计算机组成原理课件20090702

nullnull第1章 计算机系统概论第1章 计算机系统概论 第1章 计算机系统概论 计算机是一种能够自动、高速解决数学问题及逻辑问题的现代化电子装置。一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，硬件构成了计算机系统的物质基础，软件则是计算机系统的应用基础。自从1946年第一台计算机 ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）诞生到第五代计算机的出现，计算机的硬件和软件正朝着相互渗透、相互融合的方向发展，计算机的应用领域也已经涉及到了各行各业，现代计算机的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 理念和设计技术更是日新月异。null计算机系统的分类 计算机硬件的组成及功能 计算机软件的分类 计算机的分类及应用领域 现代计算机应用技术本章要点：null1.1 计算机的硬件系统计算机硬件（Hardware）是指计算机系统使用的电子线路和电子元件等物理设备的总称。硬件是构成计算机的物质基础，是计算机系统的核心。1.1.1 冯·诺依曼计算机 1.1.1 冯·诺依曼计算机 计算机硬件（Hardware）是指计算机系统使用的电子线路和电子元件等物理设备的总称。硬件是构成计算机的物质基础，是计算机系统的核心。20世纪40年代中期，美国科学家冯·诺依曼大胆的提出了采用二进制作为数字计算机的数制基础的理论。同时，他还提出了计算机组成结构、程序存储和程序设计等思想。人们把冯·诺依曼的这些理论总结为冯·诺依曼体系结构。null从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯·诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。 冯·诺依曼指出计算机硬件系统应由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分构成，基本结构框图如图1-1所示。根据冯诺依曼体系结构构成的计算机必须具有如下特征： 程序和数据在计算机中以二进制的方式执行。 必须能够记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果。null具有完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。 指令由操作码和地址码组成。 能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。图1-1 冯·诺依曼型计算机的基本结构null半个世纪以来，计算机已发展为一个庞大的家族，尽管各种类型的计算机的性能、结构、应用等方面存在着差别，但是它们的基本组成结构却是相同的。现代计算机仍然采用的是冯诺依曼体系结构，硬件系统仍由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备构成。1.1.2 计算机硬件组成 1. 运算器 1. 运算器 在计算机中，运算器是一种执行部件。其主要任务是完成信息的加工处理。这些处理主要有加、减、乘、除等算术运算和与、或、非、异或、同或等逻辑运算。运算器主要由运算逻辑单元ALU和寄存器两部分组成，寄存器部件用来提供参与运算的操作数，并暂时存放运算结果，执行流程如图1-2所示。图中寄存器A和寄存器B主要保存从内存储器取来的操作数，然后运算逻辑单元ALU对两个寄存器中的数据进行算术或逻辑运算，并将运算结果送给寄存器A暂时存放。null图1-2 运算器结构图null数据在计算机中通常以二进制数形式存储和运算，这是因为二进制数的运算规律较为简单。二进制数就是以2为基数来计数，即逢二进一，在二进制中只有0和1两个独立的数符，而这恰好能够与电子器件中电压的高低、脉冲的有无对应起来，在电路中容易实现。 null控制器是计算机的控制中心。控制器作为CPU（中央处理器）的核心部件主要用来协调计算机的工作，完成程序信息的处理和数据的输入/输出。 控制器的实现方法有两种，即组合逻辑方法和微程序控制方法。组合逻辑方法的特点是以集成电路来产生指令执行的微操作信号。具有程序执行的速度快，控制单元的体积小等优点。近年来随着集成电路技术的迅速发展，组合逻辑方法得到了广泛的应用。2. 控制器null微程序控制方法相对于组合逻辑方法来说设计过程比较复杂，但并不像设计组合逻辑控制电路那么烦琐、不规则，而是有一定规律可循，修改起来也方便。尤其是可编程只读存储器的应用，为微程序控制器的设计提供了更大的灵活性和适用性，进而使微程序设计技术的应用越来越广泛。目前已在中、小型和微型计算机中得到广泛的应用，只是在一些巨型、大型计算机中，由于速度的限制不宜采用微程序控制技术。null存储器的主要功能是存放程序与数据。