计算机组成原理 目目录录第第1章：计算机系统概论章：计算机系统概论第第2章：数据表示方法及其部件章：数据表示方法及其部件第第3章：指令系统章：指令系统第第4章：存储系统章：存储系统第第5章：中央处理器章：中央处理器第第6章：外部设备章：外部设备第第7章：输入输出系统章：输入输出系统第第8章：计算机系统结构章：计算机系统结构参考文献参考文献第一章计算机系统概论1-1计算机的发展简史计算机的发展简史1-2计算机的分类和应用计算机的分类和应用1-3计算机的硬件和软件计算机的硬件和软件1-4计算机系统结构计算机系统结构1-1计算机的发展简史计算机的发展简史 电子计算机是一个统称，实际上它被明确地分两大类：“电子模拟计算机”和“电子数字计算机”前者是使用连续变化的物理量(例如电流、电压等)来表示数值的大小并参加机内运算，其运算结果自然也是连续变化的物理量；后者是将运算对象数字化成为离散的数字量，用数码进行运算，其运算结果也是离散的数字信息，它运算速度快、运算精度高，现代人们所说的“电子计算机”或“计算机”，都是指“电子数字计算机”，也是本书讨论的对象电子计算机的发展，如果从第一台计算机的问世算起，到现在半个多世纪，在人类科技史上还没有一种学科的发展速度可以与电子计算机的发展速度相提并论。
20世纪40年代，无线电技术和无线电工业的发展为电子计算机的研制准备了物质基础，1943年1946年美国宾夕法尼亚大学研制的电子数字积分和计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)是世界上第一台电子计算机ENIAC计算机共用18000多个电子管，1500个继电器，重达30吨，占地170平方米，耗电140千瓦，每秒钟能计算5000次加法，研制人是埃克特(JPEckert)和莫克利(JWMauchly)ENIAC计算机存在两个主要缺点，一是存储容量太小，只能存20个字长为10位的十进制数，二是用线路连接的方法来编排程序，因此每次解题都要依靠人工改接连线，准备时间大大超过实际计算时间在ENIAC计算机研制的同时，冯诺依曼(Von Neumann)与莫克利、埃克特小组合作研制EDVAC计算机，在这台计算机中确立了计算机的五个基本部件：输入器、输出器、运算器、存储器、控制器程序和数据存放在存储器中，并采用了二进制，确立了存储程序的原则现代的一般计算机被称作冯诺依曼结构计算机第一代：电子管计算机时代(从1946年第一台计算机研制成功到五十年代后期)，将电子管、继电器和存储器用绝缘导线互连在一起，由单个CPU构成，CPU用程序计数器和累加器顺序完成定点运算，采用机器语言或汇编语言，用CPU程序控制IO。
其主要特点是采用电子管作为基本器件代表性系统有由John von Neumann，AnhurBurks和HermanGoldstine于1946年在普林斯顿大学研制成功的IAS计算机、由宾夕法尼亚大学莫尔学院于1950年制成的ENIAC、由IBM于1953年制造的IBM701计算机第二代：晶体管计算机时代(19551964)，采用分立式晶体三极管、二极管和铁氧体的磁芯，用印刷电路将它们互连起来采用了变址寄存器、浮点运算、多路存储器和IO处理机采用有编译程序的高级语言、子程序库、批处理监控程序这时期计算机的主要器件逐步由电子管改为晶体管，因而缩小了体积，降低了功耗，提高了速度和可靠性而且价格不断下降后来又采用了磁心存储器，使速度得到进一步提高代表性系统有1959年制成的UnivacIARC、60年代的CDCl604和1962年制成的IBM70301969年1月制成的超大型计算机CDC 7600，速度达到每秒千万次浮点运算，是这一时期设计最成功的产品第三代：集成电路计算机时代(19651974)，采用小规模或中规模集成电路和多层印刷电路采用了流水线、高速缓存和并行处理机软件方面采用多道程序设计和分时操作系统。
