配套课件-计算机组成原理(第三版)1

1、计算机组成原理教材石磊，计算机组成原理第3版, ，2011参考书白中英，计算机组成原理第4版，科学出版社，2010薛胜军,计算机组成与结构第3版,华中科技大学出版社，2010王诚，计算机组成与设计第3版, ，2008第一章 概述第二章 计算机中的数据表示第三章 运算方法和运算器第四章 存储器及存储系统第五章 指令系统 第六章 中央处理器 第七章 总线系统第八章 输入输出系统第九章 计算机外部设备 第十章 计算机系统及发展目录一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）“计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。计算机组成原理是计算机教学中的一

2、门核心课程，是学习计算机课程所要必修的主干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算期、控制器、存储器、输入输出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器部件、存储器子系统、输入/输出子系统与输入/输出系统设备，围绕各自的功能、组成、设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程性、实践性、技术性比较强，还强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。二、

3、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的组成和工作原理。通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。三、课程与其他课程的联系与分工先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计后续课：计算机系统结构、微型原理，关系密切的还有操作系统等课程。四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等）授课学时（参考）：72，实验学时（参考）：18教学大纲第一章 概

4、述第二章 计算机中的数据表示第三章 运算方法和运算器第四章 存储器及存储系统第五章 指令系统 第六章 中央处理器 第七章 总线系统第八章 输入输出系统第九章 计算机外部设备 第十章 计算机系统及发展目录1960年：计算可能有一天将被组织为公共事业。 麦卡锡John McCarthy :“Computation may someday be organized as a public utility“Computer Utilities” Vision: Implications of the Internet1969 Leonard Kleinrock, ARPANET project“As

5、of now, computer networks are still in their infancy, but as they grow up and become sophisticated, we will probably see the spread of computer utilities, which, like present electric and telephone utilities, will service individual homes and offices across the country”Computers Redefined 1984 John

6、Gage, Sun Microsystems“The network is the computer”2008 David Patterson, U. C. Berkeley “The data center is the computer. There are dramatic differences between of developing software for millions to use as a service versus distributing software for millions to run their PCs”2008 “The Cloud is the c

7、omputer” Dr. Rajkumar Buyya, University of Melbourne, Australia 第一章 概述什么是计算机？计算机（Computer）是一种以电子器件为基础的，不需人的直接干预，能够对各种数字化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。 1.1 计算机的发展与应用 计算机从总体上来说分为两大类: 模拟计算机和数字计算机。各自主要特点：模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算模式是离散式的。数字计算机与模拟计算计的主要

8、区别比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0和1电压、电流等计算方式数字计算电量组合和测量值控制方式程序控制模拟信号组合控制精度、抗干扰性高、好低、差数据存储量大小、几乎无逻辑判断能力强无1、第一代计算机 （1）1946年第一台计算机ENIAC50年代末 （2）主要特征：电子管作为电子器件 （3）软件处于初始阶段，使用机器语言与符号语言编制程序 （4）特点：体积大，运算速度低，存储容量小， 主要用于科学计算。1.1.1 计算机的发展简史 （1/5）2、第二代计算机 （1）50年代末60年代初 （2）主要特征：晶体管作为电子器件 （3）软件开始使用计算机高级语言 （4）特点：体积减小，重量

9、轻、寿命长、耗电少、 运算速度快、存储容量比较大等优点。不仅 用于科学计算，还用于数据处理和事务处理， 并逐渐用于工业控制。 1.1.1 计算机的发展简史 （2/5）1.1.1 计算机的发展简史 （3/5）3、第三代计算机 （1）60年代中期70年代初期 （2）主要特征：中、小规模集成电路作为电子器件 （3）操作系统出现 （4）特点：体积与功耗都得到进一步减小，可靠性和运算速度进一步提高。不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理、自动控制等领域， 出现了管理信息系统，可用于生产管理、交通管理、情报检索等领域。4、第四代计算机 （1）1971年到1990年。 （2）主要特征：用大规模与超大规模

10、集成电路（LSI，VLSI）作为电子器件 （3）特点：软件越来越丰富，并且功能强大 （4）代表产品：IBM PC8088802868038680486Pentium1.1.1 计算机的发展简史 （4/5）1.1.1 计算机的发展简史 （5/5）5、第五代计算机 （1）1990至今 （2）主要特征：用甚大规模集成电路（ULSI）作为电子器件 （3）主要标志：一个是单片集成电路规模达100万晶体管以上；另一个是超标量技术的成熟和广泛应用。 未来的计算机以超大规模集成电路为基础，未来的计算机将向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。1.1.2 计算机的特点计算机是由硬件和软件组成的复杂设备计算机