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。程序和数据在存储器中都是以二进制的形式表示，每8位二进制划分为一个存储单元。访问存储单元中程序与数据必须先给出该单元地址。 存储器主要由存储体、地址寄存器与译码线路、读写电路与数据寄存器、控制线路等构成，包括ROM（只读存储器）和RAM（随机存取存储器）两种。3. 存储器null 输入设备的任务是输入用户提供的原始信息，并且将其转换为计算机能识别的信息。常用的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪等。4. 输入设备null输出设备的任务是将计算机的处理结果以能被人们接受的或能为其他计算机所接受的形式输出。常用的输出设备有：打印机、显示器、绘图仪等。 一般情况下，由于输入、输出设备种类繁多而且速度各异，因此它们一般不是直接同高速工作的主机相连接，而是通过适配器部件与主机相联系，适配器的作用相当于一个转换器。5. 输出设备null说明：除了上述五个部件外，计算机系统中还必须有总线。计算机通过总线将五大部件连接起来，总线是它们相互通信的公共通路，主要任务是在各部件之间传送地址信息、数据信息和控制信息。因此，总线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。思考：联系实际应用，请列举你所熟知计算机的输入/输出设备都有那些？1.2 计算机的软件系统1.2 计算机的软件系统监控程序计算机软件系统语言处理程序应用软件科学计算 数据处理自动控制系统软件操作系统工程设计 软件（Software）是计算机系统中使用的各种程序，而软件系统是指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合。软件系统所包含的内容非常丰富，因而对其分类也较为困难。图1-3给出了现代计算机系统的软件分类，整个软件系统按其功能分为系统软件和应用软件两大类。null图1-3 计算机的软件系统null系统软件主要功能是对整个计算机系统进行调度、管理、监视及服务等。它能够使系统的各种资源得到合理的调度和高效的使用，并能监视系统的运行状态，一旦出现故障就能自动保护现场信息使之不受破坏，并诊断出故障部位。它还可以帮助用户调试程序、查找程序中的错误等。1.2.1 系统软件系统软件主要分类及其基本功能如下：null操作系统是一组控制程序的总称。可以用它控制和管理计算机的各种资源，实现计算机系统运行自动化。它是系统软件中最核心的组成部分，其主要任务有两个：一是管好计算机系统的全部资源，使它们能充分发挥作用、高效率的工作。在这里所提及的资源是指计算机系统的各种功能部件，主要包括微处理器、存储器、各种外部设备、各种软件。二是为计算机系统和用户之间提供接口，使用户利用操作系统提供的功能去使用计算机，进而在用户面前展现的是一台功能强、使用方便的计算机。1. 操作系统（Operating System）null一台计算机可以配置不同类型的操作系统，常用的操作系统类型有： （1）单用户操作系统，用于系统规模不大又要求完成较广泛任务的场合，例如：MS-DOS、PC-DOS、CP/M等。 操作系统由执行程序、调度程序、中断处理和中断服务程序、设备处理程序、存储管理程序、程序库管理程序等模块组成。null（2）多用户操作系统，又称为分时系统，用于多个用户需要同时使用计算机的场合，例如：Unix、Linux、OS/2、Windows 98/2000/XP、Windows Vista等。 （3）网络操作系统，用于需要对网络信息进行管理，实现信息共享的场合，例如：NetWare、Windows NT等。 （4）实时操作系统，用于在严格时间范围内，对外部请求做出反应，系统具有高度可靠性的场合，例如：Windows CE、UcLinux、Rdos等。 null目前，新一代操作系统 Windows Vista已投入使用。Windows Vista是美国微软公司开发代号为长角(Longhorn)的下一版本Microsoft Windows操作系统的正式名称。它是继Windows XP和Windows Server 2003之后的又一重要的操作系统。该系统带有许多新的特性和技术，改进或新增加了包括Windows防火墙、无线网络链接、家长控制、安全中心、Windows Movie Maker、图片库、反病毒、间谍软件、网络映射、搜索、图片收藏夹、Windows Media Player、支持RSS的Outlook Express、P2P Messenger等更多功能。 null用户往往是用某一种程序设计语言来编写程序，也就是常说的源程序。但计算机只能识别二进制信息，语言处理程序的实质就是完成翻译计算机各种语言的一组程序。其主要任务是对用户使用的各种语言进行处理，进而使计算机能完成用户以各种语言所描述的任务。