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1、主要内容：计算机的基本概念系统硬件组成（主要部件、系统结构）计算机的性能指标第一章 概论 第一节 计算机的基本概念1.1.1 冯 诺依曼思想1. 用二进制代码表示程序和数据；2. 计算机采用存储程序的工作方式；3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备组成。计算机的基础理论:1936年, 图灵(英国)发表论文:论文中心思想:论应用于决定问题的可计算数字机器需要:人类的工作可以分解成简单动作图灵论题这种理想机器被称为“图灵机”。用于贮存计算结果; 表示运算和数字; 对运算和数字进行识别;计算过程中的下一步做什么;(1) 存 储 器: (2) 一种语言: (3) 扫 描:(4)
2、计算意向:(5) 执行下一步计算。 著名的图灵论题： 凡可计算的函数都可用这样的机器来实现论题为计算机的产生打下了理论基础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。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 模拟计算机数据表示方式 数字0和1 电压计算方式 数字计数 电压组合和测值控制方式 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
3、数据存储量 指令系统 价格简易性1. 1946年美国宾夕法尼亚大学研制成功 ENIAC，使用了18000多电子管，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. 在ENIAC计算机研制的同时，冯若依 曼等人合作研制了EDVAC计算机。冯 若依曼结构设计原理和思想在现代计算 机中仍在使用。世界第一台电子计算机：ENIAC 1946年2月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： 150 k W 体积： 85立方米 占地： 170平方米第一代 计算机4
4、6.2-50年代末第二代 50末-60年代初第三代 60年代中期-70年代初从第一台计算机的诞生到现在计算机 的发展经历了4个阶段，习惯上称为4代。第四代 70年代中期以后大规模超大规模集成电路第一代计算机 （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.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
5、）体积缩小,功耗降低,可靠性提高.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。 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
6、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 大规模和超大规模计算机集成电路 第五代: 1986年巨大规模集成电路计算机大规模集成电路的迅速发展，使计算机 进入大发展时期，通用机，巨型机，小型机 ，微型机都得到迅速发展。1.通用机 这是计算机工业中的重要产品， 兼容性是通用机迅速发展的关键。 2.巨型机 现代科学技术和国防技术发展需 要很高的远算速度，很大的存储容量，一般大型通 用计算机满足不了这种需求。3.小型机 小型机以它成本低，容易维护， 容易操作的特点得到广泛使用和迅速推广。4.微型机 微型机的出现和发展，掀起了计 算机大普及的浪潮。 1.1.2 信
7、息的数字化表示1. 在计算机中用数字代码表示各种信息 二进制代码例1 用数字代码表示数据 5 - 5 表示为 0 101 表示为 1 101 例2 用数字代码表示字符 A B 表示为 1000001 表示为 1000010 例3 用数字代码表示命令、状态 启动 停止 正在工作 工作结束 表示为 00 表示为 01 表示为 10 表示为 11 2. 在物理机制上用数字信号 数字型电信号 例1 用电平信号表示数字代码 高电平 1 低电平 高电平 0 1 例2 用脉冲信号表示数字代码 有脉冲无脉冲 有脉冲101表示数字代码 实现并行 操作实现串行 操作1.1.3 存储程序工作方式1.事先编制程序 3
8、.自动、连续地执行程序 2.事先存储程序 传统诺依曼机串行执行指令。 对传统诺依曼机的改造：增加并 行处理功能。第二节 计算机系统的硬件组成1.2.1 主要功能部件1. CPU由运算器、控制器组成。（1） 运算器1）功能：加工信息。2）组成：移位器ALU选择器通用寄存器组选择器移位器ALU选择器通用寄存器组选择器ALU: 通过加法器实现运算 操作（由全加器求和、由进位 链传递进位信号）。移位器ALU选择器通用寄存器组选择器通用寄存器组：提供操作数 ，存放运算结果。移位器ALU选择器通用寄存器组选择器选择器：选择操作数；选择控 制条件，实现各种算法。移位器ALU选择器通用寄存器组选择器移位器：直
