第1章 概 述課件

計算機(jī)組成原理主講：胡全連主要內(nèi)容

計算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成包括五大功能部件:運算器存儲器控制器輸入系統(tǒng)輸出系統(tǒng)學(xué)習(xí)各部分的工作原理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計方法及相互之間的連接并構(gòu)成整機(jī)的方法。目的：從硬件的角度，學(xué)習(xí)計算機(jī)的工作過程，掌握計算機(jī)最基本的工作原理“計算機(jī)內(nèi)部究竟是怎么工作的?”為培養(yǎng)在計算機(jī)硬件系統(tǒng)的分析、研究、開發(fā)等方面的能力打下堅實基礎(chǔ)。了解硬件在計算機(jī)系統(tǒng)中的地位以硬件為核心，疊加不同層次的軟件，構(gòu)成一個計算機(jī)系統(tǒng)，如下圖所示:計算機(jī)硬件機(jī)器語言匯編語言操作系統(tǒng)其它系統(tǒng)軟件應(yīng)用程序應(yīng)用程序與其他課程關(guān)系：嵌入式系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)匯編語言計算機(jī)組成原理數(shù)字邏輯電路電子技術(shù)接口技術(shù)要求：復(fù)習(xí)并掌握先修課的有關(guān)內(nèi)容課堂：聽講與理解、適當(dāng)筆記課后：認(rèn)真讀書、完成作業(yè)實驗：充分準(zhǔn)備、勇于實踐考核：平時考核現(xiàn)場考試實驗報告期末考試（50分）

實驗成績（30分）

平時成績（20分）

參考資料：①白中英《計算機(jī)組成原理》科學(xué)技術(shù)出版社②唐朔飛《計算機(jī)組成原理》高等教育出版社③王愛英《計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》清華大學(xué)出版社④白中英《計算機(jī)組成原理題解、題庫與實驗》

科學(xué)技術(shù)出版社教材：薛勝軍《計算機(jī)組成原理》華中科技大學(xué)出版社第一章概述本章重點：掌握計算機(jī)的組成和工作原理的初步的整體概念

1.1計算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用一、計算機(jī)的發(fā)展 從1946年第一臺電子數(shù)字計算機(jī)產(chǎn)生之后，其計算機(jī)的發(fā)展速度之快、應(yīng)用范圍之廣和對科技的進(jìn)步和社會的影響之大是驚人的。其發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了四代，現(xiàn)在正在第五、第六代研制中。1、第一代計算機(jī)（1946-1957）主要特點：（1）元件：電子管（2）存儲器：延遲線或磁鼓（3）軟件：主要為機(jī)器語言，后期為匯編語言第一臺電子計算機(jī)ENIAC（40萬美元、30t，150KW，170M2，電子管18800個，1500個繼電器，700個電阻，10000只電容器，速度為5000次/s）2、第二代計算機(jī)（1958-1964）主要特點：（1）元件：晶體管（2）存儲器：磁芯（主）、磁帶或磁盤（3）軟件：有Fortran、Cobol語言，出現(xiàn)了機(jī)器內(nèi)部的管理程序3、第三代計算機(jī)（1965-1971）主要特點：（1）元件：中、小規(guī)模集成電路（MSI、SSI）（2）存儲器：半導(dǎo)體（3）軟件：操作系統(tǒng)，采用微程序控制技術(shù)，出現(xiàn)了Basic、Pascal等

4、第四代計算機(jī)（1972-）主要特點：（1）元件：大和超大規(guī)模集成電路（LSI、VLSI）（2）存儲器：出現(xiàn)了MOS管為主（3）軟件：操作系統(tǒng)更加完善，在語音、圖像處理、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)以及人工智能等有較大的發(fā)展。 在第四代計算機(jī)發(fā)展過程中出現(xiàn)了今天使用最廣的微型計算機(jī)：1976年APPLE和1981年的PC機(jī)產(chǎn)生。PC微機(jī)的發(fā)展迅速的主要是CPU主要生產(chǎn)廠家Intel公司和核心軟件生產(chǎn)廠家Microsoft公司。微機(jī)發(fā)展（PC）：1981年IBM-PC（8088）為第一代IBM-PC/XT（8086）1984年IBM-PC/AT（80826）為第二代1986年Compaq公司和IBM-PS/2-50（80386）為第三代1989年486為第四代1993年P(guān)entium(80586)