在软件分类中，除了将语言处理程序划分为系统软件外，各种程序设计语言也被视为系统软件。在计算机应用中，程序设计语言主要包括以下种类。 2. 语言处理程序null（1）机器语言：是一种用二进制形式表示的，并且能够直接被计算机硬件识别和执行的语言。机器语言与计算机的逻辑结构相关，也就是说，机器语言因计算机不同而异。利用机器语言编写的程序称之为机器语言程序。机器语言的缺点是：不易书写，可阅读性差，出错也不易修改。 （2）汇编语言：是一种将机器语言符号化的语言，它用形象、直观、便于记忆的字母、符号来代替数字编码的机器指令。汇编语言的语句与机器指令一一对应，不同的计算机具有不同的汇编语言。用汇编语言写的程序称为汇编语言程序。例如：Nasm、Masm、Tasm等都属于汇编语言程序。null（3）高级语言：是一种与具体计算机逻辑结构不相关的，表达方式接近于被描述的问题的程序设计语言。高级语言程序具可书写性和可阅读性强等优点。高级语言程序在计算机并不能直接执行，需要利用编译程序或解释程序将其翻译成机器语言程序后再执行。例如：Basic、Fortran、Pascal、C语言、Delphi、C++、Java等都属于高级语言程序。 （4）面向对象语言：是当今软件开发的主流方法和技术。面向对象语言具有的抽象性、封装性、模块性、继承性和多态性，以及支持自顶向下和自底向上的软件开发风范和良好的可维护性日益被人们重视。null并且面向对象的思想已经渗透到了计算机科学的其他领域，如操作系统、人工智能、数据库、分布式计算和并行计算等领域，并成为这些领域的研究热点。例如：Java、C++、Visual Basic、Visual C++、Delphi等都属于面向对象语言。注意：面向对象语言均属于高级语言，但并不是所有的高级语言都是面向对象语言，例如：C语言是高级语言但不是面向对象语言。null服务性程序又称实用程序，是为系统提供各种服务性手段而设置的一组程序。其主要功能是完成对用户程序的装入、连接、编辑、查错和纠错以及硬件故障诊断等工作。服务性程序执行的过程和详细功能如下：3. 服务性程序（1）装入计算机。在使用计算机时，首先必须将程序从机器的外部经由各种外部设备（如磁盘驱动器等）装入内存，这个功能由装入程序完成。null（2）连接程序。在实际应用中，一个大的源程序常被分成若干个相对独立的程序模块，分别编译为相应的目标模块，这些独立的目标模块必须连成一个程序后才能投入运行。完成这一功能的程序叫做连接程序。（3）编辑程序。编辑程序是为用户编制源程序提供的一种编辑手段，利用它用户可以方便的编写、修改、删除或补充源程序。null（4）数制转换程序。数制转换程序可以使用户直接用十进制数输入，由计算机自动转换成所能识别的二进制数。（5）诊断程序。诊断程序用于诊断硬件的故障。当机器在运行中出现故障时，诊断程序启动运行，查出机器的故障部位。null数据库管理系统（Database Management Systems），简称DBMS，是管理数据库的软件。数据库是为适应大型企业的数据处理和信息管理的需要而在文件系统的基础上发展起来的。4. 数据库管理系统 文件是一组相互关联的信息（称之为 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 ）的集合，即文件描述具有相同性质的一组记录。对这些文件的组织和管理的程序构成了文件系统，它是操作系统的一个组成部分，但由于各个用户建立的文件系统其数据不能共享，造成大量重复，容易产生数据的结构不一致性，而且各种文件缺乏统一的管理机构。null为了克服上述缺点，数据库用一个单独的系统软件来集中管理所有的文件，实现数据共享，这就是数据库管理系统。例如：FoxPro、Access、 Oracle、SQL Server等都属于数据库管理系统。1.2.2 应用软件 应用软件是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序，是指除了系统软件以外的所有软件，由各种应用软件包和面向问题的各种应用程序组成。由于计算机已渗透到了各个领域，因此，应用软件是多种多样的。null应用软件主要是为用户提供在各个具体应用领域中的辅助功能，它也是绝大多数用户学习、使用计算机时最感兴趣的内容。如计算机辅助绘图软件Auto CAD、办公软件Office、图形图像处理软件Photoshop、网络下载软件网际快车、迅雷等。说明：对计算机软件分类，系统软件和应用软件的划分并不是一成不变的，一些具有通用价值的应用程序也可纳入系统软件之中，作为一种资源提供给用户。null现代计算机是一个十分复杂的硬件、软件结合的整体。计算机系统的工作过程是软硬件分层次相互配合完成的，计算机系统的层次结构如图1-4所示的。图中表明了计算机系统的硬件与软件之间的相互关系，同时也说明了从用户提出任务到硬件执行的过程。1.2.3计算机系统的层次结构null计算机系统的层次结构共分为五级。