第一章 计算机系统概述 第二章 数据在计算机中的表示 第三章 运算方法和运算器 第四章 指令系统 第五章 存储系统

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2 第一章 计算机系统概述 第二章 数据在计算机中的表示 第三章 运算方法和运算器 第四章 指令系统 第五章 存储系统 1 2 3 4 5

3 第六章 中央处理器 第七章 输入输出系统 第八章 总线系统 第九章 外围设备 6 7 8 9

4 第一章 计算机系统概述 导论 计算机发展 存储程序概念 计算机硬件组成 计算机层次概念 计算机的工作过程和主要技术指标

5 第一节 导论 计算机组成与体系结构 机构和功能 功能 结构

6 计算机组成与体系结构 计算机体系结构：是那些对成员可见的系统属性。 计算机组成：是实现结构规范的操作单元及其相互连接。

7 结构和功能 计算机是一个复杂的系统，包含数百万个电子元件，复杂系统的关键是分层性质。层次系统是一系列相互关联的子系统，每个子系统又在结构上分层，直到分成我们所能达到的一些基本子系统的最低级。 结构： 部件相互关联的方法 功能：作为结构组成部分的各个独立部件的操作

8 功能 计算机的基本功能有：数据处理、数据存储、数据传输和控制。 数据处理、数据存储和数据传输三种功能都必须要进行控制
控制是由计算机提供指令来施加的。 计算机功能

9 功能 计算机作为数据传输功能的设备 作为数据存储功能的设备 被处理的数据在存储器中 被处理的数据在存储器与外部环境之间的路径中

10 它控制计算机的操作并且执行数据处理功能，简称处理器。
结构 计算机4种主要的结构组件 它控制计算机的操作并且执行数据处理功能，简称处理器。 存储程序和数据 在计算机和外部设备之间传输数据 为CPU、主存储器和I/O之间提供通信机制，也就是总线系统。
 中央处理器（Center Processor Unit, CPU): 主存储器（Main Memory） 输入输出（Input/Output,I/O) 系统互连

11 结构 CPU的主要结构组件： 控制单元 算术逻辑单元 寄存器 CPU内部互联 控制器的主要组成： 顺序逻辑 控制器和寄存器 译码电路
控制存储器

12 第二节 计算机的演变 电子计算机史前史 工业革命中发展起来的机械式计算机 工业时代的机电计算机 电子计算机的诞生和发展 未来趋势

13 (John Napier,1550---1617)以发明对数而 闻名
计算机的演变 计算技术的萌芽期 春秋战国时代的算筹 苏格兰数学家约翰·耐普尔1614 年创造了一种能帮助乘法计算的骨质拼条,称为耐普尔骨条 家喻户晓的算盘 计算尺 (John Napier, )以发明对数而 闻名

14 计算机的演变 工业革命中发展起来的机械式计算机 法国科学家帕斯卡(Blaise Pascal,1623 —1662)发明的Pascaline
为了纪念帕斯卡的贡献,1971 年尼可劳斯·沃 思(Niklaus Wirth)教授将自己发明的一种重要的程序设计语言命名为 Pascal 语言,这是 一种很好的结构化语言,在 20 世纪 80 年代末、90 年代初曾得到广泛学习和使用。

15 计算机的演变 莱布尼茨(G.W. Leibnitz,1646—1716），德国伟大的数学家和思。想家。他和牛顿同时创立了微积分。
1673 年,莱布尼茨建造了一台能进行基本四则运算的机械式计算机

16 从手动机械跃入自动机械的新时代 计算机的演变 英国数学家查尔斯·巴比奇(Charles Babbage,1792—1871) 。
分析机包括了现代计算机所具有的 5 个基本组成部分： 输入装置:用穿孔卡片输入数据。 装置(store)：该装置被设计为能存储1000 个50 位十进制数的 容量,它既能存储运算数据,又能存储运算结果。 处理装置(mill)：完成加、减、乘、除运算 控制装置:使用指令进行控制,用程序自动改变操作次序。它们是通过穿孔卡片顺序输入处理装置完成的。 输出装置:用穿孔卡片或打印方法输出。 从手动机械跃入自动机械的新时代

