计算机组成原理笔记.docx

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1、计算机的发展简史第一代计算机是电子管计算机(1946-1958),这一时期计算机的主要特征是使用电子管作为电子器件,软件还处初始阶段,使用机器语言与汇编语言编制程序.该时代计算机是计算机发展的初级阶段,其体积比较大,运算速度比较慢,存储容量不大.为J解决某一问题,所编制的程序往往很第杂.这一代计莫机主要用于进行科学计算.第二代计能机是晶体管计算机(1958-1964),这一时期计算机的主要特征是使用晶体管作为电子器件,在软件方面则开始使用计算机高级语言,这为更多的人学习和使用计算机铺平了道路.这一代计第机的体枳大大减小,具有质量小、寿命长、耗电少、运弟速度快和存储容量比较大等优点.因此,这一代

2、计算机不仅用于科学计算,还用于数据处理和事务处理,并逐渐用于工业控制。第三代计算机是集成电路计算机(19641970),这时期计算机的主要特征是使用中、小规模集成电路(MS1、SSf)作为电子器件,在这时期,操作系统的出现使计算机的功能越来越强,应用范围越来越广,使用中、小规模集成电路制成的计算机,其体积与功耗都进一步减小,运算速度加快,可靠性等指标也得到了进一步的提高,并且为计尊机的小型化、微型化提供了良好的条件.在这一时期,计算机不仅用于科学计算,还用于文字处理、企业管理和自动控制等领域,出现了计克机技术与通信技术相结合的管理信息系统,可用T生产管理、交通管理和情报检索等领域.第四代计算机

3、是指用大规模与超大规模集成电路(1S。V1S1)作为电子器件制成的计算机(1971-1990).这一代计匏机的各种性能都有了大幅度的提高,应用软件也越来越丰宓,应用涉及国民经济的各个领域,已经在办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别和专家系统等众多领域大显身手,并且进入了家庭.第五代计算机是指用甚大规模桀成电路(U1Si)作为电子器件制成的计兑机I99。年后计算机进入第五代,其主要标志有两个：个是单片集成电路规模达10。万晶体管以上;另个是超标员技术的成熟和广泛应用.计算机的特点计算机的主要特点表现在以下几个方面.1 .运党速度快运算速度是冲算机的一个重要性能指标,计算机的运算速度通常用每

4、秒钟执行定点加法的次数或平均每秒钟执行指令的条数来衡量.运算速度快是汁算机的一个突出特点,计兑机的运算速度已由早期的每秒几千次发展到现在的最高可达每秒万亿次甚至更?.2 .计算精度高科学研究和工程设计,对计算结果的精度有很高的要求.一般的计第工具只能达到几位有效数字(如过去常用的4位数学用表、8位数学用表等),而计算机处理计算结果的精度可达到十几位、几十位有效数字,甚至根据需要可达到任意的精度.3 .存储容量大计算机的存储器可以存储大量数据,这使计算机具有了“记忆”功能.目前计并机的存储容量越来越大,已高达千吉数量级的容量.计兑机具有“记忆”功能,是其与传统计弟工具的一个重要区别.4 .具有逻

5、辑判断功能计算机的运算器除了能够完成基本的算术运兑外,还具有进行比较、判断等逻辑运算的功能.这种能力是计算机处理逻辑推理问题的前提.5 .自动化程度高,通用性强由于计算机的工作方式是将程序和数据先存放在机内,工作时按程序预先规定的操作，步步地自动完成，般无须人工干预，因而自动化程度高.这一特点是一般计算工具所不具备的.计算机通用性的特点,表现在其几乎能求解自然科学和社会科学中一切类里的问题,能广泛地应用于各个领域。计算机的分类按计卯机信息的表示形式和对信息的处理方式分类：3数字计匏机2.模拟计算机；按照计算机的用途分类：1.通用计算机2.专用计第机：按其它规模、速度、功能分类：*巨型机；2.大