这时期的计算机采用集成电路作为基本器件，因此功耗，体积，价格等进一步下降，而速度及可靠性相应地提高，这就促使了计算机的应用范围进一步扩大正是由于集成电路成本的迅速下降，产生了成本低而功能不是太强的小型计算机供应市场，占领了许多数据处理的应用领域代表性系统有IBM360370系列、CDC66007600系列、Texas仪表公司的ASC和Digital Equipment公司的PDP8系列IBM360系统是最早采用集成电路的通用计算机，也是影响最大的第三代计算机它的主要特点是通用化，系列化、标准化通用化：指令系统丰富，兼顾科学计算、数据处理、实时控制三个方面系列化：IBM360各档机器采用相同的系统结构，即在指令系统、数据格式，字符编码、中断系统、控制方式、输入输出操作方式等方面保持统一，从而保证了程序兼容，当用户更新机器时原来在低档机上编写的程序可以不作修改就使用在高档机上IBM360系统后来陆续增加的几种型号仍保持与前面的产品兼容后来，西欧与日本的一些通用计算机也保持与IBM360系统兼容苏联和东欧国家联合制造的“统一系统”也是与IBM360系统兼容的标准化：采用标准的输入输出接口，因而各个机型的外部设备是通用的。
采用积木式结构设计，除了各个型号的CPU独立设计以外，存储器、外部设备都采用标准部件组装第四代：大规模集成电路计算机时代(19741991)，采用大规模或超大规模集成电路和半导体存储器，出现了用共享存储器、分布存储器或向量硬件选择的不同结构的并行计算机，开发了用于并行处理的多处理操作系统、专用语言和编译器，同时产生了用于并行处理或分布处理的软件工具和环境七十年代初，半导体存储器问世，迅速取代了磁心存储器，并不断向大容量、高速度发展，此后，大体上集成度每三年翻两番(1971年每片1K位，到1984年达到每片256K位)，价格平均每年下降30逻辑电路也得到相应的发展随着大规模集成电路的迅速发展，计算机进入大发展时期，通用机、巨型机，小型机、微型机都得到了发展1 通用机 通用机是计算机工业中价值比重最大的产品，其中以IBM 370系统影响最大，它在与IBM 360系统兼容的前提下进行了改进IBM公司为开发360系统的软件耗费了巨大的人力和财力，1982年宣布的IBM 3084K大型通用机速度达到每秒2500万次，主存容量为64兆字节其他计算机厂家在发展新机种时也遵循兼容的原则某些计算机厂家走上与IBM计算机兼容的道路，称之为PCM：Plug Compatible Mainframe(插接兼容主机)或Program Compltible Mainframe(程序兼容主机)，制造与IBM兼容的计算机，它们按IBM系列机的系统结构制造主机，并直接引用IBM计算机的软件，因而使产品的性能价格比优于IBM原装机，以争夺市场。
2 巨型机 现代科学技术，尤其是国防技术的发展，需要有很高运算速度，很大存储容量的计算机，一般的大型通用计算机不能满足要求集成电路的进展，为制造巨型机提供了条件从60年代到70年代相继完成了一些巨型机，其中取得最高成绩的要推Cray1计算机针对天气预报、飞行器的设计和核物理研究中存在大量向量运算的特点，Cray1计算机的向量运算速度达每秒8000万次，并兼顾了一般的标量运算1983年研制成功的CrayXMP机向量运算速度达每秒4亿次与此同时，CDC公司的CYBER 203和205先后完成，CYBER205每秒可进行4亿次浮点运算这些是80年代初期的水平最高的巨型机但是这些成就还不能满足一些复杂问题的需要，所以不少单位开展了性能更高的巨型机的研究工作日本、英国、苏联，法国也先后开始研制巨型机3 小型机 小型机规模小，结构简单所以设计试制周期短，便于及时采用先进工艺，生产量大，硬件成本低，同时由于软件比大型机简单，所以软件成本也低再加上容易操作，容易维护和可靠性高等特点，使得管理机器和编制程序都比较简单，因而得以迅速推广，掀起一个计算机普及应用的浪潮DEC公司的PDP11系列是16位小型机的代表，到70年代中期32位高档小型机开始兴起，DEC公司的VAXll780于1978年开始生产，应用极为广泛。