17 计算机的演变 工业时代的机电计算机 德国工程师楚泽(Konrad Zuse)
全部采用继电器 采用了浮点记数法、二进制运算、带数字存储 地址的指令形式等。

18 第一台真正的通用程序控制的计算机 Mark-I 长 15.5 米、高 2.4 米,由 75 万个零部件组成。 计算机的演变
哈佛大学的应用数学教授霍华德·艾肯(HowardAiken) Mark-I 长 15.5 米、高 2.4 米,由 75 万个零部件组成。 使用了大量的继电器作为开关元件, 用十进制计数齿轮组作为存储器,存储容量 为 72 个 23 位长的十进制数, 采用了穿孔纸带进行程序控制, 每次乘法用 3 秒钟,尽管它的可靠性不够高, 在哈佛使用了 15 年。 第一台真正的通用程序控制的计算机 1936 年艾肯在读过巴比奇和爱达的笔记后,发现了巴比奇的设计,并被巴比 奇的远见卓识所震惊,产生了用机电的方法,而不是纯机械的方法实现分析机的想法,这 就是 Mark-I 机电计算机的设想。艾肯当时还只是哈佛大学物理系的一名研究生,他谨慎地 起草了一份建议,去找 IBM 公司寻求资助。富有远见的 IBM 公司并没有因其年轻而轻视他的成果,在IBM 总裁老沃森(Thamos J.Watson)支持下,很快 IBM 公司投资 100 万美元, 并派出了 4 名有经验的工程技术人员帮助他完成了这一有意义的设想。1944 年 Mark-I 计算机在哈佛大学投入运行,艾肯说 Mark-I 使巴比奇 100 年前提出的梦想变成了现实。

19 计算机的演变 美国依阿华州立学院的数学物理学教授阿塔纳索夫
1942 年他与学生贝利(C Berry)合作试制阿塔纳索夫 ——贝利计算机”(Atanasoff Berry Computer),简称 ABC 能够求解包含30个未知数的线性代数方程组 1973 年针对谁是电子计算机发明人问题上,法官将这一荣誉给了阿塔纳索夫 1942 年他与学生贝利(C Berry)合作试制一台能够求解 包含 30 个未知数的线性代数方程组的电子计算机,由于经费的限制,他们只造成了计算 机的一个部件——控制器。后来他们设计的模型就以他们俩的名字命名,叫“阿塔纳索夫 —贝利计算机”(Atanasoff Berry Computer),简称 ABC(图 2.10)。在数字时代门槛上的 ABC,真有点象征意义。阿塔纳索夫的方案是计算机设计中采用电子技术的最早方案,第 一台电子计算机 ENIAC 的设计者莫奇利 1941 年曾经看过他的关于电子计算机设计的笔记 本。因此在 1973 年针对谁是电子计算机发明人问题上,法官将这一荣誉给了阿塔纳索夫, 虽然这是一个迟到的荣誉。

20 计算机的演变 英国数学家布尔(George Boole,1815-1864) 1847年, 发表了著名论文《逻辑的数学分析》
设计了一套用来表示逻辑理论中一些基本概念的符号 用“1“和“0”两个数字表示信号的有或无、命题的真或假 建立了应用这些符号进行运算的法则,把形式逻辑归结为—种代数运算. 建立了逻辑代数(布尔代数) 这种简化的二值逻辑为数字计算机的二进制数、开关逻辑元件逻辑电路的设计铺平了道路。

21 计算机的演变 美国数学家的香农(Claude Elwood Shannon) 1938 年,年仅 22 岁的香农在硕士论文的基础上,写就了 一篇著名的论文《继电器和开关电路的分析》,被认为是通讯历史上最杰出的理论之一。 首次用布尔代数进行开关电路分析,并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现,明确地给出了实现加、减、乘、除等运算的电子电路的设计方法。 这篇论文成为开关电路理论的开端,在现代数字计算机史上也具有划时代的意义。 1948 年,香农又发表了另一篇至今还在闪烁光芒的论文——《通信的数学基础》 “信息论”之父

