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1、计算机组成原理计算机组成原理主主 编：徐福培编：徐福培 副主编：袁春风副主编：袁春风 李李 真真 王王 健健 鲍培明鲍培明 第一章第一章 概概 述述本章学习导读：（1）什么是电子计算机？（2）它由哪几部分组成？（3）其特点又是什么？（4）在它的发展历程中经历了哪几代？计算机是一种能对数字化信息进行自动高速运算的通用处理装置。11 计算机的功能和结构信息 运算 处理1.1.1 什么是计算机1.1.2 计算机的特性计算机的特性可以归纳为高速、通用、准确、智能四大特性。目前计算机的种类非常多，主要体现在大小、速度和价格三个方面。尽管各种计算机的规模、性能和价格相差很大，但它们的组成和工作原理都是类似
2、的。1.1.3 计算机的功能计算机的基本功能主要包括以下4个：数据处理数据存储数据传送 控制指令指令1.1.4 计算机的功能部件计算机由五个功能独立的部件组成：存储器、运算器、输入部件、输出部件和控制部件。CPU 主机1.1.5 计算机结构、组织和实现计算机结构是指那些对程序员（机器语言或汇编语言）可见的系统属性，这些属性直接影响到程序的逻辑执行。计算机组织是指实现其结构规范的操作部件以及它们的互连方式。计算机实现是指计算机组成的物理实现。计算机结构主要研究指令集、寄存器定义和组织、各种数据类型表示的位数、I/O机制，以及内存访问技术等，是计算机硬件子系统的概念结构及功能特性。计算机组织主要研
3、究那些对程序员透明的硬件细节，如控制信号、数据通路宽度的确定、各部件连接方式及匹配、计算机和外设的接口以及使用的存储器技术等。计算机组成是对计算机结构的逻辑实现。CPU、主存的物理结构，芯片的集成度、速度、工艺，电源、冷却、装配、外观设计等都属于实现的范畴。12 计算机的发展1.2.1 电子计算机的诞生第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年在美国诞生。每秒5000次加法运算；每秒50次乘法运算；平方和立方计算；Sin和Cos函数数值运算；其它更复杂的计算。1.2.2 第一代计算机 （20世纪40年代中到
4、50年代末）第一代计算机为电子管计算机，其逻辑元件采用电子管，存储器件为声延迟线或磁鼓，典型逻辑结构为定点运算。计算机“软件”一词尚未出现，编制程序所用工具为低级语言。1.2.3 第二代计算机（50年代中后期到60年代中）第二代计算机为晶体管计算机。这一代计算机除了逻辑元件采用晶体管以外，其内存储器由磁芯构成，磁鼓与磁带成为外存储器。计算机典型逻辑结构实现了浮点运算，并提出了变址、中断、I/O处理等新概念。计算机软件也得到了发展，出现了多种高级语言及其编译程序。1.2.4 第三代计算机（60年代中到70年代中）第三代计算机为集成电路计算机，其逻辑元件与存储器均由集成电路实现，这是微电子与计算机
5、技术相结合的一大突破。微程序控制、高速缓存、虚拟存储器、流水线等先进计算机技术开始使用。另一大特点是大型/巨型机与小型机同时发展。1.2.5 第四代计算机（70年代中期开始）大规模（LSI）和超大规模（VLSI）集成电路及微处理器为这一代计算机的典型特征。并行处理技术的研究与应用以及众多巨型机的产生也成为这一时期计算机发展的特点。四代机时期的一个重要特点是计算机网络的发展与广泛应用。摩尔定律（Intel公司创始人之一摩尔1965年提出）：“由于硅技术的发展，每18个月，集成电路的集成度将翻一番，速度将提高一倍，而其价格将降低一半。”重要定义：不断改进技术，提高质量，降低成本；为计算机硬件发展与
6、使用的普及创造了条件；促进了软件业的发展。面临的难题：传统工艺难以适应；“门”越来越窄而难以关闭；搀质的使用接近极限；传统材料难以适应。1.2.6 新一代计算机 新器件和非冯诺依曼结构已成为新一代计算机的公认标志。13 计算机的组成与结构1.3.1 计算机系统的层次结构本书讨论的范围涉及第0、1、2共3层，主要内容如下：1.高速的算术、逻辑运算方法及ALU的 逻辑设计；2.高速的指令执行过程及指令部件的设计与实现，是采用组合逻辑技术、或微程序设计技术，还是 PLA技术；是复杂指令集计算机（CISC），还是 精简指令集计算机（RISC）；3.提高存储器容量与速度的方法，以及如何解决 “CPU-C
7、ache-MM-外存”之间的匹配问题；4.高效率的输入/输出方法、组织，以及它们之间的 互联技术；5.计算机五大部件（运算器、控制器、存储器、输入 和输出）之间的相互作用、高效接口（总线）；1.3.2 计算机硬件计算机硬件是指构成计算机的元器件、部件、设备、以及它们的设计与实现技术。冯诺依曼计算机的主要特点：1）计算机由运算器、存储器、控制器和输入/输出五个 部件组成。2）存储器以二进制形式存储指令和数据；3）存储程序工作方式；4）五部件以运算器为中心进行组织；1.3.3 计算机软件1.软件的作用一般来说，计算机的工作总是由存储程序来控制的。软件的具体作用为：在计算机系统中起着指挥和管理的作用
8、。是计算机用户和硬件的接口界面。是计算机体系结构设计的主要依据。2.软件的发展过程三个阶段：1)从第一台计算机上的第一个程序出现到实用的高级语言出现为第一阶段（1946-1956年）。2)从实用的高级程序设计语言出现到软件工程出现以前为第二阶段（1956-1968年）。3)软件工程出现以后迄今一直为第三阶段（1965）。3.软件的分类 系统软件：操作系统、编译程序。操作系统、编译程序。支撑软件：数据库、各类接口软件和工具组。应用软件：14 计算机的分类与应用1.4.1 计算机的分类按计算机所处理对象的表示形式不同可以 分成模拟计算机与数字计算机两类。计算机按其用途来分可以分成专用机和通用机两类。其中，通用计算机按其规模、性能和价格来分，又可分为巨型机、大型机、小型机、工作站、微型机等多种类型。1.4.2 计算机应用计算机信息处理技术包括了对各种信息媒体的获取、表示、加工与表现方法和技术，大致有以下几个方面内容：1语言与文字的处理。2计算机图形学与数字图象处理。3多媒体技术。4计算机辅助技术。5计算机信息系统。6计算机控制。计算机应用技术的发展方向为集成化、网络化、智能化