6、型机：3.小型机：4.微型机计算机的应用由于计算机具有高速、自动化和存储大量信息的优势,还具有很强的推理和判断能力,因此,计算机已经被广泛应用于各个领域,并且仍然呈上升和扩展趋势。通常,计算机的应用可有以下几个方面.1 .科学计算早期的计算机主要用于科学计算.目前,科学计算仍然是计算机的一个重要应用领域.由于计算机具有很高的运算速度和运算精度，使得过去用手工无法完成的计算变为可能.随着计兑机技术的发展,计第机的计算能力将越来越强,计算速度会越来越快,计算精度也会越来越海.利用计算机进行数值计算,可以节省大量的时间、人力和物力.2 .过程检测与控制特别是微处理器进入仪器仪表领域后所产生的智能化仪

7、港仪表,将工业自动化推向了一个更高的水平.利用计算机进行控制,可以节省劳动力、降低劳动强度、提高劳动生产效率,并且还可以节省生产原料、减少能源消耗、降低生产成本.3 .信息管理所谓信息管理,是指利用计算机来加工、管理和操作任何形式的数据资料,如企业管理、物资管理、报表统计、账目计算和信息情报检索等.4 .计算机辅助系统计算机应用于辅助设计、辅助制造和辅助教学等方面,统称为计算机辅助系统.5 .测量和测试6 .家用电器7 .人工智能计算机系统的基本组成及层次结构完整的计算机系统是由硬件和软件两大部分（即两类资源）组成的。硬件与软件二者相互依存,分工协作,缺一不可,硬件是计算机软件运行的物质基础,

8、软件则为硬件完成淋期功能提供智力支持.应当强调指出硬件和软件是相辅相成的、不可分割的整体.软件是计算机系统的灵或，没有软件的硬件“裸机”将不能奏供蛤用户使用,犹如一堆废铁!硬件、软件的功能划分与避辑上的等价：硬件是IK体，是物深茶础：软件是灵就，是硬件功能的完善和补充没有硬件，或者没有良好的硬件，就无从谈起运疔数住$也就无法让莫、.处理基二龙面的回1s.猿有熬住:.明凌固食优秀的致性”.t算机就悬二仝窑充，树抹法工作，成看不解我效率地工作因此，Jg件与漫件具有相互途遗、相互依存、互相配合、耳相促进的关系，二者缺一不系统软件：用来管理整个计算机系统语音处理程序、操作系统W1n7/8、服务型程序、

9、数据库管理系统、网络软件黜应用软件：按任务侑制成的各种程序wordExce1QQc+所有游戏计算机的硬件系统是计匏机系统中看得见、摸得着的物理设备,是一种高度更杂的、由多种电子线路及精密机械装优等构成的、能自动并且高速地完成数据计算与处理的装置或者工具.计算机的软件系统是计算机系统中的程序和相关数据,包括完成计算机资源管理、方便用户使用的系统软件和完成用户预期处理的应用软件这样两大部分。系统软件和应用软件两大类：系统软件包括操作系统、诊断程序、计兑机语言处理程序等；应用程序包括厂家提供的通用软件和用户自己编写的应用程序。计算机硬件系统通常由运算器部件、控制罂部件、存储器部件、输入设备和输出设备

10、这五个部分组成。硬件系统的功能就是要实现每一条指令的功能,能够直接识别和执行由指令代码组成的程序。指令是用于程序设计的.二进制代码语言,也就是计算机的指令,一台计算机的全部指令的集合构成了该计算机的指令系统。计算机的基础硬件实质是在机器语言的层次上设计与实现的,并且可以直接识别和执行的只能是由机器语言构成的程序.人们通常把没有配备软件的纯硬件系统称为“裸机”,这是计骈机系统的根基或“内核”，它的设计目标更多地集中在方便硬件实现和有利于降低成本这两个方面,因此提供的功能相对较弱,只能执行由机器语言编写的程序.为此,人们期望能开发出功能更强、更接近人的思维方式和使用习惯的语言,这是通过在裸机上配备

