第一章计算机系统概论

1、2022-6-261 同学们大家好！同学们大家好！谢谢大家的支持和协作！谢谢大家的支持和协作！2022-6-262计算机组成原理计算机组成原理 科学出版社科学出版社教材：计算机组成原理计算机组成原理 白中英主编 第三版主讲人：计算机科学与工程系 李汉菊李汉菊 制作人：专升本200203班 邓邓 伟伟课时60，机时12，4.5学分2022-6-263参考书目：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

2、社 候炳辉 主编5.计算机原理 李勇2022-6-264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2022-6-265实验安排：3个实验12学时n1. 运算器组成实验 74181芯片n2. 半导体存储器实验 2114芯片1K*4位n3. 时序电路n实验指导书：计算机组成原理实验指导书 王晓兰 编n实验指导老师：王晓兰 TEL：87543785n实验地

3、址：南一楼 807n实验时间：13，15，17周n星期五下午： 5-8节 （02010203班）n星期五晚上： 912 节 （0204-0206班）2022-6-266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。 每人准备准备2个作业本个作业本。2022-6-267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 2022-6-268 第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.1计算机的分类和

4、应用计算机的分类和应用 1.1.1计算机的分类计算机的分类 电子计算机从总体上分为两大类: 电子模拟计算机电子模拟计算机和电子数字计算机电子数字计算机。 数字计算机分为: 两类两类 专用计算机和通用计算机。 通用计算机分为: 六类六类巨型机,大型机,中型机,小型机,微型机和单片机。 2022-6-269数字计算机和模拟计算机的主要区别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2022-6-2610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

5、 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2022-6-26111.1.2 计算机的应用计算机的应用 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2022-6-2612计算机的特点计算机的特点: 4点点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2022-6-2613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

6、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冯若依曼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 2022-6-2614 微机的分类（微机的分类（4种）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（Central Processing Unit)CPU主要

7、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。2022-6-2615 外存储器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2022-6-26161.2 计算机的硬件计算机的硬件1.2.1 数字计算机的

8、硬件组成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2022-6-2617 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2022-6-26181.运算器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：MOV R1,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.2022-6-2619运算器结构示意图： 运算单元电路寄存器B累加器A2022-6-2620问题：

9、问题：计算机中为何使用二进制计算机中为何使用二进制？n 二进制运算规律简单n电子线路易实现n物理器件原因 例：电平的高低,脉冲的有无,灯光的亮熄等。n电子计算机中广泛使用二进制数。2022-6-2621读写控制电路存储单元存储体存储单元001111读/写命令地址总线存储器组成框图地址译码存储单元000数据总线2.存储器2022-6-2622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存储单元: 把保存一个数的8/16个触发器 叫存储单元存储单元。存储地址存储地址: 存储器中的存储单元的编号。存储容量存储容量: 存储器中存储单元的总数。外存储器外存储器: 磁盘存

10、储器和光盘存储器。内存储器内存储器: 半导体存储器。2022-6-2623 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2022-6-2624 （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

11、指令的一段时间叫做取指周期取指周期， 执行指令的一段时间叫做执行周期执行周期。2022-6-2625 （4）适配器与输入输出设备 输入设备输入设备：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

12、息。2022-6-2626世界第一台电子计算机：ENIACn1946年在美国宾夕法尼亚大学研制成功。n电子管：18800多个n重量：36 吨n继电器：1500只n电阻器：7000只n电容器：10000只n功耗：150 k Wn体积：85立方米n占地：170平方米2022-6-26271.2.2计算机系统结构的过去和未来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2022-6-262

13、8VLSI：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2022-6-2629 第一代计算机第一代计算机 （1946 1946 19581958） 特征特征：（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.2022-6-2630 第二代计算机（第二代计算机（1958 1958 19641964） 特征特征： （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

14、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.2022-6-2631第三代计算机第三代计算机 （1964 1964 19711971） 特征：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2022-6-2632 第四代计算机（第四代计算机（19711971至今）至今）特征：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

15、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。2022-6-2633运算速度运算速度：MIPS级:每秒106条指令GIPS级:每秒109条指令TIPS级:每秒1012条指令2022-6-2634 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,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我国计算机的发展概况：2022-

16、6-2635我国首台万亿次计算机诞生：n联想深腾1800大规模计算机系统研制成功.n2002年8月29日 6位院士,7位专家鉴定会通过。n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。2022-6-2636n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n万亿次计算机内存容量272GB系统总硬盘空间为6TBn实际运算速度排世界第24位n为国内第一个实测速度超过万亿次的计算机产品2022-6-2637计算机发展的总趋势：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

