福师《计算机组成原理》

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高校名称：福建师范大学

课程名称：《计算机组成原理》

目录

第一章计算机系统概论课堂笔记................................................................3

第一章计算机系统概论关键词汇...............................................................7

第一章计算机系统概论FAQ.........................................................................................................................................8

第一章计算机系统概论拓展资源................................................................9

第二章计算机的发展及应用课堂笔记...........................................................11

第二章计算机的发展及应用关键词汇...........................................................14

第二章计算机的发展及应用FAQ.................................................................................................................................14

第二章计算机的发展及应用拓展资源...........................................................14

第三章系统总线课堂笔记.....................................................................16

第三章系统总线关键词汇.....................................................................26

第三章系统总线FAQ....................................................................................................................................................26

第三章系统总线拓展资源....................................................................28

第四章存储系统课堂笔记....................................................................28

第四章存储系统关键词汇....................................................................58

第四章存储系统FAQ....................................................................................................................................................60

第四章存储系统拓展资源....................................................................62

第五章输入输出系统课堂笔记.................................................................63

第五章输入输出系统关键词汇.................................................................94

第五章输入输出系统FAQ............................................................................................................................................95

第五章输入输出系统拓展资源.................................................................96

第六章计算机的运算方法课堂笔记.............................................................97

第六章计算机的运算方法关键词汇............................................................113

第六章计算机的运算方法FAQ................................................................................................................................114

第六章计算机的运算方法拓展资源............................................................114

第七章指令系统课堂笔记....................................................................115

第七章指令系统关键词汇....................................................................128

第七章指令系统FAQ..................................................................................................................................................129

第七章指令系统拓展资源....................................................................130

第八章CPU课堂笔记..........................................................................132

第八章CPU关键词汇..........................................................................145

第八章CPUFAQ.............................................................................................................................................................147

第八章CPU拓展资源..........................................................................149

第九章控制单元的功能课堂笔记..............................................................150

第九章控制单元的功能关键词汇..............................................................155

第九章控制单元的功能FAQ........................................................................................................................................156

第九章控制单元的功能拓展资源..............................................................157

第十章控制单元的设计课堂笔记..............................................................159

第十章控制单元的设计关键词汇..............................................................166

第十章控制单元的设计FAQ.......................................................................................................................................167

第十章控制单元的设计拓展资源..............................................................167

第一章计算机系统概论课堂笔记

♦主要知识点掌握程度

重点掌握冯•诺依曼思想，计算机系统的层次结构，知道计算机山那些部分组成。明白软硬件的概念

以及划分。清楚计算机各部分的特点以及性能技术指标。

♦知识点整理

一、计算机系统简介

（-）计算机的软硬件概念

计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成。

1、硬件

硬件是指计算机的实体部分，它山看得见、摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组

成，如主机、外设等。

2、软件

软件是看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成。通常把这些信息，如各类

程序寄寓于各类媒体中，如RAM、ROM、磁带、磁盘、光盘甚至纸带等。

计算机的软件又分为两大类：系统软件和应用软件

系统软件：

系统软件又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确

保高效运行。主要包括：标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软

件等等。其中，操作系统是计算机工作必须的系统软件，用来管理计算机的资源（如：处理器、存储器、外

设以及各种编译、应用程序等）自动调度用户的作业程序，使多个户能有效地共用一套计算机系统：提供操

作界面，提供程序运行平台，使计算机的使用效率大大提高。

应用软件：

应用软件又称为应用程序，它是用户根据任务所编制的各种程序，如科学计算程序、数据处理程序、

过程控制程序、事务处理程序等

（二）计算机系统的层次结构

现代计算机的解题过程通常是先由用户用高级语言编写程序（称作源程序），然后将它和数据一起送入

计算机内，再由计算机将其翻译成机器能识别的机器语言程序（称作H标程序），机器自动执行该机器语言

程序，并将计算机结果输出。

1、一级层次结构的计算机系统

实际机器Mi机器语甫程序可直

（机器语甫程序）接在M]上执行

2、两级层次结构的计算机系统

第二级虚拟机器汇编语言程序先翻译成机

（汇编语言机器）器语言程序。再由执行

实际机器N%机器语言程序直接在

第一级（机器语言机器）M]上执行

3、三级层次结构的计算机系统

虚拟机器M3将高级语言程序先翻译成汇

第三级编语言程序，再在M2、M]

（高级语言机器）（或直接到MP上执行

虚拟机器M2将汇编语言程序先翻译成机

第二级器语言程序，然后在M1上执

（汇编语言机器）行

机器语言程序直接在上

第一级实际机器M]

执行

（机器语言机器）

■

4,四级层次结构的计算机系统

虚拟机器23将高级语言程序翻译成汇编

第三级语言程序或其他中间语言程

（高级语言机器）序

1

虚拟机器R"用汇编程序翻译成机器语言

第二级程序

（汇编语言机器）

1

传统机器RL

第一级用微程序解释机器指令

（机器语言机器）

微程序机器NIQ

第零级由硬件直接执行微指令.

