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1、第一章 概述一、计算机系统的层次结构1 计算机硬件与计算机软件 中央处理器（CPU） 运算器 主机 控制器 只读存储器（ROM） 硬 内存储器 可读可写存储器（RAM） 件 输入设备（如：键盘、鼠标） 计 外部设备 输出设备（如：显示器、打印机）算 外部存储器（如：磁盘、磁带、光盘）机 操作系统系 汇编程序 统 系 语言处理程序 解释程序 软 统 编译程序 件 软 数据库管理系统（如FOXBASE） 件 诊断程序（如DIAGS） 支持软件 调试程序（如DEBUG） 编辑程序（如EDIT） 链接程序（如LINK） 网络通信系统 应用软件（如WPS）2层次结构 硬件层次结构 数据模型、算法 用户程
2、序 作为软件资源的应用程序 语言处理程序（解释、编译） 操作系统 机器语言（指令系统） 微程序控制器 硬核 硬连逻辑部件虚拟机层次结构应用程序虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机操作系统虚拟机指令系统、机器语言裸机（硬件）编译：将源程序的全部语句变成机器语言，然后执行。解释：将源程序的一条语句变成机器语言并执行，然后再把下一条语句变成机器语言并执行，直到结束。透明：本来存在的事物或属性，从某个角度看却好象不存在，称为透明。虚拟机：由软件实现功能的机器称为虚拟机。3硬件软件具有等效性。二、冯诺依曼（Von Neumann）型计算机1计算机分为五部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。计算
3、机以运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送都要经过运算器，各部分的操作及其相互之间的联系都要由控制器集中控制。（指令流生成控制流，控制流控制数据流）运算器输入设备存储器控制器输出设备 状 数 结 命 态 据 果 令 程序 结果 请 命 地 指 命 请 求 令 址 令 令 求2存储器按地址访问，它是一个顺序的线性编址的一维空间，每个单元的位数是固定的。3采用存储程序原理，将程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据等同看待，指令和数据都可以送入运算器中运算，即由指令组成的程序是可以在运行过程中被修改。4数据以二进制编码，采用二进制运算。5指令由操作码和地址码两部分组成。操作码表示指令的性
4、质，地址码表示操作数所在的位置。6指令在存储器中基本采用顺序执行，由指令计数器指明要执行的指令在存储器中的地址。附：计算机系统结构的改进1串行算法改为并行算法，出现了向量计算机、并行计算机和多处理机等。2高级语言与机器语言的语义距离缩小，出现了面向高级语言机器和直接执行高级语言机器。3硬件子系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应，出现了面向操作系统机器和数据库计算机。4计算机系统从指令驱动型改变为数据驱动型和需求驱动型，出现了数据流机器和归约机。5为了适应特定应用环境而出现了各种专用计算机。6为了获得高可靠性而研制容错计算机。7计算机系统功能分散化、专业化，出现了各种功能分布计算机。8出现了
5、与大规模、超大规模集成电路相适应的计算机系统结构。9出现了处理非数值化信息的智能计算机。三、总线在计算机的内部，CPU和存储器之间由总线连接。总线是用来连接计算机中的多个部件，以实现部件之间信息交换的一组导线。总线按照它的任务划分，可分为三级：1片内总线指芯片内部的总线。如CPU内部总线，他连接CPU内部的各个寄存器和算术逻辑运算部件。2系统总线指CPU、主存、I/O（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输线。系统总线根据其传递的信号不同可以分为地址总线、数据总线和控制总线。3通信总线用于连接计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。我们所说的总线，一般情况指系统总线。总线在传输数据格式
6、上采用串行传输和并行传输两类。能一次并行传输的数据位数被定义为总线的数据通路宽度，而单位时间能传输的数据量被定义为总线的数据传输率。完成一次总线传送操作所需的时间称为一个总线周期。根据总线可能的传送方向，总线可分为单向总线和双向总线。四、计算机性能指标1机器字长：CPU一次处理的最大的二进制数的位数为机器字长。机器字长是指参与运算的数的基本位数，它标志着计算精度，位数越多，精度越高，但硬件成本也越高，因为他决定着寄存器、运算部件、数据总线等的位数。2主存容量主存储器是CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就放在主存中。主存容量大则可以运行比较复杂的程序，并可以存入大量信息，
