第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論其次章運(yùn)算方法和運(yùn)算器第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)第四章指令系統(tǒng)第五章中心處理器第六章總線系統(tǒng)第七章外圍設(shè)備第八章輸入輸出系統(tǒng)書(shū)目運(yùn)算器控制器主存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備總線和輸入輸出接口高速緩存虛擬存儲(chǔ)器(磁盤設(shè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同于一般的電子設(shè)備，它是一個(gè)由硬件、軟件組成的困難的自動(dòng)化設(shè)備。

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1.1計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用

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1.2計(jì)算機(jī)的硬件

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1.3計(jì)算機(jī)的軟件

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1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1.1計(jì)算機(jī)的分類

計(jì)算機(jī)從總體上來(lái)說(shuō)分為兩大類:

模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)。各自主要特點(diǎn)：模擬計(jì)算機(jī)由模擬運(yùn)算器件構(gòu)成，其變量由連續(xù)量（如：電壓、電流等）來(lái)表示，運(yùn)算過(guò)程也是連續(xù)的數(shù)字計(jì)算機(jī)則是由邏輯電子器件構(gòu)成，其變量為開(kāi)關(guān)量（離散的數(shù)字量），接受數(shù)字式按位運(yùn)算，運(yùn)算模式是離散式的1.1計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)與模擬計(jì)算計(jì)的主要區(qū)分比較內(nèi)容數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0和1電壓、電流等計(jì)算方式數(shù)字計(jì)算電量組合和測(cè)量值控制方式程序控制模擬信號(hào)組合控制精度、抗干擾性高、好低、差數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大小、幾乎無(wú)邏輯判斷能力強(qiáng)無(wú)數(shù)字計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)通用計(jì)算機(jī)超級(jí)計(jì)算機(jī)大型機(jī)服務(wù)器工作站微型機(jī)單片機(jī)低高體積功耗性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量指令系統(tǒng)價(jià)格

1.1.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍幾乎涉及人類社會(huì)的全部領(lǐng)域。本書(shū)歸納成六個(gè)主要方面來(lái)敘述：科學(xué)計(jì)算自動(dòng)限制測(cè)量和測(cè)試信息處理教化和衛(wèi)生家用電器人工智能1.2計(jì)算機(jī)的硬件

J.VonNeumann（馮.諾伊曼）1913，生于匈牙利，瑞士化學(xué)學(xué)士，匈牙利數(shù)學(xué)博士，后移居美國(guó)；40年頭初，參與曼哈頓支配；44年參觀ENIAC；45年發(fā)表“關(guān)于離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)的草案”計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)；接受二進(jìn)制；數(shù)據(jù)和程序都放在內(nèi)存中。馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)主機(jī)1.2.1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)組成準(zhǔn)備盤，求解y=ax+b–c一個(gè)算盤計(jì)算，暫存結(jié)果一張紙記錄步驟、數(shù)據(jù)一支筆將步驟、數(shù)據(jù)抄至紙上；算盤上數(shù)據(jù)，抄至紙上。人腦和手限制算盤、完成步驟運(yùn)算器存儲(chǔ)器IO設(shè)備限制器行號(hào)解題步驟與數(shù)據(jù)1取數(shù)（9）→算盤2乘法（12）→算盤3加法（10）→算盤4減法（11）→算盤5存數(shù)y→136輸出7停止89a10b11c12x13y1.運(yùn)算器算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算接受二進(jìn)制數(shù)（簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)）算術(shù)邏輯單元（ALU）+專用或通用寄存器計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器長(zhǎng)度：8位、16位、32位或64位2.存儲(chǔ)器功能：保存或“記憶”數(shù)據(jù)和運(yùn)算過(guò)程存儲(chǔ)的是0或1表示的二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)單元：在存儲(chǔ)器中保存一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)的n個(gè)觸發(fā)器，組成一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)器地址：存儲(chǔ)器是由很多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)，稱為地址存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器全部存儲(chǔ)單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB、GB”等表示內(nèi)存儲(chǔ)器（主存）和外存儲(chǔ)器(輔存）0地址存儲(chǔ)單元1101010100010111000011010011000100101111000000100000000000000000000000000000000011010101000101111234...M-1(1)程序

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

表示參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器的哪個(gè)單元取；運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個(gè)單元操作碼地址碼指出指令所進(jìn)行的操作，如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等