（微指令系统）一，

二、计算机的基本组成

（-）冯.诺依曼计算机的特点

冯•诺依曼体系计算机的核心思想是“存储程序”的概念。它的特点如下：

（I）计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成;

(2)指令和数据都用二进制代码表示：

(3)指令和数据都以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访；

(4)指令是由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器

中的位置：

(5)指令在存储器内是顺序存放的；

(6)机器以运算器为核心，输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器完成。

(二)计算机的硬件框图

典型的冯•诺依曼计算机是以运算器为中心的，如下图所示。其中，输入、输出设备与存储器之间的数

据传送都需通过运算器。

现代的计算机已转化为以存储器为中心，如下图所示。

上图中，各部件的功能如下：

(1)运算器：用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内；

(2)存储器：用来存放数据和程序；分为主存储器和辅助存储器，主存可直接与CPU交换信息，辅存

又称为外设。

(3)控制器：用来控制、指挥程序和数据的输入、运行及处理运算结果；

(4)输入设备：用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠标等；

(5)输出设备：可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式如打印机输出、显示器输出等。

I/O设备：即输入输出设备。

中央处理器(CPU)：运算器和控制器合起来称为CPUo

主机：CPU和主存储器合起来称为主机。

(三)存储程序工作方式

要让计算机自动、连续地工作，就需要告诉计算机做什么和怎徉做，这是通过存储程序方式来实现的。

存储程序工作方式包含三个要点，即根据求解的问题事先编制程序，将编好的程序先存入计算机中，计算

机自动、连续地读取并执行程序.这里需要注意的是，用程序设计语言编写的源程序在被送入计算机后，

仅仅是被转换成了二进制代码形式，还不能被计算机识别和执行，需要再轻过编译或解释，转换为按专门

指令格式组成的指令序列，即目标程序，并存放在存储器中，才能被计算机读取和执行。

课后问题：

（四）计算机的解题过程

解题过程：首先把构成程序的有序指令和数据，通过键盘输入到主存单元中，并置PC的初值为0（即

令程序的首地址为0）。启动机器后，计算机便自动按存储器中所存放的指令顺序，有序地逐条完成取指令、

分析指令和执行指令，直至执行到程序的最后一条指令为止。

1、运算器

运算器包括三个寄存器和一个算逻单元ALU。其中ACC为累加器，MQ为乘商寄存器，X为操作数寄存器。

加法操作过程：

M-x

[ACC]+[X]-ACC

[ACC]表示累加器中内容

[X]表示X寄存器中的内容

[M]表示对应M地址号单元中的内容

2、主存储器

主存储器（简称主存或内存）包括存储体、各种逻辑部件及控制电路等。存储体由许多存储单元组成,

每个存储单元又包含若干个存储元件（存储基元或存储元），每个存储元件能寄存一位二进制代码“0”或

“1”。•个存储单元可存储一串二进制代码，称这串二进制代码为•个存储字，这串二进制代码的个数叫

做存储字长。

赋予每个存储单元•个编号，叫做存储单元的地址号。主存的工作方式就是按存储单元的地址号来实

现对存储字各位的存（写入）、取（读出）。这种存取方式叫做按地址存取，即按地址访问存储器（简称访

存）。

为了实现按地址访问的方式，主存中还必须配置两个寄存器MAR和MDR。MAR是存储器地址寄存器，用

来存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数：MDR是存储器数据寄存器，用来存放从存储

体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等。

3、控制器

控制器是计算机组成的神经中枢，由它指挥全机各部件自动、协调地工作。控制器的工作过程就是取

指令、分析指令、执行指令。

控制器由程序计数器PC,指令寄存器IR以及控制单元CU几部分组成。PC用来存放当前欲执行指令的

地址，它与主存的MAR之间有一条直接通路，且具有自动加1的功能，即可自动形成下一条指令的地址。

IR用来存放当前的指令，IR的内容来自主存的MDRoCU用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种