7、可以利用更完善的软件支撑环境。所以计算机处理能力的大小在很大程度上取决于主存容量的大小。主存容量的记法有两种：字节数（如PC机，640KB）和单元数（字数）*位数（如64K*16）。3外存容量外存容量一般是指计算机系统中联机运行的外存储容量。4运算速度CPU时钟频率计算机的操作需要分步执行，每个时钟周期完成一步操作，所以时钟频率在很大程度上反映了CPU速度的快慢。每秒平均执行指令数（ips）由于各种指令的执行时间不等，所以这种描述是粗略的。通常，一条指令能实现一次定点加减运算，所以ips值大致相当于每秒钟能完成的定点加减运算次数。单独注明时间。5所配置的外围设备及其性能指标6系统软件配置情况五
8、、计算机分类。1 从物理器件的角度分为五代计算机：第一代电子管计算机第二代晶体管计算机第三代集成电路计算机第四代大规模集成电路计算机第五代超大规模集成电路计算机（人工智能）2 从计算机的体积可分为：巨、大、中、小、微型计算机。3 从运算能力可分为：4，8，16，32，64位计算机。4 弗林（Flynn）分类法：指令流：机器执行的指令序列。数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。多倍性：在系统最受限制的元件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。单指令流单数据流机（SISD）、单指令流多数据流机（SIMD）、多指令流单数据流机（MISD）、多指令流多数据流机（MIMD）
9、。5冯（泽云）氏分类法。六、系统结构、组成与实现1计算机系统结构（计算机体系结构）：主要研究计算机系统的软件、硬件功能的分配和软件、硬件界面的确定，即哪些功能是由软件完成，哪些功能由硬件完成。2计算机组成（计算机组织）：是计算机系统结构的逻辑实现。在计算机系统结构确定硬件子系统的功能及其概念结构后，研究各组成部分的内部构造 和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。3计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，信号传输，器件、模块、插件、底板的划分和连接，专用器件的设计等等。第二章 运算器一、 机器数机器数包括原码、反码、补码和移码。例如 X =
10、 +1011 Y = -00101原码是一种机器数的表示法。它约定：对于一个正数，用“0”表示它的符号，后面的数值部分就是它的二进制数；对于一个负数，用“1”表示它的符号，后面的数值部分就是它的二进制数。 X原 = 01011 Y原 = 100102反码是一种机器数的表示法。它约定：对于一个正数，用“0”表示它的符号，后面的数值部分就是它的二进制数；对于一个负数，用“1”表示它的符号，后面的数值部分就是它的二进制数（即原码）逐位变反（即“0” 变“1” ，“1”变“0” ）。X反 = 01011 Y反 = 111013补码是一种机器数的表示法。它约定：对于一个正数，用“0”表示它的符号，后面的
11、数值部分就是它的二进制数；对于一个负数，用“1”表示它的符号，后面的数值部分就是它的二进制数（即原码）逐位变反，然后加1。 X补 = 01011 Y补 = 11110对负的补码进行还原的时候，数值位仍然采用逐位变反，然后加1的方法。以Y为例Y补 = 11110 由于Y补符号位为1，可知Y 为负数，后面的数值位变反，加1为0010，由此可知Y= -2对于一个四位的二进制数来说，变反意味着用一个最大的四位二进制数来减此二进制数，Z=0010，Z变反即 1111-0010=1101；变反加1，可以表示成 1111-0010+1=10000-0010=1110对于同一个数进行两次变反加1，就可表示成：
12、10000-（10000-0010）= 10000-10000+0010=0010 由此可知，对于同一个数进行两次变反加1，就可还原原来的数，所以补码还原仍是采用变反加1的方法。4移码是一种机器数的表示法。它约定：对于一个正数，用“1”表示它的符号，后面的数值部分就是它的二进制数；对于一个负数，用“0”表示它的符号，后面的数值部分就是它的二进制数（即原码）逐位变反，然后加1。（移码和补码在符号上是相反的） X移 = 11011 Y移 = 01110移码还原只能先把它变成补码，再还原。注1：对于原码00000和10000都表示十进制的“0”，对于反码00000和11111都表示十进制的“0”，而对于补码00000 表示“0” ，而10000表示绝对值最大的负数（ -16），同理对于移码10000 表示“0” ，而00000表示绝对值最大的负数（-16）。注2：对于原码，反码和补码可以表示整数也可以表示小数，而移码只能表示整数，
