白中英计算机组成原理计算机系统概论.ppt

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第一章 计算机系统概述，目录如下：首先，介绍预备知识；其次，阐述计算机的分类；再者，概述计算机的发展历程；此外，讲解计算机的硬件构成；然后，探讨计算机的软件类型；最后，阐述计算机系统的层次结构。学习目标包括：掌握计算机的发展历史，明确计算机的系统层次结构，了解计算机硬件的基本组成部分，包括五大部件的构成；掌握计算机软件的分类，以及计算机的基本工作原理；了解计算机性能的评价指标和相关参数，如吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间、MIPS、MFLOPS等；初步掌握计算机系统的基本概念及结构，为深入学习打下坚实基础。在预备知识部分，问题一询问：一台计算机通常由哪些部分组成？例如，显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等，其中主机箱内包含主板。

CPU、硬盘、内存、显卡、声卡等设备，如何进行分类？它们可分为输入输出设备、中央处理设备、存储设备、接口转换卡部件和连接线。拥有这些设备，计算机能否充分发挥其功能？一个完整的计算机系统应由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统包括显示器、键盘、鼠标、音箱、CPU（集处理和控制于一身）、硬盘、内存、显卡、声卡、总线等。具体来说，内存有DDR内存条和SDRAM内存条之分，硬盘有80G硬盘，连接线有硬盘数据线，还有DVD光驱、机内电源插头等。至于计算机的分类，有数字计算机、模拟计算机、专用计算机和通用计算机之分。数字计算机处理数字量信息，按位进行运算，计算过程不连续地跳动；模拟计算机处理模拟量信息，数值连续，运算过程连续。它们是针对某一特定任务而设计的。

3、超级计算机是效率、经济性和速度三者兼顾的最佳选择，然而其适应性相对较差；与之相反，微型机虽然适应性极强，但效率、速度和经济性方面则有所牺牲。从单片机到服务器，再到大型机，计算机的种类繁多，体积、功能、数据存储量、指令系统、价格等方面各不相同，简易性也是分类的一个重要标准。以双核机为例，如P2图1所示，计算机的发展历程可以追溯到1972年至1990年，第一代计算机始于1946年，1957年进入第二代计算机时代。1991年至今，摩尔定律推动了计算机的五代变化。第一代计算机，如1945年至1958年间采用的电子管，以ENIAC为代表，最初由美国宾夕法尼亚大学于1941年开始研制，主要用于解决美陆军提出的弹道计算问题，整个项目耗资高达40万美元。

1955年10月2日，ENIAC的电源被彻底关闭。随后，第二代计算机问世，时间是1958年至1964年。在这一时期，晶体管技术得到了广泛应用。1964年，英特尔公司的创始人戈登·摩尔在一份简短的论文中提出，每隔18个月，集成电路的性能将翻一番，同时其价格将减半，这一观点被称为摩尔定律。作为半导体发展史上最具影响力的定律，摩尔定律经过40多年的发展历程得到了精确的证实。摩尔定律还可以这样表述：每过10年，计算机系统的性能将提升100倍，通讯带宽也将增加100倍，而所需资金却不会相应增长。在20世纪50至60年代，磁芯存储器因其高昂的价格和庞大的体积而备受关注。

1970年代，半导体存储器的价格居高不下，体积虽小计算机组成原理白中pdf，但读写过程不具破坏性；进入1974年之后，其价格持续下降，体积逐渐减小计算机组成原理白中pdf，读写速度也有所提升。关于存储器的详细介绍，请参阅第3章的第23页，其中涵盖了微处理器的发展历程，包括20世纪70年代的4004、8008、8080、8086、8088，以及80年代的80286、386TMDX、386TMSX、486TMDX，90年代的486TMSX、Pentium、PentiumPro、PentiumII、Pentium，以及最近10年的Pentium4、Itanium、Itanium2、双核CPU、三核CPU等内容。

计算机的性能指标包括多个方面：吞吐量，它反映了计算机在特定时间范围内所能处理的信息量；响应时间，这是从输入有效到系统产生响应所需的时间，通常以时间单位来衡量；利用率，它表示在特定时间间隔内，系统实际被使用的时间所占的比例，通常用百分比来表示；处理机字长，即机器字长，指的是处理机运算器在一次二进制运算中能够处理的位数，如32位或64位，这与系统数据总线宽度有关；总线宽度，通常指运算器与存储器之间的数据总线宽度；主存储器容量，即主存储器所能存储的二进制数据的位数，或者说主存储器中所有存储元的总数目，而非存储单元；主存储器带宽，它表示单位时间内从主存储器读出的二进制信息量。需要注意的是，课本中可能存在表述错误。