微操作命令序列，用以控制所有被控对象。

4、I/O

I/O子系统包括各种外部设备及相应的接口。每一种设备都是由I/O接口与主机联系的，它接受CPU

发出的各种控制命令完成相应的操作。

三、计算机硬件的主要技术指标

（一）机器字长

机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关，字长越长，数的表示范围

也越大，精度也越高。机器的字长也会影响机器的运算速度。

（-）存储容量

存储器的容量包括主存的容量和辅存的容量。

主存容量是指主存中存放二进制代码的总数。即存储容量=存储单元个数x存储字长，MAR的位数反映

了存储单元的个数，MDR的位数反映了存储字长。

现代计算机中常以字节的个数来描述容量的大小，因为一个字节被定义为8位二进制代码，故用字节

数便能反映主存容量。同理，辅存容量也可用字节数来表示，如，某机辅存（如硬盘）容量为4GB

（1G=1KM=230,B用来表示一个字节）

（三）运算速度

计算机的运算速度普遍采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，并用MPIS作为计量单位，即每

秒执行百万条指令。也可以用CPI即执行一条指令所需的时钟周期数（机器主频的倒数），或用FLOPS（浮

点运算次数每秒）来衡量运算速度。

四、计算机的发展及应用

（-）计算机的发展

一代电子管计算机1946-1958,中国使用的这代计算机即为108机；

二代晶体管计算机1958-1964由二极管三极管电容等分离元件组成。我国的DJS系列如112机，一

直使用到差不多80年代，计算次数已经达到了50万次；

三代集成电路计算机1964T971典型的有：PDP-8DJS-130IBM-360

四代大规模和超大规模集成电路计算机比如银河多媒体计算机，广泛应用于信息处理

（二）计算机的应用

虚拟现实：是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生

一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其

境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

第一章计算机系统概论关键词汇

1,硬件：

硬件是指计算机的实体部分，它由看得见、摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组

成，如主机、外设等。

2、软件：

软件是看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成。计算机的软件又分为两大

类：系统软件和应用软件。

系统软件又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确

保高效运行。主要包括：标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软

件等等。

应用软件又称为应用程序，它是用户根据任务所编制的各种程序，如科学计算程序、数据处理程序、

过程控制程序、事务处理程序等

3、语言处理程序：

将源程序转换为目标程序的一类系统软件，包括各种解释程序、编译程序、汇编程序。

4、源程序：

由用户用高级语言编写的程序。

5、目标程序：

由计算机将源程序翻译成机器能识别的机器语言程序。

6、翻译程序：

将高级语言程序翻译成机器语言程序的软件，称为翻译程序。翻译程序有两种：编译程序和解释程序。

编译程序是将用户编写的高级语言程序（源程序）的全部语句一次全部翻译成机器语言程序，而后再执

行机器语言程序。解释程序是将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的一条语句，并且立即执行这条

