第一章計算機系統(tǒng)概述

1第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一緒論一、本課程與《微機原理》課的區(qū)別與聯(lián)系區(qū)別《計算機組成原理》以計算機的構(gòu)造原理為出發(fā)點，不針對具體機型，泛泛地從理論上來研究計算機上各個部分的實現(xiàn)原理《微機原理》以計算機的應(yīng)用實踐為出發(fā)點，針對具體機型，從實踐上來介紹計算機上各個部件如何有機地連為一個整體、協(xié)調(diào)工作、實行問題求解第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一緒論聯(lián)系兩門課程都是針對計算機工作原理的，一個側(cè)重于理論、計算機的一般構(gòu)造原理；一個側(cè)重于實踐、具體機型的整體控制及工作控制過程。前者具有普遍的指導(dǎo)意義、后者是前者的一個具體事例。二者互為補充，以此使學(xué)習(xí)者達到對計算機工作原理的完整了解。第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一緒論二、為什么開設(shè)本課1.本課程在計算機知識體系中占重要地位，是其核心課程之一。計算機的體系結(jié)構(gòu)編譯軟件公辦件操作系統(tǒng)智能系統(tǒng)軟理據(jù)數(shù)管計輔助設(shè)用應(yīng)軟件機器語言匯編語言高級語言自然語言網(wǎng)通絡(luò)信第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論1、高級語言：和自然語言接近，并能為計算機接受的語言，稱為計算機的高級語言。2、機器語言（MachineLanguage）：由二進制代碼表示的指令組成，能在機器上執(zhí)行的語言。3、匯編語言（AssemblyLanguage）:由助記符、符號地址和標(biāo)號來書寫的程序就稱為匯編語言。

三種語言的比較：高級語言容易學(xué)習(xí)，使用方便，通用性強，程序也比較短，便于推廣和交流；但高級語言必須經(jīng)過編譯才能執(zhí)行，而且編譯程序占內(nèi)存量大。機器語言不好記憶不易理解，使用麻煩，但在執(zhí)行時最快、最直接。匯編語言是一種較好的折衷，它的執(zhí)行速度與機器語言相仿，但比機器語言好理解，便于記憶和使用。第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一緒論本書的重點是計算機（單機）的基本組成原理及有關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)，并對計算機的發(fā)展與實現(xiàn)提供了必要的也是最基本的知識。第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論一.概念1.中央處理器CPU(運算器和控制器)

將控制器和運算器集成在一起制成的大規(guī)模集成電路芯片。2.計算機

以中央處理器為核心,配上大規(guī)模集成電路的隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、輸入輸出接口電路及其它相應(yīng)的輔助電路而構(gòu)成。3.微型計算機系統(tǒng)

由微型計算機以相應(yīng)的外部設(shè)備及其專用電路,電源,面板,機架以及足夠的軟件而構(gòu)成的系統(tǒng).第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論1、運算器和控制器

運算器是對信息和數(shù)據(jù)進行處理和運算的部件，經(jīng)常進行的是算術(shù)運算和邏輯運算。

控制器主要用來實現(xiàn)計算機本身運行過程的自動化，即實現(xiàn)程序的自動執(zhí)行。2、存儲器存儲器用來存放程序和數(shù)據(jù)，包含隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM，是計算機各種信息的存儲和交流中心。具有存儲、緩沖和傳遞信息的作用。第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論※存儲器分類表存儲器主存儲器快檫型存儲器（FlashMemory）隨機存儲器（RAM）MOS存儲器(靜態(tài)、動態(tài))雙極型半導(dǎo)體存儲器輔助存儲器EPROM,EEPROM只讀存儲器（ROM）PROMMROM磁盤（軟盤、硬盤、盤組）存儲器光盤存儲器磁帶存儲器緩沖存儲器第九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論輸入設(shè)備：用來輸入原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序。輸入的信息有數(shù)字符、字母和控制符等。主要設(shè)備有：鍵盤、圖形輸入設(shè)備（鼠標(biāo)器、圖形板、跟蹤球、操縱桿、光筆）、圖像輸入設(shè)備（攝像機、掃描儀、傳真機）畫筆（或游動標(biāo)）輸入、輸入和。輸出設(shè)備：用來輸出計算機的處理結(jié)果，可以是數(shù)字、表格和圖形等。主要設(shè)備有：顯示器、打印設(shè)備（點陣式打印機、激光打印機、噴墨打印機）、繪圖儀（平板式、滾筒式）、語音輸出。第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論3.計算機系統(tǒng)RAMROMI/O設(shè)備外存外設(shè)I/o通道系統(tǒng)組成硬件組成軟件組成主機外圍設(shè)備電源內(nèi)存儲器微處理器I/o接口電路系統(tǒng)總線系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)編譯軟件。。高級語言匯編語言。。第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論在計算機各部件間來往的信號可分為地址、數(shù)據(jù)和控制信號。通常這些信號是通過總線傳送的，如圖所示：

