第1章 计算机系统概述

课程要求及说明1、遵守课堂纪律2、考试重点（知识点）在课堂和作业中体现3、补充例题等内容需要笔记，课堂外一定要 预习和复习，认真完成作业，充分利用上机时间多练习。

计算机组成原理1本课程的地位

《计算机组成原理》是计算机类专业的主干课之一。本课程在计算机应用学科中处于承上启下的地位，要求先修的课程有：

计算机基础数字逻辑2本课程的目的和任务

掌握计算机硬件系统中各大部件的功能、组成原理、逻辑实现、设计方法及互连构成整机的技术；以单机系统为研究对象，培养对硬件系统的分析、设计、开发、使用和维护方面的能力，建立牢固的整机思想。3计算机硬件组成框图主机外围设备CPU运算器控制器存储器接口——输入设备接口——输出设备系统总线4章节内容第一章计算机系统概论第二章运算方法和运算器第三章内部存储器第四章指令系统第五章中央处理器第六章总线系统第七章外围设备第八章输入输出系统5第一章计算机系统概论计算机发展简史计算机系统的组成计算机系统的层次结构计算机的工作过程计算机的性能指标本章以概念为主61.1计算机的发展简史世界上第一台电子数字计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)，由美国宾夕法尼亚大学于1946年研制成功并投入使用。承担开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成，

789ENIAC概况

1)数据表示：采用十进制 2)工作存储器：20个单元，用于存放数据

3)编程：用开关、转插线手动编程 4)ENIAC共用了18,000个电子管，重30吨，占地170平方米，耗电140KW，5000次/秒加法运算,可靠运行时间不超过20分钟10冯.诺依曼体制

1)计算机内部采用二进制来表示信息(指令、数据)； 2）引进存储程序概念（最核心）提出计算机系统应由:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。属于控制驱动模型.（PC:ProgramCounter）输入设备控制器存储器输出设备运算器地址指令数据结果反馈信息操作指令控制信号请求信号控制信号请求信号输入程序和数据11类型时期主要器件重要特征第一代1946-1958电子管机器语言，汇编语言，速度低，体积大，价格昂贵，可靠性差，用于科学计算第二代1958-1964晶体管算法语言，操作系统，体积缩小，可靠性提高，从科学计算扩大到数据处理第三代1964-1971中、小规模集成电路体积小，可靠性大大提高，速度达几MIPS，机种多样化，“小型计算机”出现，软件技术和外设发展迅速应用领域不断扩大第四代1971-中、大及超大规模集成电路速度提高至GIPS乃至TIPS水平，多机并行处理和计算机网络迅速发展。“微型计算机”出现从第一台计算机问世以来，计算机的发展变化12第四代计算机中

微处理器的发展：Intel40041971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位芯片Intel4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001ROM芯片、4002RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器）134004

4004包含2300个晶体管，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。

1480081972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。158080第二代微处理器1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。16Intel8086第三代微处理器1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，标志着第三代微处理器问世。它采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。17Z80微处理器Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。18第一台微型计算机：Altair8800

1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。EdRoberts将Altair定位在青年电脑迷市场PaulAllen和BillGates在三周内为Altair开发出BASIC语言19Apple1976年3月，SteveWozniak和SteveJobs开发出微型计算机AppleI，4月1日愚人节这天，两个Steve成立了Apple计算机公司。AppleII是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价为1300美元。AppleII及其系列改进机型风靡一时，这使Apple成为微型机时代最成功的计算机公司。201981-PC元年早在1980年7月，一个负责“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，开始开发后来被称为IBMPC的产品。1981年8月12日，IBM公司在纽约宣布第一台IBMPC诞生，这个开创计算机历史新篇章的时刻。第一台IBMPC采用了主频为4.77MHz的Intel8088操作系统是Microsoft提供的MS-DOSIBM将其命名为“个人电脑（PersonalComputer）21计算机的发展日新月异

从计算机的规模，运算速度上看，巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机从CPU的发展来看

4004－>8008->8086->8088->80186->80286->80386->80486-586->pentium->PII->PIII->P42223计算机发展的趋势总趋势：速度越来越快，体积越来越小，成本越来越低，功耗越来越低1、微型计算机已迈入64位的新时代2、精减指令计算机（RISC）正在逐步取代复杂指令计算机（CISC）3、多媒体计算机技术、网络存储技术正在推广使用4、大规模并行处理系统（MPP）的处理速度已达到TFLOPS（每秒1012条浮点指令,万亿）级5、超立方体计算机、神经网络计算机等高性能计算机正在加紧研究、试制之中。