9、接或者移位 送出运算结果。3）讨论几种典型的运算器组成几种主要的运算方法（定、浮）（2）控制器1）功能：产生控制命令(微命令)， 控制全机操作。2）组成：微命令发生器指令信息状态信息时序信号微命令序列微命令产生方式（指令执行控制方式） ：3）讨论两种控制器组成原理与控制机制；模型机的数据通路结构和指令执行过程。组合逻辑控制方式：微程序控制方式：由组合逻辑电 路产生微命令 由微指令产生 微命令存储体地址寄存器译码器读/写线路数据寄存器控制线路2. 存储器1）功能: 存储信息。2）组成（主存储器）：存储体地址寄存器译码器读/写线路数据寄存器控制线路存储体: 存放信息的实体。寻址系统：对地址码译码，
10、 选择存储单元。读/写线路和数据寄存器：完成读/写 操作，暂存读/写数据。存储体地址寄存器译码器读/写线路数据寄存器控制线路控制线路：产生读/写时序，控制读/ 写操作。3. 输入/输出设备1）功能：转换信息。 输入：原始信息 代码，送入主机 输出：处理结果 人所能接受的形式 ，并输出（代码） 2）讨论显示器的工作原理和信息转换 过程。3）讨论存储单元读/写原理、存储器逻辑设计 图1.4 硬件系统结构图 计算机的工作过程1.人们通过输入设备将解题的程序和数据送入主存；形成目 标程序。 2.控制器根据程序中指令的序列从主存中逐条取出指令，并 控制实现指令功能。 3.在指令功能实现过程中，由运算器完
11、成对数据的运算处理 。 4.将运算结果送主存 。 5.通过输出设备将程序运行的结果反馈给人们1.2.2 硬件系统结构1. 以总线为基础的系统结构总线：能为多个部件分时共享的 一组信息传送线路。总 线部件部件部件总 线功能 内总线局部总线系统总线外总线信息 地址总线数据总线控制总线时序 同步总线异步总线格式 并行总线串行总线方向 单向总线双向总线（1）以CPU为中心的双总线结构CPUM接口接口I/OI/OI/O 总线M 总线 （2）单总线结构CPUM接口接口I/OI/O系 统 总 线（3）以M为中心的双总线结构CPUM接口接口I/OI/O系 统 总 线M 总线 （4）多级总线结构CPURAMRO
12、M公共接口总线控制逻辑M扩展板I/O接口板局部总线系统总线2. 采用通道或IOP的大型系统结构（1）带通道的系统I/O控制器主机I/O通道（2）带IOP的系统CPUM接口I/OIOPLM接口I/O系统总线I/O总线3. 模型机系统结构系 统 总 线CPUM公共接口接口接口I/OI/O4. 讨论接口： 中断接口、DMA接口总线：分类、信号组成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（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
13、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。（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。 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 器件存储器的单位210=1KB bit 位 : 最小单位：0、1 220=1MB Byte字节：八个二进制位。 230=1G
14、B 240=1TB Word字：计算机一个字与机器字长有关。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。第三节 计算机系统的性能指标1. 基本字长指操作数的基本位数。它影响计算精度、指令功能。2. 存储容量（1）主存容量指存储单元个数位数。决定地址位数表明编址单位表示为：字数字长（按字编址）或字节数（按字节编址） （2）外存容量常表示为字节数。外存容量与地址码位数无关 。3. 运算速度（1）定点/浮点四则运算时间（
15、2）每秒平均执行的指令条数（MIPS）（3）CPU时钟频率（MHz）总线位数总线时钟频率85. 处理功能（1）指令系统功能（寻址方式、指令类型）（2）系统软件配置总线带宽 =4. 数据传输率（B/S）计算机的软件软件的组成和分类系统软件：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。软件系统软件分为：六类 （1）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： （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。 计算机系统的功能由硬件或由软件实现