22 计算机的演变 著名的图灵论题 “人工智能”之父 英国数学家图灵(Alan M Turing)
24岁发表《论可计 算数及其在判定问题中的应用》论文中提出了一种描述计算步骤的数学模型。 根据这种模型,可制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置。这种理想中的机器被称为“图灵机”。 图灵机是一种抽象计算模型,用来精确定义可计算函数。图灵机由一个控制器、一条可以 无限延伸用于记录运算动作和运算数据的带子以及一个在带子上左右移动的读写头组成 著名的图灵论题 “人工智能”之父 。 这个在概念上如此简单的机器,理论上却可以计算任何直观可计算函数。图灵在设计了上 述模型后提出,凡可计算的函数都可用这样的机器来实现,这就是。

23 1946年2月14日， 美国宾夕法尼亚大学莫尔学院莫奇利和埃克特研制的第一台电子计算机ENIAC诞生
计算机的演变 1946年2月14日， 美国宾夕法尼亚大学莫尔学院莫奇利和埃克特研制的第一台电子计算机ENIAC诞生 占地 面积达 170 平方米，重 30 吨 使用了大约 只电子管, 1500 个继电器,70000 只电阻,18000 只电容 开始预算经费是 15 万美元,实际耗资近 49 万美元 运算速度为每秒 5000 次加法或 50 次乘法 功率为 150 千瓦

24 计算机的演变 第一代电子计算机（ 年） 采用电子管代替机械齿轮或电磁继电器作开关元件,但它仍然笨重,而且产生很多 热量,容易损坏。 采用二进制代替十进制,即所有指令与数据都用“0”与“1”表示,分别对应于电子器件的“接通”与“断开”。程序设计语言为机器语言,显然,用机器语言来编程序既 枯燥又费时。 程序可以存储,这使通用计算机成为可能。但存储设备还比较落后,最初使用水银 延迟线或静电存储管,容量很小。后来使用了磁鼓、磁心,有了很大改进,但仍然不可能 有支持操作系统的环境。 输入输出装置主要用穿孔卡,速度很慢。

25 计算机的演变 UNVAC-I 万用自动计算机

26 计算机演变 第 2 代计算机(1958 年一 1964 年) 用晶体管代替了电子管 普遍采用磁心存储器作主存,并且采用磁盘与磁带作辅存
新的特性相继出现,例如变址寄存器、浮点数据表示、间接寻址、中断、I/O 处理机等 用汇编语言代替了机器语言,出现了高级语言 FORTRAN、COBOL。 进入实时过程控制和数据处理领域 批处理的目的是尽可能提高 CPU 的利用率 输入输出设备多采用脱机(off-line)方式工作

27 第二节 计算机的演变 第二代的代表机器——IBM7000 1958 年 ，IBM 推出大型科学计算机 7090 实现了晶体管化
采用了存取周期为 2.18μs 的磁心存储器、每台容量为 1MB 的磁鼓、每 台容量为 28MB 的固定磁盘 配置了 FORTRAN 等高级语言

28 第二节 计算机演变 第 3 代计算机(1964 年—1974 年) 用集成电路取代了晶体管 用半导体存储器淘汰了磁心存储器,存储器集成化
普遍采用了微程序设计技术,第三代计算机为计算机走向系列化、通用化、标准化作出了贡献。 系统软件与应用软件都有很大发展,出现了结构化、模块化程序设计方法。 开始出现第一代小型计算机(minicomputer),如 DEC 的 PDP-8。

29 第二节 计算机的演变 第三代计算机主流产品——IBM-System/360 1961 年 12 月提出了“360 系 统计划”。
投资 50 亿美元 共售出 台