17、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。2022-6-2638计算机发展的总趋势计算机发展的总趋势n微型化微型化n巨型化巨型化n网络化网络化n智能化智能化2022-6-2639问题：问题：n冯冯若依曼若依曼基本原理是什么？n计算机与计算器的区别？计算机与计算器的区别？n

18、我国计算机计算机是什么时侯研发的？2022-6-26401、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参考答案:2022-6-26413、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，

19、 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,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。2022-6-2642计算机的系统结构的发展趋势n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。n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。n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

20、态结构，所谓的模块化的计算机系统结构。n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。2022-6-2643 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。 计算机的特性计算机的特性2022-6-2644 （2）通用性通用性： 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）准确性准确性： 一是计算精度高，二是计算方法科

21、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。 2022-6-2645 （4）逻辑性逻辑性： 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。2022-6-2646 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2022-6-2647名词解释名词解释：n字长字长:组成一个字的二进制位数。 例如8,16,32,64.n数据字数据字:表示某字代表要处理的数据。n指令字指令字:表示某字为一条指令。n数据流数据流:在执

22、行器周期中从内存读出的信息流。由内存流向运算器。n三网合一三网合一：电话网，电视网，计算机网。2022-6-2648 存储器的单位存储器的单位n210=1KBn220=1MBn230=1GBn240=1TB bit 位 : 最小单位：0、1 Byte 字节：八个二进制位。 Word 字：计算机一个字与机器字长有关。2022-6-2649 数字电子计算机的完整定义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）

23、也区别于模拟电子计算机。2022-6-26501.3 计算机的软件计算机的软件 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2022-6-2651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2022-6-2652 通常将系统软件分为：六类通常将系统软件分为：六类 （1）操作系统操作系统： 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

24、系统，分时操作系统及实时操作系统。 （2）语言处理程序语言处理程序： 一般分为解释程序与编译程序两类。 （3）标准库程序标准库程序： 2022-6-2653 （4）服务性程序服务性程序： 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）计算机网络软件计算机网络软件： 是为计算机网络配置的系统软件。2022-6-2654 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。 固件固件：程序固定在ROM中组成的部件。 固件的特点固件的特点： 具有软件的灵活

25、性、具有硬件的快速性。2022-6-26551.3.2 软件的发展演变软件的发展演变源程序翻译成机器语言通常有两种方法：通过编译程序编译程序翻译成目标程序然后执行通过解释程序解释程序逐条翻译，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）2022-6-26561.4 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构n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2022-6-26575. 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计算机系统层次结构1. 微程序设级3. 操作系统级2022-6

26、-2658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。 2022-6-2659多媒体技术简介多媒体技术简介:多媒体计算机硬件系统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

27、,高分辨率的屏幕等多媒体存储设备多媒体存储设备：硬盘，光盘，声像磁带等多媒体功能卡多媒体功能卡：视频卡，声音卡，压缩卡，家电控制卡，通讯卡等操作控制设备：操作控制设备：鼠标，键盘，触摸屏，操作杆。2022-6-2660英文缩写词英文缩写词 ABUS address bus 地址总线AC access cycle存储周期ACR accumulator累加器A/D analog to digital converter 模拟/数字转换器ALU arithmetic logic unit 运算器，算术逻辑部件 2022-6-2661ASCII America sdandard code for in

28、formationg 美国信息交换标准码ATMasynchronus transmission mode 异步传输模式BG bus grant 总线允许BIUbus interface unit总线接口单元BPIbits per inch位/英寸 CAIcomputer aided instruction 计算机辅助教学CPUCPUcentrol processing unit centrol processing unit 中央处理中央处理器器CRCcyclic redundancy check 循环冗余校验 2022-6-2662CRTcatheoderay tube阴极射线管CScont

29、rol storage控制存储器CSchip select片选CUcontrol unit控制部件D/Adigital to analog converter 数字/模拟转换器DBRdata buffer register 数字缓冲寄存器DBUSdata bus数据总线DMAdirect memory access 直接存储器存取EUexecutive unit执行部件 2022-6-2663GAL generic array logic 通用阵列逻辑GB giga bytes 千兆字节GIPS giga of instructions per seond 每秒千兆条指令GRgeneral register 通用寄存器IEEE ins