11、以电子器件为物质基础计算机由程序控制其操作过程计算机以离散的数字量形式进行工作计算机的基本运算操作是算术和逻辑运算，运算速度和计算精度极高1.1.3 计算机的应用领域1、科学计算2、过程检测与控制计算机检测系统：利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理。3、信息管理是指利用计算机来加工、管理与操作任何形式的数据资料，如企业管理、物资管理、报表统计、信息情报检索等。4、计算机辅助系统 计算机用于辅助设计、辅助制造、辅助教学等方面，统称为计算机辅助系统。1.2 计算机系统的组成计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。计算机硬件（Har

12、dware）是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。计算机软件（Software）主要是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。1983年，IEEE对软件给出了一个较为全面的定义：软件是计算机程序、方法、规范及其相应的文档以及在计算机上运行是所必须的数据。软件是相对于机器硬件而言的。1.2.1 计算机的硬件系统1、存储器：存储器是用来存放数据和程序的部件。2、运算器：对信息进行运算处理的部件。主要功能是对二进制数码进行算术（加减乘除）和逻辑（与或非）运算。3、控制器：整个计算机的控制核心。主要功能是读取指令、翻译指令、并向计算机各部分发出

13、控制信号，以便执行指令。4、输入设备：将数据和程序转换成计算机能够识别和接受的信息，并顺序地把它们送入存储器中。输入设备有许多种，例如键盘、鼠标、扫描仪、光电输入机等。5、输出设备：输出设备将计算机处理的结果以人们能接受的或其它机器能接受的形式送出。输出设备有许多种类，例如显示器、打印机、绘图仪等。1.2.1 计算机的硬件系统存储器数据流控制流运算器外存储器输出设备内存储器输入设备控制器1. 运算器算术运算逻辑运算采用二进制数（容易实现）位数越多，计算精度越高计算机的运算器长度：8位、16位、32位或64位2. 存储器功能：保存或“记忆”数据和运算过程存储的是0或1表示的二进制代码主存采用半导

14、体器件来作为存储器一个半导体触发器记忆一个二进制位存储单元： 在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器，组成一个存储单元存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB、GB”等表示内存储器（主存）和外存储器(辅存）表示参加运算的数据从存储器的哪个单元取运算的结果应存到哪个单元3. 控制器控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作指令有两部分：操作的性质和操作的地址操作码地址码指出指令所进行的操作加、减、乘、除、取数、存数等 指令操作码加法减法乘法除法取数存数打印停机001010011100101110111000电子

15、计算机的设计思想存储程序，程序控制“存储程序”，是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同 一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成程序“程序控制”，是当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务冯诺依曼型计算机的设计思想存储程序并按地址顺序执行冯诺依曼计算机的基本思想采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成；将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是“存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的概念；指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的

16、顺序执行，程序分支由转移指令实现。计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成，规定了5部分的基本功能控制器的基本任务 按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令，依次类推取指令的一段时间叫做取指周期执行指令的一段时间叫做执行周期执行完成指令的时间，称为指令周期指令字和数据字，指令流和数据流 某字为一条指令，则称为指令字某字代表要处理的数据，称为数据字在取指周期中从内存读出的信息是指令流，它流向控制器而执行周期中从内存读出的信

17、息流是数据流，它由内存流向运算器时间上：在取指周期中，CPU从内存读出的信息一定是指令；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定是数据。空间上：指令一定流向控制器；而数据则是在内存（或寄存器）与运算器之间流动1.2.1 计算机的硬件系统总线（Bus）：是计算机中用于传送信息的公用通道，是为多个部件服务的一组信息传送连接线。总线的分类： （1）按传送信息的属性分： 数据总线（DB）在各部件之间传送数据信息 地址总线（AB）传送各部件相互访问的地址信息 控制总线（CB）传送控制各部件操作的控制信息（2）按信息传送的方向分： 单向总线 双向总线（3）按连接对象和完成的功能分： I/O BUS 用于外设

18、与主机的信息交换。 MEMORY BUS用于CPU与主存储器的信息交换按总线连接方式，计算机组成结构分为三类1、单总线结构 ：把各功能部件连接在单总线上，所有部件间的信息交换都经由单总线进行。 （1）Unified-Bus：一元化总线：PDP-11（2）Single-Bus：单总线：IBM-PC2、双总线结构（1）两种总线：存储总线和I/O总线（2）三种形式： （A）以CPU为中心的双总线结构 （B）以存储器为中心的双总线结构 （C）采用通道或输入输出处理机处理输入输出3、多总线结构： 在高速外设与主存储器之间可以增设直接存储器访问方式的高速I/O总线（DMA总线）。1.2.1 计算机的硬件系

