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1、計算機組成原理,,第一章 計算機系統(tǒng)概論 第二章 運算方法和運算器 第三章 存儲系統(tǒng) 第四章 指令系統(tǒng) 第五章 中央處理器 第六章 總線系統(tǒng) 第七章 外圍設(shè)備 第八章 輸入輸出系統(tǒng) 第九章 操作系統(tǒng)支持,目錄,一、課程性質(zhì)與任務(wù)（課程在專業(yè)教學(xué)計劃中的地位與課程教學(xué)目標） “計算機組成原理”屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，必修課。面向應(yīng)用、突出實踐、偏向硬件和理論。 計算機組成原理是計算機教學(xué)中的一門核心課程，是學(xué)習(xí)計算機課程所要必修的主干課。通過教學(xué)，使學(xué)生對計算機的各主要部分（運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備）的構(gòu)成及工作原理有一個深刻的、系統(tǒng)的認識和理解，同時對計算機的發(fā)展趨勢也有一個較為深入的了解

2、。 主要講解簡單、單臺計算機的完整組成原理和內(nèi)部運行機制，包括運算器部件、控制器部件、存儲器子系統(tǒng)、輸入/輸出子系統(tǒng)與輸入/輸出系統(tǒng)設(shè)備，圍繞各自的功能、組成、設(shè)計、實現(xiàn)、使用等知識進行介紹；此外，該課程的工程性、實踐性、技術(shù)性比較強，還強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動手動腦能力、開創(chuàng)與創(chuàng)新意識、實驗技能，這些要求更多的是通過作業(yè)、教學(xué)實驗等環(huán)節(jié)完成，要求學(xué)生有意識地主動加強這些方面的練習(xí)與鍛煉。 二、課程的基本要求（課程教學(xué)應(yīng)使學(xué)生達到的基本要求） 計算機系統(tǒng)概述、計算機中的數(shù)據(jù)表示、運算方法和運算器、指令系統(tǒng)、隨機邏輯和微程序控制原理、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、計算機外設(shè)簡介，要求學(xué)生掌握計算機的組成和工作

3、原理。 通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解計算機的組成原理及工作原理，以建立整機概念。本課程設(shè)有實驗，以加深對課程內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。 三、課程總學(xué)時中各環(huán)節(jié)的學(xué)時分配 授課學(xué)時：48,教學(xué)大綱,第一章 計算機系統(tǒng)概論 第二章 運算方法和運算器 第三章 存儲系統(tǒng) 第四章 指令系統(tǒng) 第五章 中央處理器 第六章 總線系統(tǒng) 第七章 外圍設(shè)備 第八章 輸入輸出系統(tǒng) 第九章 操作系統(tǒng)支持,目錄,第一章 計算機系統(tǒng)概論,1.概念 計算機（Computer）是一種以電子器件為基礎(chǔ)的，不需人的直接干預(yù)，能夠?qū)Ω鞣N數(shù)字化信息，進行算術(shù)和邏輯運算的快速工具。,（1）以電子器件為物質(zhì)基礎(chǔ)：電子數(shù)字計算機 （D

4、igital Computer） （2）不需要人的直接干預(yù)：自動化（存儲程序為基礎(chǔ)） （3）數(shù)字化信息：二進制（計算機能夠具有邏輯判斷 和處理能力的基礎(chǔ)） （4）算邏運算：基本運算操作是算術(shù)和邏輯運算 （5）快速工具： （A） 電子器件 （B）存儲程序,,2、 層次：,（1）內(nèi)部特征： （A）高速高集成度開關(guān)元件 （B）數(shù)字化信息編碼 （C）邏輯判斷和處理能力 （D）存儲程序 （2）外部特征： （A）快速性（由（1）中（A）（D）決定） （B）準確性（由（1）中（B）（D）決定） （C）邏輯性（由（1）中（A）（C）（D）決定） （D）通用性（由（1）中（A）（B）（C）（D）決定

