第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(白中英第五版)

計(jì)算機(jī)組成原理第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論任課教師：廖紹雯河西學(xué)院信息技術(shù)與傳媒學(xué)院Email:nini719@163.comTel言教材白中英，計(jì)算機(jī)組成原理·第5版,科學(xué)出版社；2008參考書唐朔飛，計(jì)算機(jī)組成原理(第2版),高等教育出版社；2010石磊，計(jì)算機(jī)組成原理(第2版),清華大學(xué)出版社；2006錢曉捷，微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用,清華大學(xué)出版社；2006王愛英,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)(第4版),清華大學(xué)出版社；2007白中英，計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)(第4版),科學(xué)出版社；200815十二月2023教學(xué)大綱一、課程性質(zhì)與任務(wù)（課程在專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的地位與課程教學(xué)目標(biāo)）“計(jì)算機(jī)組成原理”屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，必修課。面向應(yīng)用、突出實(shí)踐、偏向硬件和理論?！队?jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)教學(xué)中的一門核心課程，是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)課程所要必修的主干課。通過(guò)教學(xué)，使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的各主要部分（運(yùn)算期、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備）的構(gòu)成及工作原理有一個(gè)深刻的、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)也有一個(gè)較為深入的了解。15十二月2023教學(xué)大綱一、課程性質(zhì)與任務(wù)（課程在專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的地位與課程教學(xué)目標(biāo)）主要講解簡(jiǎn)單、單臺(tái)計(jì)算機(jī)的完整組成原理和內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制，包括運(yùn)算器部件、控制器部件、存儲(chǔ)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(jì)、實(shí)現(xiàn)、使用等知識(shí)進(jìn)行介紹；此外，該課程的工程性、實(shí)踐性、技術(shù)性比較強(qiáng)，還強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦能力、開創(chuàng)與創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能，這些要求更多的是通過(guò)作業(yè)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)完成，要求學(xué)生有意識(shí)地主動(dòng)加強(qiáng)這些方面的練習(xí)與鍛煉。15十二月2023教學(xué)大綱二、課程的基本要求（課程教學(xué)應(yīng)使學(xué)生達(dá)到的基本要求）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述、計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示、運(yùn)算方法和運(yùn)算器、指令系統(tǒng)、隨機(jī)邏輯和微程序控制原理、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)外設(shè)簡(jiǎn)介，要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的組成和工作原理。通過(guò)學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)的組成原理及工作原理，以建立整機(jī)概念。本課程設(shè)有實(shí)驗(yàn)，以加深對(duì)課程內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。15十二月2023教學(xué)大綱三、課程與其他課程的聯(lián)系與分工先修課：數(shù)字電路、模擬電路、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)后續(xù)課：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與設(shè)計(jì)，關(guān)系密切的還有操作系統(tǒng)等課程。四、課程總學(xué)時(shí)中各環(huán)節(jié)的學(xué)時(shí)分配（講授、實(shí)驗(yàn)、上機(jī)、實(shí)踐等）授課學(xué)時(shí)：48，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：1615十二月2023目錄15十二月2023第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第二章運(yùn)算方法和運(yùn)算器第三章存儲(chǔ)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)

1.1準(zhǔn)備知識(shí)15十二月2023一、概念

計(jì)算機(jī)（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(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的快速工具。二、層次（1）以電子器件為物質(zhì)基礎(chǔ)：電子數(shù)字計(jì)算機(jī)（DigitalComputer）（2）

不需要人的直接干預(yù)：自動(dòng)化（存儲(chǔ)程序?yàn)榛A(chǔ)）

1.1準(zhǔn)備知識(shí)15十二月2023（3）數(shù)字化信息：二進(jìn)制（計(jì)算機(jī)能夠具有邏輯判斷和處理能力的基礎(chǔ)）（4）算術(shù)邏輯運(yùn)算：基本運(yùn)算操作是算術(shù)和邏輯運(yùn)算（5）快速工具：（A）

電子器件（B）

存儲(chǔ)程序

1.1準(zhǔn)備知識(shí)15十二月2023三、特征（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(chǔ)程序（2）外部特征：（A）快速性（由（1）中（A）（D）決定）