30 第二节 计算机演变 第 4 代计算机(1974 年一目前) 用微处理器(microprocessor)或超大规模集成电路 VLSI 取代了普通集成电路 存储容量进一步扩大, 输入采用了 OCR(字符识别)与条形码,输出采用了激光打印机,以及引进光盘和新的程序设计语言 Pascal、Ada 微型计算机(microcomputer)异军突起,席卷全球,触发了计算技术由集中化向分散化转变的大变革 数据通信、计算机网络、分布式处理有了很大的发展,计算机技术与通信技术相结合正改变着世界的技术经济面貌 在图像处理领域、人工智能与机器人领域、函数编程领域、超级计算领域有了长足的发展

31 第二节 计算机的演变 计算机的发展趋势 微型化和巨型化 网络化 智能化

32 第三节 存储程序控制的概念计算机的演变 存储程序 程序控制

33 存储程序控制 存储程序控制概念是冯·诺依曼于1945年6月首先提出来的。
计算机（硬件）是由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5个基本部件组成 计算机内部采用二进制来表示指令和数据 将编号的程序和原始数据事先存入存储器中 把编好的程序和原始数据预先存入计算机的主存储器中，使计算机在工作时能够连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并加以执行， 从而自动完成预定的任务

34 第四节 计算机的硬件组成 计算机的硬件组成 运算器 控制器 存储器 输入系统 输出系统

35 第四节 计算机的硬件组成 通常将运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Unit, CPU)
中央处理器和主存储器（内存储器）一起组成主机部分 除去主机以外的硬件装置，如输入设备、输出设备和辅助存储器等，称为外围设备或外部设备

36 第四节 计算机的硬件组成

37 第四节 计算机的硬件组成 运算器 运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能包括：
第四节 计算机的硬件组成 运算器 运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能包括： 1.执行数值数据的算术加减乘除等运算，执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，由一个被称为 ALU 的线路完成。 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承担。 3.运算器通常也是数据传输的通路 。

38 第四节 计算机的硬件组成 控制器是计算机中控制执行指令的部件： 1.正确执行每条指令 （1）.首先是取来一条指令 （2）.接着分析这条指令
第四节 计算机的硬件组成 控制器 运算器 控制器是计算机中控制执行指令的部件： 1.正确执行每条指令 （1）.首先是取来一条指令 （2）.接着分析这条指令 （3）.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地执行。 3.对各种异常情况和请求及时响应和处理

39 第四节 计算机的硬件组成 控制器 运算器 高速存储器
第四节 计算机的硬件组成 控制器 运算器 高速存储器 由高速缓冲存储器，主存储器，外存储器所组成的多级（层）存储器系统，是计算机中用于存储程序和数据的子系统。这三级存储器所用的存储介质、工作原理和特性各不相同。 主存储器 外存储器

40 第四节 计算机的硬件组成 控制器 运算器 高速存储器 输入设备 主存储器
第四节 计算机的硬件组成 控制器 运算器 高速存储器 输入设备 主存储器 输入设备是向计算机中送入程序和数据的有一定独立功能的设备，通过接口和总线与计算机主机连通，用于人—机交互联系,如计算机键盘和鼠标等。 外存储器

41 第四节 计算机的硬件组成 控制器 运算器 高速存储器 输入设备 主存储器 输出设备 外存储器
第四节 计算机的硬件组成 控制器 运算器 高速存储器 输入设备 主存储器 输出设备 外存储器 输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息的设备,例如打印机, 显示器等。

42 第四节 计算机的硬件组成 控制器 运算器 高速存储器 输入设备 主存储器 外存储器 输出设备
第四节 计算机的硬件组成 控制器 运算器 高速存储器 输入设备 主存储器 外存储器 输出设备 这些部件和设备通过总线和接口连接在一起,构成计算机整机系统 ,协同运行.

