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1、计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论n1.1 计算机的分类和应用计算机的分类和应用n1.2 计算机算机发展展简史史n 计算机的硬件计算机的硬件n1.4 计算机的软件计算机的软件n1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/182计算机的分类和应用计算机的分类和应用一、电子计算机从总体上来说分为两大类。一、电子计算机从总体上来说分为两大类。n电子模拟计算机。电子模拟计算机。“模拟模拟”就是相似的意就是相似的意思。模拟计算机
2、的特点是数值由连续量来思。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。表示，运算过程也是连续的。n电子数字计算机，它是在算盘的基础上发电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。展起来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且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。不连续地跳动计算。计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/183计算机的分类和应用计算机的分类和应用二、数字计算机分类二、数字计算机分类 数字计算机根据计算机的效率、速度、价数字计算机根据计算机的效率
3、、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类：分为两类：专用计算机：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：通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/184计算机的分类和应用计算机的分类和应用三、通用计算机分类三、通用计算机分类 通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为：价格等可以分
4、为：n超级计算机超级计算机n大型机大型机n服务器服务器n工作站工作站n微型机微型机n单片机单片机计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出四、计算机的应用四、计算机的应用n科学计算科学计算n自动控制自动控制n测量和测试测量和测试n信息处理信息处理n教育和卫生教育和卫生n家用电器家用电器n人工智能人工智能计算机的分类和应用计算机的分类和应用计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/186计算机算机发展展简史史一、计算机的五代变化一、计算机的五代变化n第一代为第一代为19461957年，电子管计算机：数据处年，电子管
5、计算机：数据处理理n第二代为第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控年，晶体管计算机：工业控制制n第三代为第三代为19651971年，中小规模集成电路计算年，中小规模集成电路计算机：小型计算机机：小型计算机n第四代为第四代为19721990年，大规模和超大规模集成年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机电路计算机：微型计算机n第五代为第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机单片机计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/187计算机算机发展展简史史二、半导体存储器的发展二、半导体存储器的
6、发展n20世纪世纪5060年代，所有计算机存储器都是年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环由微小的铁磁体环n1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器大容量半导体存储器n从从1970年起，半导体存储器经历了年起，半导体存储器经历了11代：单代：单个芯片个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。n其中其中1K=210,1M=220,1G=230计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/188计算机算机发展展简史史三、微处理器的发
7、展三、微处理器的发展n1971年年Intel公司开发出公司开发出Intel 4004。这是第一个将。这是第一个将CPU的所的所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。n微处理器演变中的另一个主要进步是微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的年出现的Intel 8008，这是第一个，这是第一个8位微处理器，它比位微处理器，它比4004复杂一倍。复杂一倍。 n1974年出现了年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而。这是第一个通用微处理器，而4004和和8008是为特殊用途而设计的。是为特殊用途而设计的。8
8、080是为通用微机而是为通用微机而设计的中央处理器。设计的中央处理器。n20世纪世纪70年代末才出现强大的通用年代末才出现强大的通用16位微处理器，位微处理器，8086便便是其中之一。是其中之一。n这一发展趋势中的另一阶段是在这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和年，贝尔实验室和HP公司开发出了公司开发出了32位单片微处理器。位单片微处理器。nIntel于于1985年推出了年推出了32位微处理器位微处理器Intel 80386。n到现在的到现在的64位处理器和多核处理器位处理器和多核处理器计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1
9、89计算机的硬件计算机的硬件一、数字计算机基本组成一、数字计算机基本组成n控制器：人的大脑的操作控制功能控制器：人的大脑的操作控制功能n运算器：人的大脑的计算功能运算器：人的大脑的计算功能n存储器：人的大脑记忆功能存储器：人的大脑记忆功能n输入设备：交互接口，笔输入设备：交互接口，笔n输出设备：交互接口，纸输出设备：交互接口，纸计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1810计算机的硬件计算机的硬件二、二、冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机 存储程序按地址自动执行 五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备以运算器为中心计算机组成原
10、理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1811计算机的硬件计算机的硬件冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机存储器存储器输出输出输入输入运算器运算器控制器控制器数据信号数据信号控制信号控制信号地址信号地址信号计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1812计算机的硬件计算机的硬件三、运算器三、运算器n算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算n在计算机中参与运算的在计算机中参与运算的数是二进制的数是二进制的n运算器的长度一般是运算器的长度一般是8、16、32或或64位位计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页