3.限制器限制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件有條不紊地進(jìn)行工作3.限制器“存儲(chǔ)程序”：是把指令序列事先輸入到存儲(chǔ)器中“程序限制”：當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后，程序就會(huì)限制計(jì)算機(jī)按規(guī)定的依次逐條執(zhí)行指令，自動(dòng)完成預(yù)定的信息處理任務(wù)馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想：存儲(chǔ)程序并按地址依次執(zhí)行指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)中全部機(jī)器指令的集合。（3）限制器的基本任務(wù)＊限制取指令和指令譯碼，這段時(shí)間稱為取指周期；＊限制指令執(zhí)行過(guò)程，這段時(shí)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(jì)數(shù)器加1。（4）指令流和數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中的信息單位：位（bit）、字節(jié)（Byte）、字（Word）。例：10010110字長(zhǎng)：組成一個(gè)字的二進(jìn)制位數(shù)。一個(gè)“字”至少由一個(gè)以上的字節(jié)組成。計(jì)算機(jī)字既可以代表指令,也可以代表數(shù)據(jù)。假如某字代表要處理的數(shù)據(jù),則稱為數(shù)據(jù)字；假如某字為一條指令,則稱為指令字。指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)放在內(nèi)存中,從形式上看,它們都是二進(jìn)制數(shù)碼。一般來(lái)講，在取指周期中從內(nèi)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(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流,它由內(nèi)存流向運(yùn)算器。3.限制器操作編碼加法001減法010乘法011除法100取數(shù)101存數(shù)110停機(jī)000指令和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址存儲(chǔ)單元010101110111010001100001010011101011000xxxx

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yxcba(二進(jìn)制)

96781011指令字?jǐn)?shù)據(jù)字指令區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)操作的編碼4.適配器與輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備把人們所熟悉的某種形式的信息變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式。輸出設(shè)備把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其它機(jī)器所能接收和識(shí)別的信息形式。I/O設(shè)備通常統(tǒng)稱為外圍設(shè)備。適配器(I/O接口)相當(dāng)與一個(gè)轉(zhuǎn)換器,它可以保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)所要求的形式發(fā)送或接受信息。系統(tǒng)總線構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信息鏈接,是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。硬件系統(tǒng)五大組成部分框圖

常用的輸入設(shè)備有：鼠標(biāo)器、鍵盤、掃描儀、數(shù)字化儀、數(shù)碼攝像機(jī)、條形碼閱讀器、數(shù)碼相機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器等

計(jì)算機(jī)中用于存取程序和數(shù)據(jù)的部件。分為內(nèi)存和外存兩類

顯示器、打印機(jī)、音箱、繪圖儀等指揮和限制計(jì)算機(jī)各個(gè)部件進(jìn)行工作的“神經(jīng)中樞”

負(fù)責(zé)對(duì)信息進(jìn)行加工和運(yùn)算，內(nèi)設(shè)若干寄存器，用于暫存操作數(shù)和中間結(jié)果。1.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過(guò)去和將來(lái)世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC誕生于1946年，是在美國(guó)賓夕法尼亞高校制成的。計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)驗(yàn)了五代的變更：1946年起先，第一代電子管計(jì)算機(jī)1958年起先，其次代晶體管計(jì)算機(jī)1965年起先，第三代中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)1971年起先，第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)1986年起先，第五代巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（ENIAC）5000次加法/秒體重28噸占地170M218,800只電子管1500個(gè)繼電器耗電150KW計(jì)算機(jī)發(fā)展史年代主要器件重要特征第1代1946-1958電子管機(jī)器語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言。速度低，體積大，價(jià)格昂貴，可靠性差，用于科學(xué)計(jì)算。速度達(dá)幾千次到幾萬(wàn)次第2代1958-1964晶體管算法語(yǔ)言，操作系統(tǒng)。體積縮小，可靠性提高。從科學(xué)計(jì)算到數(shù)據(jù)處理。每秒幾萬(wàn)次到幾十萬(wàn)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(dá)幾百萬(wàn)次，軟件技術(shù)和外設(shè)發(fā)展迅速應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。第4代1971-1986大/超大規(guī)模集成電路速度提高至幾百萬(wàn)次至幾千萬(wàn)次

出現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)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(xiàn)單片機(jī)計(jì)算機(jī)的發(fā)展史計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、限制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。都是由元件構(gòu)成的有形物體，因而稱為硬件或硬設(shè)備。硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)際物理裝置的總稱。軟件是指在硬件上運(yùn)行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔。硬件是軟件的工作基礎(chǔ)，軟件是硬件功能的擴(kuò)充和完善。兩者相互依存，相互促進(jìn)。軟件與硬件的結(jié)合，構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)＝硬件系統(tǒng)＋軟件系統(tǒng)1.3計(jì)算機(jī)的軟件