第1级是微程序设计级，这是一个实际存在的硬件级，由硬件直接执行微指令。第2级是机器语言级，它由微程序解释机器指令系统，该级也属于硬件级。第3级是操作系统级，该级采用机器语言解释执行，既涉及软件资源，也涉及硬件资源，即在操作系统的控制之下调用系统的硬件与软件资源。第4级是汇编语言级，这一级由汇编程序支持和执行。第5级是高级语言级，这一级由各种高级语言编译程序支持和执行，它是面向用户的，所编写的程序称之为用户程序，这一级也属于软件级。null图1-4 计算机系统层次结构null总之，随着大规模集成电路技术的发展和计算机系统结构的不断改进，计算机的应用范围越来越广。现在已经产生了一种固件技术，可以把一些常用的程序直接制作成硬件的器件，以硬件方式来实现软件功能。固件技术的研究已成为重要的研究课题，随着固件技术的发展，现代计算机的软件和硬件都将得到进一步的简化。思考：结合软件分类的方法，请对你日常生活、学习所用的软件进行合理的分类，并说明原因。1.3 计算机系统的发展与应用1.3 计算机系统的发展与应用1.3.1 计算机的发展简史1946年，美国宾夕法尼亚大学研制出了世界上第一台电子数字计算机，这台计算机的名字称为ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator)，即电子数值积分计算机。它采用了18000个电子管，重30吨，占地170平方米。该机的字长为10位十进制，计算速度每秒5000次，每次最多只能存储20个字长为10位的十进制数。计算程序是通过“外接”的线路实现的。这台ENIAC是一个专用机，它是最早诞生的一台电子数字计算机，是现代计算机始祖。null自1946年第一台电子数字计算机问世以来，计算机的发展以计算机硬件的逻辑元器件为标志，大致经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模和超大规模集成电路等4个发展阶段。null从1946年至1956年是电子管数字计算机时代。计算机的逻辑元件采用电子管。主存储器采用磁芯、磁鼓，外存采用磁带。电子管数字计算机主要特点是体积大、功耗大、运算速度每秒只有几千次到几万次、价格昂贵、可靠性差。程序设计主要采用机器语言和汇编语言。主要应用于科学计算。虽然，电子管数字计算机有很多缺陷，但是它的体系结构和程序设计思想为以后计算机的高速发展奠定了科学基础。1．第一代计算机null从1957年至1964年是晶体管数字计算机时代。计算机的逻辑元件采用晶体管。主存储器采用磁芯，外存储器采用先进的磁盘。晶体管数字计算机主要特点是体积小、重量轻、耗电少、运算速度每秒达十万次以上、可靠性好。晶体管数字计算机的出现使软件有了很大的发展，出现了多种用途的操作系统，以及各种各样的高级语言，如FORTRAN、COBOL等高级语言。应用以各种数据处理、事务处理为主，并开始用于工业控制。2．第二代计算机 null从1965年至1970年是集成电路计算机时代。计算机的逻辑元件采用中、小规模集成电路；用半导体存储器代替磁芯存储器，采用流水线、多道程序和并行处理技术。集成电路计算机主要特点是体积更小、速度快、精度高、功能强、计算机成本进一步下降。在此期间软件向系列化、多样化发展，软件逐渐完善，分时操作系统、会话式语言等多种高级语言已经出现，并且提出了模块化与结构化程序设计的思想。在发展大型机的同时，“小型计算机”开始出现。计算机品种开始向多样化、系列化发展，应用领域不断扩大。3．第三代计算机 null从1971年以后是大规模和超大规模集成电路计算机时代。计算机的逻辑元件以大、超大规模集成电路为主要功能器件。大规模和超大规模集成电路计算机主要特点是速度更快、集成度更高、软件丰富、有通讯功能、软硬密切配合。在此期间硬件和软件的技术日益完善，计算速度每秒千万次/亿次以上，计算机结构也开始以分布式处理来组织系统。同时，大型机、中型机、超小型机、计算机网络、智能模拟、软件工程等都有了新的发展。应用开始进入尖端科学、军事工程、空间技术和大型事务处理等社会技术和社会生活各个领域。 4．第四代计算机null随着大规模集成电路的发展，20世纪70年代计算机开始向微型化方向展。1971年美国Inter公司设计生产出了第一个微处理器，而后与IBM公司合作生产了第一台微型计算机，开创了微型计算机的新时代。 微型计算机具有体积小、重量轻、功耗低、功能强、可靠性高、结构灵活、使用环境要求低、价格低廉等一系列特点和优点，得到了广泛的应用和飞速的发展。目前，微型计算机已进入双核心甚至多核心时代。传统单核处理器相比，又双核心处理器加入了五项主要改革：宽动态指令执行、智能电源管理（、智能缓存技术、智能缓存加速及高级数字媒体增强。新技术的应用使双核心处理器在工作效率、节能、多媒体操作以及网络操作方面表现的更为优越。 