第1章 計算機(jī)系統(tǒng)概述

課程要求及說明1、遵守課堂紀(jì)律2、考試重點（知識點）在課堂和作業(yè)中體現(xiàn)3、補充例題等內(nèi)容需要筆記，課堂外一定要 預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，認(rèn)真完成作業(yè)，充分利用上機(jī)時間多練習(xí)。

計算機(jī)組成原理1本課程的地位

《計算機(jī)組成原理》是計算機(jī)類專業(yè)的主干課之一。本課程在計算機(jī)應(yīng)用學(xué)科中處于承上啟下的地位，要求先修的課程有：

計算機(jī)基礎(chǔ)數(shù)字邏輯2本課程的目的和任務(wù)

掌握計算機(jī)硬件系統(tǒng)中各大部件的功能、組成原理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計方法及互連構(gòu)成整機(jī)的技術(shù)；以單機(jī)系統(tǒng)為研究對象，培養(yǎng)對硬件系統(tǒng)的分析、設(shè)計、開發(fā)、使用和維護(hù)方面的能力，建立牢固的整機(jī)思想。3計算機(jī)硬件組成框圖主機(jī)外圍設(shè)備CPU運算器控制器存儲器接口——輸入設(shè)備接口——輸出設(shè)備系統(tǒng)總線4章節(jié)內(nèi)容第一章計算機(jī)系統(tǒng)概論第二章運算方法和運算器第三章內(nèi)部存儲器第四章指令系統(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)5第一章計算機(jī)系統(tǒng)概論計算機(jī)發(fā)展簡史計算機(jī)系統(tǒng)的組成計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機(jī)的工作過程計算機(jī)的性能指標(biāo)本章以概念為主61.1計算機(jī)的發(fā)展簡史世界上第一臺電子數(shù)字計算機(jī)ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)，由美國賓夕法尼亞大學(xué)于1946年研制成功并投入使用。承擔(dān)開發(fā)任務(wù)的“莫爾小組”由四位科學(xué)家和工程師?？颂亍⒛死?、戈爾斯坦、博克斯組成，

789ENIAC概況

1)數(shù)據(jù)表示：采用十進(jìn)制 2)工作存儲器：20個單元，用于存放數(shù)據(jù)

3)編程：用開關(guān)、轉(zhuǎn)插線手動編程 4)ENIAC共用了18,000個電子管，重30噸，占地170平方米，耗電140KW，5000次/秒加法運算,可靠運行時間不超過20分鐘10馮.諾依曼體制

1)計算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來表示信息(指令、數(shù)據(jù))； 2）引進(jìn)存儲程序概念（最核心）提出計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)由:運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成。屬于控制驅(qū)動模型.（PC:ProgramCounter）輸入設(shè)備控制器存儲器輸出設(shè)備運算器地址指令數(shù)據(jù)結(jié)果反饋信息操作指令控制信號請求信號控制信號請求信號輸入程序和數(shù)據(jù)11類型時期主要器件重要特征第一代1946-1958電子管機(jī)器語言，匯編語言，速度低，體積大，價格昂貴，可靠性差，用于科學(xué)計算第二代1958-1964晶體管算法語言，操作系統(tǒng)，體積縮小，可靠性提高，從科學(xué)計算擴(kuò)大到數(shù)據(jù)處理第三代1964-1971中、小規(guī)模集成電路體積小，可靠性大大提高，速度達(dá)幾MIPS，機(jī)種多樣化，“小型計算機(jī)”出現(xiàn)，軟件技術(shù)和外設(shè)發(fā)展迅速應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大第四代1971-中、大及超大規(guī)模集成電路速度提高至GIPS乃至TIPS水平，多機(jī)并行處理和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展。“微型計算機(jī)”出現(xiàn)從第一臺計算機(jī)問世以來，計算機(jī)的發(fā)展變化12第四代計算機(jī)中