7、信息量通常以字节为单位，通过每秒的数值来表示。主频指的是CPU主时钟的频率，其倒数则是CPU的时钟周期，记作T周期计算机组成原理白中pdf，数值为30。1代表秒，2代表字节，4则是计算机的性能指标之一。CPU的运算速度和执行时间，即CPU执行一般程序所占用的CPU时间，用CPI来表示，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。MIPS，即每秒百万指令数，是单位时间内执行的指令数。对于标量机，执行一条指令通常只得到一个运算结果。MFLOPS，即每秒百万次浮点操作数，用于衡量机器浮点操作的性能。针对向量机，执行一条向量指令通常可得到多个运算结果。其他性能指标包括主存储器的读写速度、IO的数据传送率以及带宽的均衡性。31、1、3部分涉及计算机的硬件，其中1、3、1代表硬件的组成要素，使用算盘计算y。

8、ax b c 纸、存储器算盘、运算器笔、输入输出设备以及人控制器构成了32位冯·诺依曼机的五大组成部分。存储器采用二进制形式来存储指令与数据，其中指令由操作码和地址码构成。冯·诺依曼机通过存储程序并按地址顺序执行，其核心设计思想是使机器实现自动化工作，以运算器为核心。33、冯·诺依曼机与现代微机的结构存在差异。34、现代计算机的特点包括：将运算器、控制器和片内的高速缓存统称为CPU，将CPU、主存储器、输入输出接口和系统总线统称为主机，而其他设备则被归类为外设。在主机内部，仅包含主存储器，辅助存储器则属于I/O设备。以存储器为中心的设计减轻了CPU的数据传输负担。

为了提升系统的整体性能，运算器负责执行所有算术和逻辑运算，通常被称为算术逻辑单元（ALU）。它以二进制形式进行运算，一次处理的数据位数称为机器字长，常见的有8、16、32、64位等。机器字长直接影响到运算的精度和计算能力。运算器主要由ALU和多种通用寄存器组成。运算器结构示意图在第36页第1段第3点有详细展示。存储器的主要功能是保存所有程序和数据，以二进制形式存储。存储器按照存储单元进行组织，读写操作时需要提供单元地址。相关概念包括存储元，它是用于保存单个0或1二进制数据的物理器件；存储单元则是能够保存一个字数据的器件，由多个存储元组合而成；单元地址用于区分每个存储单元。

存储单元的编号通常从0开始排列，而存储容量则是指一个存储器能够保存的二进制信息的整体量。在存储器结构示意图中，我们可以看到37号存储器、1号存储器、3号存储器以及3号存储器，此外，存储器还有不同的分类，包括外存、辅助存储器、磁盘存储器和光盘存储器。CPU无法直接访问的是内存，也就是主存储器，它是由半导体存储器构成的，并且是CPU可以直接访问的。主存储器中存放了当前系统运行所需的全部程序和数据。与主存储器相关的有两个寄存器，分别是MAR（存储器地址寄存器），它负责接收CPU送来的地址信息，以及MDR（存储器数据寄存器），它作为外界与存储器之间的数据通道。控制器的主要功能是根据指令的功能需求，依次发出各种控制命令，以协调计算机各个部件的工作。其主要任务包括解释并执行指令、控制指令的执行顺序以及负责指令执行过程中的各种操作。

在执行指令过程中，操作数的寻址需依据指令的具体执行来协调各部件的运作，例如，运算类指令在执行时，会对标志寄存器产生影响，并设置操作码以指示指令所执行的操作，如加法、减法或数据传输等。同时，地址码会指出执行这些操作所需数据的具体存放位置。以计算机运算y=ax+b+c为例，其中a、b、c、x、y均为二进制数，如课本P9图1和表1所示。控制器的工作周期包括取指周期和执行周期，取指周期是获取指令的一段时间，执行周期是执行指令的一段时间。在指令顺序执行的控制部件中，每取出一条指令，指令计数器就会增加1。若遇到转移指令，则需根据转移条件进行相应的处理。

