1、計算機組成原理教材石磊，計算機組成原理第3版, ，2011參考書白中英，計算機組成原理第4版，科學出版社，2010薛勝軍,計算機組成與結構第3版,華中科技大學出版社，2010王誠，計算機組成與設計第3版, ，2008第一章 概述第二章 計算機中的數據表示第三章 運算方法和運算器第四章 存儲器及存儲系統第五章 指令系統 第六章 中央處理器 第七章 總線系統第八章 輸入輸出系統第九章 計算機外部設備 第十章 計算機系統及發展目錄一、課程性質與任務（課程在專業教學計劃中的地位與課程教學目標）“計算機組成原理”屬于專業基礎課，必修課。面向應用、突出實踐、偏向硬件和理論。計算機組成原理是計算機教學中的一

2、門核心課程，是學習計算機課程所要必修的主干課。通過教學，使學生對計算機的各主要部分（運算期、控制器、存儲器、輸入輸出設備）的構成及工作原理有一個深刻的、系統的認識和理解，同時對計算機的發展趨勢也有一個較為深入的了解。主要講解簡單、單臺計算機的完整組成原理和內部運行機制，包括運算器部件、控制器部件、存儲器子系統、輸入/輸出子系統與輸入/輸出系統設備，圍繞各自的功能、組成、設計、實現、使用等知識進行介紹；此外，該課程的工程性、實踐性、技術性比較強，還強調培養學生的動手動腦能力、開創與創新意識、實驗技能，這些要求更多的是通過作業、教學實驗等環節完成，要求學生有意識地主動加強這些方面的練習與鍛煉。二、

3、課程的基本要求（課程教學應使學生達到的基本要求）計算機系統概述、計算機中的數據表示、運算方法和運算器、指令系統、隨機邏輯和微程序控制原理、存儲系統、輸入輸出系統、計算機外設簡介，要求學生掌握計算機的組成和工作原理。通過學習，使學生了解計算機的組成原理及工作原理，以建立整機概念。本課程設有實驗，以加深對課程內容的理解，培養學生的動手能力。三、課程與其他課程的聯系與分工先修課：數字電路、模擬電路、匯編語言程序設計后續課：計算機系統結構、微型原理，關系密切的還有操作系統等課程。四、課程總學時中各環節的學時分配（講授、實驗、上機、實踐等）授課學時（參考）：72，實驗學時（參考）：18教學大綱第一章 概

4、述第二章 計算機中的數據表示第三章 運算方法和運算器第四章 存儲器及存儲系統第五章 指令系統 第六章 中央處理器 第七章 總線系統第八章 輸入輸出系統第九章 計算機外部設備 第十章 計算機系統及發展目錄1960年：計算可能有一天將被組織為公共事業。 麥卡錫John McCarthy :“Computation may someday be organized as a public utility“Computer Utilities” Vision: Implications of the Internet1969 Leonard Kleinrock, ARPANET project“As

5、of now, computer networks are still in their infancy, but as they grow up and become sophisticated, we will probably see the spread of computer utilities, which, like present electric and telephone utilities, will service individual homes and offices across the country”Computers Redefined 1984 John

6、Gage, Sun Microsystems“The network is the computer”2008 David Patterson, U. C. Berkeley “The data center is the computer. There are dramatic differences between of developing software for millions to use as a service versus distributing software for millions to run their PCs”2008 “The Cloud is the c

7、omputer” Dr. Rajkumar Buyya, University of Melbourne, Australia 第一章 概述什么是計算機？計算機（Computer）是一種以電子器件為基礎的，不需人的直接干預，能夠對各種數字化信息，進行算術和邏輯運算的快速工具。 1.1 計算機的發展與應用 計算機從總體上來說分為兩大類: 模擬計算機和數字計算機。各自主要特點：模擬計算機由模擬運算器件構成，其變量由連續量（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續的數字計算機則是由邏輯電子器件構成，其變量為開關量（離散的數字量），采用數字式按位運算，運算模式是離散式的。數字計算機與模擬計算計的主要

8、區別比較內容數字計算機模擬計算機數據表示方式數字0和1電壓、電流等計算方式數字計算電量組合和測量值控制方式程序控制模擬信號組合控制精度、抗干擾性高、好低、差數據存儲量大小、幾乎無邏輯判斷能力強無1、第一代計算機 （1）1946年第一臺計算機ENIAC50年代末 （2）主要特征：電子管作為電子器件 （3）軟件處于初始階段，使用機器語言與符號語言編制程序 （4）特點：體積大，運算速度低，存儲容量小， 主要用于科學計算。1.1.1 計算機的發展簡史 （1/5）2、第二代計算機 （1）50年代末60年代初 （2）主要特征：晶體管作為電子器件 （3）軟件開始使用計算機高級語言 （4）特點：體積減小，重量

9、輕、壽命長、耗電少、 運算速度快、存儲容量比較大等優點。不僅 用于科學計算，還用于數據處理和事務處理， 并逐漸用于工業控制。 1.1.1 計算機的發展簡史 （2/5）1.1.1 計算機的發展簡史 （3/5）3、第三代計算機 （1）60年代中期70年代初期 （2）主要特征：中、小規模集成電路作為電子器件 （3）操作系統出現 （4）特點：體積與功耗都得到進一步減小，可靠性和運算速度進一步提高。不僅用于科學計算，還用于文字處理、企業管理、自動控制等領域， 出現了管理信息系統，可用于生產管理、交通管理、情報檢索等領域。4、第四代計算機 （1）1971年到1990年。 （2）主要特征：用大規模與超大規模