5、計算機(jī)的發(fā)展顯著的特點是：體積小、重量輕、速度快、成本低、可靠性強。這四代計算機(jī)的體系基本原理是馮.諾依曼思想:（1）計算機(jī)處理采用二進(jìn)制或二進(jìn)制代碼（2）存儲程序（3）硬件五大部分：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲器、運算器和控制器

許多專家認(rèn)為用馮.諾依曼思想所構(gòu)成的計算機(jī)體系對非數(shù)值數(shù)據(jù)的處理、運算和存儲不是很好的方法，特別是在檢索速度也是有限的。6.關(guān)于第五代計算機(jī) 主要是在通信、存儲、信息處理和人工智能相結(jié)合的超巨型計算機(jī)，其知識庫機(jī)、推理機(jī)、智能接口等硬件和非程序設(shè)計語言（即說明性語言）Lisp、Prolog和Hope語言等軟件組成。7.關(guān)于第六代計算機(jī)不是傳統(tǒng)的電子元件，而是光電子元件、超導(dǎo)電子元件和生物電子元件。1958年10月，我國研究成功電子管數(shù)字算機(jī)。1964年，晶體管數(shù)字計算機(jī)問世。1971年，開發(fā)出了集成電路數(shù)字計算機(jī)。1975年，開始研制微型計算機(jī)。1978年，研制出了每秒500萬次的大型計算機(jī)。1984年，國防科技大學(xué)成功研制出每秒1億次的“銀河”電子計算機(jī)，隨后又研制出了“銀河Ⅱ型”機(jī)和“銀河Ⅲ型”機(jī)。8、我國計算機(jī)的發(fā)展我國計算機(jī)的研究工作是從1956年開始的。9、計算機(jī)的發(fā)展方向（1）巨型化（2）微型化（3）網(wǎng)絡(luò)化（4）智能化（5）多媒體化Altair8800

計算機(jī)發(fā)展——微型化計算機(jī)不再是單一的計算機(jī)器，而是一種信息機(jī)器，一種個人的信息機(jī)器。CRAY-Ⅱ

計算機(jī)發(fā)展——巨型化運算速度可達(dá)每秒幾百億次運算的超級計算機(jī)1975年世界上第一臺超級計算機(jī)“Cray-I”超級計算機(jī)應(yīng)用：天氣預(yù)報、地震機(jī)理研究、石油和地質(zhì)勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學(xué)計算的高科技領(lǐng)域。中國超級計算機(jī)：國防科技大學(xué)研制的“銀河1號”、“銀河2號”和“銀河3號”國家職能計算機(jī)中心推出的“曙光1000”、“曙光200I”和“曙光3000”銀河Ⅱ

計算機(jī)發(fā)展——網(wǎng)絡(luò)化計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動力：使用遠(yuǎn)程資源，共享程序、數(shù)據(jù)和信息資源，網(wǎng)絡(luò)用戶的通訊和合作。

計算機(jī)發(fā)展——智能化“總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的‘沒有靈魂的機(jī)械’來”。

——笛卡爾（1637）人類第一個“工業(yè)機(jī)器人”：

一頭在紡織機(jī)上挑紗的“驢”（1742年）第一代機(jī)器人

機(jī)械手（1962年出現(xiàn)）第二代機(jī)器人

具有“感覺”的機(jī)器人第三代機(jī)器人

裝有啟發(fā)式計算機(jī)的“智能機(jī)器人”二、計算機(jī)的應(yīng)用

1．科學(xué)技術(shù)計算

2．?dāng)?shù)據(jù)信息處理

3．計算機(jī)控制

4．計算機(jī)輔助技術(shù)

