算机系统的概念：

硬件和软件的综合体 2.层次结构及虚拟机器概念 3.冯·诺依曼体制的要点及存储程序控制的含义 4．计算机硬件的典型组成结构 5．计算机的主要性能指标了解及自学内容了解内容：

1.2计算机系统结构、组成与实现

1.3计算机系统结构设计自学内容：

1.4计算机系统结构的分类及其发展并行性的概念50

第1章概论课堂练习一、选择题1.发明的第一台电子数字计算机是 A.ENIACB.EDVACC.EDSAC

。D.UNIVAC2.世界上第一台电子数字计算机研制成功的时间是。A.1946年B.1947年C.1951年D.1952年3.多媒体计算机是指。

A.具有多种外部设备的计算机 B.能与多种电器连接的计算机 C.能处理多种媒体信息的计算机D.借助多种媒体操作的计算机4.电子数字计算机工作最重要的特征是。

A.高速度C.存储程序自动控制

B.高精度D.记忆力强51

第1章概论课堂练习一、选择题5.通常所说的主机是指 A.CPU C.CPU、内存和外存

。 B.CPU和内存D.CPU、内存和硬盘。6.CPU处理的数据基本单位为字，一个字的二进制位数为 A.8B.16C.32D.与CPU芯片的型号有关7.bit的意义是。C.字长D.二进制位

A.字8.1MB=B.字节

。A.1000字节B.1024字节C.1000*1000字节D.1024*1024字节。9.一个字节的二进制位数为 A.2B.4C.8D.1652

第1章概论课堂练习一、选择题10.一个完整的计算机系统包括 A.运算器、存储器、控制器 C.主机和实用程序 11.中央处理机（CPU）包括

。 B.外部设备和主机 D.配套的硬件设备和软件系统。

A.运算器 C.控制器和运算器12.CPU中控制器的功能是 A.进行逻辑运算B.控制器D.运算器和存储器

。 B.进行算术运算C.分析指令并发出相应的控制信号D.只控制CPU工作13.计算机能直接识别的语言是。A.汇编语言B.自然语言C.机器语言D.高级语言53

第1章概论课堂练习一、选择题14.微型计算机中运算器的主要功能是。

A.控制计算机的运行 C.分析指令并执行15.计算机的软件系统包括 A.程序与数据

B.算术运算和逻辑运算D.负责存取存储器中的数据

。 B.系统软件与应用软件

D.程序、数据与文档。

C.操作系统与语言处理程序16．计算机的存储器系统包括 A.RAMB.ROMC.主存储器D.Cache、主存储器和辅助存储器17.微型计算机的发展以技术为标志。A.操作系统B.微处理器C.磁盘D.软件18.电子计算机技术在约七十年中虽有很大的进步，但至今其运行仍遵循着一位科学家提出的基本原理。这位科学家是。A.牛顿B.爱因斯坦C.爱迪生D.冯·诺依曼54

第1章概论课堂练习二、填空题2．现在主要采用结构作为微/小型计算机硬件之间的连接方式3．三态门电路比普通门电路多一种状态。4．计算机系统的层次结构中，位于硬件之外的所有层次统称为。1．计算机系统由系统和系统构成。55

第1章概论课堂练习三、判断题1．存储程序的基本含义是将编好的程序和原始数据事先存入主存中。2．利用大规模集成电路技术把计算机的运算部件和控制部件做在一块集成