19、统 第一台电子计算机（ENIAC）5000次加法/秒体重28吨占地170M218,800只电子管1500个继电器耗电150KWTop500 (2004)曙光4000ATop500 (2006)IBM Blue GeneTop500 (2008)IBM RoadrunnerTop500 (2008)曙光5000ATop500 (2009) Cray JaguarTop500 (2010) 天河一号摩尔定律早在1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（Gordon Moore）在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。作为迄今为止半导体发

20、展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路近40年的发展历史准确无误地验证着。什么是微型计算机微型计算机（Microcomputer）采用微处理器为核心构造的计算机微处理器（Microprocessor）一块大规模集成电路芯片微型机的运算和控制核心中央处理单元（CPU：Central Processing Unit）相对来说，微机性能、价格、体积较小工作学习中使用的个人微机生产生活中运用的各种智能化电子设备微处理器的基本性能指标字长微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数例如一次进行运算、传输的位数时钟频率微处理器的处理速度反映微处理器的基本时间单位集成度表明微处理器的生产工艺水平常用芯片上集

21、成的晶体管数量来表达通用微处理器4位微处理器1971年，Intel 4004，第一个微处理器8位微处理器M6800、Z80和Intel 8080/8085Apple公司苹果机16位微处理器Intel 8086/8088 16位个人计算机（PC：Personal Computer）32位微处理器80386，80486，PentiumPentium 432位PC机，APPLE公司的Macintosh机64位微处理器专用微处理器 单片机（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列爱特梅尔（Atml）公司的AT89系列（与MCS-51兼容），AT91

22、系列（基于ARM内核）Microchip Technology公司的PIC系列数字信号处理器（DSP）专注于数字信号的高速处理美国德州仪器TI公司TMS320各代产品主要应用于通信、消费类电子产品和计算机主要应用形式：嵌入式系统IP级结构，芯片级结构，模块级结构808616位结构的微处理器：数据总线为16位主存容量1MB：地址总线为20位时钟频率5MHz（IBM PC使用4.77MHz）准16位微处理器8088：外部数据总线为8位IBM PC和PC/XT机使用Intel 8088 CPU处理器总线（Bus）微处理器的对外引脚（Pin）数据、地址和控制三组信号电源和地线处理器总线数据总线（DB：

23、Data Bus）处理器与存储器或外设交换信息的通道个数（条数）是一次能够传送数据的二进制位数 地址总线（AB：Address Bus）指定存储器或外设的具体单元个数反映访问的主存储器容量或外设范围控制总线（CB：Control Bus）控制处理器数据传送等操作一个信号两种状态（高或低）两种编码（1或0）N：2N地址就是号码8028616位数据总线，24位地址总线（16MB主存）实方式（Real Mode）与8086工作方式一样保护方式（Protected Mode）提供存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支持IBM PC/AT机使用Intel 80286 CPU1KB210 B1024 B1

24、MB220 B1024 KB1GB230 B1024 MB20：22024：22432：2328038632位结构数据总线32位，地址总线32位，可寻址4GB主存虚拟8086方式（Virtual 8086 Mode）保护方式下的8086工作方式系统管理方式（System Management Mode）低功耗节能状态英特尔32位结构：IA-32（Intel Architecture-32）IA-32微处理器：80386，80486，Pentium系列804868048680386803878KB Cache浮点处理单元FPU8086/8088：8087，80286：80287，80386：80

25、387高速缓冲存储器Cache微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器用于提高整个存储器系统的存取速度复杂指令集计算机CISC融合精简指令集计算机RISC的技术特点，例如：指令流水线指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行多条指令可以在不同的执行阶段同时进行Pentium俗称的80586微处理器，奔腾微处理器32位结构，连接主存的外部数据总线却是64位超标量（Superscalar）技术具有可以并行工作的2条整数处理流水线，可以达到每个时钟周期执行2条指令双路高速缓冲结构8KB代码高速缓冲存储器8KB数据高速缓冲存储器Pentium Pro原称P6，中文名称为“高能奔腾”两个芯片组成C

26、PU一级（L1）Cache（8KB代码和8KB数据）二级（L2）Cache（256KB或512KB）扩展的超标量技术12级指令流水线能同时执行3条指令动态执行技术分支预测、数据流分析和推测执行Pentium II多媒体扩展指令（MMX指令）MMX（MutliMedia eXtension）整数运算多媒体指令对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化提升微机对多媒体的处理能力Pentium MMX（多能奔腾）：MMX指令应用于Pentium处理器Pentium II：MMX指令应用于Pentium ProPentium III数据流SIMD扩展指令（SSE指令）SSE（Streaming SIM