语句，接着翻译源程序的F一条语句，并执行这条语句，如此重复直至完成源程序的全部翻译任务。

7,主机：

主机由CPU和主存储器组成

8、CPU：

即中央处理器，由运算器和控制器组成。

9、主存：

主存储器，即内存，包括存储体、各种逻辑部件及控制电路等。其中，存储体由许多存储单元组成。

10、存储单元：

每个存储单元包含若干个存储元件。

11、存储元件：

又称为存储基元或存储元，每个存储元件能寄存一位二进制代码0或1。

12、存储字：

一个存储单元可存储•串二进制代码，称这串二进制代码为•个存储字。

13、存储字长：

存储单元存储的二进制代码的位数。

14、存储容量：

存储器的容量包括主存的容量和辅存的容量。

主存容量是指主存中存放二进制代码的总数。即存储容量=存储单元个数X存储字长，MAR的位数反映

了存储单元的个数，MDR的位数反映了存储字长。

15、机器字长：

机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关，字长越长，数的表示范围

也越大，精度也越高。机器的字长也会影响机器的运算速度。

16、指令字长：

指令字长是指机器指令中二进制代码的总位数。

17、操作系统：

负责管理和控制计算机系统印硬件资源、软件资源与运行的核心软件，为用户提供软件的开发环境和

运行环境。

第一章计算机系统概论FAQ

一、计算机有哪些主要性能指标？

主要从计算机的运算能力、存储能力、传送能力、处理能力等几方面考虑。主要性能指标包括基本字长、

运算速度、存储容量（主存容量和外存容量）、数据传输率、外设配置和软件配置等。

二、冯・诺依曼思想包含哪些要点？

冯・诺依曼思想莫定了现代计算机的基本结构思想，它很好地解决了信息如何表示才能被计算机识别和

计算机采用何种工作方式才能自动地对信息进行处理等基本问题。它包合三个要点：

(1)采用二进制代码表示信息，以便计算机识别；

(2)采用存储程序工作方式，才能使计算机自动地对信息进行处理；

(3)由存储器、运算器、控制器、输入输出设备等功能部件组成计算机硬件系统。

三、信息的数宇化表示包含哪两层含义？

信息的数字化表示不仅要考虑在计算机中如何表示各种原始信息，还要考虑在物理机制上怎样实现。所

以，第一层含义：用数字代码表示各种信息；第二层含义：用数字信号表示数字代码。

四、用数字信号表示代码有什么优点？

每位数字信号只有两种可能的状态，因而可从物理实现、可靠性、数值范围与精度、信息类型、信息处

理等方面说明。有以下5点：

(1)在物理上容易实现信息的表示与存储；

(2)抗干扰能力强，可靠性高；

(3)数值的表示范围大，表示精度高；

(4)能表示极其广泛的信息类型；

(5)能用数宇逻辑技术处理信息。

五、编译方式和解释方式对源程序的处理有什么区别？

在编译方式中，计算机执行编译程序，将源程序全部转换为目标程序，然后由计算机单独执行目标程

序，即先翻译，后执行。

在解释方式中，计算机执行解释程序，将源程序逐段转换为对应的目标程序段，每转换一段便执行该

段目标程序，直到整个源程序被解释执行完，即边翻译，边执行。

六、为什么要对计算机系统进行层次划分？

计算机系统是由硬、软件组成的复杂系统，进行层次划分，有助于根据不同需要，从不同层次去分析、

构造、调试、维护和扩充计算机系统。

第一章计算机系统概论拓展资源

1903年12月28日，在布达佩斯诞生了一位神童，这不仅给这个家庭带来了巨大的喜悦，也值得整个

计算机界去纪念。正是他，开创了现代计算机理论，其体系结构沿用至今，而且他早在40年代就已预见到

计算机建模和仿真技术对当代计算机将产生的意义深远的影响。他，就是约翰•冯•诺依曼

(JohnvonNewmann)。

约翰•冯•诺依曼(JohnVonNeuman,1903-1957),美藉匈牙利人，1903年12月28日生于匈牙

利的布达佩斯，父亲是一个银行家，家境富裕，十分注意对孩子的教育.冯•诺依曼从小聪颖过人，兴趣

广泛，读书过目不忘.据说他6岁时就能用古希腊语同父亲闲谈，一生掌握了七种语言.最擅德语，可在

他用德语思考种种设想时，又能以阅读的速度译成英语.他对读过的书籍和论文.能很快一句不差地将内

容复述出来，而且若干年之后，仍可如此.1911年—1921年，冯•诺依曼在布达佩斯的卢瑟伦中学读书期

间，就崭露头角而深受老师的器重.在费克特老师的个别指导下并合作发表了第一篇数学论文，此时冯•诺

依曼还不到18岁.1921年—1923年在苏黎世大学学习.很快又在1926年以优异的成绩获得了布达佩斯大

学数学博士学位，此时冯•诺依曼年仅22岁.1927年一1929年冯•诺依曼相继在柏林大学和汉堡大学担

任数学讲师。1930年接受了普林斯顿大学客座教授的职位，西渡美国.1931年他成为美国普林斯顿大学的

第一批终身教授，那时，他还不到30岁。1933年转到该校的高级研究所，成为最初六位教授之一，并在那

里工作了一生.冯•诺依曼是普林斯顿大学、宾夕法尼亚大学、哈佛大学、伊斯坦堡大学、马里兰大学、

哥伦比亚大学和慕尼黑高等技术学院等校的荣誉博士.他是美国国家科学院、秘鲁国立自然科学院和意大

利国立林且学院等院的院士.1954年他任美国原子能委员会委员；1951年至1953年任美国数学会主席.

1954年夏，冯•诺依曼被发现患有癌症，1957年2月8日，在华盛顿去世，终年54岁.

最简单的来说他的精髓贡献是2点：2进制思想与程序内存思想

回顾20世纪科学技术的辉煌发展时，不能不提及20世纪最杰出的数学家之一的冯•诺依曼.众所周

知，1946年发明的电子计算机，大大促进了科学技术的进步，大大促进了社会生活的进步.鉴于冯•诺依

曼在发明电子计算机中所起到关键性作用，他被西方人誉为"计算机之父而在经济学方面，他也有突破

性成就，被誉为“博弈论之父”。在物理领域，冯•诺依曼在30年代撰写的《量子力学的数学基础》已经

被证明对原子物理学的发展有极其重要的价值。在化学方面也有相当的造诣，曾获苏黎世高等技术学院化

学系大学学位。与同为犹太人的哈耶克一样，他无愧是上世纪最伟大的全才之一。

冯•诺依曼在数学的诸多领域都进行了开创性工作，并作出了重大贡献.在第二次世界大战前，他主

要从事算子理论、集合论等方面的研究.1923年关于集合论中超限序数的论文，显示了冯•诺依曼处理集

合论问题所特有的方式和风格.他把集会论加以公理化，他的公理化体系奠定了公理集合论的基础.他从

公理出发，用代数方法导出了集合论中许多重要概念、基本运算、重要定理等.特别在1925年的一篇论文

中，冯•诺依曼就指出了任何一种公理化系统中都存在着无法判定的命题.

1933年，冯•诺依曼解决了希尔伯特第5问题，即证明了局部欧几里得紧群是李群.1934年他又把紧

群理论与波尔的殆周期函数理论统•起来.他还对■•般拓扑群的结构有深刻的认识，弄清了它的代数结构

和拓扑结构与实数是一致的.他对算子代数进行了开创性工作，并奠定了它的理论基础，从而建立了算子

代数这门新的数学分支.这个分支在当代的有关数学文献中均称为冯•诺依曼代数.这是有限维空间中矩

阵代数的自然推广.冯•诺依曼还创立了博弈论这一现代数学的又一重要分支.1944年发表了奠基性的

重要论文《博弈论与经济行为》.论文中包含博弈论的纯粹数学形式的阐述以及对于实际博弈应用的详细说

明.文中还包含了诸如统计理论等教学思想.冯•诺依曼在格论、连续几何、理论物理、动力学、连续介

质力学、气象计算、原子能和经济学等领域都作过重要的工作.