5、）,,3、特征 ：,1.1.1 計算機的分類,計算機從總體上來說分為兩大類: 模擬計算機和數(shù)字計算機。,,各自主要特點： 模擬計算機由模擬運算器件構(gòu)成，其變量由連續(xù)量（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續(xù)的 數(shù)字計算機則是由邏輯電子器件構(gòu)成，其變量為開關(guān)量（離散的數(shù)字量），采用數(shù)字式按位運算，運算模式是離散式的,數(shù)字計算機與模擬計算計的主要區(qū)別,,通用計算機類別,巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機和單片機，它們的結(jié)構(gòu)規(guī)模和性能指標依次遞減 隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展,今天的小型機可能是明天的微型機,而今天的微型機可能是明天的單片機,1.1.2 計算機的應(yīng)用,計算機之所以迅速發(fā)

6、展,其生命力在于它的廣泛應(yīng)用并協(xié)助人類取得了輝煌的成就。計算機的應(yīng)用范圍幾乎涉及人類社會的所有領(lǐng)域。本書歸納成六個主要方面來敘述： 科學(xué)計算 自動控制和測量 信息處理 教育和衛(wèi)生 家用電器 人工智能,1.2.1 計算機的硬件系統(tǒng)組成,,,運 算 器,控 制 器,主存儲器,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,,總線 和 輸入輸出接口,,,,,高速緩存,,虛擬存儲器 (磁盤設(shè)備),,,,,,中央處理單元CPU,,1. 運算器,算術(shù)運算 邏輯運算 采用二進制數(shù)（容易實現(xiàn)） 位數(shù)越多，計算精度越高 計算機的運算器長度： 8位、16位、32位或64位,2. 存儲器,功能：保存或“記憶”數(shù)據(jù)和運算過程 存儲的是0或1表示

7、的二進制代碼 主存采用半導(dǎo)體器件來作為存儲器 一個半導(dǎo)體觸發(fā)器記憶一個二進制位 存儲單元： 在存儲器中保存一個n位二進制數(shù)的n個觸發(fā)器，組成一個存儲單元 存儲器地址：存儲器是由許多存儲單元組成，每個存儲單元的編號，稱為地址 存儲容量：存儲器所有存儲單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB、GB”等表示 內(nèi)存儲器（主存）和外存儲器(輔存）,表示參加運算的數(shù)據(jù) 從存儲器的哪個單元取 運算的結(jié)果應(yīng)存到哪個單元,3. 控制器,控制計算機的各個部件有條不紊地進行工作 指令有兩部分：操作的性質(zhì)和操作的地址,指出指令所進行的操作 加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等,電子計算機的設(shè)計思想,存儲程序，程序控制 “存儲程序”

8、，是把指令以代碼的形式事先輸入到計算機的主存儲器中，即用記憶數(shù)據(jù)的同一裝置存儲執(zhí)行運算的命令，這些指令按一定的規(guī)則組成程序 “程序控制”，是當(dāng)計算機啟動后，程序就會控制計算機按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動完成預(yù)定的信息處理任務(wù) 馮諾依曼型計算機的設(shè)計思想 存儲程序并按地址順序執(zhí)行,馮諾依曼計算機的基本思想 采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令由操作碼和地址碼組成； 將程序和數(shù)據(jù)存放在存儲器中，使計算機在工作時從存儲器取出指令加以執(zhí)行，自動完成計算任務(wù)。這就是“存儲程序”和“程序控制”（簡稱存儲程序控制）的概念； 指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。

9、 計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入和輸出設(shè)備五大基本部件組成，規(guī)定了5部分的基本功能,控制器的基本任務(wù),按照計算程序所排的指令序列，先從存儲器取出一條指令放到控制器中，對該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別，然后根據(jù)指令性質(zhì)，執(zhí)行這條指令，進行相應(yīng)的操作。接著從存儲器取出第二條指令，再執(zhí)行第二條指令，依次類推 取指令的一段時間叫做取指周期 執(zhí)行指令的一段時間叫做執(zhí)行周期 執(zhí)行完成指令的時間，稱為指令周期,指令字和數(shù)據(jù)字，指令流和數(shù)據(jù)流,某字為一條指令，則稱為指令字 某字代表要處理的數(shù)據(jù)，稱為數(shù)據(jù)字 在取指周期中從內(nèi)存讀出的信息是指令流，它流向控制器 而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它