（B）準(zhǔn)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）

1.1準(zhǔn)備知識(shí)15十二月2023四、ENIAC概況數(shù)據(jù)表示—十進(jìn)制工作存儲(chǔ)器—只有20個(gè)單元，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)編程—人工對(duì)面板上6000多個(gè)開關(guān)進(jìn)行機(jī)械定位，然后轉(zhuǎn)接插線頭，以插入拔出方式編程

1.1準(zhǔn)備知識(shí)15十二月2023ENIAC：長(zhǎng)30.48米，寬1米，占地面積170平方米，30個(gè)操作臺(tái)，約相當(dāng)于10件普通房間的大小，重達(dá)30噸，耗電量150千瓦，造價(jià)48萬(wàn)美元。它使用18000個(gè)電子管，70000個(gè)電阻，10000個(gè)電容，1500個(gè)繼電器，6000多個(gè)開關(guān)，每秒執(zhí)行5000次加法或400次乘法，是繼電器計(jì)算機(jī)的1000倍、手工計(jì)算的20萬(wàn)倍?？煽窟\(yùn)行時(shí)間不到20分鐘。

1.1準(zhǔn)備知識(shí)15十二月2023

1.1準(zhǔn)備知識(shí)15十二月2023五、馮諾依曼體制引進(jìn)存儲(chǔ)程序概念計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為核心的集中式控制指令由操作碼和地址碼兩部分組成，指令在計(jì)算機(jī)中是順序執(zhí)行的，并受PC的統(tǒng)一控制計(jì)算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組成

1.1準(zhǔn)備知識(shí)15十二月2023要點(diǎn)：數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)制采用二進(jìn)制。計(jì)算機(jī)應(yīng)該按照程序順序執(zhí)行。論文：“電子計(jì)算機(jī)裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探”

埃克特、莫克利

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023一、計(jì)算機(jī)的硬件組成例子：y=ax+b-c

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023二、運(yùn)算器功能：

完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的裝置設(shè)置考慮：

任何算術(shù)運(yùn)算（＋－×%）都可以通過(guò)相加和移位來(lái)解決

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023舉例十進(jìn)制例子……（×連續(xù)加%連續(xù)減）1212-7+3（7的補(bǔ)碼）=515123123-78+22=45145

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023運(yùn)算器基本結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算器由：加法器、移位門、寄存器組、輸入選擇門和數(shù)據(jù)總線組成。運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023三、存儲(chǔ)器功能：存放程序和數(shù)據(jù)的裝置，并滿足計(jì)算機(jī)在執(zhí)行過(guò)程中能夠隨機(jī)訪問(wèn)這些程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023設(shè)置考慮：（1）

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023（2）存儲(chǔ)器中以二進(jìn)制碼存儲(chǔ)的指令和數(shù)據(jù)示意圖

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023存儲(chǔ)單元：

在存儲(chǔ)器中保存一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)的n個(gè)觸發(fā)器，組成一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)器地址：存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)，稱為地址存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB、GB”等表示內(nèi)存儲(chǔ)器（主存）和外存儲(chǔ)器(輔存）

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023四、控制器功能：全能指揮機(jī)構(gòu)，執(zhí)行方式有如下三種：按規(guī)定的操作去執(zhí)行自動(dòng)的去執(zhí)行有秩序的去執(zhí)行

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023（1）按規(guī)定的操作去執(zhí)行

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023（2）自動(dòng)的去執(zhí)行

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023（3）有秩序的去執(zhí)行

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器的哪個(gè)單元取運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個(gè)單元指出指令所進(jìn)行的操作加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等指令操作碼加法減法乘法除法取數(shù)存數(shù)打印

停機(jī)001010011100101110111000例子：y=ax+b-c操作碼地址碼橫格紙上的解題示意圖

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023五、輸入輸出設(shè)備接口輸入設(shè)備接口輸出設(shè)備

1.2計(jì)算機(jī)的硬件

15十二月2023六、總線概念：連接多個(gè)部件的一組共享信息傳送線路，能夠分時(shí)接受和發(fā)送各部件信息?？刂瓶偩€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(chǔ)器系統(tǒng)總線BUS