27、D Extensions）浮点单精度多媒体运算指令提高浮点3D数据的处理能力。SSE指令类似于AMD公司发布的3D Now!指令Pentium III：SSE指令应用于Pentium II 单指令多数据SIMDSingle Instruction Multiple Data表示一条指令具有同时处理多组数据的能力Pentium 4NetBurst的微结构（Microarchitecture） 指令级并行ILP（Instruction-Level Parallel）进一步发掘指令之间可以同时执行的能力超线程HT（Hyper Threading）线程级并行TLP（Thread-Level Paral

28、lel）发掘程序中的并行性一个物理处理器形成两个逻辑处理器SSE2指令增强浮点双精度多媒体运算能力SSE3指令增强和完善MMX，SSE和SSE2指令Intel 80 x86微处理器Celeron（赛扬）微处理器面向低端（低价位）PC机Xeon（至强）微处理器面向高端服务器、工作站AMD微处理器AMD公司生产的IA-32微处理器兼容芯片Intel公司最主要的竞争对手双核微处理器单芯片多处理器SMP技术Intel的Pentium D：单芯片双Pentium 4核心64位微处理器AMD的K8核心：兼容IA-32的64位微处理器Intel的EM64T（扩展64位技术）： IA-32的64位扩展微型计算

29、机结构1. 微处理器2. 存储器3. I/O接口和I/O设备4. 系统总线控制总线CB数据总线DB地址总线AB微处理器I/O设备I/O接口存储器系统总线BUS微处理器微机的核心、控制中心，中央处理器CPU大规模集成电路VLSI芯片，集成控制器运算器（整数运算器）寄存器（高速存储单元）高性能微处理器内部还有浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元存储管理单元、代码保护机制Cache存储器存储器（Memory）是存放程序和数据的部件高性能微机的存储系统微处理器内部的寄存器（Register）高速缓冲存储器（Cache）主板上的主存储器以外设形式出现的辅助存储器主存储器（主存、内存）半导体存储器芯片组成R

30、AM部分断电后信息丢失相对造价高、速度快、但容量小辅助存储器（简称辅存或外存）磁盘、光盘存储器等构成相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢RAM和ROMI/O接口和I/O设备I/O设备（Peripheral）：用户与微机交互输入（Input）设备，如标准输入设备：键盘输出（Output）设备，如标准输出设备：显示器I/O接口（Interface）：外设和主机间的桥梁完成信号变换、数据缓冲、联络控制等工作较简单的I/O接口电路与主板一体较复杂的I/O接口电路制成独立的电路板（接口卡Card）系统总线总线（Bus）：传递信息的一组公用导线、信息通道系统总线（System Bus）：微机系统中

31、信息交换的主要公共通道地址总线：单向输出主存单元或I/O端口的地址信息数据总线：读（Read）操作数据输入微处理器；写（Write）操作数据输出到外界（主存或外设）控制总线：有些控制信号或状态信号输出；有些请求或联络信号输入微机系统采用总线结构，总线连接使得微机组合灵活、扩展方便个人微机8位时代：Apple-II机，中华学习机16位时代：IBM PC系列机1981年，IBM PC机：Intel 8088，DOS1982年，IBM PC/XT（Expanded Technology）1984年，IBM PC/AT（Advanced Technology）IBM PC/XT/AT机的兼容微机32位

32、时代：32位PC机IA-32或其兼容微处理器Windows或Linux64位时代：计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。都是由元件构成的有形物体，因而称为硬件或硬设备。硬件是计算机系统中实际物理装置的总称计算程序，因为它是无形的东西，称为软件或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件的结合，构成完整的计算机系统计算机系统硬件系统软件系统软件（Software）：指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中文字说明和

33、图表资料又称为文档。软件的分类：（1）系统软件：指管理、监控和维护计算机资源的软件。 操作系统：DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX 语言处理程序：机器语言、汇编语言和高级语言 数据库管理系统：数据库和管理数据库的软件 服务程序：例如编辑程序、诊断程序、排错程序等 （2）应用软件：除了系统软件以外的所有软件，是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序。 1.2.2 计算机的软件系统软件程序+数据+文档计算机软件程序数据文档软件分类操作系统 语言处理程序服务性程序应用软件办公软件包数据库管理系统浏览器实时控制软件诊断、排错程序反病毒程序备份程序文件压缩程序卸载