10、由內(nèi)存流向運算器 時間上：在取指周期中，CPU從內(nèi)存讀出的信息一定是指令；而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出或?qū)懭氲男畔⒁欢ㄊ菙?shù)據(jù)。 空間上：指令一定流向控制器；而數(shù)據(jù)則是在內(nèi)存（或寄存器）與運算器之間流動,適配器與輸入輸出設(shè)備,輸入設(shè)備把人們所熟悉的某種形式的信息變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式 輸出設(shè)備把計算機處理的結(jié)果變換為人或其它機器所能接收和識別的信息形式 I/O設(shè)備通常統(tǒng)稱為外圍設(shè)備 適配器(I/O接口)相當(dāng)于一個轉(zhuǎn)換器,它可以保證外圍設(shè)備用計算機所要求的形式發(fā)送或接受信息 系統(tǒng)總線構(gòu)成計算機系統(tǒng)的信息鏈接,是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路,1.2.2 數(shù)字計算機的發(fā)展史,

11、世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Calculator）誕生于1946年2月15日，是美國賓夕法尼亞大學(xué)摩爾理工學(xué)院的摩切利和埃卡特發(fā)明的。計算機的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代的變化： 1946年開始，第一代電子管計算機 1958年開始，第二代晶體管計算機 1965年開始，第三代中小規(guī)模集成電路計算機 1971年開始，第四代大規(guī)模集成電路計算機 1986年開始，第五代巨大規(guī)模集成電路計算機,計算機的發(fā)展史,什么是微型計算機,微型計算機（Microcomputer） 采用微處理器為核心構(gòu)造的計算機 微處理器（Microproce

12、ssor） 一塊大規(guī)模集成電路芯片 微型機的運算和控制核心 中央處理單元（CPU：Central Processing Unit） 相對來說，微機性能、價格、體積較小 工作學(xué)習(xí)中使用的個人微機 生產(chǎn)生活中運用的各種智能化電子設(shè)備,微處理器的基本性能指標,字長 微處理器每個時間單位處理的二進制數(shù)據(jù)位數(shù) 例如一次進行運算、傳輸?shù)奈粩?shù) 時鐘頻率 微處理器的處理速度 反映微處理器的基本時間單位 集成度 表明微處理器的生產(chǎn)工藝水平 常用芯片上集成的晶體管數(shù)量來表達,通用微處理器,4位微處理器 1971年，Intel 4004，第一個微處理器 8位微處理器 M6800、Z80和Intel 8080/808

13、5 Apple公司蘋果機 16位微處理器 Intel 8086/8088 16位個人計算機（PC：Personal Computer） 32位微處理器 80386，80486，PentiumPentium 4 32位PC機，APPLE公司的Macintosh機 64位微處理器,專用微處理器,單片機（微控制器，嵌入式控制器，MCU） Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列 愛特梅爾（Atml）公司的AT89系列（與MCS-51兼容），AT91系列（基于ARM內(nèi)核） Microchip Technology公司的PIC系列 數(shù)字信號處理器（DSP） 專注于數(shù)字信號的高速處理

14、 美國德州儀器TI公司TMS320各代產(chǎn)品 主要應(yīng)用于通信、消費類電子產(chǎn)品和計算機 主要應(yīng)用形式：嵌入式系統(tǒng) IP級結(jié)構(gòu)，芯片級結(jié)構(gòu)，模塊級結(jié)構(gòu),微型計算機結(jié)構(gòu),1. 微處理器 2. 存儲器 3. I/O接口和I/O設(shè)備 4. 系統(tǒng)總線,控制總線CB,數(shù)據(jù)總線DB,地址總線AB,微處理器,I/O設(shè)備,I/O接口,存儲器,系統(tǒng)總線BUS,,,,,,,,,,微處理器,微機的核心、控制中心，中央處理器CPU 大規(guī)模集成電路VLSI芯片，集成 控制器 運算器（整數(shù)運算器） 寄存器（高速存儲單元） 高性能微處理器內(nèi)部還有 浮點處理單元甚至多媒體數(shù)據(jù)運算單元 存儲管理單元、代碼保護機制 Cache ,存儲

