第1章 概 述课件

计算机组成原理主讲：胡全连主要内容

计算机系统的硬件组成包括五大功能部件:运算器存储器控制器输入系统输出系统学习各部分的工作原理、逻辑实现、设计方法及相互之间的连接并构成整机的方法。目的：从硬件的角度，学习计算机的工作过程，掌握计算机最基本的工作原理“计算机内部究竟是怎么工作的?”为培养在计算机硬件系统的分析、研究、开发等方面的能力打下坚实基础。了解硬件在计算机系统中的地位以硬件为核心，叠加不同层次的软件，构成一个计算机系统，如下图所示:计算机硬件机器语言汇编语言操作系统其它系统软件应用程序应用程序与其他课程关系：嵌入式系统系统结构汇编语言计算机组成原理数字逻辑电路电子技术接口技术要求：复习并掌握先修课的有关内容课堂：听讲与理解、适当笔记课后：认真读书、完成作业实验：充分准备、勇于实践考核：平时考核现场考试实验报告期末考试（50分）

实验成绩（30分）

平时成绩（20分）

参考资料：①白中英《计算机组成原理》科学技术出版社②唐朔飞《计算机组成原理》高等教育出版社③王爱英《计算机组成与结构》清华大学出版社④白中英《计算机组成原理题解、题库与实验》

科学技术出版社教材：薛胜军《计算机组成原理》华中科技大学出版社第一章概述本章重点：掌握计算机的组成和工作原理的初步的整体概念

1.1计算机的发展与应用一、计算机的发展 从1946年第一台电子数字计算机产生之后，其计算机的发展速度之快、应用范围之广和对科技的进步和社会的影响之大是惊人的。其发展已经经历了四代，现在正在第五、第六代研制中。1、第一代计算机（1946-1957）主要特点：（1）元件：电子管（2）存储器：延迟线或磁鼓（3）软件：主要为机器语言，后期为汇编语言第一台电子计算机ENIAC（40万美元、30t，150KW，170M2，电子管18800个，1500个继电器，700个电阻，10000只电容器，速度为5000次/s）2、第二代计算机（1958-1964）主要特点：（1）元件：晶体管（2）存储器：磁芯（主）、磁带或磁盘（3）软件：有Fortran、Cobol语言，出现了机器内部的管理程序3、第三代计算机（1965-1971）主要特点：（1）元件：中、小规模集成电路（MSI、SSI）（2）存储器：半导体（3）软件：操作系统，采用微程序控制技术，出现了Basic、Pascal等

4、第四代计算机（1972-）主要特点：（1）元件：大和超大规模集成电路（LSI、VLSI）（2）存储器：出现了MOS管为主（3）软件：操作系统更加完善，在语音、图像处理、多媒体技术、网络以及人工智能等有较大的发展。 在第四代计算机发展过程中出现了今天使用最广的微型计算机：1976年APPLE和1981年的PC机产生。PC微机的发展迅速的主要是CPU主要生产厂家Intel公司和核心软件生产厂家Microsoft公司。微机发展（PC）：1981年IBM-PC（8088）为第一代IBM-PC/XT（8086）1984年IBM-PC/AT（80826）为第二代1986年Compaq公司和IBM-PS/2-50（80386）为第三代1989年486为第四代1993年Pentium(80586)

5、计算机的发展显著的特点是：体积小、重量轻、速度快、成本低、可靠性强。这四代计算机的体系基本原理是冯.诺依曼思想:（1）计算机处理采用二进制或二进制代码（2）存储程序（3）硬件五大部分：输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器

许多专家认为用冯.诺依曼思想所构成的计算机体系对非数值数据的处理、运算和存储不是很好的方法，特别是在检索速度也是有限的。6.关于第五代计算机 主要是在通信、存储、信息处理和人工智能相结合的超巨型计算机，其知识库机、推理机、智能接口等硬件和非程序设计语言（即说明性语言）Lisp、Prolog和Hope语言等软件组成。7.关于第六代计算机不是传统的电子元件，而是光电子元件、超导电子元件和生物电子元件。1958年10月，我国研究成功电子管数字算机。1964年，晶体管数字计算机问世。1971年，开发出了集成电路数字计算机。1975年，开始研制微型计算机。1978年，研制出了每秒500万次的大型计算机。1984年，国防科技大学成功研制出每秒1亿次的“银河”电子计算机，随后又研制出了“银河Ⅱ型”机和“银河Ⅲ型”机。8、我国计算机的发展我国计算机的研究工作是从1956年开始的。9、计算机的发展方向（1）巨型化（2）微型化（3）网络化（4）智能化（5）多媒体化Altair8800

计算机发展——微型化计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。CRAY-Ⅱ

计算机发展——巨型化运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。中国超级计算机：国防科技大学研制的“银河1号”、“银河2号”和“银河3号”国家职能计算机中心推出的“曙光1000”、“曙光200I”和“曙光3000”银河Ⅱ

计算机发展——网络化计算机网络：计算机技术与通信技术结合的产物。计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。

计算机发展——智能化“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的‘没有灵魂的机械’来”。

——笛卡尔（1637）人类第一个“工业机器人”：

一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）第一代机器人

机械手（1962年出现）第二代机器人

具有“感觉”的机器人第三代机器人

装有启发式计算机的“智能机器人”二、计算机的应用

1．科学技术计算

2．数据信息处理

3．计算机控制

4．计算机辅助技术

5．家庭电脑化1.2计算机系统的组成硬件和软件系统一、计算机的硬件系统

计算机的硬件系统是指计算机中的电子线路和物理装置，是实际存在的实体。如：集成电路芯片等，是计算机的物质基础。计算机有巨型、大型、中型、小型和微型之分，每种又有多机种和型号，硬件差别很大，但都是根据冯.诺依曼计算机体系结构来设计的，有五大部分组成（I/O设备、存储器（主）、CPU（运算器和控制器），而CPU和存储器通常组装在一个主板上，合称为主机，它们的关系如图1所示：

