计算机组织与系统结构 季福坤 第1章

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1、第1章概论本章学习目标本章将介绍计算机存储程序控制的概念，详细讲解计算机的硬件和软件组成、计算机的工作过程以及计算机的系统结构。通过本章的学习，应该重点掌握和理解以下内容：掌握存储程序控制的概念掌握计算机的硬件、软件基本概念以及它们之间的关系了解计算机的工作过程、性能评价掌握计算机的组成和系统结构了解大中型计算机的典型结构9/3/20211第一章第1章概论1.1电子计算机与存储程序控制1.2计算机系统1.3计算机的工作过程与性能1.4计算机系统结构退出9/3/20212第一章1.1电子计算机与存储程序控制1.1.1存储程序概念1.1.2计算机的

2、硬件组成返回目录9/3/20213第一章1.1电子计算机与存储程序控制1964年2月，以ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）命名的世界上第一台电子计算机诞生了。它是在美国陆军部的主持下，由美国宾西法尼亚大学设计研制出来的。电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确地对各种信息进行处理和存储的电子设备。从今天的角度来看，ENIAC的性能并不好，但是它的历史意义远远超出其实用价值，它是科学发展史上一个重要的里程碑，它揭开了计算机时代的序幕。从第一台电子计算机诞生至今，随着计算机

3、逻辑原件的不断发展，把电子计算机分为电子管、晶体管、集成电路以及大规模集成电路、超大规模集成电路四个发展阶段，称为四代。现在正在研制第五代计算机——人工智能计算机，第五代计算机将具有智能的知识信息处理系统，实现对自然语言、图形、图像与文字的综合处理，能积累知识，总结经验，具有再学习的能力。9/3/20214第一章1.1.1存储程序概念美籍匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼（JohnVonNeumann）等人于1946年6月在一篇题为《关于电子计算机仪器逻辑设计的初步探讨》的报告中，首次提出了“存储程序控制”的概念，其内容可以概括为以下三点：第一，计算

4、机有运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。第二，计算机内部采用二进制数来表示指令和数据。第三，采用存储程序方式，这是冯·诺依曼思想的核心内容。它意味将事先编好的程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行，这就是“存储程序控制”的基本含义。它是计算机能高速自动运行的基础。9/3/20215第一章1.1.2计算机的硬件组成根据“存储程序控制”的概念，由运算器、存储器、控制器、输入/输出设备五大基本部件组成的计算机称为冯·诺依曼计算机。其典型结构框图如图1-1所示，图1

5、-1典型的冯·诺依曼计算机结构框图9/3/20216第一章早期的冯·诺依曼计算机在结构上是以运算器为中心的，但演变到现在，已转向以存储器为中心了。图1-2为计算机最基本的组成框图。图1-2计算机最基本的组成框图9/3/20217第一章通常将控制器和运算器合称为中央处理器（CentralProcessingUnit，简称CPU），中央处理器和主存储器一起组成主机部分，除去主机以外的硬件装置（如输入/输出设备、外部存储器等）称为外围设备或外部设备，简称外设。1．运算器运算器是对数据信息进行处理的部件，经常执行的运算是算术运算和逻辑运算，所以运算器又

6、称为算术逻辑部件（ALU——ArithmeticandLogicalUnit）。算术运算包括加、减、乘、除及其复合运算，但最终都可归结为加法和移位两种基本操作，因此，通常把加法器看作运算器的核心。逻辑运算一般指逻辑加、逻辑乘、逻辑取反及异或操作等。运算器中还有若干个通用寄存器，用来暂存操作数，并存放运算结果。寄存器的存取速度比存储器的存储速度快得多。9/3/20218第一章图1-3运算器结构示意图9/3/20219第一章2．存储器存储器是用来存储程序和各种数据信息的记忆部件，是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。在计算机系统中，规模较大的存储

7、器往往分为若干级，称为存储系统。图1-4所示的是常见的三级存储系统。主存储器（简称主存或内存）可和CPU直接交换信息，存取速度快但容量较小，一般用来存放当前正在执行的程序和数据。辅助存储器（简称辅存或外存）设置在主机外部，它的存储容量大，但存取速度较慢，一般用来存放暂时不参与运算的程序和数据，这些程序和数据在需要时可传送到主存，因此它是主存的补充和后援。当CPU速度很高时，为了使访问存储器的速度能与CPU的速度相匹配，可在主存和CPU之间增设一级Cache（高速缓冲存储器）。Cache的存取速度比主存更快，但容量更小，用来存放当前正在执行的程序

8、中的活跃部分，以便快速地向CPU提供指令和数据。9/3/202110第一章图1-4三级存储系统主存的工作方式是按存储单元的地址存放或读取各类信息的。主