微處理器的發(fā)展：Intel40041971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位芯片Intel4004，標(biāo)志著第一代微處理器問世，微處理器和微機(jī)時代從此開始。1971年11月，Intel推出MCS-4微型計算機(jī)系統(tǒng)（包括4001ROM芯片、4002RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器）134004

4004包含2300個晶體管，計算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)年的ENIAC，最初售價為200美元。

1480081972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個8位微處理器Intel8008。由于8008采用的是P溝道MOS微處理器，因此仍屬第一代微處理器。158080第二代微處理器1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。主頻2MHz的8080芯片運算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲器，使用了基于6微米技術(shù)的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS。16Intel8086第三代微處理器1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微處理器，標(biāo)志著第三代微處理器問世。它采用16位寄存器、16位數(shù)據(jù)總線和29000個3微米技術(shù)的晶體管，售價360美元。17Z80微處理器Zilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處理器，廣泛用于微型計算機(jī)和工業(yè)自動控制設(shè)備。當(dāng)時，zilog、Motorola和Intel在微處理器領(lǐng)域三足鼎立。18第一臺微型計算機(jī)：Altair8800

1975年4月，MITS發(fā)布第一個通用型Altair8800，售價375美元，帶有1KB存儲器。這是世界上第一臺微型計算機(jī)。EdRoberts將Altair定位在青年電腦迷市場PaulAllen和BillGates在三周內(nèi)為Altair開發(fā)出BASIC語言19Apple1976年3月，SteveWozniak和SteveJobs開發(fā)出微型計算機(jī)AppleI，4月1日愚人節(jié)這天，兩個Steve成立了Apple計算機(jī)公司。AppleII是第一個帶有彩色圖形的個人計算機(jī)，售價為1300美元。AppleII及其系列改進(jìn)機(jī)型風(fēng)靡一時，這使Apple成為微型機(jī)時代最成功的計算機(jī)公司。201981-PC元年早在1980年7月，一個負(fù)責(zé)“跳棋計劃”的13人小組秘密來到佛羅里達(dá)州波克羅頓鎮(zhèn)的IBM研究發(fā)展中心，開始開發(fā)后來被稱為IBMPC的產(chǎn)品。1981年8月12日，IBM公司在紐約宣布第一臺IBMPC誕生，這個開創(chuàng)計算機(jī)歷史新篇章的時刻。第一臺IBMPC采用了主頻為4.77MHz的Intel8088操作系統(tǒng)是Microsoft提供的MS-DOSIBM將其命名為“個人電腦（PersonalComputer）21計算機(jī)的發(fā)展日新月異

從計算機(jī)的規(guī)模，運算速度上看，巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)、單片機(jī)從CPU的發(fā)展來看

4004－>8008->8086->8088->80186->80286->80386->80486-586->pentium->PII->PIII->P42223計算機(jī)發(fā)展的趨勢總趨勢：速度越來越快，體積越來越小，成本越來越低，功耗越來越低1、微型計算機(jī)已邁入64位的新時代2、精減指令計算機(jī)（RISC）正在逐步取代復(fù)雜指令計算機(jī)（CISC）3、多媒體計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)正在推廣使用4、大規(guī)模并行處理系統(tǒng)（MPP）的處理速度已達(dá)到TFLOPS（每秒1012條浮點指令,萬億）級5、超立方體計算機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)等高性能計算機(jī)正在加緊研究、試制之中。

隨著電子器件速度極限的逼近．人們又開始了全新時代計算機(jī)的研究241-25計算機(jī)由硬件和軟件兩大部分組成，統(tǒng)稱計算機(jī)系統(tǒng)。