10、集成電路（LSI，VLSI）作為電子器件 （3）特點：軟件越來越豐富，并且功能強大 （4）代表產品：IBM PC8088802868038680486Pentium1.1.1 計算機的發展簡史 （4/5）1.1.1 計算機的發展簡史 （5/5）5、第五代計算機 （1）1990至今 （2）主要特征：用甚大規模集成電路（ULSI）作為電子器件 （3）主要標志：一個是單片集成電路規模達100萬晶體管以上；另一個是超標量技術的成熟和廣泛應用。 未來的計算機以超大規模集成電路為基礎，未來的計算機將向巨型化、微型化、網絡化與智能化的方向發展。1.1.2 計算機的特點計算機是由硬件和軟件組成的復雜設備計算機

11、以電子器件為物質基礎計算機由程序控制其操作過程計算機以離散的數字量形式進行工作計算機的基本運算操作是算術和邏輯運算，運算速度和計算精度極高1.1.3 計算機的應用領域1、科學計算2、過程檢測與控制計算機檢測系統：利用計算機對工業生產過程中的某些信號自動進行檢測，把檢測到的數據存入計算機，再根據需要對這些數據進行處理。3、信息管理是指利用計算機來加工、管理與操作任何形式的數據資料，如企業管理、物資管理、報表統計、信息情報檢索等。4、計算機輔助系統 計算機用于輔助設計、輔助制造、輔助教學等方面，統稱為計算機輔助系統。1.2 計算機系統的組成計算機系統由計算機硬件和計算機軟件組成。計算機硬件（Har

12、dware）是指構成計算機的所有實體部件的集合，通常這些部件由電路（電子元件）、機械等物理部件組成。計算機軟件（Software）主要是一系列按照特定順序組織的計算機數據和指令的集合。1983年，IEEE對軟件給出了一個較為全面的定義：軟件是計算機程序、方法、規范及其相應的文檔以及在計算機上運行是所必須的數據。軟件是相對于機器硬件而言的。1.2.1 計算機的硬件系統1、存儲器：存儲器是用來存放數據和程序的部件。2、運算器：對信息進行運算處理的部件。主要功能是對二進制數碼進行算術（加減乘除）和邏輯（與或非）運算。3、控制器：整個計算機的控制核心。主要功能是讀取指令、翻譯指令、并向計算機各部分發出

13、控制信號，以便執行指令。4、輸入設備：將數據和程序轉換成計算機能夠識別和接受的信息，并順序地把它們送入存儲器中。輸入設備有許多種，例如鍵盤、鼠標、掃描儀、光電輸入機等。5、輸出設備：輸出設備將計算機處理的結果以人們能接受的或其它機器能接受的形式送出。輸出設備有許多種類，例如顯示器、打印機、繪圖儀等。1.2.1 計算機的硬件系統存儲器數據流控制流運算器外存儲器輸出設備內存儲器輸入設備控制器1. 運算器算術運算邏輯運算采用二進制數（容易實現）位數越多，計算精度越高計算機的運算器長度：8位、16位、32位或64位2. 存儲器功能：保存或“記憶”數據和運算過程存儲的是0或1表示的二進制代碼主存采用半導

14、體器件來作為存儲器一個半導體觸發器記憶一個二進制位存儲單元： 在存儲器中保存一個n位二進制數的n個觸發器，組成一個存儲單元存儲器地址：存儲器是由許多存儲單元組成，每個存儲單元的編號，稱為地址存儲容量：存儲器所有存儲單元的總數。通常用單位“KB、MB、GB”等表示內存儲器（主存）和外存儲器(輔存）表示參加運算的數據從存儲器的哪個單元取運算的結果應存到哪個單元3. 控制器控制計算機的各個部件有條不紊地進行工作指令有兩部分：操作的性質和操作的地址操作碼地址碼指出指令所進行的操作加、減、乘、除、取數、存數等 指令操作碼加法減法乘法除法取數存數打印停機001010011100101110111000電子

15、計算機的設計思想存儲程序，程序控制“存儲程序”，是把指令以代碼的形式事先輸入到計算機的主存儲器中，即用記憶數據的同 一裝置存儲執行運算的命令，這些指令按一定的規則組成程序“程序控制”，是當計算機啟動后，程序就會控制計算機按規定的順序逐條執行指令，自動完成預定的信息處理任務馮諾依曼型計算機的設計思想存儲程序并按地址順序執行馮諾依曼計算機的基本思想采用二進制形式表示數據和指令。指令由操作碼和地址碼組成；將程序和數據存放在存儲器中，使計算機在工作時從存儲器取出指令加以執行，自動完成計算任務。這就是“存儲程序”和“程序控制”（簡稱存儲程序控制）的概念；指令的執行是順序的，即一般按照指令在存儲器中存放的

16、順序執行，程序分支由轉移指令實現。計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入和輸出設備五大基本部件組成，規定了5部分的基本功能控制器的基本任務 按照計算程序所排的指令序列，先從存儲器取出一條指令放到控制器中，對該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別，然后根據指令性質，執行這條指令，進行相應的操作。接著從存儲器取出第二條指令，再執行第二條指令，依次類推取指令的一段時間叫做取指周期執行指令的一段時間叫做執行周期執行完成指令的時間，稱為指令周期指令字和數據字，指令流和數據流 某字為一條指令，則稱為指令字某字代表要處理的數據，稱為數據字在取指周期中從內存讀出的信息是指令流，它流向控制器而執行周期中從內存讀出的信