43 第四节 计算机的硬件组成

44 第五节 计算机的层次结构

45 第五节 计算机层次结构 第零级是硬联逻辑级，是计算机的内核，由门、触发器等逻辑电路组成。
第一层微程序级。这级的机器语言是微指令集，用微指令编写的微程序一般是直接有硬件执行的。 第二层是传统机器级。这级的机器语言是指机器的指令集，用机器指令编写的程序由微程序进行解释。 第三层是操作系统级。从操作系统的基本功能来看，直接管理传统机器的软硬件资源。

46 第五节 计算机层次结构 第四层是汇编语言层。语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫汇编程序。
第五层是高级语言层。这级的语言是各种高级语言，面向用户的，由各种高级语言程序支持和执行。通常用编译程序来完成各种高级语言的翻译工作。 第六级是应用语言级，这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。

47 第五节 计算机层次结构 不同的人看到的计算机 一般用户，指使用计算机最基本功能的用户，应用程序的使用者。 专业用户：通常指程序设计人员。
计算机的设计人员：

48 第六节 计算机的工作工程和主要技术指标 假设给同学们一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，计算y=ax+b-c。为了便于对比，我们不妨按以下方法把使用算法进行解体的过程步骤实现用笔详细地记录在带横格的纸上。

49 第六节 计算机的工作工程和主要技术指标

50 第六节 计算机的工作工程和主要技术指标 “纸”：存储了算题的原始信息。 “算盘”：对数据进行了加、减、乘、除等算术运算。
“笔”: 把原始的数据和解题步骤记录到纸上，还可以把计算的结果写出来告诉大家。 “人”:在人的控制下，按照解题步骤一步一步地进行操作，直到完成全部运算。

51 第六节 计算机的工作工程和主要技术指标 机器字长：
指参与运算的基本位数，它是由加法器、寄存器的位数决定的。字长标志着计算机的精度，字长越长，计算机的精度就越高。 机器字长以“字节Byte”为基本单位，字节用大写字母B表示，一个字节为8位二进制数（比特bit）,位用小写字母B表示。另外，我们通常提到的字（word），是指数据字，一般是16位，双字（Double Word）是32字。需要说明的是，数据字和字长是有区别的概念，数据字是一个度量单位，用来度量各种数据类型的宽度，而字长表示数据运算的宽度，反映计算机处理信息的能力。

52 第六节 计算机的工作工程和主要技术指标 数据通路宽度：
数据总线一次所能并行传送信息的位数，是指外部数据总线的宽度，与CPU内部的数据总线宽度可以不相同。它影响到信息的传输能力，从而影响计算机的有效处理速度。

53 第六节 计算机的工作工程和主要技术指标 主存容量：
一个主存储器所能存储的全部信息量成为主存容量。一般以字节数来表示存储容量。1024个字节称为1KB。等等

54 第六节 计算机的工作工程和主要技术指标 运算速度：
影响计算机的运算速度有很多技术指标，主要包括：吞吐量、响应时间、主频、CPU时钟周期、CPI、CPU执行时间、MIPS、MFLOPS等，现分别介绍如下：

55 第六节 计算机的工作工程和主要技术指标 吞吐量： 指计算机系统在单位时间内处理请求的数量。 响应时间：
指计算机系统对请求作出响应的时间，响应时间包括CPU时间与等待时间的总和。 主频： 又称时钟频率，表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度，

56 第六节 计算机的工作工程和主要技术指标 时钟周期： CPU主频的倒数，是CPU中最小的时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。
CPI（Cycles perInstruction）： 是指每条指令执行所用的时钟周期数。在现代高性能计算机中，由于采用各种并行技术，使指令执行高度并行化，常常是一个系统时钟周期可以处理若干条指令。所以CPI参数经常用IPC（Instructions per Cycle）表示，即每个时钟周期执行的指令数:

57 第六节 计算机的工作工程和主要技术指标 CPU执行时间: MIPS（MillionInstructions per Second）：
MFLOPS（MillionFloating-point Operations per Second）： 表示每秒执行多少百万次浮点运算。对于一个给定的程序，MFLOPS定义为：