运算器控制器存储器输入设备输出设备程序、数据数据图1：计算机硬件系统基本组成结果程序命令命令1.存储器主要功能：存放程序和数据。表示形式：用二进制的形式来表示又称为信息，由许多小单元组成，每条数据和指令存放在每个单元中。单元地址：存储单元按某种顺序编号，每个单元对应一个编号是单元地址，用二进制表示。访问存储器：向存储单元存入或从存储单元取出信息。存储单元存储体存储单元存储单元地址译码

地址总线数据总线0…000…01

1…11读/写控制电路读/写命令

图2：存储器组成框图工作原理如图2所示：

2、运算器 运算器是一个用于信息加工的部件，又称为执行部件，是对数据进行算术运算和逻辑运算，由算术逻辑部（ALU）和一系列寄存器组成，是字长的主要参考指标。

运算器一次能够运算的二进制的位数，称为字长。常用的字长有8位、16位、32位、64位。

3.控制器 控制器是全机的指挥中心，它使计算机各部件自动协调地工作。实质上是解释程序。计算机中有两种信息流动：一是控制信息，即操作命令，其发源地为控制器；另一种是数据流，它受控制信息的控制，从一部件流向另一部件，边流动边加工处理。指令和数据都是以二进制码的形式存储在存储器中，由控制器依据时序将它们分别开。

4.输入设备和输出设备输入设备和输出设备与主机通过接口连接，设置接口主要有以下几个方面的原因：

1)输入/输出设备大多数为机电设备，传送速度远低于主机，需要接口作数据缓冲。2)信息格式不同，需要接口来转换

3)接口需要向主机报告设备运行的状态，传达主机的命令。二、计算机的软件系统 计算机的软件系统是根据解决问题的方法、思想和过程编写的程序的有序集合，而程序是指令的有序集合，一台计算机中全部程序的集合称为这台计算机的软件系统。按功能可分为应用软件和系统软件两大类。

应用软件是用户为解决某种应用问题而编制的程序。系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能。可分为六类：

1.操作系统：是控制和管理计算机各种资源、自动调度用户作业程序、处理各种中断的软件。

2.语言处理程序：有三种（汇编程序、编译程序和解释程序）

3.标准库程序:一些预先编好的常用程序段

4.服务性程序:如诊断程序、排错程序、练习程序等

5.数据库管理系统:SQL，Oracle，Sybase

6.计算机网络软件:WindowsNT

操作系统：随着硬件和软件不断发展而逐渐形成的一套软件系统，用来管理计算机资源(如处理器、内存、外部设备和各种编译、应用程序)和自动调度用户的作业程序，而使多个用户能有效地共用一套计算机系统。语言处理程序返回源程序高级语言汇编语言机器语言目标程序汇编程序编译程序或者解释程序语言处理程序数据库管理系统数据库就是实现有组织地、动态地存储大量相关数据，方便多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统。

数据库和数据库管理软件一起，组成了数据库管理系统。

计算机的硬件系统与软件系统可以互为转化、互为补充，在微机中采用固件，这是软件硬化，是将程序固化在ROM中组成。固件:三、计算机系统的层次结构从功能上，可把现代计算机系统分为五个层次级别，如图3所示：第一级是微程序设计级：是硬件级第二级是一般机器级：机器语言级第三级是操作系统级：是操作系统程序实现。

(混合级)第四级是汇编语言级：一种符号形式语言。第五级是高级语言级各层关系：（1）上层是下层功能的扩展，下层是上层的基础（2）站在不同的层次观察计算机系统，会得到不同的概念（3）层次划分不是绝对的。微程序设计级是一个实在的硬件级，由机器硬件直接执行微命令。如果某一个应用程序直接用微命令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。一般机器级也称为机器语言级，由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。操作系统级由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，这些广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。汇编语言级给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。高级语言级汇编语言级操作系统级一般机器级微程序设计级微程序操作系统汇编程序编译程序一级二级三级四级五级

图3：计算机系统层次结构微程序直接由硬件执行快速性高速电子器件；存储程序的设计思想通用性能处理数字与非数值数据准确性计算精度高，与运算位数和计算方法有关逻辑性逻辑运算和判断是计算机的基本功能之一一、计算机的工作特点1.3计算机的特点、性能指标及分类二、计算机的性能指标（1）基本字长是参与运算的数的基本长度，用二进制数位的长短来衡量，取决寄存器、加法器、数据总线等部件的位数。（2）主存容量可以用字节，有的用字长，K、M、G、T（3）运算速度是每秒能执行的指令条数来表示，单位是条/秒。（MIPS）三、计算机的分类（1）大型主机大型机和中型机（IBM360、370、4300和ES9000）（2）小型计算机

IBMAS/400，RS-6000和DECVAX（3）个人计算机（PC机）（4）工作站是介于微型机和小型机的过渡机种，有SUN（5）巨型计算机把最大、最快、最贵的主机称为巨型机（6）小巨型机1.4多媒体技术简介

多媒体计算机是指具有集声音、文字、图形、图像、动画于一体的信息处理技术的计算机。用于多媒体技术实现的产品称之为多媒体产品。①对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。按照处理这些信息的难易程度如下（从易到难）：转换(Translat