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计算机组成原理 第1章 概述 主要内容

1.1 电子计算机与存储程序控制 1.2 计算机的硬件组成 1.3 计算机系统

1.4 计算机的主要性能指标和工作过程

学习目标

了解计算机的发展历程 理解计算机硬件的基本组成 了解计算机软件的分类 理解计算机系统层次结构 理解计算机的工作过程 理解计算机的主要性能指标

1.1 电子计算机与存储程序控制 1.诞生和发展

世界上第一台电子数字计算机ENIAC

（1946年2月问世） 按照器件发展水平划分为6代:

(电子管，晶体管，小中、大超大、甚大、极大集成电路） （1971微处理器） 呈现两级分化的发展趋势：

微型化（微型机、嵌入式系统） 巨型化（“天河一号”位居第一）

采用十进制、电子管、5,000次/秒加法运算，它由17468个电子管、6万个电阻器、1万个电容器和6千个开关组成，重达30吨，占地160平方米，耗资45万美元。 芯片面积最小的X86处理器

天河一号：巨型计算机，全球运算速度最快的计算机，实测运算速度每秒2570万亿次，配置超7000颗图形芯片。由中国国防科技大学研制，安装在天津国家超级计算中心，功率相当于17.5万台笔记本电脑。

2.冯·诺依曼计算机和存储程序控制 (1)什么是冯·诺依曼计算机

冯·诺依曼 被称为数字计算机之父。

1945年，冯·诺曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制原理，后来，人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为“冯·诺依曼结构”计算机。 (2)冯·诺依曼计算机(Neumann)体系的要点:

计算机硬件由运算器、存储器、控制器、输入 设备和输出设备五大基本部件组成； 采用二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制；

存储程序控制，指令在存储器中按照执行次序依次存放，能自动连续执行程序； 指令有操作码和地址码组成 (3)什么是存储程序控制

程序存储是指将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作；

程序控制指的是计算机在不需要人工干预的情况下，能自动、高速地从存储器中取出指令执行。

（由PC指明要执行指令所在的单元地址） 想一想?

现代数字电子计算机为什么要采用二进制？ 为什么可以自动执行？（CH5）

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1.2 计算机的硬件组成 华硕P7P55D主板，如图主板是基于Intel P55芯片组的主板，芯片组的北桥被完全的整合到了Intel I5 CPU处理器中，主板上只有南桥芯片。 1.2 计算机的硬件组成 1.2.1 五大功能部件 1.输入设备

将程序和原始数据送到计算机中

将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息形式。 2.输出设备

将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。 3.存储器：—3级存储系统 （CH5) 存放程序和数据 软硬件的支持

高速、大容量、低成本的目标 主存储器：

可由CPU直接访问，用来存放当前正在执行的程序和数据。 辅助存储器：

设置在主机外部，CPU不能直接访问，用来存放暂时不参与运行的程序和数据，需要时再传送到主存。

高速缓冲存储器（Cache）：

CPU可以直接访问，用来存放当前正在执行的程序中的最急需处理的指令和数据，以便快速地向CPU提供信息。 4.运算器

算术运算和逻辑运算ALU ； 核心是加法器和若干个寄存器 5.控制器

整个计算机的指挥中心，包括指令寄存，指令译码等。控制程序自动有序进行。 1.2.2 总线结构

1.什么是总线结构？

计算机的各个基本部件如何连接？

小、微型计算机的各大基本部件之间大多是采用总线（Bus）连接起来的。

总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息。 寄存1.冯·诺伊曼结构 CPU芯 指令和数据在同一个存储器中。

高速缓冲存 指令和数据存储在同一个存储器的不同物理位置。 储器 使用冯·诺伊曼结构的中央处理器：

主机 Intel公司的80X86

主存储器 ARM公司的ARM7

（SRAM， MIPS公司的MIPS

1.2.3 计算机的存储器体系结构

辅助存储器

（ 硬盘） 2.哈佛结构 外部设大容量（海量）存储器 指令存储和数据存储分开的存储器结构。

（光盘、闪盘、磁带存储 指令和数据分开组织和存储的，具有较高的执行 效率。因为执行时可以预先读取下一条指令。

使用哈佛结构的中央处理器： MOTOROLA公司的MC68系列 ARM公司的ARM9以上系列 1.3 计算机系统

计算机系统=硬件系统+软件系统 1.3.1 硬件与软件的关系 相辅相成，不可分割：

逻辑等价：同样的功能既能用硬件实现也能用软件实现。 硬件软化：原来由硬件实现的操作改由软件来实现。 它可以增强系统的功能和适应性。

软件硬化：原来由软件实现的操作改由硬件来实现。 它可以显著降低软件在时间上的开销。

固件是指存储在非易失存储器中的程序。 是软、硬件结合的产物。 1.3.2 系列机和软件兼容 1.系列机：

一个厂家生产的，具有相同的系统结构，具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。 2.软件兼容：

原先开发的软件仍能在升级换代后的新型机上使用。 3.为什么要设计系列机？

系列机中的指令系统、数据格式、中断等方面统一，保证软件的兼容，降低软件的开发成本。

联机存联机外脱机4. 软件兼容类型：

向上（下）兼容 向后（前）兼容 硬联逻辑（实际机器） 微程序级（实际机器） 机器语言级（实际机器） 操作系统级（虚拟机器） 汇编语言级（虚拟机器） 高级语言级（虚拟机器） 应用语言级（虚拟机器） 硬联逻辑 微程序 操作系统 汇编程序 编译程序 应用程序