17、息流是數據流，它由內存流向運算器時間上：在取指周期中，CPU從內存讀出的信息一定是指令；而執行周期中從內存讀出或寫入的信息一定是數據。空間上：指令一定流向控制器；而數據則是在內存（或寄存器）與運算器之間流動1.2.1 計算機的硬件系統總線（Bus）：是計算機中用于傳送信息的公用通道，是為多個部件服務的一組信息傳送連接線。總線的分類： （1）按傳送信息的屬性分： 數據總線（DB）在各部件之間傳送數據信息 地址總線（AB）傳送各部件相互訪問的地址信息 控制總線（CB）傳送控制各部件操作的控制信息（2）按信息傳送的方向分： 單向總線 雙向總線（3）按連接對象和完成的功能分： I/O BUS 用于外設

18、與主機的信息交換。 MEMORY BUS用于CPU與主存儲器的信息交換按總線連接方式，計算機組成結構分為三類1、單總線結構 ：把各功能部件連接在單總線上，所有部件間的信息交換都經由單總線進行。 （1）Unified-Bus：一元化總線：PDP-11（2）Single-Bus：單總線：IBM-PC2、雙總線結構（1）兩種總線：存儲總線和I/O總線（2）三種形式： （A）以CPU為中心的雙總線結構 （B）以存儲器為中心的雙總線結構 （C）采用通道或輸入輸出處理機處理輸入輸出3、多總線結構： 在高速外設與主存儲器之間可以增設直接存儲器訪問方式的高速I/O總線（DMA總線）。1.2.1 計算機的硬件系

19、統 第一臺電子計算機（ENIAC）5000次加法/秒體重28噸占地170M218,800只電子管1500個繼電器耗電150KWTop500 (2004)曙光4000ATop500 (2006)IBM Blue GeneTop500 (2008)IBM RoadrunnerTop500 (2008)曙光5000ATop500 (2009) Cray JaguarTop500 (2010) 天河一號摩爾定律早在1964年，英特爾公司創始人戈登.摩爾（Gordon Moore）在一篇很短的論文里斷言：每18個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。這就是著名的摩爾定律。作為迄今為止半導體發

20、展史上意義最深遠的定律，摩爾定律被集成電路近40年的發展歷史準確無誤地驗證著。什么是微型計算機微型計算機（Microcomputer）采用微處理器為核心構造的計算機微處理器（Microprocessor）一塊大規模集成電路芯片微型機的運算和控制核心中央處理單元（CPU：Central Processing Unit）相對來說，微機性能、價格、體積較小工作學習中使用的個人微機生產生活中運用的各種智能化電子設備微處理器的基本性能指標字長微處理器每個時間單位處理的二進制數據位數例如一次進行運算、傳輸的位數時鐘頻率微處理器的處理速度反映微處理器的基本時間單位集成度表明微處理器的生產工藝水平常用芯片上集

21、成的晶體管數量來表達通用微處理器4位微處理器1971年，Intel 4004，第一個微處理器8位微處理器M6800、Z80和Intel 8080/8085Apple公司蘋果機16位微處理器Intel 8086/8088 16位個人計算機（PC：Personal Computer）32位微處理器80386，80486，PentiumPentium 432位PC機，APPLE公司的Macintosh機64位微處理器專用微處理器 單片機（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列愛特梅爾（Atml）公司的AT89系列（與MCS-51兼容），AT91

22、系列（基于ARM內核）Microchip Technology公司的PIC系列數字信號處理器（DSP）專注于數字信號的高速處理美國德州儀器TI公司TMS320各代產品主要應用于通信、消費類電子產品和計算機主要應用形式：嵌入式系統IP級結構，芯片級結構，模塊級結構808616位結構的微處理器：數據總線為16位主存容量1MB：地址總線為20位時鐘頻率5MHz（IBM PC使用4.77MHz）準16位微處理器8088：外部數據總線為8位IBM PC和PC/XT機使用Intel 8088 CPU處理器總線（Bus）微處理器的對外引腳（Pin）數據、地址和控制三組信號電源和地線處理器總線數據總線（DB：

23、Data Bus）處理器與存儲器或外設交換信息的通道個數（條數）是一次能夠傳送數據的二進制位數 地址總線（AB：Address Bus）指定存儲器或外設的具體單元個數反映訪問的主存儲器容量或外設范圍控制總線（CB：Control Bus）控制處理器數據傳送等操作一個信號兩種狀態（高或低）兩種編碼（1或0）N：2N地址就是號碼8028616位數據總線，24位地址總線（16MB主存）實方式（Real Mode）與8086工作方式一樣保護方式（Protected Mode）提供存儲管理、保護機制和多任務管理的硬件支持IBM PC/AT機使用Intel 80286 CPU1KB210 B1024 B1

24、MB220 B1024 KB1GB230 B1024 MB20：22024：22432：2328038632位結構數據總線32位，地址總線32位，可尋址4GB主存虛擬8086方式（Virtual 8086 Mode）保護方式下的8086工作方式系統管理方式（System Management Mode）低功耗節能狀態英特爾32位結構：IA-32（Intel Architecture-32）IA-32微處理器：80386，80486，Pentium系列804868048680386803878KB Cache浮點處理單元FPU8086/8088：8087，80286：80287，80386：80