34、程序图形图像处理软件其它应用软件系统软件目的程序早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以“识别”并能执行，所以又叫做目的程序用机器语言编写程序很繁琐，又耗费大量的人力和时间，容易出错，出错后寻找错误也相当费事，大大限制了计算机的使用汇编程序为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率，人们发明了汇编语言借助于汇编程序，计算机本身自动地把符号语言表示的程序（称为汇编源程序）翻译成用机器语言表示的目的程序用约定的文字、符号和数字（助记符）按规定 的格式来表示各种不同的指令高级语言为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人们又创造了各种接近于

35、数学语言的算法语言（高级程序设计语言）算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则。比较接近数学语言，直观通用，与具体机器无关，只要稍加学习就能掌握，便于推广使用计算机编译程序用程序设计语言编写的程序称为源程序，这种源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的“翻译”，才能把源程序翻译为机器语言通常采用下面两种方法：编译系统： 用编译程序将源程序编译成机器语言形式的目的程序，然后在目标系统运行解释系统 ：逐个解释并立即执行源程序的语句，它不是编出目的程序后再执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果软件与硬件的逻辑等价性随着大规模集

36、成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等软件的特点 易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约；硬件的特点 可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。1.2.3 计算机系统的层次结构（1/3）硬件和软件的逻辑等价 1、含义： （1）任何一个由软件完成的操作可以由硬件实现 （2）任何一条由硬件执行的指令能用软件完成2、固件（Fi

37、rmware）：是一种界于传统的软件和硬件之间的实体，功能上类似软件，但形态上又是硬件。微程序是计算机硬件和软件相结合的重要形式。计算机系统的层次结构第5层编译程序高级语言层第4层汇编程序汇编语言层第3层操作系统操作系统层第2层微程序机器语言层第1层微指令直接由硬件执行微程序设计层1.2.3 计算机系统的层次结构（2/3）1、系列机：一组同属一个系统结构，在性能上由低档到高档形成一个系列的计算机，组成一个计算机系列（family）。系列机中的每个机型都具有：相同的基本指令系统，相同的数据结构，相同的基本输入输出操作，支持相同的基本系统软件等。2、兼容性：包括软件兼容、硬件兼容、系统兼容等。 （

38、1）软件兼容是指一个软件不经修改就能在不同机型上正确运行。 （2）软件兼容存在以下两种情况： 软件的向上兼容性指某档机原开发的软件可以不加修改便能在它的高档机上正确运行使用。 软件的向下兼容性指某档机的软件可以不加修改便能在它的低档机上正确运行使用。1.2.3 计算机系统的层次结构（3/3）系列机和兼容机系列机描述在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器IBM PC系列机兼容机描述不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机IBM PC/AT兼容机软件兼容软件兼容：同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器，结果一样，运行时间不同。当前机器时间机器档次

39、向上兼容向下兼容向前兼容向后兼容模拟和仿真模拟（simulation）用一台机器的指令系统，去解释另一台系统结构不同的机器的指令系统，以实现软件的移植实现容易、速度较慢仿真（emulation）直接用微程序去解释另一台系统结构不同的机器的指令系统，以实现软件的移植微程序编写困难、实现速度较快模拟与仿真可实现不同系统结构机器之间的软件移植对于使用频率较高的指令，尽可能用仿真方法以提高运算速度，而对使用频率低且难于用仿真实现的指令则用模拟方法加以实现微程序机器级高级语言级汇编语言级操作系统级传统机器级A机器系统高级语言级操作系统级传统机器级B机器系统模拟和仿真模拟仿真宿主机虚拟机目标机系统结构、组

40、成与实现计算机系统结构(Computer architecture）计算机系统的软件与硬件的界面指令系统程序员所看到的计算机属性外特性 计算机组成(Computer organization）组织计算机系统结构的逻辑实现计算机实现(Computer implementation）计算机组成的物理实现计算机系统的结构，组成，实现是三个完全不同的概念，相互间有着十分密切的依赖关系和相互的影响。广义的计算机系统结构即包括经典的指令集结构，也包括计算机组成和实现技术的研究结构、组成和实现一种体系结构可以有多种组成一种组成可以有多种物理实现是否设置乘方/开方指令逻辑设计1(硬联电路)实现方案1(V1,$

41、1,T1)逻辑设计3(微程序)逻辑设计2(ROM查表)实现方案2(V2,$2,T2)实现方案3(V3,$3,T3)计算机系统结构计算机组成计算机实现是否1.3 计算机的工作特点和性能指标 1.3.1 计算机的工作特点运算速度快计算精度高 存储容量大 具有逻辑判断功能 自动化程度高，通用性强 主频很大程度上决定计算机的运行速度，单位兆赫兹。字长决定了计算机的运算精度、指令字长度、存储单元长度等，可以是8/16/32/64位。运算速度早期方法是每秒执行加法指令的次数用等效速度衡量。等效速度由各种指令平均执行时间以及对应的执令运行比例计算得出。单位是每秒百万指令利用“标准程序”在不同的机器上运行得到