11、首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1813计算机的硬件计算机的硬件四、存储器四、存储器n存储数据和程序（指令）存储数据和程序（指令）n容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）n分类内存（分类内存（ROM、RAM）、外存）、外存n存储器单位：存储器单位：n210 byte1Kn210 K1Mn210 M1Gn210 G1T计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1814计算机的硬件计算机的硬件五、控制器五、控制器n指令和程序指令和程序:指令的形式（操作和地址码、存储指令的形式（操作和地址码、存储程序
12、的概念、指令中程序和数据的存放、指令系程序的概念、指令中程序和数据的存放、指令系统）统）n指令和数据存储指令和数据存储计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1815计算机的硬件计算机的硬件六、六、控制器的基本任务控制器的基本任务n控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期n控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是
13、指令流，一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。是数据流，它由内存流向运算器。计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1816计算机的硬件计算机的硬件七、适配器与七、适配器与I/O设备设备n输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式内部所能接收和识别的二进制信息形式n输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器输出设备：把计算机
14、处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式设备所能接收和识别的信息形式n适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作n总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。进行数据传送的公共通路。总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也输出设备组成的。这也是人们常说的计
15、算机硬件。是人们常说的计算机硬件。计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1817计算机的软件计算机的软件一、软件的组成与分类一、软件的组成与分类计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机系统中不可少的无形部件。主要有两大类：系统中不可少的无形部件。主要有两大类：n系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高系统软件：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及用途。计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类：它包括以下四类：各种服务性程序
16、，如诊断程序、排错程序、练习程序等语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等操作系统数据库管理系统n应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制的应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1818计算机的软件计算机的软件二、软件的发展演变二、软件的发展演变n编程语言的发展编程语言的发展手编程序：机器语言程序，手工编译二进
17、制码汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解释程序n系统软件的发展系统软件的发展操作系统分布式系统软件计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1819计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构一、多级计算机系统一、多级计算机系统 计算机不能简单地认为是一种电子设备，而计算机不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计，如图所示。程序设计，如图所
18、示。计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1820计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构二、五级计算机层次系统二、五级计算机层次系统n第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。如果某一个应用程序直由机器硬件直接执行微指令。如果某一个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。n第二级是一般机器级，也称为机器语言级，它由微程第二级是一般机器级，也称为机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。
19、序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。n第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指令是操操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。合级。计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1821计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构n第四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形第四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由
20、汇编程式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。汇编语言编写，则这一级可以不要。n第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。程序支持和执行。计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出202
21、4/9/1822计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构三、软件与硬件逻辑等价性三、软件与硬件逻辑等价性n随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统的软、硬件界限已经变得模糊了。因为任计算机系统的软、硬件界限已经变得模糊了。因为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。n任何操作可以由软件来实现也可以有硬件来实现（设任何操作可以由软件来实现也可以有硬件来实现（设计计算机系统时，应考虑各个方面的因素：价格、速计计算机系统时，应考虑各个方面的因素：价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期）度、可靠性、存储容量、变更周期）n实体硬件机功能的扩大实体硬件机功能的扩大n固件的概念（功能上是软件，形态上是硬件）固件的概念（功能上是软件，形态上是硬件）计算机组成原理计算机组成原理湘南学院湘南学院首页首页上页上页下页下页退出退出2024/9/1823第一章小结第一章小结n计算机系统的计算机系统的 基本概念基本概念构成：硬件和软件层次结构n计算机系统的基本工作原理计算机系统的基本工作原理n计算机的基本组成部分计算机的基本组成部分五大部件n冯冯诺依曼型计算机特点诺依曼型计算机特点