冯•诺依曼对人类的最大贡献是对计算机科学、计算机技术、数值分析和经济学中的博弈论的开拓性

工作.

现在一般认为ENIAC机是世界第一台电子计算机，它是由美国科学家研制的，于1946年2月14II在

费城开始运行.其实由汤米、费劳尔斯等英国科学家研制的“科洛萨斯”计算机比ENIAC机问世早两年多，

于1944年1月1011在布莱奇利园区开始运行.ENIAC机证明电子真空技术可以大大地提高计算技术，不过,

ENIAC机本身存在两大缺点：（1）没有存储器；（2）它用布线接板进行控制，甚至要搭接几天，计算速度也

就被这一工作抵消了.ENIAC机研制组的莫克利和埃克特显然是感到了这一点，他们也想尽快着手研制另一

台计算机，以便改进.

1944年，诺伊曼参加原子弹的研制工作，该工作涉及到极为困难的计算。在对原子核反应过程的研究

中，要对一个反应的传播做出“是”或“否”的回答。解决这一问题通常需要通过几十亿次的数学运算和

逻辑指令，尽管最终的数据并不要求十分精确，但所有的中间运算过程均不可缺少，且要尽可能保持准确。

他所在的洛•斯阿拉莫斯实验室为此聘用了一百多名女计算员，利用台式计算机从早到晚计算，还是远远

不能满足需要。无穷无尽的数字和逻辑指令如同沙漠一样把人的智慧和精力吸尽。

被计算机所困扰的诺伊曼在一次极为偶然的机会中知道了ENIAC计算机的研制计划，从此他投身到计

算机研制这一宏伟的事业中，建立了一生中最大的丰功伟绩。

1944年夏的一天，正在火车站候车的诺伊曼巧遇戈尔斯坦，并同他进行了短暂的交谈。当时，戈尔斯

坦是美国弹道实验室的军方负责人，他正参与ENIAC计算机的研制工作。在交谈在，戈尔斯坦告诉了诺伊

曼有关ENIAC的研制情况。具有远见卓识的诺伊曼为这一研制计划所吸引，他意识到了这项工作的深远意

义。

冯•诺依曼由ENIAC机研制组的戈尔德斯廷中尉介绍参加ENIAC机研制小组后，便带领这批富有创新

精神的年轻科技人员，向着更高的目标进军.1945年，他们在共同讨论的基础上，发表了一个全新的“存储

程序通用电子计算机方案"一EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticCompUter的缩写).在这过

程中，冯•诺依曼显示出他雄厚的数理基础知识，充分发挥了他的顾问作用及探索问题和综合分析的能力。

诺伊曼以“关于EDVAC的报告草案”为题，起草了长达101页的总结报告。报告广泛而具体地介绍了制造

电子计算机和程序设计的新思想。这份报告是计算机发展史上一个划时代的文献，它向世界宣告：电子计

算机的时代开始了。

EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设

备，并描述了这五部分的职能和相互关系.报告中，诺伊曼对EDVAC中的两大设计思想作了进一步的论证,

为计算机的设计树立了一座里程碑。

设计思想之一是二进制，他根据电子元件双稳工作的特点，建议在电子计算机中采用二进制。报告提

到了二进制的优点，并预言，二进制的采用将大筒化机器的逻辑线路。

现在使用的计算机，其基本工作原理是存储程序利程序控制，它是由世界著名数学家冯•诺依曼提出

的。美籍匈牙利数学家冯•诺依曼被称为“计算机之父”。

实践证明了诺伊曼预言的正确性。如今，逻辑代数的应用已成为设计电子计算机的重要手段，在EDVAC

中采用的主要逻辑线路也一直沿用着，只是对实现逻辑线路的工程方法和逻辑电路的分析方法作了改进。

程序内存是诺伊曼的另一杰作。通过对ENIAC的考察，诺伊曼敏锐地抓住了它的最大弱点一一没有真

正的存储器。ENIAC只在20个暂存器，它的程序是外插型的，指令存储在计算机的其他电路中。这样，解

题之前，必需先相好所需的全部指令，通过手工把相应的电路联通。这种准备工作要花儿小时甚至几天时

间，而计算本身只需几分钟。计算的高速与程序的手工存在着很大的矛盾。

针对这个问题，诺伊曼提出了程序内存的思想：把运算程序存在机器的存储器中，程序设计员只需要

在存储器中寻找运算指令，机器就会自行计算，这样，就不必每个问题都重新编程，从而大大加快了运算

进程。这一思想标志着自动运算的实现，标志着电子计算机的成熟，已成为电子计算机设计的基本原则。

1946年7,8月间，冯•诺依曼和戈尔德斯廷、勃克斯在EDVAC方案的基础上，为普林斯顿大学高级研

究所研制IAS计算机时，又提出了•个更加完善的设计报告《电子计算机逻辑设计初探》.以上两份既有理

论又有具体设计的文件，首次在全世界掀起了一股''计算机热”，它们的综合设计思想，便是著名的”冯•诺

依曼机"，其中心就是有存储程序原则一指令和数据一起存储.这个概念被誉为'计算机发展史上的一个里

程碑它标志着电子计算机时代的真正开始，指导着以后的计算机设计•.自然一切事物总是在发展着的，

随着科学技术的进步，今天人们又认识到"冯•诺依曼机”的不足，它妨碍着计算机速度的进一步提高，而

提出了〃非冯•诺依曼机''的设想.