null从80年代开始，日本、美国和欧洲纷纷进行第五代计算机的研制工作，目前第五代计算机有以下几个研究方向：（2）生物计算机－－运用生物工程技术，蛋白分子作芯片，可以使计算机体积更小，存储量更大，智能化更强；（1）神经网络计算机－－模拟人的大脑思维，可同时并行处理大量实时变化的数据，并引出结论；null小知识：生物计算机一旦研制成功，其运算速度是目前传统计算机根本无法比拟的，它几十小时的运算量就相当于目前全球所有计算机运算量的总和。生物计算机的存储量也大得惊人。科学家采用有机的蛋白质分子构成的生物芯片代替由无机 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 制作的硅芯片，其大小仅为现在所用的硅芯片的十万分之一，而集成度却极大地提高，如用血红素制成的生物芯片，1平方毫米能容纳10亿个门电路，其开关速度达到10微微秒。此外生物芯片具备的低阻抗、低能耗的性质使他们摆脱了传统半导体元件散热的困扰，从而克服了长期以来集成电路制作工艺复杂、电路因故障发热熔化以及能量消耗大等弊端，给计算机的进一步发展开拓了广阔的前景。此外，生物计算机的元件密度比人的神经密度还要高100万倍，而且其传递信息的速度也比人脑进行思维的速度快100万倍。它即快捷，又准确，可以直接接受人脑的指挥，成为人脑的外延或扩充部分，它以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量，而不需要外界的任何其他能量。null（3）光子计算机－－用光作为信息载体，通过对光的处理来完成对信息的处理，可提高运算速度、降低耗能。 新一代计算机与前四代计算机的本质区别是：计算机的主要功能将从信息处理上升为知识处理，使计算机具有人类的某些智能，所以又称为人工智能计算机。通常认为，第五代计算机具有以下几个方面的功能： （1） 具有处理各种信息的能力。除目前计算机能处理离散数据外，第五代计算机还能对声音、文字和图象等形式的信息进行识别处理。 null（2）具有学习、联想、推理和解释问题的能力。 （3）具有对人的自然语言的理解能力。即只需把要处理或计算的问题，用自然语言写出要求及说明，计算机就能理解其意，按人的要求进行处理或计算，而现在的计算机需要使用专门的计算机语言把处理过程与数据描述出来。对第五代计算机来说，只需告诉它“做什么”，而不必告诉它“怎么做”。 总之，第五代计算机将采用多媒体技术把声音、图形、图象系统、计算机系统和通讯系统集成为一个整体，使计算机具有像人一样的能听、能看、能想、能说、能写等功能，甚至研制生产出具有某些“情感”、“智力”的计算机产品。思考： 请结合智能计算机的发展情况，智能计算机在实际生活中的应用有那些？null电子计算机是一种由电子线路构成的设备，它能对信息进行记忆、传送和处理，从而实现计算的功能。计算机的分类方法一般有如下几种。1.3.2 计算机的分类null一般可分为数字计算机、模拟计算机。 数字计算机处理的是离散的数字量。通常用脉冲的有无或电平的高低表示二进制数字“1”和“0”，其不同的组合表示大小不同的数值，只要增加组合的位数就可增加表示数的范围和精度。因此，只要不考虑设备的代价，数字计算机所表示的数值范围与精度几乎没有限制。我们通常所说的计算机，如未特别说明，均指的是数字计算机，简称为计算机。1. 按信息的形式及处理方式null模拟计算机处理的信息是连续变化的模拟量，如温度、压力、距离、速度等等。模拟计算机的运算速度快，但精度不高，且每做一次运算需重新设计和编排线路，故通用性不强，信息的存储也较为困难。模拟计算机多用于解数学方程或自动控制模拟系统的连续变化过程。目前，在很多应用领域数字计算机已经取代模拟计算机。null数字计算机按其用途即应用特点可分为通用计算机和专用计算机。 通用计算机就是我们通常所说的计算机。它通常根据不同的计算机系列型号配备一定的外设，配备多种系统软件，如操作系统、数据库管理系统及多种工具软件。只要再配备相应的应用软件，就可应用于各种领域。通用机的特点是通用性强，功能全。 2. 按计算机的用途null专用计算机是针对某一特定应用领域或面向某种算法的计算机，这种机器由于功能单一，结构简单，成本较低，可靠性较高，使其在军事和工业控制等领域得到了广泛的应用。如某一工业过程控制计算机，军事上特定武器装备的控制指挥仪，以及目前已广泛应用的嵌入式系统计算机。专用机的系统结构及专用软件是专门针对其应用领域设计的，因而对该领域是高效的。专用机若用于其他领域，则效率极低甚至无法运行。 null所谓规模，是综合计算机的多方面因素而言，通常涉及运算速度、机器字长、存储容量、外部设备等硬件配置，以及软件、价格等诸多方面。因此，按规模分类实际也即按计算机的性能来分类。由于计算机科学技术的飞速发展，这种规模或性能的概念也是在不断变化的。昔日的大型机，其性能可能赶不上现在的微型机。尽管如此，计算机业界仍习惯将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机等几种类型。3. 按计算机的规模 null也称为超级计算机，它是一个国家科技水平、经济实力和军事威力的象征。