25、387高速緩沖存儲器Cache微處理器與主存之間速度很快但容量較小的存儲器用于提高整個存儲器系統的存取速度復雜指令集計算機CISC融合精簡指令集計算機RISC的技術特點，例如：指令流水線指令執行劃分成多個步驟在多個部件中獨立地進行多條指令可以在不同的執行階段同時進行Pentium俗稱的80586微處理器，奔騰微處理器32位結構，連接主存的外部數據總線卻是64位超標量（Superscalar）技術具有可以并行工作的2條整數處理流水線，可以達到每個時鐘周期執行2條指令雙路高速緩沖結構8KB代碼高速緩沖存儲器8KB數據高速緩沖存儲器Pentium Pro原稱P6，中文名稱為“高能奔騰”兩個芯片組成C

26、PU一級（L1）Cache（8KB代碼和8KB數據）二級（L2）Cache（256KB或512KB）擴展的超標量技術12級指令流水線能同時執行3條指令動態執行技術分支預測、數據流分析和推測執行Pentium II多媒體擴展指令（MMX指令）MMX（MutliMedia eXtension）整數運算多媒體指令對圖像、音頻、視頻和通信方面的程序進行優化提升微機對多媒體的處理能力Pentium MMX（多能奔騰）：MMX指令應用于Pentium處理器Pentium II：MMX指令應用于Pentium ProPentium III數據流SIMD擴展指令（SSE指令）SSE（Streaming SIM

27、D Extensions）浮點單精度多媒體運算指令提高浮點3D數據的處理能力。SSE指令類似于AMD公司發布的3D Now!指令Pentium III：SSE指令應用于Pentium II 單指令多數據SIMDSingle Instruction Multiple Data表示一條指令具有同時處理多組數據的能力Pentium 4NetBurst的微結構（Microarchitecture） 指令級并行ILP（Instruction-Level Parallel）進一步發掘指令之間可以同時執行的能力超線程HT（Hyper Threading）線程級并行TLP（Thread-Level Paral

28、lel）發掘程序中的并行性一個物理處理器形成兩個邏輯處理器SSE2指令增強浮點雙精度多媒體運算能力SSE3指令增強和完善MMX，SSE和SSE2指令Intel 80 x86微處理器Celeron（賽揚）微處理器面向低端（低價位）PC機Xeon（至強）微處理器面向高端服務器、工作站AMD微處理器AMD公司生產的IA-32微處理器兼容芯片Intel公司最主要的競爭對手雙核微處理器單芯片多處理器SMP技術Intel的Pentium D：單芯片雙Pentium 4核心64位微處理器AMD的K8核心：兼容IA-32的64位微處理器Intel的EM64T（擴展64位技術）： IA-32的64位擴展微型計算

29、機結構1. 微處理器2. 存儲器3. I/O接口和I/O設備4. 系統總線控制總線CB數據總線DB地址總線AB微處理器I/O設備I/O接口存儲器系統總線BUS微處理器微機的核心、控制中心，中央處理器CPU大規模集成電路VLSI芯片，集成控制器運算器（整數運算器）寄存器（高速存儲單元）高性能微處理器內部還有浮點處理單元甚至多媒體數據運算單元存儲管理單元、代碼保護機制Cache存儲器存儲器（Memory）是存放程序和數據的部件高性能微機的存儲系統微處理器內部的寄存器（Register）高速緩沖存儲器（Cache）主板上的主存儲器以外設形式出現的輔助存儲器主存儲器（主存、內存）半導體存儲器芯片組成R

30、AM部分斷電后信息丟失相對造價高、速度快、但容量小輔助存儲器（簡稱輔存或外存）磁盤、光盤存儲器等構成相對造價低、容量大、信息可長期保存，但速度慢RAM和ROMI/O接口和I/O設備I/O設備（Peripheral）：用戶與微機交互輸入（Input）設備，如標準輸入設備：鍵盤輸出（Output）設備，如標準輸出設備：顯示器I/O接口（Interface）：外設和主機間的橋梁完成信號變換、數據緩沖、聯絡控制等工作較簡單的I/O接口電路與主板一體較復雜的I/O接口電路制成獨立的電路板（接口卡Card）系統總線總線（Bus）：傳遞信息的一組公用導線、信息通道系統總線（System Bus）：微機系統中

31、信息交換的主要公共通道地址總線：單向輸出主存單元或I/O端口的地址信息數據總線：讀（Read）操作數據輸入微處理器；寫（Write）操作數據輸出到外界（主存或外設）控制總線：有些控制信號或狀態信號輸出；有些請求或聯絡信號輸入微機系統采用總線結構，總線連接使得微機組合靈活、擴展方便個人微機8位時代：Apple-II機，中華學習機16位時代：IBM PC系列機1981年，IBM PC機：Intel 8088，DOS1982年，IBM PC/XT（Expanded Technology）1984年，IBM PC/AT（Advanced Technology）IBM PC/XT/AT機的兼容微機32位

32、時代：32位PC機IA-32或其兼容微處理器Windows或Linux64位時代：計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設備組成的。都是由元件構成的有形物體，因而稱為硬件或硬設備。硬件是計算機系統中實際物理裝置的總稱計算程序，因為它是無形的東西，稱為軟件或軟設備。軟件是指在硬件上運行的程序和相關的數據及文檔硬件是軟件的工作基礎，軟件是硬件功能的擴充和完善。兩者相互依存，相互促進。軟件與硬件的結合，構成完整的計算機系統計算機系統硬件系統軟件系統軟件（Software）：指能使計算機工作的程序和程序運行時所需要的數據，以及與這些程序和數據有關的文字說明和圖表資料，其中文字說明和