控制器依据执行指令来设定指令计数器的数值，涉及到的相关概念包括数据字，它代表需处理的数据；指令字，它代表一条指令；指令流，这是在取指周期中从内存中读取的信息流；数据流，这是在执行周期中从内存中读取的信息流；此外，一条指令的字节数为42，适配器的作用是确保外围设备能够按照计算机系统特性要求的形式进行信息的发送或接收；系统总线则是构成计算机系统骨架的部分，它是多个系统部件之间进行数据传输的公共通道。使用计算机的过程包括：首先提出问题，例如计算y=ax+b。

遵循指令系统编制的程序白中英计算机组成原理计算机系统概论.ppt，将指令转换成机器代码，并送入主存储器。控制器负责执行程序，其中程序计数器（PC）的位数与主存储器地址寄存器（MAR）相同，指令寄存器（IR）的位数与数据寄存器（MDR）相同。以简化模型来描述计算机的工作过程，包括程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、控制单元（CU）、主存储器地址寄存器（MAR）、数据寄存器（MDR）、运算器（ALU）、暂存器（X）、累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ，包括高4位和低4位）。运算器和存储器通过控制字进行操作，控制器则负责协调整个过程。思考一下，计算机是如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据的。

指令系统中包含了六种指令，它们分别对应着汇编语言的助记符操作码地址码，具体包括：LMA用于加载，其操作码为0001n，地址码为M；ACCSAM用于累加存储，操作码为0010n，地址码为M；MADD用于累加乘法，操作码为0011n，地址码为ACC；ACCMUL用于累加乘法，操作码为0100n，地址码为ACC；ACCOUT用于输出，操作码为0101n，地址码为M；HLT用于停机，操作码为0110。地址码是一个4位的二进制数。以一个简化的计算机模型为例，其指令格式如下：序号、指令注释、0LMAx M ACC、1MULx ACC M ACC、2MULa ACC M ACC、3SAMy ACC M、4LMAx5MULb6ADDy7ADDc8SAMy9HLT、10Xdb、11Adb、12Bdb、13Cdb、14Ydb、00001101010100101020100。

编制程序以计算y=ax^2+bx+c，需考虑汇编后的内存分配情况。指令系统包括LM、nSAM、nADD、nMUL、nOUT、nHLT等指令。采用简化模型，演示几位、几位、几位、几位、几位、几位等。计算机软件系统程序旨在简化程序设计，简化使用方法，提高使用效率，并发挥和扩大计算机的功能及用途。这包括服务性程序白中英计算机组成原理计算机系统概论.ppt，如诊断程序、排错程序、练习程序等。

程序，诸如汇编程序、编译程序、解释程序等，以及操作系统、数据库管理系统、应用程序，都是用户利用计算机解决实际问题而编制的。它们包括工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等，共计50种。计算机系统的层次结构，从不同角度观察，展现了计算机的构成。这包括微程序设计级、硬件级，其中硬件信号作用于计算机；一般机器级、硬件级，通过微程序解释机器语言；操作系统级、混合级，使用机器指令和广义指令；汇编语言级、软件级，使用汇编语言；高级语言级、软件级，使用高级语言。计算机系统的层次结构图直观地展示了这一结构。软件与硬件的逻辑等价性方面，硬件指的是计算机系统中使用的电子线路和物理装置，而软件则指挥着整个计算机硬件系统。

工作的程序集合，由人们预先编制的具备各种特定功能的信息构成。固件，它具备某种软件的功能，通常以ROM的形式实现，在功能上相当于软件，而在形态上则是硬件。本章小结，要求了解计算机的分类和发展简史，掌握一些常用计算机的性能指标，如吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间、MIPS、MFLOPS。此外，还需了解计算机的硬件组成和整机的基本工作原理，包括冯·诺依曼机的特点及其与现代微机的异同，通过简化模型来理解整机的工作过程。同时，要理解计算机软件的组成和分类，以及计算机系统的层次结构——5级结构及其各级的执行命令、指令。关于2009年考研真题，冯·诺依曼计算机中，指令和数据均以二进制形式存储在存储器中，CPU区分它们的依据是：C、指令周期的不同阶段。取指阶段获取的是指令，执行阶段获取的是数据。本章作业见P154的第5、6、7、8题。