巨型机速度最快，性能最强，技术最复杂，具有巨大的数值计算和信息处理能力，是每个时代计算机高精尖技术的集中代表。目前巨型计算机一般字长64位，每秒平均执行上百亿次浮点运算，主存容量1～4百万字以上，其高速数据通道每秒可传送数据几千万个字以上，具有丰富的系统软件。目前世界上最快速的计算机都采用大规模并行处理MPP（Massively Parallel Processing）技术，每台现代巨型机都拥有数百至上万个处理器。1983年我国自行研制出了第一台银河巨型机，如图1-5所示。此后，我国自行研制的银河－Ⅲ型巨型机每秒运算可达到120亿次，如图1-6所示。现在，我国正在研制更高性能的巨型机。（1）巨型机null图1-5 第一台银河巨型机 图1-6 银河Ⅲ巨型机 null大型计算机（Lang Scale Computer/Mainframe）是计算机家族中通用性最强，功能也很强的计算机。一般字长32～64位，每秒执行数百万到数千万条指令，主存容量几十万到几百字，有较多的外设和通信接口，有很强的I/O处理能力和丰富的系统软件及应用软件。大型机示例图如图 1-7（2）大型计算机图1-7 IBM大型机null小型计算机（Minicomputer）是性能较好、价格便宜、应用领域十分广泛的计算机。一般字长32位，速度每秒几十万到几百万次，内存容量几万到几十万字，配有一定数量的外设与通信接口，支持多种高级语言和汇编语言编写的程序，有功能较强的操作系统。（3）小型计算机HP的小型机null微型计算机（Microcomputer）简称微型机或微机，是以微处理器为中央处理器而组成的计算机系统。（4）微型计算机它是性能价格比最高、应用领域最广的一种计算机。近年来，微型机的发展最快、市场占有率最高，其许多性能达到甚至超过了小型机的水平。微型计算机正不断向微型化、网络化、高性能、多用途发展。 null微型计算机的分类方法很多。按字长可分为8位、16位、32位、64位微型机计算机;按组装形式可分为非便携式和便携式微型计算机，前者如台式机（如图1-8所示），后者是一种可移动的微型机，如笔记本和掌上计算机（如图1-9所示）。图1-8台式机 图1-9笔记本 null2007.7.2*按使用方式，一般将计算机分为工作站和服务器，这也是目前广泛采用的实用的分类方法。这种分类方法是以网络和分布式计算环境为背景的。4. 按使用的方式工作站服务器null2007.7.2*工作站（Workstation）是以个人计算环境和分布式网络计算环境为基础，具有良好的性能价格比。所谓个人计算环境是指为个人使用计算机创造一个尽可能易学易用的工作环境，为面向特定应用领域的人员提供一个具有友好人机界面的高效率工作平台。分布式网络计算环境是指工作站在进行信息处理时，可以通过网络与服务器和其他工作站或计算机互通信息和共享资源。工作站的多功能是指它的高速运算功能，适应多媒体的应用功能和知识处理功能，如图1-10所示。（1）工作站null2007.7.2*服务器（Server）是网络环境或在具有客户／服务器结构的分布计算环境中，为客户的请求提供服务的结点计算机。客户／服务器是实现资源共享的一种结构，客户是服务器的对象。在网络和分布式计算环境中，服务器提供大量公用的服务，如数据库服务、WWW服务、文件服务、打印服务等。在设计上，要求服务器具有更好的数据交换性能、极高的可用度、良好的安全性、很强的扩展能力，网络和分布式计算环境中的工作站多充当信息中心，如图1-11所示。（2）服务器null2007.7.2*图1-10 工作站 图1-11服务器 null2007.7.2*数字计算机问世以来，计算机得到高速发展的原因主要是它的普及与应用。如今，计算机的应用与普及已从军事、科研、经济领域不断向教育、文化、商业、贸易、以至娱乐、生活诸方面进军，所到之处均引起了巨大的变革。在应用实践中，人们对计算机的功能及特性不断提出新的要求。正是基于这一原因，计算机技术得到了极大的发展。 目前，计算机的应用领域已达数千种。按照计算机的应用特点，计算机的应用可以大体上分为科学计算、数据处理、实时控制、计算机辅助工程、办公自动化、数据通信和智能应用等几大类.1.3.3 计算机的应用领域null2007.7.2*科学研究和工程计算领域是计算机应用最早的领域。计算机的发明和发展，首先是为了解决科学技术和工程设计中大量的数学计算问题。因此，科学计算是计算机应用的一个重要领域。例如大范围的地区气象预报信息，如果用人工计算需要几天的时间完成，而用计算机处理这些信息很短时间就可以完成，使气象预报具有实用价值。1. 科学计算null2007.7.2*目前，有效地使用数字计算机来求解数学问题，已经形成一个专门的学科——数值计算。许多计算领域的问题，如计算物理、计算力学、计算化学、计算经济学等均可归结为数值计算问题。这类计算往往涉及到较复杂的数学公式，如求解上千阶的微分方程组、大型的矩阵运算等等。