随着电子器件速度极限的逼近．人们又开始了全新时代计算机的研究241-25计算机由硬件和软件两大部分组成，统称计算机系统。

即：单有计算机硬件或计算机软件，都不能称为计算机系统。

硬件结构和性能对程序处理的速度影响是很大的。1.2计算机系统的组成计算机系统硬件系统控制器主机CPU内存储器外设外存储器输入设备输出设备系统软件应用软件运算器软件系统软盘硬盘光盘操作系统网络系统软件……251-26ApplicationsoftwareDevicedriversOperatingsystemsSoftwareSystemssoftware系统软件包括： 1、操作系统2、语言处理程序3、标准库程序4、服务性程序 5、数据库管理系统6、计算机网络软件计算机软件有两大类：系统软件（直接管理硬件资源）和应用软件。系统软件调用（管理）应用软件。261-27计算机硬件系统包括：CPU（运算器、控制器、Cache）存储系统（高速缓存、主存储器、外存设备）输入/输出设备等主要组成部分。它们通过总线和接口连接在一起，构成一台完整的计算机。系统总线存储器运算器控制器接口输入设备输出设备271-28计算机进行解题的过程完全和我们人用算盘解题的情况类似：运算器：相当于算盘，具有计算功能的部件。存储器：相当于纸，具有记忆功能的部件。输入设备或者输出设备：相当于笔，把原始解题数据送到计算机或者把运算结果显示出来的设备。控制器：相当与我们人的大脑，能够自动控制整个计算过程的。

和打算盘不同的是以上这些部分是由电子线路和其他设备进行控制。计算机是死的，人的大脑是灵活的。281-29运算器:是计算机中进行数据加工的部件。其主要功能包括：1、执行数值数据的加减乘除等算术运算，执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，

所有的运算功能由一个被称为

ALU（算术逻辑单元）的电路完成。

2、暂时存放参加运算的数据和中间结果。（由多个通用寄存器来完成）系统总线存储器运算器控制器接口输入设备输出设备291-30控制器：是计算机的管理机构和指挥中心。（人的大脑）控制计算机中其他各部件，对运算器、存储器、输入/输出设备等部件发出有关操作命令。功能：1、正确执行每条指令（单个指令）先取一条指令、分析这条指令、再按指令格式和功能执行这条指令。2、保证指令按规定序列自动连续执行。（多个指令）3、对异常情况和请求及时响应和处理。系统总线存储器运算器控制器接口与通信输入设备输出设备301-31存储器：是存放程序和数据的部件，它具有记忆作用。三级存储系统： 高速缓冲存储器、 主存储器、 辅助存储器。这三级存储器所用的存储介质（半导体材料，磁性材料），工作原理和特性各不相同。系统总线存储器运算器控制器接口与通信输入设备输出设备311-32存储器是存储单元的集合。存储器的基本操作：读/写，统称为访问。每个存储单元都有一个编号，称为“地址”。存储器的容量：存储器所有存储单元的总数（通常以字节为单位）。例如：宾馆的房间号码是地址，每个房间里的床位相当于存储的一位数据。1KB（210字节）1MB（220字节）1GB（230字节）1TB（240字节）存储单元地址：每个存储单元赋予一个地址存储字：存储单元中二进制代码的内容存储字长：存储单元中二进制代码的位数8位；16位；32位；64位10110010存储单元（房间）存储位（床位：有人/无人）存储器（大楼）地址存储位=存储元件=存储基元=储存元重点321-33输入设备：向计算机送入程序和数据的，有一定独立功能的设备。它通过接口和总线与计算机连通，用于人机交互联系，把人们所熟悉的某种数据变换成机器内部所能接收和识别的二进制数据。例如：键盘、鼠标等。理想的输入设备应是“会看”“会听”“会看”：摄像头，电子扫描笔“会听”：麦克风系统总线存储器运算器控制器接口与通信输入设备输出设备331-34输出设备：用于送出计算机内部数据的设备。它把计算机的数据以人们能以识别的形式输出。例如：显示器等理想的输出设备应是“会写”“会讲”。“会写”：打印机，绘图仪等“会讲”：音响设备等系统总线存储器运算器控制器接口与通信输入设备输出设备341-35接口：通过接口，主机和外设可以并行协调地工作。输入/输出设备通常称为外围设备。其种类繁多，数据传送方式和速度差异也很大，因此它不能直接同主机相连接，而要通过接口与主机相连接。例如：网卡、声卡、显卡等。系统总线：是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通道。借助系统总线的连接，计算机在各系统部件之间实现地址、数据、控制数据的传送。例如：主板上的传输线路系统总线存储器运算器控制器接口与通信输入设备输出设备351-36软件硬件由硬件直接执行微指令微指令系统-