11、适当的软件来完成的.每加一层软件就构成新的“虚拟计算机”,功能更强大,使用也更加方便.要把计算机系统当做一个整体.它既包含健件,也包含软件,软件和硬件在逻辑功能上是等效的,即某些操作由软件可以实现,也可由硬件实现.故软、硬件之间没有固定的界线,主要受实际需要及系统性能价格比所支配“在设计计算机系统时，要进行软硬件的功能分配。通常来说，能若使用较为频繁而且用硬件实现的成本理想的话，使用硬件解决提高效率。而软件可以提高灵活性，但效率往往不如硬件实现高。硬件实现的功能一股比软件实现具有更高的执行速度。输入输出设备通过运算器与存储器传送数据.计算机硬件的五个功能部件及其功能计算机系统的核心功能是执行程

12、序.为此,首先必须有能力把要运行的程序和用到的原始数据输入到计算机内部并存储起来,接E来应该有办法逐条执行这个程序中的指令以完成数据运算并得到运算结果,圾后还要输出运算结果供人检查和使用.为此,一套计兑机的硬件系统至少需要五个相互连接在一起的部件或设备组成。其中,数据输入设备完成把程序和原始数据输入计算机;数据存储部件用于实现程序和数据的保存;数据运第部件承担数据的运算和处理功能;数据输出设备完成把运弟及处理结果从计算机输出,供用户杳看或长期保存;而计匏机控制部件则负责首先从存储部件取出指令并完成指令译码,然后根据每条指令运行功能的要求,向各个部件或设备提供它们所需要的控制信号,它在整个硬件系

13、统中起者指挥、协调和控制的作用.计算机的主机主机=CPU+主存储器生机是个简单的基本概念，但经常会有学生回答：主机=CPU+存储器。这个答案对早期的计算机来说不能算错.但对现代的计算机来说就不能算对了，起码这个答案是因为存储器有主存储器和辅助存储器之分，主机中只包括主存储器，而不包括辅助存储器.主存宝昌由RAM和ROM也成,对于微型计算机而言，是指插在主板上的内存条和其他存储芯片。辅助存储器则是硬盘、软盘、光盘等存储器的总称，它们处于主板之外，属于外部设备。运算器的核心是算术避辑单元A1U.运匏器包含若干通用寄存器，用于暂存操作数和中间结果，如累加器IACS、乘商寄存器（MQ）、操作数寄存器（

14、X）、变址寄存器（X）等。控制器是计算机的指挥中心，由其指挥各部件自动悔调地进行工作。控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（代）、控制单元（CU）组成。计算机中除去主机的其他硬件装置，通称为外部设备（外设），外设主要包括外存和1/。设备.冯诺依曼计算机的特点：早期的冯诺依曼型计算机组成框图冯诺依曼结构规定控制器是根据存放在存储器中的程序来工作的，即计算机的工作过程就是运行程序的过程。为了使计算机能正常工作，程序必须预先存放在存储器中。这就是存储程序的概念.现代计算机与星期计算机相比在结构上还是有不少变化的，如从以运算器为中心改为以存储卷为中心,但就其结构原理来说，目前绝大多数计算机仍建立在存

15、储程序概念的基础上。冯诺依受型计算机的这种工作方式称为控制期动。控制驳动是由指令流来驱动数据流的。问：计算机的硬件是由哪些部件组成的？它们各有哪些功能？解：计算机的硬件应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。它们各自的功能是：输入设备：把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式O 输出设备：将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。 存储器：用来存放程序和数据。 运算器：对信息进行处理和运算。控制器：按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。计算机组成与实现计算机组成是指计匏机

16、系统结构的逻辑实现,包括机器级内的数据通道和控制信号的组成及逻辑设计,它着限于机器级内各事件的时序方式与控制机构、各部件功能及相互联系。计算机组成还应包括:数据通路宽度;根据速度、造价、使用状况设置专用部件,如是否设置乘法器、除法器、浮点运卯协处理器、处理器等;部件共享和并行执行;控制器结构（组合逻辑、P1A.微程序）、单处理机或多处理机、指令预取技术和预估、预判技术应用等组成方式的选择;可靠性技术;芯片的集成度和速度的选择，计算机实现是指计能机组成的的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，芯片的集成度和速度，芯片、模块、插件、底板的划分与连接，专用芯片的设计,微组装技术、总线驱动,电源、通风降温,整机装配技术等.它着眼于