第一章 计算机系统概论(白中英第五版)

计算机组成原理第一章计算机系统概论任课教师：廖绍雯河西学院信息技术与传媒学院Email:nini719@163.comTel言教材白中英，计算机组成原理·第5版,科学出版社；2008参考书唐朔飞，计算机组成原理(第2版),高等教育出版社；2010石磊，计算机组成原理(第2版),清华大学出版社；2006钱晓捷，微型计算机原理及应用,清华大学出版社；2006王爱英,计算机组成与结构(第4版),清华大学出版社；2007白中英，计算机组织与体系结构(第4版),科学出版社；200815十二月2023教学大纲一、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。15十二月2023教学大纲一、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）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。15十二月2023教学大纲二、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。15十二月2023教学大纲三、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、微型计算机系统与设计，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：48，实验学时：1615十二月2023目录15十二月2023第一章计算机系统概论第二章运算方法和运算器第三章存储系统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

1.1准备知识15十二月2023一、概念

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。二、层次（1）以电子器件为物质基础：电子数字计算机（DigitalComputer）（2）

不需要人的直接干预：自动化（存储程序为基础）

1.1准备知识15十二月2023（3）数字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑判断和处理能力的基础）（4）算术逻辑运算：基本运算操作是算术和逻辑运算（5）快速工具：（A）

电子器件（B）

存储程序

1.1准备知识15十二月2023三、特征（1）内部特征：

（A）高速高集成度开关元件

（B）

数字化信息编码

（C）

逻辑判断和处理能力

（D）

存储程序（2）外部特征：（A）快速性（由（1）中（A）（D）决定）

（B）准确性（由（1）中（B）（D）决定）

（C）逻辑性（由（1）中（A）（C）（D）决定）

（D）通用性（由（1）中（A）（B）（C）（D）决定）

1.1准备知识15十二月2023四、ENIAC概况数据表示—十进制工作存储器—只有20个单元，用于存储数据编程—人工对面板上6000多个开关进行机械定位，然后转接插线头，以插入拔出方式编程

1.1准备知识15十二月2023ENIAC：长30.48米，宽1米，占地面积170平方米，30个操作台，约相当于10件普通房间的大小，重达30吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。它使用18000个电子管，70000个电阻，10000个电容，1500个继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。可靠运行时间不到20分钟。

1.1准备知识15十二月2023

1.1准备知识15十二月2023五、冯诺依曼体制引进存储程序概念计算机以运算器为核心的集中式控制指令由操作码和地址码两部分组成，指令在计算机中是顺序执行的，并受PC的统一控制计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成

1.1准备知识15十二月2023要点：数字计算机的数制采用二进制。计算机应该按照程序顺序执行。论文：“电子计算机装置逻辑结构初探”

埃克特、莫克利

1.2计算机的硬件

15十二月2023一、计算机的硬件组成例子：y=ax+b-c

1.2计算机的硬件

15十二月2023二、运算器功能：

完成算术运算和逻辑运算的装置设置考虑：

任何算术运算（＋－×%）都可以通过相加和移位来解决

1.2计算机的硬件

15十二月2023举例十进制例子……（×连续加%连续减）1212-7+3（7的补码）=515123123-78+22=45145

1.2计算机的硬件

15十二月2023运算器基本结构图运算器由：加法器、移位门、寄存器组、输入选择门和数据总线组成。运算器的结构示意图

1.2计算机的硬件

15十二月2023三、存储器功能：存放程序和数据的装置，并满足计算机在执行过程中能够随机访问这些程序和数据存储器的结构示意图

1.2计算机的硬件

15十二月2023设置考虑：（1）

1.2计算机的硬件

15十二月2023

1.2计算机的硬件

15十二月2023（2）存储器中以二进制码存储的指令和数据示意图

1.2计算机的硬件

15十二月2023

1.2计算机的硬件

15十二月2023

1.2计算机的硬件

15十二月2023

1.2计算机的硬件

15十二月2023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）

1.2计算机的硬件

15十二月2023四、控制器功能：全能指挥机构，执行方式有如下三种：按规定的操作去执行自动的去执行有秩序的去执行

1.2计算机的硬件

15十二月2023（1）按规定的操作去执行

1.2计算机的硬件

15十二月2023（2）自动的去执行

1.2计算机的硬件

15十二月2023（3）有秩序的去执行

1.2计算机的硬件

15十二月2023

1.2计算机的硬件

15十二月2023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例子：y=ax+b-c操作码地址码横格纸上的解题示意图

1.2计算机的硬件

15十二月2023

1.2计算机的硬件

15十二月2023五、输入输出设备接口输入设备接口输出设备

1.2计算机的硬件

15十二月2023六、总线概念：连接多个部件的一组共享信息传送线路，能够分时接受和发送各部件信息。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

1.3计算机的软件

15十二月2023一、计算机软件计算机软件＝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程序图形图像处理软件其它应用软件系统软件

1.3计算机的软件

15十二月2023二、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

1.3计算机的软件

15十二月2023三、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

1.3计算机的软件

15十二月2023四、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

1.3计算机的软件

15十二月2023五、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。

1.3计算机的软件

15十二月2023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

1.4计算机系统的层次结构

15十二月2023用户级高级语言级汇编语言级系统软件级

机器级控制级数字逻辑级

应用软件

系统软件

软硬件界面物理机虚拟机硬件固件硬件直接执行Level0(门电路、电子线路)Level1(微程序或硬布线)Level2(指令集结构ISA)Level3(操作系统、库代码)Level4(汇编语言代码)Level5(C++，Java，等)Level6(可执行程序)计算机系统的层次结构示意图

1.5计算机的分类

15十二月2023数字计算机的组成结构示意图

1.5计算机的分类

15十二月2023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