42、的实测速度。存储容量字数字长 1K：1024B（210） 1M：1024K（220） 1G：1024M（230） 1T：1024G（240） 1P：1024T（250） 1.3.2 计算机的性能指标 可靠性常用平均无故障时间（MTBF）衡量。平均无故障时间(MTBF）是指两次故障之间能正常工作时间的平均值。假设表示单位时间内失效的元件数与元件总数的比例即失效率，则MTBF=1/。例如=0.02%/h，则MTBF=1/=5000h可维护性可用平均修复时间（MTRF）表示，指从故障发生到机器修复平均所需要的时间。 MTBRMean Time Between Repairs（字典缩略） MTTRMe

43、an Time To Repair（微软计算机辞典）可用性是指计算机的使用效率。 A=MTBF/(MTBF+MTRF) 可靠性R、可维护性S和可用性A，称为RAS技术兼容性指设备或程序可以用于多种系统中的性能。1.3.2计算机的性能指标 1.3.3计算机的分类根据计算机的应用范围，将计算机分为专用计算机：为特定应用问题而设计的计算机，具有经济、有效和快速等特点，但它的使用面较窄通用计算机：使用面广，通用性强，操作相对简单，是我们经常使用的计算机系统。根据计算机的规模，将计算机分为巨型机：主要用于科学计算，运算速度最快、性能极高，结构复杂、体积庞大、价格昂贵。 大型机中型机小型机微型机：体积小、

44、功耗低、价格低、结构简单、易操作1.4 多媒体技术 1.4.1计算机的分类媒体也称为信息的表现形式或传播形式，是信息的载体。信息化社会中，信息的表现形式是多种多样的，信息可以用文字、声音、图形和图像等媒体表示，它包含信息的存储和信息的传递两个方面。信息可以以多种媒体传输，多媒体技术是指能够同时获取、处理、编辑、存储和展示两个以上不同信息类型媒体的技术。在20世纪50年代，计算机用于处理数字，应用领域限制在解决复杂的数学问题。到了20世纪60年代，计算机与字符处理、文本处理相结合，产生CAD。计算机与照相和图片相结合，产生了静态图像处理。计算机与声音，活动图像相结合，形成了多媒体技术应用新领域。

45、 1.4 多媒体技术 1.4.2多媒体技术要解决的主要问题 多媒体技术实际上是一种界面技术。它能使人机界面更生动、更形象、更友好，可以表达更丰富的信息。多媒体技术要解决的主要问题包括以下几个方面： （1）信息的处理能力 多媒体技术使计算机具有综合处理文字、图形、图像、音频和视频信息的能力。按计算机对这些信息处理的难易程度排列（从易到难）如下：转换（Translation）、集成（Integration）、管理与控制（Manipulation）和传输(Transmission)。 1.4 多媒体技术 1.4.2多媒体技术要解决的主要问题 （2）数据的压缩与解压 由于多媒体系统增加了声音、图像、视

46、频信息，所以需处理的数据量激增，另外，微机和网络上的数据传输速率又不是很高，从而增加了数据传输的难度。这就要求对数据进行有效的压缩才能使多媒体系统进入实用阶段。 目前，最流行的压缩标准有JPEG和MPEG。1.4 多媒体技术 1.4.2多媒体技术要解决的主要问题 （3）Windows环境下的多媒体控制接口（MCI）。 MCI的最大优点是应用系统与设备无关，更换设备时只需更换MCI驱动程序，应用系统不需要修改即可操作新设备，因此系统可以非常灵活方便地进行配置；另一优点是开发应用系统不需要了解每种多媒体产品系统的细节，从而大大提高了应用系统的开发效率。 1.4 多媒体技术 1.4.3多媒体计算机（

47、MPC） 在个人计算机上配以多媒体设备就构成了多媒体个人计算机。多媒体技术是一项综合性技术，涉及领域较广。 1993年MPC市场协会提出了多媒体个人计算机（Multimedia Personal Computer，简称MPC）配置标准。MPC标准的任务是让每个PC机用户能承受得了在硬件和软件上的投资，通过MPC标准把MPC引入家庭，使之成为家庭管理和娱乐的中心，用户可利用MPC在家中办公或通过传真机或电话与外界联系，若将家中的MPC上网，则可方便地享受网络提供的一切服务。 1.4 多媒体技术 1.4.3多媒体计算机（MPC）多媒体系统按功能不同可分为开发系统、演示系统和家庭娱乐系统等。多媒体的