即：單有計算機(jī)硬件或計算機(jī)軟件，都不能稱為計算機(jī)系統(tǒng)。

硬件結(jié)構(gòu)和性能對程序處理的速度影響是很大的。1.2計算機(jī)系統(tǒng)的組成計算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)控制器主機(jī)CPU內(nèi)存儲器外設(shè)外存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件運算器軟件系統(tǒng)軟盤硬盤光盤操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件……251-26ApplicationsoftwareDevicedriversOperatingsystemsSoftwareSystemssoftware系統(tǒng)軟件包括： 1、操作系統(tǒng)2、語言處理程序3、標(biāo)準(zhǔn)庫程序4、服務(wù)性程序 5、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)6、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)軟件計算機(jī)軟件有兩大類：系統(tǒng)軟件（直接管理硬件資源）和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件調(diào)用（管理）應(yīng)用軟件。261-27計算機(jī)硬件系統(tǒng)包括：CPU（運算器、控制器、Cache）存儲系統(tǒng)（高速緩存、主存儲器、外存設(shè)備）輸入/輸出設(shè)備等主要組成部分。它們通過總線和接口連接在一起，構(gòu)成一臺完整的計算機(jī)。系統(tǒng)總線存儲器運算器控制器接口輸入設(shè)備輸出設(shè)備271-28計算機(jī)進(jìn)行解題的過程完全和我們?nèi)擞盟惚P解題的情況類似：運算器：相當(dāng)于算盤，具有計算功能的部件。存儲器：相當(dāng)于紙，具有記憶功能的部件。輸入設(shè)備或者輸出設(shè)備：相當(dāng)于筆，把原始解題數(shù)據(jù)送到計算機(jī)或者把運算結(jié)果顯示出來的設(shè)備?？刂破鳎合喈?dāng)與我們?nèi)说拇竽X，能夠自動控制整個計算過程的。

和打算盤不同的是以上這些部分是由電子線路和其他設(shè)備進(jìn)行控制。計算機(jī)是死的，人的大腦是靈活的。281-29運算器:是計算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)加工的部件。其主要功能包括：1、執(zhí)行數(shù)值數(shù)據(jù)的加減乘除等算術(shù)運算，執(zhí)行邏輯數(shù)據(jù)的與或非等邏輯運算，