冯•诺依曼还积极参与了推广应用计算机的工作，对如何编制程序及搞数值计算都作出了杰出的贡

献.冯•诺依曼于1937年获美国数学会的波策奖；1947年获美国总统的功勋奖章、美国海军优秀公民服

务奖；1956年获美国总统的自由奖章和爱因斯坦纪念奖以及费米奖.

冯•诺依曼逝世后，未完成的手稿于1958年以《计算机与人脑》为名出版.他的主要著作收集在六卷

《冯•诺依曼全集》中，1961年出版.

另外，冯•诺依曼40年代出版的著作《博弈论和经济行为》，使他在经济学和决策科学领域竖起了一

块丰碑。他被经济学家公认为博弈论之父。当时年轻的约翰•纳什在普林斯顿求学期间开始研究发展这一

领域，并在1994年凭借对博弈论的突出贡献获得了诺贝尔经济学奖。

第二章计算机的发展及应用课堂笔记

♦主要知识点掌握程度

了解计算机的发展史，熟知计算机的各种应用，了解计算机的未来

♦知识点整理

一、计算机的发展史

(-)计算机的产生和发展

1、一代电子管计算机

ENIAC的出现标志着人类进入了计算机时代。

2、第二代晶体管计算机

1947年在Bell实验室成功地用半导体硅片作基片，制成了第一个晶体管，它的小体积、低耗电以及载

流子高速运行的特点，使真空管望尘莫及。用晶体管取代电子管以后，计算机的性能有了很大的提高。

3、第三代集成电路计算机

集成电路制作技术就是利用光刻技术把晶体管、电阻、电容等构成的单个电路制作在一块极小(如几

个平方微米)的硅片上。进一步发展，实现了将成百上千个这样的门电路全部制作在一块极小的硅片上，

并引出与外部连接的引线，这样，一次便能制作成成百上千相同的门电路，又一次大大地缩小了计算机的

体积，大幅度下降了耗电量，极大地提高了机器的可靠性。这就是人们称作的小规模集成电路(SSI)和中

等规模集成电路(MSI)的第三代计算机。

4、第四代大规模、超大规模集成电路技术制成的计算机

第三代计算机之后，人们没有达成定义新一代计算机的一致意见，如果从硬件技术上讲，可以把用大

规模、超大规模集成电路技术制成的计算机称为第四代计算机。

(-)微型计算机的出现和发展

1971年，美国Intel公司研制成世界上第一个4位微处理器芯片4004,集成了2300个晶体管。随后，

微处理器经历了4位、8位、16位、32位和64位几个阶段的发展，芯片的集成度和速度都有很大的提高。

Intel公司的典型产品有：

8080、8088、8086、80286、80386、80486、Pcntium(80586)、Pentiumpro(P6)、PentiumII、Pentium

HI、PentiumTV

(三)软件技术的兴起和发展

软件发展有以下几个特点：

(1)开发周期长；

(2)制作成本昂贵；

(3)检测软件产品质量的特殊性。

二、计算机的应用

(-)科学计算和数据处理

1、科学计算

科学计算是计算机的重要应用领域之一。其特点是计算量大和数值变化范围大。主要应用领域是天文

学、量子化学、空气动力学和核物理学等领域，此外在其他学科和工程设计方面也都得到了广泛的应用。

2、数据处理

数据处理是计算机应用最广泛的领域。是利用计算机对大量的数据、文字、图像等信息进行收集、存

储、分类、检索、排序、汇总、统计等处理。

它的特点是数据量大而计算并不复杂。主要应用在企业管理中的财务管理、人事管理、仓储管理、图

书检索以及银行业务等方面。

（二）工业控制和实时控制

计算机实时控制过程就是计算机及时收信、检测和分析被控对象的有差数据，按照某种最佳的控制规

律进行高速运算并根据计算结果发出控制信号，进行自动控制的过程。主要用于工业生产和现代化军事领

域中。

（三）网络技术的应用

1、电子商务

电子商务是指任何一个组织机构可利用Internet网络来改变他们与客户、供应商、业务伙伴和内部员工

的交流，也可以认为是消费者、销售者和结算部门之间利用Internet完成商品采购和支付收款的过程。

2、网络教育

基于Internet教育网络的建立，学生受教可以不受时间、空间和地域的限制，通过网络伸展到全球的每

个角落，建立起真正意义上的开放式的虚拟学校，每个学生可以在任意时间、任意地点通过网络自山地学

习

3、敏捷制造

敏捷制造由两部分组成：敏捷制造的基础结构和敏捷制造的虚拟企业。前者为形成虚拟企业提供环境

和条件，后者对市场不可预期的变化作出迅速响应。

（四）虚拟现实

虚拟现实是利用计算机生成的一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与

环境直接进行交互的目的。