33、圖表資料又稱為文檔。軟件的分類：（1）系統軟件：指管理、監控和維護計算機資源的軟件。 操作系統：DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX 語言處理程序：機器語言、匯編語言和高級語言 數據庫管理系統：數據庫和管理數據庫的軟件 服務程序：例如編輯程序、診斷程序、排錯程序等 （2）應用軟件：除了系統軟件以外的所有軟件，是用戶利用計算機及其提供的系統軟件為解決各種實際問題而編制的計算機程序。 1.2.2 計算機的軟件系統軟件程序+數據+文檔計算機軟件程序數據文檔軟件分類操作系統 語言處理程序服務性程序應用軟件辦公軟件包數據庫管理系統瀏覽器實時控制軟件診斷、排錯程序反病毒程序備份程序文件壓縮程序卸載

34、程序圖形圖像處理軟件其它應用軟件系統軟件目的程序早期計算機中，人們直接用機器語言編寫程序，計算機完全可以“識別”并能執行，所以又叫做目的程序用機器語言編寫程序很繁瑣，又耗費大量的人力和時間，容易出錯，出錯后尋找錯誤也相當費事，大大限制了計算機的使用匯編程序為了編寫程序方便翻譯和提高機器的使用效率，人們發明了匯編語言借助于匯編程序，計算機本身自動地把符號語言表示的程序（稱為匯編源程序）翻譯成用機器語言表示的目的程序用約定的文字、符號和數字（助記符）按規定 的格式來表示各種不同的指令高級語言為了進一步實現程序自動化和便于程序交流，使不熟悉具體計算機的人也能很方便地使用計算機，人們又創造了各種接近于

35、數學語言的算法語言（高級程序設計語言）算法語言是指按實際需要規定好的一套基本符號以及由這套基本符號構成程序的規則。比較接近數學語言，直觀通用，與具體機器無關，只要稍加學習就能掌握，便于推廣使用計算機編譯程序用程序設計語言編寫的程序稱為源程序，這種源程序不能由機器直接識別和執行，必須給計算機配備一個即懂算法語言又懂機器語言的“翻譯”，才能把源程序翻譯為機器語言通常采用下面兩種方法：編譯系統： 用編譯程序將源程序編譯成機器語言形式的目的程序，然后在目標系統運行解釋系統 ：逐個解釋并立即執行源程序的語句，它不是編出目的程序后再執行，而是直接逐一解釋語句并得出計算結果軟件與硬件的邏輯等價性隨著大規模集

36、成電路技術的發展和軟件硬化的趨勢，計算機系統軟、硬件界限已經變得模糊了任何操作可以由軟件來實現，也可以由硬件來實現；任何指令的執行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成對于某一功能采用硬件方案還是軟件方案，取決于器件價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期等軟件的特點 易于實現各種邏輯和運算功能，但是常受到速度指標和軟件容量的制約；硬件的特點 可以高速實現邏輯和運算功能，但是難以實現復雜功能或計算，受到控制復雜性指標的制約。1.2.3 計算機系統的層次結構（1/3）硬件和軟件的邏輯等價 1、含義： （1）任何一個由軟件完成的操作可以由硬件實現 （2）任何一條由硬件執行的指令能用軟件完成2、固件（Fi

37、rmware）：是一種界于傳統的軟件和硬件之間的實體，功能上類似軟件，但形態上又是硬件。微程序是計算機硬件和軟件相結合的重要形式。計算機系統的層次結構第5層編譯程序高級語言層第4層匯編程序匯編語言層第3層操作系統操作系統層第2層微程序機器語言層第1層微指令直接由硬件執行微程序設計層1.2.3 計算機系統的層次結構（2/3）1、系列機：一組同屬一個系統結構，在性能上由低檔到高檔形成一個系列的計算機，組成一個計算機系列（family）。系列機中的每個機型都具有：相同的基本指令系統，相同的數據結構，相同的基本輸入輸出操作，支持相同的基本系統軟件等。2、兼容性：包括軟件兼容、硬件兼容、系統兼容等。 （

38、1）軟件兼容是指一個軟件不經修改就能在不同機型上正確運行。 （2）軟件兼容存在以下兩種情況： 軟件的向上兼容性指某檔機原開發的軟件可以不加修改便能在它的高檔機上正確運行使用。 軟件的向下兼容性指某檔機的軟件可以不加修改便能在它的低檔機上正確運行使用。1.2.3 計算機系統的層次結構（3/3）系列機和兼容機系列機描述在一個廠家內生產的具有相同的體系結構，具有不同組成和實現的一系列不同型號的機器IBM PC系列機兼容機描述不同廠家生產的具有相同體系結構的計算機IBM PC/AT兼容機軟件兼容軟件兼容：同一個軟件可以不加修改地運行于體系結構相同的各檔機器，結果一樣，運行時間不同。當前機器時間機器檔次

