第一章計算機系統概論其次章運算方法和運算器第三章存儲系統第四章指令系統第五章中心處理器第六章總線系統第七章外圍設備第八章輸入輸出系統書目運算器控制器主存儲器輸入設備輸出設備總線和輸入輸出接口高速緩存虛擬存儲器(磁盤設備)（第二章）（第五章）（第三章）（第六章）（第七、八章）中央處理單元CPU第一章計算機系統概論計算機系統不同于一般的電子設備，它是一個由硬件、軟件組成的困難的自動化設備。

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1.1計算機的分類和應用

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1.2計算機的硬件

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1.3計算機的軟件

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1.4計算機系統的層次結構1.1.1計算機的分類

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(xù)量（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續(xù)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），接受數字式按位運算，運算模式是離散式的1.1計算機的分類和應用數字計算機與模擬計算計的主要區(qū)分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數字計算機專用計算機通用計算機超級計算機大型機服務器工作站微型機單片機低高體積功耗性能數據存儲量指令系統價格

1.1.2計算機的應用

計算機的應用范圍幾乎涉及人類社會的全部領域。本書歸納成六個主要方面來敘述：科學計算自動限制測量和測試信息處理教化和衛(wèi)生家用電器人工智能1.2計算機的硬件

J.VonNeumann（馮.諾伊曼）1913，生于匈牙利，瑞士化學學士，匈牙利數學博士，后移居美國；40年頭初，參與曼哈頓支配；44年參觀ENIAC；45年發(fā)表“關于離散變量自動電子計算機的草案”計算機的基本結構；接受二進制；數據和程序都放在內存中。馮.諾伊曼結構主機1.2.1計算機的硬件系統組成準備盤，求解y=ax+b–c一個算盤計算，暫存結果一張紙記錄步驟、數據一支筆將步驟、數據抄至紙上；算盤上數據，抄至紙上。人腦和手限制算盤、完成步驟運算器存儲器IO設備限制器行號解題步驟與數據1取數（9）→算盤2乘法（12）→算盤3加法（10）→算盤4減法（11）→算盤5存數y→136輸出7停止89a10b11c12x13y1.運算器算術運算、邏輯運算接受二進制數（簡潔實現）算術邏輯單元（ALU）+專用或通用寄存器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表示的二進制代碼存儲單元：在存儲器中保存一個n位二進制數的n個觸發(fā)器，組成一個存儲單元存儲器地址：存儲器是由很多存儲單元組成，每個存儲單元的編號，稱為地址存儲容量：存儲器全部存儲單元的總數。通常用單位“KB、MB、GB”等表示內存儲器（主存）和外存儲器(輔存）0地址存儲單元1101010100010111000011010011000100101111000000100000000000000000000000000000000011010101000101111234...M-1(1)程序

每一個基本操作就叫做一條指令,而解算某一問題的一串指令序列,叫做該問題的計算程序,簡稱為程序。(2)指令的形式

表示參與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操作碼地址碼指出指令所進行的操作，如加、減、乘、除、取數、存數等

3.限制器限制計算機的各個部件有條不紊地進行工作3.限制器“存儲程序”：是把指令序列事先輸入到存儲器中“程序限制”：當計算機啟動后，程序就會限制計算機按規(guī)定的依次逐條執(zhí)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：存儲程序并按地址依次執(zhí)行指令系統：一臺計算機中全部機器指令的集合。（3）限制器的基本任務＊限制取指令和指令譯碼，這段時間稱為取指周期；＊限制指令執(zhí)行過程，這段時間稱為執(zhí)行周期；＊取指周期和執(zhí)行周期交替發(fā)生；＊每取一條指令，指令計數器加1。（4）指令流和數據流計算機中的信息單位：位（bit）、字節(jié)（Byte）、字（Word）。例：10010110字長：組成一個字的二進制位數。一個“字”至少由一個以上的字節(jié)組成。計算機字既可以代表指令,也可以代表數據。假如某字代表要處理的數據,則稱為數據字；假如某字為一條指令,則稱為指令字。指令和數據統統放在內存中,從形式上看,它們都是二進制數碼。一般來講，在取指周期中從內存讀出的信息是指令流,它流向限制器；而執(zhí)行周期中從內存讀出的信息流是數據流,它由內存流向運算器。3.限制器操作編碼加法001減法010乘法011除法100取數101存數110停機000指令和數據的存儲地址存儲單元010101110111010001100001010011101011000xxxx

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yxcba(二進制)

96781011指令字數據字指令區(qū)數據區(qū)操作的編碼4.適配器與輸入輸出設備輸入設備把人們所熟悉的某種形式的信息變換為機器內部所能接收和識別的二進制信息形式。輸出設備把計算機處理的結果變換為人或其它機器所能接收和識別的信息形式。I/O設備通常統稱為外圍設備。適配器(I/O接口)相當與一個轉換器,它可以保證外圍設備用計算機所要求的形式發(fā)送或接受信息。系統總線構成計算機系統的信息鏈接,是多個系統部件之間進行數據傳送的公共通路。硬件系統五大組成部分框圖