15、器,存儲器（Memory）是存放程序和數(shù)據(jù)的部件 高性能微機的存儲系統(tǒng) 微處理器內(nèi)部的寄存器（Register） 高速緩沖存儲器（Cache） 主板上的主存儲器 以外設(shè)形式出現(xiàn)的輔助存儲器 主存儲器（主存、內(nèi)存） 半導(dǎo)體存儲器芯片組成 RAM部分斷電后信息丟失 相對造價高、速度快、但容量小 輔助存儲器（簡稱輔存或外存） 磁盤、光盤存儲器等構(gòu)成 相對造價低、容量大、信息可長期保存，但速度慢,RAM和ROM,I/O接口和I/O設(shè)備,I/O設(shè)備（Peripheral）：用戶與微機交互 輸入（Input）設(shè)備，如標準輸入設(shè)備：鍵盤 輸出（Output）設(shè)備，如標準輸出設(shè)備：顯示器 I/O接口（Inte

16、rface）：外設(shè)和主機間的橋梁 完成信號變換、數(shù)據(jù)緩沖、聯(lián)絡(luò)控制等工作 較簡單的I/O接口電路與主板一體 較復(fù)雜的I/O接口電路制成獨立的電路板（接口卡Card）,系統(tǒng)總線,總線（Bus）：傳遞信息的一組公用導(dǎo)線、信息通道 系統(tǒng)總線（System Bus）：微機系統(tǒng)中信息交換的主要公共通道 地址總線：單向輸出主存單元或I/O端口的地址信息 數(shù)據(jù)總線：讀（Read）操作數(shù)據(jù)輸入微處理器；寫（Write）操作數(shù)據(jù)輸出到外界（主存或外設(shè)） 控制總線：有些控制信號或狀態(tài)信號輸出；有些請求或聯(lián)絡(luò)信號輸入 微機系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，總線連接使得微機組合靈活、擴展方便,個人微機,8位時代：Apple-II機，

17、中華學(xué)習(xí)機 16位時代：IBM PC系列機 1981年，IBM PC機：Intel 8088，DOS 1982年，IBM PC/XT（Expanded Technology） 1984年，IBM PC/AT（Advanced Technology） IBM PC/XT/AT機的兼容微機 32位時代：32位PC機 IA-32或其兼容微處理器 Windows或Linux 64位時代：,計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。都是由元件構(gòu)成的有形物體，因而稱為硬件或硬設(shè)備。硬件是計算機系統(tǒng)中實際物理裝置的總稱 計算程序，因為它是無形的東西，稱為軟件或軟設(shè)備。軟件是指在硬

18、件上運行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔 硬件是軟件的工作基礎(chǔ)，軟件是硬件功能的擴充和完善。兩者相互依存，相互促進。軟件與硬件的結(jié)合，構(gòu)成完整的計算機系統(tǒng),計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng),計算機軟件程序數(shù)據(jù)文檔,軟件的發(fā)展演變,目的程序 匯編語言 算法語言 操作系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),,目的程序,早期計算機中，人們直接用機器語言編寫程序，（又叫手編程序）計算機完全可以“識別”并能執(zhí)行，所以又叫做目的程序 用機器語言編寫程序很繁瑣，又耗費大量的人力和時間，容易出錯，出錯后尋找錯誤也相當(dāng)費事，大大限制了計算機的使用,匯編程序,為了編寫程序方便翻譯和提高機器的使用效率，人們發(fā)明了匯編

19、語言 借助于匯編程序，計算機本身自動地把符號語言表示的程序（稱為匯編源程序）翻譯成用機器語言表示的目的程序,用約定的文字、符號和數(shù)字（助記符） 按規(guī)定 的格式來表示各種不同的指令,匯編語言,缺點 需熟悉具體機器的指令系統(tǒng) 節(jié)省的人力時間有限 和數(shù)學(xué)語言差異較大,高級語言,為了進一步實現(xiàn)程序自動化和便于程序交流，使不熟悉具體計算機的人也能很方便地使用計算機，人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語言的算法語言（高級程序設(shè)計語言）如C語言，VB等。 算法語言是指按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則。 特點 比較接近數(shù)學(xué)語言，直觀通用 與具體機器無關(guān)，只要稍加學(xué)習(xí)就能掌握 便于推廣使