以總線連接的計算機框圖···

···

···輸入/輸出地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線運算控制部件（CPU）存儲器輸入/輸出第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論二.微型計算機的發(fā)展概況1、馮·諾依曼采用存儲程序方案開發(fā)出EDVAC計算機，稱為馮·諾依曼計算機。馮·諾依曼計算機具有如下基本特點：①計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。②采用存儲程序的方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一個存儲器中。③數(shù)據(jù)以二進制碼表示。④指令由操作碼和地址碼組成。⑤指令在存儲器中按執(zhí)行順序存放。⑥機器以運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都通過運算器。第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論二.微型計算機的發(fā)展概況2、根據(jù)電子計算機所采用的物理器件的發(fā)展，一般把計算機的發(fā)展劃分為四個階段：第一代：電子管計算機時代（1946—五十年代后期），主要特點是采用電子管作為基本器件。第二代：晶體管計算機時代（五十年代中期—六十年代后期），主要器件為晶體管，并采用了磁心存儲器。第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論第三代：集成電路計算機時代（六十年代中期——七十年代前期），采用集成電路作為基本器件。第四代：大規(guī)模集成電路計算機時代；以半導(dǎo)體存儲器取代磁心存儲器。自此，計算機機入大發(fā)展時期，通用機、巨型機、小型機、微型機和工作站都得到了發(fā)展。※微型機的發(fā)展概況1、第一代微處理器（1971——1973年）4位或8位低檔機。代表產(chǎn)品：Intel公司的Intel4004,Intel440，低檔8位機如Intel8008

。集成度：2000個晶體管/片。特點：指令系統(tǒng)簡單、運算能力差、速度慢；軟件用機器語言和匯編語言。第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論2、第二代微處理器（1974——1978年）8位中檔和高檔機代表產(chǎn)品：Intel公司的8080，Motorola公司的M6800，Rockwell公司的PPS-8等；Intel公司的8085，Zilog公司的Z80，Motorola公司的M6809。集成度：4900~10000個晶體管/片特點：指令系統(tǒng)相對完善、速度提高一個數(shù)量級；已具有典型計算機體系結(jié)構(gòu)；軟件配置有匯編、BASIC、FORTRAN等高級語言幾操作系統(tǒng)。主要應(yīng)用于教學(xué)和實驗、工業(yè)控制和智能儀器中。第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論3、第三代微處理器（1978——1981年）16位微處理器代表產(chǎn)品：Intel8086/8088Zilog公司研制成Z8000；Motorola公司也推出了M6800。集成度：Intel8086(2.9萬只晶體管/片)Z8000（1.75萬只晶體管/片）

M6800（集成度為6.8萬只晶體管/片）。特點：①指令系統(tǒng)完善、速度更快；②硬件配置齊全、還配置了功能較強的系統(tǒng)軟件；③已達到或超過原中底檔小型機的水平。第十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論4、第四代微處理器（1981——1992年）32位高檔微處理器。

代表產(chǎn)品：Intel80386SX/80386DX；

Intel80486(80386、80387、8KB高速緩存器)；

IBM-PC/80486和IBM-PC/80586；

Motorola公司也推出了M6800；5、第五代微處理器（1992年以后）64位高檔微處理器代表產(chǎn)品：Intel公司的Pentium等；特點：①集成度又有了新的突破，例如Intel公司的Pentium-100集成度高達510萬只晶體管/片。②采用整數(shù)嵌入技術(shù)和浮點運算器以及超通道技術(shù)，每個指令周期可以執(zhí)行2條指令，運算速度刷新了。結(jié)論：發(fā)展主要表現(xiàn)在提高集成度和速度兩大方面。第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機系統(tǒng)概論三、計算機的應(yīng)用1、科學(xué)計算2、數(shù)據(jù)處理3、計算機控制4、計算機輔助設(shè)計/計算機輔助制造5、人工智能第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程