常用的輸入設備有：鼠標器、鍵盤、掃描儀、數字化儀、數碼攝像機、條形碼閱讀器、數碼相機、A/D轉換器等

計算機中用于存取程序和數據的部件。分為內存和外存兩類

顯示器、打印機、音箱、繪圖儀等指揮和限制計算機各個部件進行工作的“神經中樞”

負責對信息進行加工和運算，內設若干寄存器，用于暫存操作數和中間結果。1.2.2計算機系統結構的過去和將來世界上第一臺電子數字計算機ENIAC誕生于1946年，是在美國賓夕法尼亞高校制成的。計算機的發(fā)展大致經驗了五代的變更：1946年起先，第一代電子管計算機1958年起先，其次代晶體管計算機1965年起先，第三代中小規(guī)模集成電路計算機1971年起先，第四代大規(guī)模集成電路計算機1986年起先，第五代巨大規(guī)模集成電路計算機

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150KW計算機發(fā)展史年代主要器件重要特征第1代1946-1958電子管機器語言，匯編語言。速度低，體積大，價格昂貴，可靠性差，用于科學計算。速度達幾千次到幾萬次第2代1958-1964晶體管算法語言，操作系統。體積縮小，可靠性提高。從科學計算到數據處理。每秒幾萬次到幾十萬次第3代1964-1971中小規(guī)模集成電路體積小，可靠性大大提高，速度達幾百萬次，軟件技術和外設發(fā)展迅速應用領域不斷擴大。第4代1971-1986大/超大規(guī)模集成電路速度提高至幾百萬次至幾千萬次

出現微型計算機第5代1986-巨大規(guī)模集成電路速度提高至幾億次乃至上百億次。出現單片機計算機的發(fā)展史計算機是由運算器、存儲器、限制器、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。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1.3計算機的軟件

1.3.1軟件的組成和分類

軟件分類操作系統

語言處理程序服務性程序應用程序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程序圖形圖像處理軟件其它應用軟件系統程序下面以系統程序為例,簡要說明軟件的發(fā)展演化過程：1.目的程序2.匯編程序3.源程序4.操作系統5.數據庫管理系統1.3.2軟件的發(fā)展演化手編程序：干脆用機器語言編寫用一些約定的文字、符號和數字按規(guī)定的格式來表示各種不同的指令,再用這些指令來編寫程序

3.源程序算法語言：按實際須要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構成程序的規(guī)則。源程序：用算法語言編寫的程序。通常接受下面兩種方法把源程序翻譯為機器語言：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。說明系統：逐個說明并馬上執(zhí)行源程序的語句，它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是干脆逐一說明語句并得出計算結果。4.操作系統用來管理計算機資源(如處理器、內存、外部設備和各種編譯、應用程序)和自動調度用戶的作業(yè)程序,而使多個用戶能有效地共用一套計算機系統。依據運用環(huán)境要求,操作系統大致分為批處理操作系統、分時操作系統、網絡操作系統、實時操作系統等多種。5.數據庫管理系統數據庫：實現有組織地、動態(tài)地存儲大量相關數據,便利多用戶訪問的計算機軟、硬件資源組成的系統。數據庫管理系統：數據庫和數據庫管理軟件一起,組成了數據庫管理系統。1.4.1多級組成的計算機系統

1.4計算機系統的層次結構機器語言級，由微程序說明機器指令系統硬件級混合級面對用戶，為便利用戶編寫應用程序而設置。由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行1.4.2軟件與硬件的邏輯等價性隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)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(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。就目前而言，一些計算機的特點是，把原來在一般機器級通過編制程序實現的操作，如整數乘除法指令、浮點運算指令、處理字符串指令等等，改為干脆由硬件完成。現在已經可以把很多困難的、常用的程序制作成固件。就它的功能來說，是軟件；但從形態(tài)來說，又是硬件。傳統的軟件部分，今后完全有可能“固化”甚至“硬化”。

本章小結計算機的類型：模擬和數字；專用和通用；巨型機、大型機、小型機、微型機、單片機。計算機的應用領域。計算機從起先出現到目前經驗了一個快速發(fā)展的過程。按計算機所運用的微電子器件的發(fā)展可將電子計算機分成五代。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、限制器、適配器、輸入輸出設備。計算機的軟件系統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。計算機的層次結構通常由微程序設計級、一般機器級、操作系統級、匯編語言級、高級語言級組成。習題11.計算機系統應包括（）。A）運算器、存儲器、限制器B）主機與外部設備C）硬件系統與軟件系統D）系統軟件與應用軟件2.計算機的存儲器系統是指（）。A）RAM存儲器B）ROM存儲器C）主存儲器D）主存儲器和外存儲器3.計算機硬件能干脆執(zhí)行的只能是（）。A．符號語言