1.3.3 计算机系统的多层次结构

实际机器：有硬件和固件实现的机器。

虚拟机器：以软件或以软件为主实现的机器。对某一层次的观察者来说，他只能是通过该层次的语言来使用计算机。是一个依靠软件而存在的机器。 1.3.4 实际机器和虚拟机器

1.4 计算机的工作过程和主要性能指标 1.4.1 计算机的工作过程

（1）首先由输入设备，将原始数据和程序送到内存。

（2）然后再按照顺序，从内存中逐条取出程序中的指令，送入控制器译码分析。 （3）控制器根据指令的功能向有关部件发出控制信号，控制它们执行规定的功能。

（4）控制器按照顺序逐一“取指令、分析指令和执行指令”，直到程序中的全部指令执行完毕。

计算机的工作过程要点： 计算机工作时，由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行，而控制器本身也要根据指令来运行。

任何高级语言或汇编语言程序要编译或汇编为机器语言程序才能被计算机执行。 执行时调入内存供CPU访问。

举例：内存中存放a、b、c三个数，计算a+b-c,结果保存到内存中。指令执行过程如下：(5条指令）

（1）从内存取指令至CPU内部 （2）分析指令：指令译码

（3）执行指令：取操作数、ALU中完成运算 （4）取下一条指令 想一想？

为什么会自动取下一条指令执行？(CH5) 指令和数据在CPU内部如何区分？（CH4) 控制器的作用？(CH5)

1.4.2 计算机的主要性能指标

1.机器字长：指参与运算的数的基本位数，它是由加法器、寄存器、数据总线的位数决定的。 字节（Byte）：一个字节等于8位二进制位（bit） 2.数据通路宽度：

数据总线一次所能并行传送的位数，称为数据通路宽度。是指外部数据通路宽度（取决于系统总线）

CPU内部的数据通路宽度：一般等于机器字长

内、外数据通路宽度相等的CPU有：Intel 8086、80286、80486等； 外部＜内部的CPU有：8088、80386SX等； 外部＞内部的CPU有：Pentium等。 3.主存容量

一个主存储器所能存储的全部信息量。 主存中所能存储的二进制的总位数。 常用主存容量单位有两种：

① 字节数。描述容量的基本单位。

每1024个字节称为1K字节（210=1KB） 每1024K字节称为1M字节（220=1MB） 每1024M字节称为1G字节（230=1GB）

② 字数。存储单元数（字数）×每单元的位数（字长）

如：4096×16表示：存储器有4096个存储单元，每个存储单元字长为16位。 4.运算速度

以MIPS和MFLOPS作为计量单位来衡量运算速度。 MIPS表示每秒百万条指令。

MFLOPS每秒表示百万次浮点运算。

5.工作频率

衡量计算机速度的重要参数。

内频：就是CPU的内部工作频率，内频也可称为内部时钟。例如：8086的的主频为5MHZ，现在微机主频为2.4GHZ。

外频：即外部工作频率，也就是主板的总线速度或系统时钟，是CPU与周边设备交换数据的频率。

随着CPU速度的升高，外频的速度无法与内频同步，导致了倍频技术的出现。 其关系为：内频＝外频×倍频。 第1章 小结

1.1 存储程序控制的基本思想 1.2 计算机系统的硬件组成 计算机的五大基本部件 总线结构

冯·诺依曼结构和哈佛结构 1.3 计算机系统的基本概念 1.4 计算机的主要性能指标 计算机的硬件组成

练习题： 一、填空题

1、总线信号按功能划分应当包括（ ）、（ ）、（ ）。 2、一个完整的计算机系统由（ ）和（ ）组成。 3、一台计算机的硬件由（）、（）、（）、（）和（）五部分组成

4、从器件角度看，计算机经历了五代变化。但从系统结构看，至今绝大多数计算机仍属于（ ）计算机。

5、计算机系统的层次结构从下至上可分为五级，即微程序设计级（或逻辑电路级）、一般机器级、操作系统级、（ ）级、（ ）级。

6、对存储器的要求是容量大、速度快、成本低，为了解决这三方面的矛盾，计算机采用多级存储体系结构，即（ ）、（ ）、（ ）。 二、选择题

1、通常把（ ）合称为计算机的主机。

A.运算器 B.控制器 C.主存储器 D.硬盘 2、属于应用软件的有（ ）

A.操作系统 B.语言处理程序 C.通用软件 D.专业软件 3、运算器的主要功能是进行( )运算。

A.加法 B.逻辑 C.算术和逻辑 D.算术 4、计算机的内存若为16MB，则表示其容量是( )KB。 A.16384 B.16 C.32767 D.16000

5、数据总线、地址总线、控制总线是根据总线( )来划分的。 A.传送的内容 B.所处的位置 C.传送的方向 D.传送的方式 6、冯?诺依曼计算机的核心思想是（ ）。

A.二进制运算 B.存储程序控制 C.堆栈操作 D.5大功能部件组成 三、简答题

1、写出下列常用术语的中文名称：VLSI、CPU

2、冯·诺依曼计算机体系结构的计算机各硬件的功能。 3、解释概念：存储容量、CPU 、字长、字节

4、计算机的系统软件包括几类？说明它们的用途。 5、画图说明现代计算机系统的层次结构。

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