1.3.1軟件的組成和分類

軟件分類操作系統(tǒng)

語(yǔ)言處理程序服務(wù)性程序應(yīng)用程序辦公軟件包數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)瀏覽器實(shí)時(shí)控制軟件診斷、排錯(cuò)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(yīng)用軟件系統(tǒng)程序下面以系統(tǒng)程序?yàn)槔?簡(jiǎn)要說(shuō)明軟件的發(fā)展演化過(guò)程：1.目的程序2.匯編程序3.源程序4.操作系統(tǒng)5.數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)1.3.2軟件的發(fā)展演化手編程序：干脆用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)用一些約定的文字、符號(hào)和數(shù)字按規(guī)定的格式來(lái)表示各種不同的指令,再用這些指令來(lái)編寫(xiě)程序

3.源程序算法語(yǔ)言：按實(shí)際須要規(guī)定好的一套基本符號(hào)以及由這套基本符號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則。源程序：用算法語(yǔ)言編寫(xiě)的程序。通常接受下面兩種方法把源程序翻譯為機(jī)器語(yǔ)言：編譯系統(tǒng)：用編譯程序?qū)⒃闯绦蚓幾g成機(jī)器語(yǔ)言形式的目的程序，然后在目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行。說(shuō)明系統(tǒng)：逐個(gè)說(shuō)明并馬上執(zhí)行源程序的語(yǔ)句，它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是干脆逐一說(shuō)明語(yǔ)句并得出計(jì)算結(jié)果。4.操作系統(tǒng)用來(lái)管理計(jì)算機(jī)資源(如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序)和自動(dòng)調(diào)度用戶的作業(yè)程序,而使多個(gè)用戶能有效地共用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。依據(jù)運(yùn)用環(huán)境要求,操作系統(tǒng)大致分為批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等多種。5.數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)：實(shí)現(xiàn)有組織地、動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)大量相關(guān)數(shù)據(jù),便利多用戶訪問(wèn)的計(jì)算機(jī)軟、硬件資源組成的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件一起,組成了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。1.4.1多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)，由微程序說(shuō)明機(jī)器指令系統(tǒng)硬件級(jí)混合級(jí)面對(duì)用戶，為便利用戶編寫(xiě)應(yīng)用程序而設(shè)置。由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序支持和執(zhí)行1.4.2軟件與硬件的邏輯等價(jià)性隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢(shì)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。任何操作可以由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來(lái)完成。就目前而言，一些計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是，把原來(lái)在一般機(jī)器級(jí)通過(guò)編制程序?qū)崿F(xiàn)的操作，如整數(shù)乘除法指令、浮點(diǎn)運(yùn)算指令、處理字符串指令等等，改為干脆由硬件完成。現(xiàn)在已經(jīng)可以把很多困難的、常用的程序制作成固件。就它的功能來(lái)說(shuō)，是軟件；但從形態(tài)來(lái)說(shuō)，又是硬件。傳統(tǒng)的軟件部分，今后完全有可能“固化”甚至“硬化”。

本章小結(jié)計(jì)算機(jī)的類型：模擬和數(shù)字；專用和通用；巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)、單片機(jī)。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)從起先出現(xiàn)到目前經(jīng)驗(yàn)了一個(gè)快速發(fā)展的過(guò)程。按計(jì)算機(jī)所運(yùn)用的微電子器件的發(fā)展可將電子計(jì)算機(jī)分成五代。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)組成。計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)由有形的電子器件等構(gòu)成的，它包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、限制器、適配器、輸入輸出設(shè)備。計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)不同于一般電子設(shè)備的本質(zhì)所在。計(jì)算機(jī)的軟件一般分為系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序兩大類。計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)通常由微程序設(shè)計(jì)級(jí)、一般機(jī)器級(jí)、操作系統(tǒng)級(jí)、匯編語(yǔ)言級(jí)、高級(jí)語(yǔ)言級(jí)組成。習(xí)題11.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括（）。A）運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、限制器B）主機(jī)與外部設(shè)備C）硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)D）系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件2.計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)是指（）。A）RAM存儲(chǔ)器B）ROM存儲(chǔ)器C）主存儲(chǔ)器D）主存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器3.計(jì)算機(jī)硬件能干脆執(zhí)行的只能是（）。A．符號(hào)語(yǔ)言