所有的運算功能由一個被稱為

ALU（算術(shù)邏輯單元）的電路完成。

2、暫時存放參加運算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。（由多個通用寄存器來完成）系統(tǒng)總線存儲器運算器控制器接口輸入設(shè)備輸出設(shè)備291-30控制器：是計算機(jī)的管理機(jī)構(gòu)和指揮中心。（人的大腦）控制計算機(jī)中其他各部件，對運算器、存儲器、輸入/輸出設(shè)備等部件發(fā)出有關(guān)操作命令。功能：1、正確執(zhí)行每條指令（單個指令）先取一條指令、分析這條指令、再按指令格式和功能執(zhí)行這條指令。2、保證指令按規(guī)定序列自動連續(xù)執(zhí)行。（多個指令）3、對異常情況和請求及時響應(yīng)和處理。系統(tǒng)總線存儲器運算器控制器接口與通信輸入設(shè)備輸出設(shè)備301-31存儲器：是存放程序和數(shù)據(jù)的部件，它具有記憶作用。三級存儲系統(tǒng)： 高速緩沖存儲器、 主存儲器、 輔助存儲器。這三級存儲器所用的存儲介質(zhì)（半導(dǎo)體材料，磁性材料），工作原理和特性各不相同。系統(tǒng)總線存儲器運算器控制器接口與通信輸入設(shè)備輸出設(shè)備311-32存儲器是存儲單元的集合。存儲器的基本操作：讀/寫，統(tǒng)稱為訪問。每個存儲單元都有一個編號，稱為“地址”。存儲器的容量：存儲器所有存儲單元的總數(shù)（通常以字節(jié)為單位）。例如：賓館的房間號碼是地址，每個房間里的床位相當(dāng)于存儲的一位數(shù)據(jù)。1KB（210字節(jié)）1MB（220字節(jié)）1GB（230字節(jié)）1TB（240字節(jié)）存儲單元地址：每個存儲單元賦予一個地址存儲字：存儲單元中二進(jìn)制代碼的內(nèi)容存儲字長：存儲單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)8位；16位；32位；64位10110010存儲單元（房間）存儲位（床位：有人/無人）存儲器（大樓）地址存儲位=存儲元件=存儲基元=儲存元重點321-33輸入設(shè)備：向計算機(jī)送入程序和數(shù)據(jù)的，有一定獨立功能的設(shè)備。它通過接口和總線與計算機(jī)連通，用于人機(jī)交互聯(lián)系，把人們所熟悉的某種數(shù)據(jù)變換成機(jī)器內(nèi)部所能接收和識別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。例如：鍵盤、鼠標(biāo)等。理想的輸入設(shè)備應(yīng)是“會看”“會聽”“會看”：攝像頭，電子掃描筆“會聽”：麥克風(fēng)系統(tǒng)總線存儲器運算器控制器接口與通信輸入設(shè)備輸出設(shè)備331-34輸出設(shè)備：用于送出計算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)的設(shè)備。它把計算機(jī)的數(shù)據(jù)以人們能以識別的形式輸出。例如：顯示器等理想的輸出設(shè)備應(yīng)是“會寫”“會講”?！皶憽保捍蛴C(jī)，繪圖儀等“會講”：音響設(shè)備等系統(tǒng)總線存儲器運算器控制器接口與通信輸入設(shè)備輸出設(shè)備341-35接口：通過接口，主機(jī)和外設(shè)可以并行協(xié)調(diào)地工作。輸入/輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備。其種類繁多，數(shù)據(jù)傳送方式和速度差異也很大，因此它不能直接同主機(jī)相連接，而要通過接口與主機(jī)相連接。例如：網(wǎng)卡、聲卡、顯卡等。系統(tǒng)總線：是構(gòu)成計算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通道。借助系統(tǒng)總線的連接，計算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)的傳送。例如：主板上的傳輸線路系統(tǒng)總線存儲器運算器控制器接口與通信輸入設(shè)備輸出設(shè)備351-36軟件硬件由硬件直接執(zhí)行微指令微指令系統(tǒng)-

微程序機(jī)器M0邏輯設(shè)計員用編譯程序翻譯成匯編語言程序高級語言-虛擬機(jī)器M4高級語言程序員用匯編程序翻譯成機(jī)器語言程序匯編語言-

虛擬機(jī)器M3匯編語言程序員用機(jī)器指令解釋操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)-虛擬機(jī)器M2操作員用微指令解釋機(jī)器指令機(jī)器指令-

實際機(jī)器M1機(jī)器語言程序員1.3計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)由軟件實現(xiàn)的虛擬機(jī)器。由硬件實現(xiàn)的實際機(jī)器。是我們將要學(xué)習(xí)的！虛擬機(jī)：是一個由軟件實現(xiàn)的抽象計算機(jī)，不同軟件（語言）角度獲得不同

層次的虛擬機(jī)。應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件、硬件構(gòu)成了計算機(jī)系統(tǒng)的三個層次結(jié)構(gòu)。除了硬件系統(tǒng)，其它層次稱為虛擬機(jī)。從某一層次的觀察者看來，他只通過該層次的語言來了解和使用計算機(jī)，不必關(guān)心下幾層的機(jī)器是如何工作和實現(xiàn)各自功能的。36000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計算機(jī)的工作過程37000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005aaa取數(shù)指令38000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006abaa+b加法指令ab39000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-c減法指令40000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-cSTORE008a+b-ca+b-ca+b-c存數(shù)指令41000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-cSTORE008a+b-ca+b-ca+b-cHALT停機(jī)指令421-431.5計算機(jī)的三個主要性能指標(biāo)：1、機(jī)器字長：CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常與CPU中寄存器的位數(shù)

有關(guān)。機(jī)器字長會影響機(jī)器的運算速度。2、運算速度：主頻：機(jī)器內(nèi)部主時鐘的頻率，衡量機(jī)器速度的重要參數(shù)。它的倒數(shù)是CPU時鐘周期。MIPS：每秒執(zhí)行百萬條指令