1.3計(jì)算機(jī)的軟件

15十二月2023一、計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件＝程序＋數(shù)據(jù)＋文檔軟件分類操作系統(tǒng)

語(yǔ)言處理程序服務(wù)性程序應(yīng)用軟件辦公軟件包數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)瀏覽器實(shí)時(shí)控制軟件診斷、排錯(cuò)程序反病毒程序備份程序文件壓縮程序卸載程序圖形圖像處理軟件其它應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件

1.3計(jì)算機(jī)的軟件

15十二月2023二、目的程序早期計(jì)算機(jī)中，人們直接用機(jī)器語(yǔ)言編寫程序，計(jì)算機(jī)完全可以“識(shí)別”并能執(zhí)行，所以又叫做目的程序用機(jī)器語(yǔ)言編寫程序很繁瑣，又耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，容易出錯(cuò)，出錯(cuò)后尋找錯(cuò)誤也相當(dāng)費(fèi)事，大大限制了計(jì)算機(jī)的使用

1.3計(jì)算機(jī)的軟件

15十二月2023三、匯編程序?yàn)榱司帉懗绦蚍奖惴g和提高機(jī)器的使用效率，人們發(fā)明了匯編語(yǔ)言借助于匯編程序，計(jì)算機(jī)本身自動(dòng)地把符號(hào)語(yǔ)言表示的程序（稱為匯編源程序）翻譯成用機(jī)器語(yǔ)言表示的目的程序用約定的文字、符號(hào)和數(shù)字（助記符）按規(guī)定的格式來(lái)表示各種不同的指令

1.3計(jì)算機(jī)的軟件

15十二月2023四、高級(jí)語(yǔ)言為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化和便于程序交流，使不熟悉具體計(jì)算機(jī)的人也能很方便地使用計(jì)算機(jī)，人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語(yǔ)言的算法語(yǔ)言（高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言）算法語(yǔ)言是指按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號(hào)以及由這套基本符號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學(xué)語(yǔ)言，直觀通用，與具體機(jī)器無(wú)關(guān)，只要稍加學(xué)習(xí)就能掌握，便于推廣使用計(jì)算機(jī)

1.3計(jì)算機(jī)的軟件

15十二月2023五、編譯程序用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫的程序稱為源程序，這種源程序不能由機(jī)器直接識(shí)別和執(zhí)行，必須給計(jì)算機(jī)配備一個(gè)即懂算法語(yǔ)言又懂機(jī)器語(yǔ)言的“翻譯”，才能把源程序翻譯為機(jī)器語(yǔ)言。

1.3計(jì)算機(jī)的軟件

15十二月2023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(jī)器語(yǔ)言形式的目的程序，然后在目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行解釋系統(tǒng)：逐個(gè)解釋并立即執(zhí)行源程序的語(yǔ)句，它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是直接逐一解釋語(yǔ)句并得出計(jì)算結(jié)果

1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

15十二月2023用戶級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí)匯編語(yǔ)言級(jí)系統(tǒng)軟件級(jí)

機(jī)器級(jí)控制級(jí)數(shù)字邏輯級(jí)

應(yīng)用軟件

系統(tǒng)軟件

軟硬件界面物理機(jī)虛擬機(jī)硬件固件硬件直接執(zhí)行Level0(門電路、電子線路)Level1(微程序或硬布線)Level2(指令集結(jié)構(gòu)ISA)Level3(操作系統(tǒng)、庫(kù)代碼)Level4(匯編語(yǔ)言代碼)Level5(C++，Java，等)Level6(可執(zhí)行程序)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖

1.5計(jì)算機(jī)的分類

15十二月2023數(shù)字計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)示意圖

1.5計(jì)算機(jī)的分類

15十二月2023比較內(nèi)容數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0和1電壓、電流等計(jì)算方式數(shù)字計(jì)算電量組合和測(cè)量值控制方式程序控制模擬信號(hào)組合控制精度、抗干擾性高、好低、差數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大小、幾乎無(wú)邏輯判斷能力強(qiáng)