48、各种系统已经应用在如下方面。 (1) CAI。利用多媒体制作的教学软件，图、文、声并茂，可取得用其他方法难以达到的效果。帮助在职职工更新知识、提高技能也是多媒体应用的一个重要领域。1.4 多媒体技术 1.4.3多媒体计算机（MPC）多媒体的各种系统已经应用在如下方面。 （2）信息咨询。利用声、文、图俱全的多媒体做信息咨询，可以同时给人以具体和抽象的认识，使咨询者能更加方便、深刻地获得所需信息。 （3）商业应用。制作广告、电视节目时，若使用多媒体技术，不但可以使节目生动形象，引人入胜，而且可以节省大笔资金，同时还能达到预想不到的效果。 （4）家庭服务。MPC机可提供家庭办公、教育、娱乐等各方面的

49、家庭服务。 本章小结计算机系统由软件系统与硬件系统组成。计算机的硬件系统由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、输入输出设备及总线系统组成。而总线分为数据总线、地址总线、控制总线，其结构有单总线结构、双总线结构及多总线结构。计算机的软件系统是计算机系统结构的重要组成部分，也是计算机不同于一般电子设备的本质所在。计算机的软件一般分为系统程序和应用程序两大类。计算机主要性能指标有：主频、字长、运算速度、存储容量、可靠性、兼容性等。按照计算机的规模可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机、单板机、单片机等。 多媒体技术是指能够同时获取、处理、编辑、存储和展示两个以上不同信息类型媒

50、体的技术。它能使人机界面更生动、更形象、更友好，可以表达更丰富的信息。在个人计算机上配以多媒体设备就构成了多媒体个人计算机。 2022年7月25日第88页第2章计算机中的数据表示 计算机组成原理 教学目标教学重点教学过程2022年7月25日第89页教学目标数据在计算机中的表示方法及编码形式掌握进位计数制和数制之间的转换掌握数与字符的表示方法及校验方法2022年7月25日第90页教学重点进位计数制和数制之间的转换定点数和浮点数带符号数的表示方法字符编码数据校验码2022年7月25日第91页教学过程2.1 数据、信息和媒体2.2 进位计数制2.3 定点数和浮点数2.4 带符号数的表示方法2.5 十

51、进制数据表示2.6 字符编码2.7 数据校验码 2022年7月25日第92页2.1 数据、信息和媒体 (1/4)数据：是对事实、概念或指令的一种特殊表达形式，可以用人工方式或自动化装置进行通信、翻译转换或加工处理。 数值型数据：具有特定值的一类数据，可用来表示数量的多少，可比较其大小。非数值型数据：包括字符数据、逻辑数据、图画、声音和活动图像数据等。2022年7月25日第93页2.1 数据、信息和媒体 (2/4)信息：对人有用的数据，这些数据可能影响到人们的行为和决策。 信息处理：通过数据的采集和输入，有效地把数据组织到计算机中，由计算机系统对数据进行相应的处理加工（如：存储、建库、转换、合并

52、、分类、计算、统计、汇总、传送等操作），最后向人们提供有用的信息的全过程。 2022年7月25日第94页2.1 数据、信息和媒体 (3/4)媒体：承载信息的载体。与计算机信息处理有关的媒体：感觉媒体：能使人听觉、视觉、嗅觉、味觉和触觉器官直接产生感觉的一类媒体，如声音、文字、图画、气味等，它们是人类使用信息的有效形式。表示媒体：为了使计算机有效地加工、处理、传输感觉媒体而在计算机内部采用的特殊表示形式，即声、文、图、活动图像的二进制编码表示。存储媒体：用于存放表示媒体以便计算机随时加工处理的物理实体，如磁盘、光盘、半导体存储器等。表现媒体：用于把感觉媒体转换成表示媒体进而转换为感觉媒体的物理设

53、备，如计算机的输入输出设备。传输媒体：用来将表示媒体从一台计算机传递到另一台计算机的通信载体，如同轴电缆、光纤、电话线等。2022年7月25日第95页2.1 数据、信息和媒体 (4/4)数字化编码：用少量最简单的基本符号，对大量复杂多样的信息进行一定规律的组合。一切信息编码的两大要素 基本符号的种类组合规则2022年7月25日第96页计算机内部采用的二进制表示方式的原因 二进制只有两个数码“0”和“1”，易于用物理器件表示。这些物理状态都是不同的质的变化，形象鲜明、易于区别，并且数的存储、传送和处理可靠性高。运算规则简单，操作实现容易。二进制加、减、乘、除运算，可以归结为加、减、移位三种操作。