（五）办公自动化和管理信息系统

办公自动化是利用计算机及自动化的办公设备来替代“笔、墨、纸、砚''及办公人员的部分脑、体力劳动,

从而提高了办公的质量和效率。

（六）CAD/CAM/CIMS

计算机辅助工程是指利用计算机来辅助人们进行各项工作。CAD即计算机辅助设计、CAM计算机

辅助制造、CIMS为计算机集成制造系统。

（七）多媒体技术

多媒体技术是计算机技术和视频、音频及通信等技术集成的产物。它是用来实现人和计算机交互地对

各种媒体的采集、传输、转换、编辑、存储、管理，并由计算机综合处理为文字、图形、动画、音响、影

像等视听信息而有机合成的新媒体。

（A）人工智能

人工智能是专门研究如何使用计算机来模拟人的智能的技术。近年来在模式识别、语音识别、专家系

统和机器人制作方面都取得了很大的成就。

三、计算机的发展

计算机的发展方向：

1、微型化

2、巨型化

3、网络化

4、智能化

第二章计算机的发展及应用关键词汇

1、数据处理

数据处理是利用计算机对大量的数据、文字、图像等信息进行收集、存储、分类、检索、排序、汇总、

统计等处理。它的特点是数据量大而计算并不复杂。主要应用在企业管理中的财务管理、人事管理、仓储

管理、图书检索以及银行业务等方面。

2、虚拟现实

虚拟现实是利用计算机生成的种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用

户与环境直接进行交互的目的。这种模拟环境是用计算机构成的具有表面色彩的立体图形，它可以是某一

特定现实世界的真实写照，也可以是纯粹构想出来的世界。

3、多媒体技术

多媒体技术是计算机技术和视频、音频及通信等技术集成的产物。它是用来实现人和计算机交互地对

各种媒体的采集、传输、转换、编辑、存储、管理，并由计算机综合处理为文字、图形、动画、音响、影

像等视听信息而有机合成的新媒体。利用多媒体技术不但使我们社会显得格外绚丽多彩，生活显得格外富

有幻想，而且还会对政治、经济、军事、工业、环境等都产生巨大影响。

4、人工智能

人工智能是专门研究如何使用计算机来模拟人的智能的技术。近年来在模式识别、语音识别、专家系

统和机器人制作方面都取得了很大的成就。

第二章计算机的发展及应用FAQ

一、计算机的产生和发展经历哪几个阶段？

1、一代电子管计算机

2、第二代晶体管计算机

3、第三代集成电路计算机

二、软件发展有哪些特点？

(1)开发周期长；

(2)制作成本昂贵；

(3)检测软件产品质量的特殊性。

三、计算机的应用有哪些？

1、科学计算和数据处理2、工业控制和实时控制3、网络技术的应用4、虚拟现实

5、办公自动化和管理信息系统6>CAD/CAM/CIMS7、多媒体技术8、人工智能

第二章计算机的发展及应用拓展资源

计算机于1946年问世，有人说是由于战争的需要而产生的，我们认为计算机产生的根本动力是人们为

创造更多的物质财富，是为了把人的大脑延伸，让人的潜力得到更大的发展。正如汽车的发明是使人的双

腿延伸一样，计算机的发明事实上是对人脑智力的继承和延伸。近10年来，计算机的应用日益深入到社

会的各个领域，如管理、办公自动化等。由于计算机的日益向智能化发展，于是人们干脆把微型计算机称

之为“电脑”了。计算机产生的动力是人们想发明一种能进行科学计算的机器，因此称之为计算机。它一

诞生，就立即成了先进生产力的代表，掀开自工业革命后的又一场新的科学技术革命。

要追溯计算机的发明，可以由中国古时开始说起，古时人类发明算盘去处理一些数据，利用拨弄算珠

的方法，人们无需进行心算,通过固定的口诀就可以将答案计算出来。这种被称为“计算与逻辑运算”的运

作概念传入西方后，被美国人加以发扬光大。直到十六世纪，发明了一部可协助处理乘数等较为复杂数学算

式的机械，被称为“棋盘计算器”，但这时期只属于纯计算的阶段，要到十九世纪才有急速的发展。

第一代电子管计算机(1945-1956)

在第二次世界大战中，美国政府寻求计算机以开发潜在的战略价值。这促进了计算机的研究与发展。

1944年霍华德.艾肯(1900-1973)研制出全电子计算器，为美国海军绘制弹道图。这台简称MarkI的机器

有半个足球场大，内含500英里的电线，使用电磁信号来移动机械部件，速度很慢(3-5秒一次计算)并且适

应性很差只用于专门领域，但是，它既可以执行基本算术运算也可以运算复杂的等式。

1946年2月14日，标志现代计算机诞生的ENIAC(TheElectronicNumericalIntegratorAndComputer)