20、用計算機,編譯程序,用程序設(shè)計語言編寫的程序稱為源程序，這種源程序不能由機器直接識別和執(zhí)行，必須給計算機配備一個既懂算法語言又懂機器語言的“翻譯”，才能把源程序翻譯為機器語言 通常采用下面兩種方法： 編譯系統(tǒng)： 用編譯程序?qū)⒃闯绦蚓幾g成機器語言形式的目的程序，然后利用運行系統(tǒng)輔助程序來運行，編譯程序和運行系統(tǒng)合稱為編譯系統(tǒng)。 解釋系統(tǒng) ：逐個解釋并立即執(zhí)行源程序的語句，它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是直接逐一解釋語句并得出計算結(jié)果,操作系統(tǒng),依靠計算機來管理自己和管理用戶 操作系統(tǒng)的作用 管理計算機資源（如：處理器、內(nèi)存等） 自動調(diào)度用戶的作業(yè)程序 分類 批處理操作系統(tǒng) 分時操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操作

21、系統(tǒng) 實時操作系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了有組織地、動態(tài)地存儲大量相關(guān)數(shù)據(jù) 處理更方便 檢索更迅速 用戶使用更方便,計算機的層次結(jié)構(gòu),軟硬件界面（Interface）,,,,,,assembler,complier,Operating System,,library,,,,ISA,,S/W,,H/W,,Application,S/W：Software 軟件 H/W：Hardware 硬件,ISA：Instruction Set Architecture 指令集結(jié)構(gòu),軟件與硬件的邏輯等價性,隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了 任何操作可以由軟

22、件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成 對于某一功能采用硬件方案還是軟件方案，取決于器件價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期等,軟件的特點 易于實現(xiàn)各種邏輯和運算功能，但是常受到速度指標和軟件容量的制約； 硬件的特點 可以高速實現(xiàn)邏輯和運算功能，但是難以實現(xiàn)復(fù)雜功能或計算，受到控制復(fù)雜性指標的制約。,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn),計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Computer architecture） 計算機系統(tǒng)的軟件與硬件的界面指令系統(tǒng) 程序員所看到的計算機屬性外特性 計算機組成(Computer organization）組織 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn) 計算機實現(xiàn)(C

23、omputer implementation） 計算機組成的物理實現(xiàn) 計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，組成，實現(xiàn)是三個完全不同的概念，相互間有著十分密切的依賴關(guān)系和相互的影響。廣義的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)即包括經(jīng)典的指令集結(jié)構(gòu)，也包括計算機組成和實現(xiàn)技術(shù)的研究,習(xí)題1,4. 馮諾依曼計算機的主要設(shè)計思想是什么？它包括哪些組成部分？ 5. 什么是存儲容量、單元地址、數(shù)據(jù)字、指令字？ 7. 計算機如何區(qū)分指令還是數(shù)據(jù)？ 14. 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組織、計算機實現(xiàn)三個術(shù)語的概念是什么？彼此有什么關(guān)系？,第1章教學(xué)要求-1,了解計算機的類型：模擬和數(shù)字，專用和通用，巨型機、大型機、小型機、微型機、單片機 熟悉計算機的硬

24、件組成部件及其作用 掌握主存有關(guān)概念：存儲器地址、存儲單元和存儲容量；位bit、字節(jié)byte、KB、MB、GB 掌握“存儲程序、程序控制”的馮諾依曼計算機的基本思想 區(qū)別操作碼和地址碼（操作數(shù)）、指令字和數(shù)據(jù)字、指令流和數(shù)據(jù)流 理解指令周期（控制器工作周期）：取指、譯碼、執(zhí)行,第1章教學(xué)要求-2,掌握總線、處理器總線和系統(tǒng)總線的概念，熟悉數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線的功能 理解目的程序、匯編程序、編譯程序的作用，區(qū)別機器語言、匯編語言和高級語言（算法語言） 掌握計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、軟件與硬件的邏輯等價性思想, 本章小結(jié),計算機從開始出現(xiàn)到目前經(jīng)歷了一個快速發(fā)展的過程。按計算機所使用的微電子器件的發(fā)展可以將電子計算機分成五代。 計算機系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)組成。 計算機的硬件系統(tǒng)由有形的電子器件等構(gòu)成的，它包括運算器、存儲器、控制器、輸入輸出設(shè)備及總線系統(tǒng)組成。 計算機的軟件系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是計算機不同于一般電子設(shè)備的本質(zhì)所在。計算機的軟件一般分為系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序兩大類。 計算機主要性能指標有：主頻、字長、運算速度、存儲容量、可靠性、兼容性等。按照計算機的規(guī)?？煞譃榫扌蜋C、大型機、中型機、小型機和微型機、單板機、單片機等。,