微程序机器M0逻辑设计员用编译程序翻译成汇编语言程序高级语言-虚拟机器M4高级语言程序员用汇编程序翻译成机器语言程序汇编语言-

虚拟机器M3汇编语言程序员用机器指令解释操作系统操作系统-虚拟机器M2操作员用微指令解释机器指令机器指令-

实际机器M1机器语言程序员1.3计算机系统的层次结构由软件实现的虚拟机器。由硬件实现的实际机器。是我们将要学习的！虚拟机：是一个由软件实现的抽象计算机，不同软件（语言）角度获得不同

层次的虚拟机。应用软件、系统软件、硬件构成了计算机系统的三个层次结构。除了硬件系统，其它层次称为虚拟机。从某一层次的观察者看来，他只通过该层次的语言来了解和使用计算机，不必关心下几层的机器是如何工作和实现各自功能的。36000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存储器数据寄存器数据总线累加器ALU1.4计算机的工作过程37000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存储器数据寄存器数据总线累加器ALULOAD005aaa取数指令38000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存储器数据寄存器数据总线累加器ALULOAD005ADD006abaa+b加法指令ab39000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存储器数据寄存器数据总线累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-c减法指令40000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存储器数据寄存器数据总线累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-cSTORE008a+b-ca+b-ca+b-c存数指令41000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存储器数据寄存器数据总线累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-cSTORE008a+b-ca+b-ca+b-cHALT停机指令421-431.5计算机的三个主要性能指标：1、机器字长：CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU中寄存器的位数

有关。机器字长会影响机器的运算速度。2、运算速度：主频：机器内部主时钟的频率，衡量机器速度的重要参数。它的倒数是CPU时钟周期。MIPS：每秒执行百万条指令

MFLOPS：每秒执行百万次浮点运算CPI：执行一条指令所需时钟周期数MIPS(MillionInstructionsPerSecond)重点433）存储容量主存容量：一个主存储器所能存储的全部信息量称 为主存容量。衡量主存容量单位有两种：①字节数。这类计算机称为字节编址的计算机。每1024个字节称为1K字节（210=1K），每1024K字节称为1M字节（220=1M），每1024M字节称为1G字节（230=1G）。②字数(单元数)×字长(字的位数)。这类计算机称为字编址的计算机。如：4096×16表示存储器有4096个存储单元（由地址线位数决定），每个存储单元字长为16位。

地址线位数为n,主存容量为2n个存储单元。外存容量常表示为字节数。

外存容量与地址码位数无关。441-45认识计算机的基本硬件补充知识451-4611873146513189122410141、主板2、北桥芯片3、南桥芯片4、CPU插座5、内存插槽6、PCI插槽7、AGP插槽8、ATA接口9、软驱接口10、电源插口及主板供电部分11、BIOS及电池12、机箱前置面板接头13、外部接口14、其他主要芯片补充知识：计算机主板学习461-471、主板一块主板主要由线路板和它上面的各种元器件组成。主板的类型和档次决定着整个微机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个微机系统的性能。例如：ATX板型，便于ATX机箱的风扇对CPU进行散热，而且板上的很多外部端口都被集成在主板上。计算机主板471-48芯片组(Chipset)是主板的核心组成部分，按照在主板上的排列位置的不同，通常分为北桥芯片和南桥芯片。2.北桥芯片

北桥芯片一般提供对CPU的类型和主频、内存的类型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持，通常在主板上接近CPU插槽的位置，由于此类芯片的发热量一般较高，所以在此芯片上装有散热片。3.南桥芯片

南桥芯片主要用来与I/O设备及ISA设备相连，并负责管理中断及DMA通道，让设备工作得更顺畅。计算机主板481-494.CPU插座

CPU插座就是主板上安装处理器的地方。

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

计算机主板双核：一个CPU芯片有两个内核双路：一台计算机有两个CPU芯片491-505.内存插槽内存插槽是主板上用来安装内存的地方。不同的内存插槽它们的引脚，电压，性能功能都是不尽相同的，不同的内存在不同的内存插槽上不能互换使用。计算机主板早期的SIMM单列直插内存模块（SingleInlineMemoryModule）内存条通过金手指与主板连接，内存条正反两面都带有金手指。目前的DIMM双列直插内存模块（DualInlineMemoryModule）与SIMM类似，只是金手指两端不像SIMM那样是互通的，各自独立传输信号满足更多传送需要。501-516.PCI插槽PCI总线插槽(peripheralcomponentinterconnect)它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。它