39、向上兼容向下兼容向前兼容向后兼容模擬和仿真模擬（simulation）用一臺機器的指令系統，去解釋另一臺系統結構不同的機器的指令系統，以實現軟件的移植實現容易、速度較慢仿真（emulation）直接用微程序去解釋另一臺系統結構不同的機器的指令系統，以實現軟件的移植微程序編寫困難、實現速度較快模擬與仿真可實現不同系統結構機器之間的軟件移植對于使用頻率較高的指令，盡可能用仿真方法以提高運算速度，而對使用頻率低且難于用仿真實現的指令則用模擬方法加以實現微程序機器級高級語言級匯編語言級操作系統級傳統機器級A機器系統高級語言級操作系統級傳統機器級B機器系統模擬和仿真模擬仿真宿主機虛擬機目標機系統結構、組

40、成與實現計算機系統結構(Computer architecture）計算機系統的軟件與硬件的界面指令系統程序員所看到的計算機屬性外特性 計算機組成(Computer organization）組織計算機系統結構的邏輯實現計算機實現(Computer implementation）計算機組成的物理實現計算機系統的結構，組成，實現是三個完全不同的概念，相互間有著十分密切的依賴關系和相互的影響。廣義的計算機系統結構即包括經典的指令集結構，也包括計算機組成和實現技術的研究結構、組成和實現一種體系結構可以有多種組成一種組成可以有多種物理實現是否設置乘方/開方指令邏輯設計1(硬聯電路)實現方案1(V1,$

41、1,T1)邏輯設計3(微程序)邏輯設計2(ROM查表)實現方案2(V2,$2,T2)實現方案3(V3,$3,T3)計算機系統結構計算機組成計算機實現是否1.3 計算機的工作特點和性能指標 1.3.1 計算機的工作特點運算速度快計算精度高 存儲容量大 具有邏輯判斷功能 自動化程度高，通用性強 主頻很大程度上決定計算機的運行速度，單位兆赫茲。字長決定了計算機的運算精度、指令字長度、存儲單元長度等，可以是8/16/32/64位。運算速度早期方法是每秒執行加法指令的次數用等效速度衡量。等效速度由各種指令平均執行時間以及對應的執令運行比例計算得出。單位是每秒百萬指令利用“標準程序”在不同的機器上運行得到

42、的實測速度。存儲容量字數字長 1K：1024B（210） 1M：1024K（220） 1G：1024M（230） 1T：1024G（240） 1P：1024T（250） 1.3.2 計算機的性能指標 可靠性常用平均無故障時間（MTBF）衡量。平均無故障時間(MTBF）是指兩次故障之間能正常工作時間的平均值。假設表示單位時間內失效的元件數與元件總數的比例即失效率，則MTBF=1/。例如=0.02%/h，則MTBF=1/=5000h可維護性可用平均修復時間（MTRF）表示，指從故障發生到機器修復平均所需要的時間。 MTBRMean Time Between Repairs（字典縮略） MTTRMe

43、an Time To Repair（微軟計算機辭典）可用性是指計算機的使用效率。 A=MTBF/(MTBF+MTRF) 可靠性R、可維護性S和可用性A，稱為RAS技術兼容性指設備或程序可以用于多種系統中的性能。1.3.2計算機的性能指標 1.3.3計算機的分類根據計算機的應用范圍，將計算機分為專用計算機：為特定應用問題而設計的計算機，具有經濟、有效和快速等特點，但它的使用面較窄通用計算機：使用面廣，通用性強，操作相對簡單，是我們經常使用的計算機系統。根據計算機的規模，將計算機分為巨型機：主要用于科學計算，運算速度最快、性能極高，結構復雜、體積龐大、價格昂貴。 大型機中型機小型機微型機：體積小、

44、功耗低、價格低、結構簡單、易操作1.4 多媒體技術 1.4.1計算機的分類媒體也稱為信息的表現形式或傳播形式，是信息的載體。信息化社會中，信息的表現形式是多種多樣的，信息可以用文字、聲音、圖形和圖像等媒體表示，它包含信息的存儲和信息的傳遞兩個方面。信息可以以多種媒體傳輸，多媒體技術是指能夠同時獲取、處理、編輯、存儲和展示兩個以上不同信息類型媒體的技術。在20世紀50年代，計算機用于處理數字，應用領域限制在解決復雜的數學問題。到了20世紀60年代，計算機與字符處理、文本處理相結合，產生CAD。計算機與照相和圖片相結合，產生了靜態圖像處理。計算機與聲音，活動圖像相結合，形成了多媒體技術應用新領域。

45、 1.4 多媒體技術 1.4.2多媒體技術要解決的主要問題 多媒體技術實際上是一種界面技術。它能使人機界面更生動、更形象、更友好，可以表達更豐富的信息。多媒體技術要解決的主要問題包括以下幾個方面： （1）信息的處理能力 多媒體技術使計算機具有綜合處理文字、圖形、圖像、音頻和視頻信息的能力。按計算機對這些信息處理的難易程度排列（從易到難）如下：轉換（Translation）、集成（Integration）、管理與控制（Manipulation）和傳輸(Transmission)。 1.4 多媒體技術 1.4.2多媒體技術要解決的主要問題 （2）數據的壓縮與解壓 由于多媒體系統增加了聲音、圖像、視

46、頻信息，所以需處理的數據量激增，另外，微機和網絡上的數據傳輸速率又不是很高，從而增加了數據傳輸的難度。這就要求對數據進行有效的壓縮才能使多媒體系統進入實用階段。 目前，最流行的壓縮標準有JPEG和MPEG。1.4 多媒體技術 1.4.2多媒體技術要解決的主要問題 （3）Windows環境下的多媒體控制接口（MCI）。 MCI的最大優點是應用系統與設備無關，更換設備時只需更換MCI驅動程序，應用系統不需要修改即可操作新設備，因此系統可以非常靈活方便地進行配置；另一優點是開發應用系統不需要了解每種多媒體產品系統的細節，從而大大提高了應用系統的開發效率。 1.4 多媒體技術 1.4.3多媒體計算機（