CPU即中央處理器，它是計算機的大腦，計算機的運算、控制都是由它來處理的。它的發(fā)展非常迅速，就像一列不斷在加速的火車一樣。那么經(jīng)過這么多年的發(fā)展，現(xiàn)在的CPU究竟成了什么樣呢？未來CPU將會是一個什么樣子呢？別急，等我慢慢來向大家闡述一下。在向大家介紹CPU詳細的情形之前，務(wù)必要讓大家弄清楚到底CPU是什么？它到底有那些重要的性能指標(biāo)呢？第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程CPU的英文全稱是CentralProcessingUnit，我們翻譯成中文也就是中央處理器。CPU從雛形的出現(xiàn)到發(fā)展壯大的今天，由于制造技術(shù)的越來越先進，在其中所集成的電子元件也越來越多，上萬個，甚至是上百萬個微型的晶體管構(gòu)成了CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。那么這上百萬個晶體管是如何工作的呢？看上去似乎很深奧，其實只要歸納起來稍加分析就會一目了然的，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為控制單元，邏輯單元和存儲單元三大部分。而CPU的工作原理就象一個工廠對產(chǎn)品的加工過程：進入工廠的原料（指令），第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程經(jīng)過物資分配部門（控制單元）的調(diào)度分配，被送往生產(chǎn)線（邏輯運算單元），生產(chǎn)出成品（處理后的數(shù)據(jù)）后，再存儲在倉庫（存儲器）中，最后等著拿到市場上去賣（交由應(yīng)用程序使用）。CPU作為是整個微機系統(tǒng)的核心，它往往是各種檔次微機的代名詞，如往日的286、386、486，到今日的奔騰三、奔騰四等等，CPU的性能大致上也就反映出了它所配置的那部微機的性能，因此它的性能指標(biāo)十分重要。在這里我們向大家簡單介紹一些CPU主要的性能指標(biāo)：第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程第一、主頻，倍頻，外頻。經(jīng)常聽別人說：“這個CPU的頻率是多少多少…”，其實這個泛指的頻率是指CPU的主頻，主頻也就是CPU的時鐘頻率，英文全稱：CPUClockSpeed，簡單地說也就是CPU運算時的工作頻率。一般說來，主頻越高，一個時鐘周期里面完成的指令數(shù)也越多，當(dāng)然CPU的速度也就越快了。不過由于各種各樣的CPU它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不盡相同，所以并非所有的時鐘頻率相同的CPU的性能都一樣。至于外頻就是系統(tǒng)總線的工作頻率；而倍頻則是指CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。三者是有十分密切的關(guān)系的：主頻=外頻x倍頻。第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程

第二：內(nèi)存總線速度，英文全稱是Memory-BusSpeed。CPU處理的數(shù)據(jù)是從哪里來的呢？學(xué)過一點計算機基本原理的朋友們都會清楚，是從主存儲器那里來的，而主存儲器指的就是我們平常所說的內(nèi)存了。一般我們放在外存（磁盤或者各種存儲介質(zhì)）上面的資料都要通過內(nèi)存，再進入CPU進行處理的。由于內(nèi)存和CPU之間的運行速度或多或少會有差異，因此便出現(xiàn)了二級緩存，來協(xié)調(diào)兩者之間的差異，而內(nèi)存總線速度就是指CPU與二級高速緩存和內(nèi)存之間的通信速度。第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程擴展總線速度，英文全稱是Expansion-BusSpeed。擴展總線指的就是指安裝在微機系統(tǒng)上的局部總線如VESA或PCI總線，我們打開電腦的時候會看見一些插槽般的東西，這些就是擴展槽，而擴展總線就是CPU聯(lián)系這些外部設(shè)備的橋梁。第二十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程下面，我們看一下CPU的發(fā)展歷程：CPU的溯源可以一直追到1971年。當(dāng)時還處在發(fā)展階段的INTEL公司推出了世界上第一臺微處理器4004。[微處理器：就是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把計算機的中央處理單元（CPU—CentralProcessingUnit）即計算機的運算器和控制器集成在一個芯片上稱為微處理器（Microprocessor）.]這不但是第一個用于計算器的4位微處理器，也是第一款個人有能力買得起的電腦處理器。1978年，Intel公司再次領(lǐng)導(dǎo)潮流，首次生產(chǎn)出16位的微處理器，并命名為i8086，Intel在后續(xù)CPU的命名上沿用了原先的X86序列，第二十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期一CPU的發(fā)展歷程Intel在后續(xù)CPU的命名上仍沿用了原先的X86序列，直到后來因商標(biāo)注冊問題，才放棄了繼續(xù)用阿拉伯?dāng)?shù)字命名。至于在后來發(fā)展壯大的其他公司，例如AMD等，在486以前（包括486）的CPU都是按Intel的