5．家庭電腦化1.2計算機(jī)系統(tǒng)的組成硬件和軟件系統(tǒng)一、計算機(jī)的硬件系統(tǒng)

計算機(jī)的硬件系統(tǒng)是指計算機(jī)中的電子線路和物理裝置，是實際存在的實體。如：集成電路芯片等，是計算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)。計算機(jī)有巨型、大型、中型、小型和微型之分，每種又有多機(jī)種和型號，硬件差別很大，但都是根據(jù)馮.諾依曼計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)來設(shè)計的，有五大部分組成（I/O設(shè)備、存儲器（主）、CPU（運算器和控制器），而CPU和存儲器通常組裝在一個主板上，合稱為主機(jī)，它們的關(guān)系如圖1所示：

運算器控制器存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備程序、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)圖1：計算機(jī)硬件系統(tǒng)基本組成結(jié)果程序命令命令1.存儲器主要功能：存放程序和數(shù)據(jù)。表示形式：用二進(jìn)制的形式來表示又稱為信息，由許多小單元組成，每條數(shù)據(jù)和指令存放在每個單元中。單元地址：存儲單元按某種順序編號，每個單元對應(yīng)一個編號是單元地址，用二進(jìn)制表示。訪問存儲器：向存儲單元存入或從存儲單元取出信息。存儲單元存儲體存儲單元存儲單元地址譯碼

地址總線數(shù)據(jù)總線0…000…01

1…11讀/寫控制電路讀/寫命令

圖2：存儲器組成框圖工作原理如圖2所示：

2、運算器 運算器是一個用于信息加工的部件，又稱為執(zhí)行部件，是對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算，由算術(shù)邏輯部（ALU）和一系列寄存器組成，是字長的主要參考指標(biāo)。

運算器一次能夠運算的二進(jìn)制的位數(shù)，稱為字長。常用的字長有8位、16位、32位、64位。

3.控制器 控制器是全機(jī)的指揮中心，它使計算機(jī)各部件自動協(xié)調(diào)地工作。實質(zhì)上是解釋程序。計算機(jī)中有兩種信息流動：一是控制信息，即操作命令，其發(fā)源地為控制器；另一種是數(shù)據(jù)流，它受控制信息的控制，從一部件流向另一部件，邊流動邊加工處理。指令和數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制碼的形式存儲在存儲器中，由控制器依據(jù)時序?qū)⑺鼈兎謩e開。

4.輸入設(shè)備和輸出設(shè)備輸入設(shè)備和輸出設(shè)備與主機(jī)通過接口連接，設(shè)置接口主要有以下幾個方面的原因：

1)輸入/輸出設(shè)備大多數(shù)為機(jī)電設(shè)備，傳送速度遠(yuǎn)低于主機(jī)，需要接口作數(shù)據(jù)緩沖。2)信息格式不同，需要接口來轉(zhuǎn)換

3)接口需要向主機(jī)報告設(shè)備運行的狀態(tài)，傳達(dá)主機(jī)的命令。二、計算機(jī)的軟件系統(tǒng) 計算機(jī)的軟件系統(tǒng)是根據(jù)解決問題的方法、思想和過程編寫的程序的有序集合，而程序是指令的有序集合，一臺計算機(jī)中全部程序的集合稱為這臺計算機(jī)的軟件系統(tǒng)。按功能可分為應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類。

應(yīng)用軟件是用戶為解決某種應(yīng)用問題而編制的程序。系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)的管理、調(diào)度、監(jiān)視和服務(wù)等功能?？煞譃榱悾?/p>