54、理论和实践证明，采用R= e =2.71828进制时，存储设备最省，取3比取2更节省设备，但二进制比三进制易于表示。二进制中的“1”和“0”与逻辑命题中的“真”、“假”相对应，为计算机实现逻辑运算和程序中的逻辑判断创造了良好条件。2022年7月25日第97页2.2 进位计数制2.2.1 进位基数和位的权数2.2.2 二进制数制2.2.3 八进制数制2.2.4 十六进制数制2.2.5 数制之间的相互转换2022年7月25日第98页2.2.1 进位基数和位的权数基数：计数制中用到的数码的个数，用R表示。位权：以基数为底的指数，指数的幂是数位的序号。对一个数S，其基数为R，则：2022年7月25日第

55、99页计算机常用各种进制数的表示进位制二进制八进制十进制十六进制规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一基数R=2R=8R=10R=16基本符号0,10,1,2,70,1,2,90,1,.,9,A,.,F权2i8i10i16i形式表示BODH2022年7月25日第100页2.2.5 数制之间的相互转换二、八、十六进制数转换为十进制数十进制数转换为二、八、十六进制数十进制数转换为二进制十进制数转换为八进制、十六进制数二进制数和八进制数、十六进制数的转换二进制数转换为八、十六进制数八、十六进制数转换为二进制数2022年7月25日第101页二、八、十六进制数转换为十进制数 （1/2） 例2-1 将(1

56、1011.11)2转换为十进制数 解： (11011.11) 2 =124+123+022+121+120+12-1+12-2 =(27.75)102022年7月25日第102页二、八、十六进制数转换为十进制数 （2/2）例2-2 将(732.6)8转换为十进制数 解： (732.6)8 =782+381+280+68-1 =(474.75)10例2-3 将(A5C.B2)16转换为十进制数 解： (A5C.B2)16 =10162+5161+12160+1116-1+216-2 =(2652.6953125)102022年7月25日第103页十进制转换为二进制数 （1/3）任一十进制数N，N

57、=N整+N小。将这两部分分开转换整数部分的转换：采用“除2求余法”，转换方法为：连续用2除，求得余数（1或0）分别为K0、K1、K2、，直到商为0，所有余数排列Kn-1Kn-2K2K1K0 即为所转换的二进制整数部分。小数部分的转换：采用“乘2取整法”。转换方法为：连续用2乘，依次求得各整数位（0或1）K-1、K-2、K-m，直到乘积的小数部分为0。在小数转换过程中，出现Fi恒不为0时，可按精度要求确定二进制小数的位数。 2022年7月25日第104页十进制转换为二进制数 （2/3）例2-4 求(43)10的二进制表示 解： 除以2 商Qi 余数Ki 43/221 K0=1 21/210 K1

58、=1 10/2 5 K2=0 5/2 2 K3=1 2/2 1 K4=0 1/2 0 K5=1 (43)10=(101011)22022年7月25日第105页十进制转换为二进制数 （3/3）例2-5 求(0.6875)20的二进制值解： 乘以2小数Fi整数Ki 0.687520.3750K-1=1 0.375020.7500K-2=0 0.750020.5000K-3=1 0.500020.0000K-4=1 (0.6875)10=(0.1011)22022年7月25日第106页十进制数转换为八进制数、十六进制数将十进制数转换为八进制数、十六进制数时，使用的方法与十进制数转换成二进制数的方法基

59、本相同，只是求整数部分时是用商除以8或16，取其余数；小数部分改用乘以8或16，取其整数即可。2022年7月25日第107页二进制数与八进制、十六进制数间的转换 二进制转化成八(十六)进制整数部分：从右向左按三(四)位分组，不足补零小数部分：从左向右按三(四)位分组，不足补零例2-9(001 011 010 110.101 011 100) 2= (1326.534.) 8 1 3 2 6 5 3 4例2-10(0101 1101.0101 1010) 2= (5D.5A) 16 5 D 5 A2022年7月25日第108页八进制、十六进制数与二进制数间的转换八(十六)进制转化成二进制一位八进

60、制数对应三位二进制数一位十六进制数对应四位二进制数例2-11 (247.63)8= (010 100 111.110 011)2例2-12 (F5A.6B) 16= (1111 0101 1010 0110.0110 1011) 22022年7月25日第109页2.3 定点数和浮点数数据的表示定点表示法浮点表示法任何一个二进制数N都可以表示为N=2ES其中E是一个二进制整数，称为数N的阶码，2为阶码的基数，S是二进制小数，称为数N的尾数。E和S可正可负。尾数S表示数N的全部有效数据，阶码E指明该数的小数点位置，表示数据的大小范围。2022年7月25日第110页2.3.1 定点数表示法阶码E保持