在费城公诸于世。ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑，它通过不同部分之间的重新接线编程，还拥有并

行计算能力。ENIAC由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发，使用了18,000个电子管，70,000个电阻器，

有5百万个焊接点，耗电160千瓦，其运算速度比MarkI快1000倍，ENIAC是第一台普通用途计算机。

40年代中期，冯.诺依曼(1903T957)参加了宾夕法尼亚大学的小组，1945年设计电子离散可变自动

计算机EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer),将程序和数据以相同的格式一起储

存在存储器中。这使得计算机可以在任意点暂停或继续工作，机器结构的关键部分是中央处理器，它使计

算机所有功能通过单一的资源统一起来。

第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到

限制，速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据。

有1.8万个电子管，用十进制计算，每秒运算5000次

第二代晶体管计算机(1956-1963)

1948年，晶体管的发明大大促进了计算机的发展，晶体管代替了体积庞大电子管，电子设备的体积不

断减小。1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生。第二代计算

机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。首先使用晶体管技术的是早期的超级计算机，主要用于原子科

学的大量数据处理，这些机器价格昂贵，生产数量极少。

1960年，出现了一些成功地用在商业领域、大学和政府部门的第二代计算机。第二代计算机用晶体管

代替电子管，还有现代计算机的一些部件:打ER机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。计算机中存储的程序

使得计算机有很好的适应性，可以更有效地用于商业用途。在这一时期出现了更高级的COBOL(Common

Business-OrientedLanguage)和FORTRAN(FormulaTranslator)等语言，以单词、语句和数学公式代替了

二进制机器码，使计算机编程更容易•新的职业，如程序员、分析员和计算机系统专家，与整个软件产业

由此诞生。

第三代集成电路计算机(1964-1971)

虽然晶体管比起电子管是一个明显的进步，但晶体管还是产生大量的热量，这会损害计算机内部的

敏感部分。1958年发明了集成电路(IC),将三种电子元件结合到一片小小的硅片上。科学家使更多的元件

集成到单一的半导体芯片上。于是，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用

了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。

1964年，美国IBM公司研制成功第一个采用集成电路的通用电子

计算机系列IBM360系统

第四代大规模集成电路计算机(1971-现在)

出现集成电路后，唯一的发展方向是扩大规模。大规模集成电路(LSI)可以在一个芯片上容纳几百个

元件。到了80年代，超大规模集成电路(VLSI)在芯片匕容纳了儿十万个元件，后来的ULSI将数字扩充到

百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠

性不断增强。基于“半导体”的发展，到了一九七二年，第一部真正的个人计算机诞生了。所使用的微处

理器内包含了2,300个“晶体管”，可以一秒内执行60,000个指令，体积也缩小很多。而世界各国也随

着“半导体”及“晶体管”的发展去开拓计算机史.匕新的一页。

70年代中期，计算机制造商开始将计算机带给普通消费者，这时的小型机带有软件包，供非专业人员使

用的程序和最受欢迎的字处理和电子表格程序。这一领域的先锋有Commodore,RadioShack和Apple

Computers等。

1981年，IBM推出个人计算机(PC)用于家庭、办公室和学校。80年代个人计算机的竞争使得价格不断下

跌，微机的拥有量不断增加，计算机继续缩小体积，从桌上到膝上到掌上。与IBMPC竞争的AppleMacintosh

系列于1984年推出，Macintosh提供了友好的图形界面，用户可以用鼠标方便地操作。

FAC0MM-382计算机

计算机的发明是二十世纪四十年代的事情，经过几十年的发展，它已经成为一门复杂的工程技术学科,

它的应用从国防、科学计算，到家庭办公、教育娱乐，无所不在。它的分类从巨型机、大型机、小型机，

到工作站、个人电脑，五花八门。但是，无论怎样尖端，怎样高科技，从它诞生之日起，在许多人心目中

它就是一部机器，一部冰冷的高速运算的机器。

从ENIAC揭开计算机时代的序幕，到UNIVAC成为迎来计算机时代的宠儿，不难看出这里发生了两个根

本性的变化：一是计算机已从实验室大步走向社会，正式成为商品交付客户使用；二是计算机已从单纯的

军事用途进入公众的数据处理领域，真正引起了社会的强烈反响。

第三章系统总线课堂笔记

♦主要知识点掌握程度

知道计算机硬件系统的几个组成部分：中央处理器、存储器、I/O以及系统总线。重点掌握系统总线常

见的几个分类，结构，以及重要的控制方式。

♦知识点整理

一、总线的基本概念

（一）总线的作用和概念

总线是连接计算机内部多个部件之间的信息传输线，是各部件共享的传输介质。多个部件和总线相连,

在某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信号，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。

（二）总线的