null2007.7.2计算机组成与结构*人类已进入信息化社会，各种信息浩如烟海。为认识掌握这些信息，就需要对大量的信息进行分析加工。计算机的应用使信息处理工作实现起来非常快捷，准确。使科学实验、生产控制、组织管理、国防建设、文化教育、医疗服务等领域的工作实现起来更加轻松。 数据处理的主要功能，是将输入设备送来的数据及时记录、整理、分类、加工、以得到所需要的信息。如企业管理、库存管理、帐目计算、情报检索、图像处理等等，它们的特点是原始数据量大，算术运算比较简单，有大量的逻辑与判断，处理的结果多以报表或文件形式存储或输出。2. 数据处理null2007.7.2*实时控制是计算机在过程控制中的重要应用。最初的过程控制主要应用于导弹、卫星等现代化武器系统和航空航天等领域，而现在已广泛应用于工业生产过程。过程控制发挥着神经系统的功能，由于高灵敏度、高精确度的控制，使得上述领域的工作能在人的意志控制下准确无误地达到目的。例如由雷达和导弹发射器组成的防空系统，地铁指挥控制系统，自动化生产线等，都需要在计算机控制下运行。3. 实时控制null2007.7.2计算机组成与结构*计算机辅助工程是近几年来迅速发展的一个计算机应用领域，它包括计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design)、计算机辅助制造CAM（Computer Aided Manufacture)和计算机辅助教学CAI(Computer Assisted Instruction)等多个方面。 CAD广泛应用于船舶、飞机、汽车、建筑、电子等方面的设计。由计算机辅助产生的设计结果通过图形设备与设计人员交互，可及时对设计做出判断和修改，最终完成设计工作。因此，采用CAD技术，提高了设计的自动化水平，缩短了设计周期，减轻了设计人员的劳动，也大大提高了设计质量。4. 计算机辅助工程null2007.7.2计算机组成与结构*CAM则是使用计算机进行生产设备的管理和生产过程的控制，例如，计算机控制的全自动汽车装配生产线。CAI使教学手段达到一个新的水平，即利用计算机模拟一般教学设备难以表现的物理或工作过程，并通过交互操作极大的提高了教学效率。null2007.7.2计算机组成与结构*办公自动化OA（Office Automation)指用计算机帮助办公室人员处理日常工作。例如，用计算机进行文字处理，文挡管理，资料，图象，声音处理和网络通信等。它既属于信息处理的范围，又是目前计算机应用的一个较独立的领域 。5. 办公自动化null2007.7.2计算机组成与结构*数据通信主要是利用通信卫星群和光导纤维构成的计算机应用网络，实现信息双向交流，同时利用多媒体技术扩大计算机的应用范围。通信卫星的覆盖面广，光导纤维传输的信息量大，保密性好，他们的优势互补，利用计算机将二者结合起来可在全球范围内双向传送包括电视图象在内的各种信号，把整个地球网络连接起来，使人们在家里就可以收看世界上任何一家电视台的节目，通过屏幕与远在千里之外的友人面对面地通话。总之，以计算机为核心的信息高速公路的实现，将进一步改变人们的生活方式。 6. 数据通信null2007.7.2计算机组成与结构*人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）是用计算机来模拟、延伸、扩展人类的某些智力活动，使计算机具有学习和推理能力。如今，人工智能的研究与应用已在模式识别、景物分析、自然语言的理解与生成、博弈、自动定理证明、自动程序设计、专家系统、模拟训练系统、智能决策系统、机器人等领域得到了重大的突破和快速的发展，以机器人的研究为例，现已在机器人的视觉、触觉、声音识别等方面取得了较大的进展，出现了越来越聪明灵巧的新型机器人——智能机器人。7. 人工智能null2007.7.2计算机组成与结构*上述七种应用类型虽覆盖了计算机应用的大多数领域，但并未能包括当今计算机的应用范畴。随着计算机网络技术和信息高速公路的发展，计算机的应用几乎渗透到人类活动的各个领域，如电子商务、电子邮件、交互式通信、检索查询、电子游戏、远程医疗、远程教育、电子购物等等，人们可以进入一个五彩缤纷的世界，畅游信息的海洋。计算机的广泛应用正改变着人类的生活方式，它标志着人类进入一个全新的社会——信息化社会。思考：结合生活中你对计算机了解的情况，请分别举例说明那些计算机属于巨型机、小型机、微型机？1.4 现代计算机技术应用2007.7.2计算机组成与结构*1.4 现代计算机技术应用精简指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）是美国加州伯克利分校的帕特逊等人于1979年提出的。RISC结构是相对于传统的采用微程序结构的复杂指令集计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）结构而言的。它的出现是计算机体系结构发展史上一个重要的里程碑。