1.操作系統(tǒng)：是控制和管理計算機(jī)各種資源、自動調(diào)度用戶作業(yè)程序、處理各種中斷的軟件。

2.語言處理程序：有三種（匯編程序、編譯程序和解釋程序）

3.標(biāo)準(zhǔn)庫程序:一些預(yù)先編好的常用程序段

4.服務(wù)性程序:如診斷程序、排錯程序、練習(xí)程序等

5.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng):SQL，Oracle，Sybase

6.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)軟件:WindowsNT

操作系統(tǒng)：隨著硬件和軟件不斷發(fā)展而逐漸形成的一套軟件系統(tǒng)，用來管理計算機(jī)資源(如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序)和自動調(diào)度用戶的作業(yè)程序，而使多個用戶能有效地共用一套計算機(jī)系統(tǒng)。語言處理程序返回源程序高級語言匯編語言機(jī)器語言目標(biāo)程序匯編程序編譯程序或者解釋程序語言處理程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫就是實現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計算機(jī)軟、硬件資源組成的系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件一起，組成了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

計算機(jī)的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)可以互為轉(zhuǎn)化、互為補充，在微機(jī)中采用固件，這是軟件硬化，是將程序固化在ROM中組成。固件:三、計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)從功能上，可把現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)分為五個層次級別，如圖3所示：第一級是微程序設(shè)計級：是硬件級第二級是一般機(jī)器級：機(jī)器語言級第三級是操作系統(tǒng)級：是操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。

(混合級)第四級是匯編語言級：一種符號形式語言。第五級是高級語言級各層關(guān)系：（1）上層是下層功能的擴(kuò)展，下層是上層的基礎(chǔ)（2）站在不同的層次觀察計算機(jī)系統(tǒng)，會得到不同的概念（3）層次劃分不是絕對的。微程序設(shè)計級是一個實在的硬件級，由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微命令。如果某一個應(yīng)用程序直接用微命令來編寫，那么可在這一級上運行應(yīng)用程序。一般機(jī)器級也稱為機(jī)器語言級，由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)。這一級也是硬件級。操作系統(tǒng)級由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機(jī)器指令和廣義指令組成，這些廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。匯編語言級給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫，則機(jī)器必須要有這一級的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。高級語言級匯編語言級操作系統(tǒng)級一般機(jī)器級微程序設(shè)計級微程序操作系統(tǒng)匯編程序編譯程序一級二級三級四級五級

圖3：計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)微程序直接由硬件執(zhí)行快速性高速電子器件；存儲程序的設(shè)計思想通用性能處理數(shù)字與非數(shù)值數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性計算精度高，與運算位數(shù)和計算方法有關(guān)邏輯性邏輯運算和判斷是計算機(jī)的基本功能之一一、計算機(jī)的工作特點1.3計算機(jī)的特點、性能指標(biāo)及分類二、計算機(jī)的性能指標(biāo)（1）基本字長是參與運算的數(shù)的基本長度，用二進(jìn)制數(shù)位的長短來衡量，取決寄存器、加法器、數(shù)據(jù)總線等部件的位數(shù)。（2）主存容量可以用字節(jié)，有的用字長，K、M、G、T（3）運算速度是每秒能執(zhí)行的指令條數(shù)來表示，單位是條/秒。（MIPS）三、計算機(jī)的分類（1）大型主機(jī)大型機(jī)和中型機(jī)（IBM360、370、4300和ES9000）（2）小型計算機(jī)

IBMAS/400，RS-6000和DECVAX（3）個人計算機(jī)（PC機(jī)）（4）工作站是介于微型機(jī)和小型機(jī)的過渡機(jī)種，有SUN（5）巨型計算機(jī)把最大、最快、最貴的主機(jī)稱為巨型機(jī)（6）小巨型機(jī)1.4多媒體技術(shù)簡介

多媒體計算機(jī)是指具有集聲音、文字、圖形、圖像、動畫于一體的信息處理技術(shù)的計算機(jī)。用于多媒體技術(shù)實現(xiàn)的產(chǎn)品稱之為多媒體產(chǎn)品。①對信息的處理能力多媒體技術(shù)使計算機(jī)具有綜合處理文字、圖形、圖像、音頻和視頻信息的能力。按照處理這些信息的難易程度如下（從易到難）：轉(zhuǎn)換(Translat