VAXll系列与PDPIl系列是兼容的小型机的出现打开了在控制领域应用计算机的局面，许多大型分析仪器，测量仪器，医疗仪器使用小型机进行数据采集，整理、分析、计算等应用于工业生产上的计算机除了进行上述工作外还可进行自动控制4 微型机 微型机的出现与发展，掀起计算机大普及的浪潮利用4位微处理器Intel 4004组成的MCS4是世界上第一台微型机，于1971年问世Intel 8086是最早开发成功的十六位微处理器(1978年)，Intel80286、80386与8086兼容1981年以后32位微处理器相继问世，70年代后期，兴起个人计算机(一种独立微型机系统)热潮，最早出现的是Apple公司的Apple型微机(1977年)，此后各种型号的个人计算机纷纷出现1981年一向以生产大中型通用机为主的IBM公司推出了IBM PC机，后来又推出扩充了性能的IBM PCXT，IBM PCAT机，由于具有设计先进、软件丰富，功能齐全、价格便宜等特点，很快成为微型机市场主流国内外不少厂家相继生产了与IBM PC兼容的个人计算机低档的个人计算机可供家庭娱乐和业余爱好者使用，高档的用于经营管理、科学计算以及教育等方面。
第五代：(1991现在)采用超大规模集成电路（VLSI）工艺更加完善的高密度、高速度处理机和存储器芯片它的最重要特点是进行大规模并行处理，采用可扩展的和允许时延的系统结构第五代计算机具有：智能接口功能：能识别自然语言(文字、语音)、图形、图象；解题和推理功能：根据自身存储的知识进行推理，求解问题知识库管理功能：计算机内存储大量知识，可供检索代表性系统有Fujitsu的VPP500、Cray Research的MPP、Thinking Machines公司的CM5、Intel超级计算机系统Paragon、SGI的Origin 2000和Sun公司的10000服务器随同计算机硬件发展的还有软件，应该指出，发挥计算机的作用，推广计算机的应用，改进计算机的设计以及简化计算机的操作，使它从只供专家使用转为面向大众，软件工作者起了决定性的作用系统软件不断完善、升级，操作系统自动地管理计算机系统中各个设备以及多个程序的高效运行，是第三代计算机时期的重大成就广泛应用计算机的结果，计算机厂家向用户提供软件(系统软件和应用软件)时与硬件分别计价，并产生了专门从事软件研制、生产、销售工作的软件公司但是软件的发展跟不上需要，软件费用急剧增长，这是因为硬件是工业化生产，价格不断下降，而软件为人工劳动，生产率低，可靠性不高。
1-2计算机的分类和应用计算机的分类和应用1 12 21 1 计算机的分类计算机的分类电子计算机从总体上来说分为两大类一类是电子模拟计算机模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的模拟计算机用电压表示数据，电压组合和测量值用来计算，盘上连线用来控制，精度低，数据存储量小，没有逻辑判断能力另一类是电子数字计算机，数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算数字计算机数据表示是0和1，用数字计数，用程序控制，精度高，数据存储量大，有较强的逻辑判断能力电子模拟计算机由于精度和解题能力都有限，所以应用范围较小电子数字计算机则与模拟计算机不同，它是以近似于人类的“思维过程”来进行工作的，所以有人把它叫做电脑数字计算机进一步又可分为专用计算机和通用计算机专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差通用计算机适应范围很大，但是牺牲了效率、速度和经济性通用计算机又可分巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六类，它们的区别在于指令系统规模、性能指标、数。