47、MPC） 在個人計算機上配以多媒體設備就構成了多媒體個人計算機。多媒體技術是一項綜合性技術，涉及領域較廣。 1993年MPC市場協會提出了多媒體個人計算機（Multimedia Personal Computer，簡稱MPC）配置標準。MPC標準的任務是讓每個PC機用戶能承受得了在硬件和軟件上的投資，通過MPC標準把MPC引入家庭，使之成為家庭管理和娛樂的中心，用戶可利用MPC在家中辦公或通過傳真機或電話與外界聯系，若將家中的MPC上網，則可方便地享受網絡提供的一切服務。 1.4 多媒體技術 1.4.3多媒體計算機（MPC）多媒體系統按功能不同可分為開發系統、演示系統和家庭娛樂系統等。多媒體的

48、各種系統已經應用在如下方面。 (1) CAI。利用多媒體制作的教學軟件，圖、文、聲并茂，可取得用其他方法難以達到的效果。幫助在職職工更新知識、提高技能也是多媒體應用的一個重要領域。1.4 多媒體技術 1.4.3多媒體計算機（MPC）多媒體的各種系統已經應用在如下方面。 （2）信息咨詢。利用聲、文、圖俱全的多媒體做信息咨詢，可以同時給人以具體和抽象的認識，使咨詢者能更加方便、深刻地獲得所需信息。 （3）商業應用。制作廣告、電視節目時，若使用多媒體技術，不但可以使節目生動形象，引人入勝，而且可以節省大筆資金，同時還能達到預想不到的效果。 （4）家庭服務。MPC機可提供家庭辦公、教育、娛樂等各方面的

49、家庭服務。 本章小結計算機系統由軟件系統與硬件系統組成。計算機的硬件系統由有形的電子器件等構成的，它包括運算器、存儲器、控制器、輸入輸出設備及總線系統組成。而總線分為數據總線、地址總線、控制總線，其結構有單總線結構、雙總線結構及多總線結構。計算機的軟件系統是計算機系統結構的重要組成部分，也是計算機不同于一般電子設備的本質所在。計算機的軟件一般分為系統程序和應用程序兩大類。計算機主要性能指標有：主頻、字長、運算速度、存儲容量、可靠性、兼容性等。按照計算機的規模可分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機、單板機、單片機等。 多媒體技術是指能夠同時獲取、處理、編輯、存儲和展示兩個以上不同信息類型媒

50、體的技術。它能使人機界面更生動、更形象、更友好，可以表達更豐富的信息。在個人計算機上配以多媒體設備就構成了多媒體個人計算機。 2022年7月25日第88頁第2章計算機中的數據表示 計算機組成原理 教學目標教學重點教學過程2022年7月25日第89頁教學目標數據在計算機中的表示方法及編碼形式掌握進位計數制和數制之間的轉換掌握數與字符的表示方法及校驗方法2022年7月25日第90頁教學重點進位計數制和數制之間的轉換定點數和浮點數帶符號數的表示方法字符編碼數據校驗碼2022年7月25日第91頁教學過程2.1 數據、信息和媒體2.2 進位計數制2.3 定點數和浮點數2.4 帶符號數的表示方法2.5 十

51、進制數據表示2.6 字符編碼2.7 數據校驗碼 2022年7月25日第92頁2.1 數據、信息和媒體 (1/4)數據：是對事實、概念或指令的一種特殊表達形式，可以用人工方式或自動化裝置進行通信、翻譯轉換或加工處理。 數值型數據：具有特定值的一類數據，可用來表示數量的多少，可比較其大小。非數值型數據：包括字符數據、邏輯數據、圖畫、聲音和活動圖像數據等。2022年7月25日第93頁2.1 數據、信息和媒體 (2/4)信息：對人有用的數據，這些數據可能影響到人們的行為和決策。 信息處理：通過數據的采集和輸入，有效地把數據組織到計算機中，由計算機系統對數據進行相應的處理加工（如：存儲、建庫、轉換、合并

52、、分類、計算、統計、匯總、傳送等操作），最后向人們提供有用的信息的全過程。 2022年7月25日第94頁2.1 數據、信息和媒體 (3/4)媒體：承載信息的載體。與計算機信息處理有關的媒體：感覺媒體：能使人聽覺、視覺、嗅覺、味覺和觸覺器官直接產生感覺的一類媒體，如聲音、文字、圖畫、氣味等，它們是人類使用信息的有效形式。表示媒體：為了使計算機有效地加工、處理、傳輸感覺媒體而在計算機內部采用的特殊表示形式，即聲、文、圖、活動圖像的二進制編碼表示。存儲媒體：用于存放表示媒體以便計算機隨時加工處理的物理實體，如磁盤、光盤、半導體存儲器等。表現媒體：用于把感覺媒體轉換成表示媒體進而轉換為感覺媒體的物理設