MFLOPS：每秒執(zhí)行百萬次浮點運算CPI：執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù)MIPS(MillionInstructionsPerSecond)重點433）存儲容量主存容量：一個主存儲器所能存儲的全部信息量稱 為主存容量。衡量主存容量單位有兩種：①字節(jié)數(shù)。這類計算機(jī)稱為字節(jié)編址的計算機(jī)。每1024個字節(jié)稱為1K字節(jié)（210=1K），每1024K字節(jié)稱為1M字節(jié)（220=1M），每1024M字節(jié)稱為1G字節(jié)（230=1G）。②字?jǐn)?shù)(單元數(shù))×字長(字的位數(shù))。這類計算機(jī)稱為字編址的計算機(jī)。如：4096×16表示存儲器有4096個存儲單元（由地址線位數(shù)決定），每個存儲單元字長為16位。

地址線位數(shù)為n,主存容量為2n個存儲單元。外存容量常表示為字節(jié)數(shù)。

外存容量與地址碼位數(shù)無關(guān)。441-45認(rèn)識計算機(jī)的基本硬件補充知識451-4611873146513189122410141、主板2、北橋芯片3、南橋芯片4、CPU插座5、內(nèi)存插槽6、PCI插槽7、AGP插槽8、ATA接口9、軟驅(qū)接口10、電源插口及主板供電部分11、BIOS及電池12、機(jī)箱前置面板接頭13、外部接口14、其他主要芯片補充知識：計算機(jī)主板學(xué)習(xí)461-471、主板一塊主板主要由線路板和它上面的各種元器件組成。主板的類型和檔次決定著整個微機(jī)系統(tǒng)的類型和檔次，主板的性能影響著整個微機(jī)系統(tǒng)的性能。例如：ATX板型，便于ATX機(jī)箱的風(fēng)扇對CPU進(jìn)行散熱，而且板上的很多外部端口都被集成在主板上。計算機(jī)主板471-48芯片組(Chipset)是主板的核心組成部分，按照在主板上的排列位置的不同，通常分為北橋芯片和南橋芯片。2.北橋芯片

北橋芯片一般提供對CPU的類型和主頻、內(nèi)存的類型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯等支持，通常在主板上接近CPU插槽的位置，由于此類芯片的發(fā)熱量一般較高，所以在此芯片上裝有散熱片。3.南橋芯片

南橋芯片主要用來與I/O設(shè)備及ISA設(shè)備相連，并負(fù)責(zé)管理中斷及DMA通道，讓設(shè)備工作得更順暢。計算機(jī)主板481-494.CPU插座

CPU插座就是主板上安裝處理器的地方。

主流的CPU插座主要有：

SocketAM2

SocketS1

SocketF

Socket771

Socket479

Socket775

Socket754

Socket939

Socket940

Socket603

Socket604

Socket478

SocketA

Socket423

Socket370

SLOT1

SLOT2

SLOTA

Socket7

計算機(jī)主板雙核：一個CPU芯片有兩個內(nèi)核雙路：一臺計算機(jī)有兩個CPU芯片491-505.內(nèi)存插槽內(nèi)存插槽是主板上用來安裝內(nèi)存的地方。不同的內(nèi)存插槽它們的引腳，電壓，性能功能都是不盡相同的，不同的內(nèi)存在不同的內(nèi)存插槽上不能互換使用。計算機(jī)主板早期的SIMM單列直插內(nèi)存模塊（SingleInlineMemoryModule）內(nèi)存條通過金手指與主板連接，內(nèi)存條正反兩面都帶有金手指。目前的DIMM雙列直插內(nèi)存模塊（DualInlineMemoryModule）與SIMM類似，只是金手指兩端不像SIMM那樣是互通的，各自獨立傳輸信號滿足更多傳送需要。501-516.PCI插槽PCI總線插槽(peripheralcomponentinterconnect)它是由Intel公司推出的一種局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴(kuò)展為64位。它