53、備，如計算機的輸入輸出設備。傳輸媒體：用來將表示媒體從一臺計算機傳遞到另一臺計算機的通信載體，如同軸電纜、光纖、電話線等。2022年7月25日第95頁2.1 數據、信息和媒體 (4/4)數字化編碼：用少量最簡單的基本符號，對大量復雜多樣的信息進行一定規律的組合。一切信息編碼的兩大要素 基本符號的種類組合規則2022年7月25日第96頁計算機內部采用的二進制表示方式的原因 二進制只有兩個數碼“0”和“1”，易于用物理器件表示。這些物理狀態都是不同的質的變化，形象鮮明、易于區別，并且數的存儲、傳送和處理可靠性高。運算規則簡單，操作實現容易。二進制加、減、乘、除運算，可以歸結為加、減、移位三種操作。

54、理論和實踐證明，采用R= e =2.71828進制時，存儲設備最省，取3比取2更節省設備，但二進制比三進制易于表示。二進制中的“1”和“0”與邏輯命題中的“真”、“假”相對應，為計算機實現邏輯運算和程序中的邏輯判斷創造了良好條件。2022年7月25日第97頁2.2 進位計數制2.2.1 進位基數和位的權數2.2.2 二進制數制2.2.3 八進制數制2.2.4 十六進制數制2.2.5 數制之間的相互轉換2022年7月25日第98頁2.2.1 進位基數和位的權數基數：計數制中用到的數碼的個數，用R表示。位權：以基數為底的指數，指數的冪是數位的序號。對一個數S，其基數為R，則：2022年7月25日第

55、99頁計算機常用各種進制數的表示進位制二進制八進制十進制十六進制規則逢二進一逢八進一逢十進一逢十六進一基數R=2R=8R=10R=16基本符號0,10,1,2,70,1,2,90,1,.,9,A,.,F權2i8i10i16i形式表示BODH2022年7月25日第100頁2.2.5 數制之間的相互轉換二、八、十六進制數轉換為十進制數十進制數轉換為二、八、十六進制數十進制數轉換為二進制十進制數轉換為八進制、十六進制數二進制數和八進制數、十六進制數的轉換二進制數轉換為八、十六進制數八、十六進制數轉換為二進制數2022年7月25日第101頁二、八、十六進制數轉換為十進制數 （1/2） 例2-1 將(1

56、1011.11)2轉換為十進制數 解： (11011.11) 2 =124+123+022+121+120+12-1+12-2 =(27.75)102022年7月25日第102頁二、八、十六進制數轉換為十進制數 （2/2）例2-2 將(732.6)8轉換為十進制數 解： (732.6)8 =782+381+280+68-1 =(474.75)10例2-3 將(A5C.B2)16轉換為十進制數 解： (A5C.B2)16 =10162+5161+12160+1116-1+216-2 =(2652.6953125)102022年7月25日第103頁十進制轉換為二進制數 （1/3）任一十進制數N，N

57、=N整+N小。將這兩部分分開轉換整數部分的轉換：采用“除2求余法”，轉換方法為：連續用2除，求得余數（1或0）分別為K0、K1、K2、，直到商為0，所有余數排列Kn-1Kn-2K2K1K0 即為所轉換的二進制整數部分。小數部分的轉換：采用“乘2取整法”。轉換方法為：連續用2乘，依次求得各整數位（0或1）K-1、K-2、K-m，直到乘積的小數部分為0。在小數轉換過程中，出現Fi恒不為0時，可按精度要求確定二進制小數的位數。 2022年7月25日第104頁十進制轉換為二進制數 （2/3）例2-4 求(43)10的二進制表示 解： 除以2 商Qi 余數Ki 43/221 K0=1 21/210 K1

58、=1 10/2 5 K2=0 5/2 2 K3=1 2/2 1 K4=0 1/2 0 K5=1 (43)10=(101011)22022年7月25日第105頁十進制轉換為二進制數 （3/3）例2-5 求(0.6875)20的二進制值解： 乘以2小數Fi整數Ki 0.687520.3750K-1=1 0.375020.7500K-2=0 0.750020.5000K-3=1 0.500020.0000K-4=1 (0.6875)10=(0.1011)22022年7月25日第106頁十進制數轉換為八進制數、十六進制數將十進制數轉換為八進制數、十六進制數時，使用的方法與十進制數轉換成二進制數的方法基

59、本相同，只是求整數部分時是用商除以8或16，取其余數；小數部分改用乘以8或16，取其整數即可。2022年7月25日第107頁二進制數與八進制、十六進制數間的轉換 二進制轉化成八(十六)進制整數部分：從右向左按三(四)位分組，不足補零小數部分：從左向右按三(四)位分組，不足補零例2-9(001 011 010 110.101 011 100) 2= (1326.534.) 8 1 3 2 6 5 3 4例2-10(0101 1101.0101 1010) 2= (5D.5A) 16 5 D 5 A2022年7月25日第108頁八進制、十六進制數與二進制數間的轉換八(十六)進制轉化成二進制一位八進

60、制數對應三位二進制數一位十六進制數對應四位二進制數例2-11 (247.63)8= (010 100 111.110 011)2例2-12 (F5A.6B) 16= (1111 0101 1010 0110.0110 1011) 22022年7月25日第109頁2.3 定點數和浮點數數據的表示定點表示法浮點表示法任何一個二進制數N都可以表示為N=2ES其中E是一個二進制整數，稱為數N的階碼，2為階碼的基數，S是二進制小數，稱為數N的尾數。E和S可正可負。尾數S表示數N的全部有效數據，階碼E指明該數的小數點位置，表示數據的大小范圍。2022年7月25日第110頁2.3.1 定點數表示法階碼E保持