1.4.1 精简指令集计算机 null2007.7.2计算机组成与结构*传统的CISC指令集随着计算机的发展而引入了各种各样的复杂指令，使得指令集和为此要实现这些指令功能的计算机体系结构越来越复杂，不堪重负。经过大量的研究和分析，发现在CISC的指令集中，各种指令的使用频度相当悬殊。计算机在运行程序中，大概仅有20%的指令被反复使用，使用量约占整个程序的80%；而有80%的指令则很少使用，其使用量约占整个程序的20%。这就是所谓的“二八定律”。null2007.7.2计算机组成与结构*复杂的指令系统必然增加硬件实现的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且由于复杂指令需要进行复杂的操作，很难实现流水线执行，从而影响了机器的速度。为了解决上述问题，RISC微处理器的设计和应用得到了较快的发展。一般来说，RISC处理器比同等的CISC处理器要快50%～75%，同时RISC处理器更容易设计和纠错。 RISC是在继承CISC的成功技术并克服CISC的缺点的基础上产生并发展起来的。RISC的着眼点不简单地放在简化指令系统上，而是通过简化指令使计算机的结构更合理，从而提高运算速度。null例如：计算机执行程序所需要的时间P可用下式表示： P = I × CPI × T 其中，I是高级语言编译后在机器上运行的指令数，CPI为执行每条指令所需的平均周期数，T是每个机器周期的时间。 由于RISC指令比较简单，原CISC机中比较复杂的指令在这里用子程序来代替，因此RISC的I要比CISC的多20%～40%。但是RISC的大多数指令只用一个机器周期实现，所以CPI的值要比CISC小得多。同时因为RISC结构简单，所以完成一个操作所经过的数据通路较短，使得T值大为减少。后来，RISC的硬件结构有很大改进，一个机器周期平均可完成一条以上指令，甚至可达几条指令。nullRISC的设计要点为： （1）选取使用频度最高的一些简单指令和很有用但并不复杂的指令； （2）指令的长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少； （3）只有取数／存数指令访问存储器，其余指令操作都在寄存器之间进行； （4）采用指令流水线操作，实现指令并行操作； （5）大部分指令在一个时钟周期内完成； （6）CPU中通用寄存器的数目相当多； （7）以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制，以加快指令执行速度。 null目前，RISC指令微处理器在嵌入式计算机中得到了广泛的应用，设计生产RISC指令微处理器的公司也越来越多，比如：英国的ARM公司设计的ARM7、ARM9、ARM10、ARM11等系列RISC指令微处理器；IBM公司的Power PC；DEC公司的Alpha；HP公司的HPPA；MIPA公司的R10000；SUN公司的Ultra SPARC等。1.4.2 嵌入式计算机嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。null嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括嵌入式微处理器、存储器及外设器件和I／O端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 null1.嵌入式微处理器嵌入式计算机的核心是嵌入式微处理器（如图1-13所示）。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点： （2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 （1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 null（3）可扩展的处理器结构，能扩展出满足应用需求的高速嵌入式微处理器。　　（4）嵌入式微处理器功耗低，适合用于便携式的无线及移动的计算和通信设备。 图1-13 嵌入式微处理器null嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了若干个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。下面介绍几种具体的应用.2.嵌入式计算机的应用领域null所谓的移动数据库是支持移动计算机的数据库,有两层含义：一是用户在移动的过程中可以联机访问数据库资源。二是用户可以带着数据库移动。典型的应用场合例如：在行驶的救护车上查询最近的医院。该系统由前台移动终端、后台同步服务器组成，移动终端上有嵌入式实时操作系统和嵌入式数据库。其他包括手机、PDA、掌上电脑等各种移动设备。用掌上电脑（或PDA）上网，人们可以随时随地获取信息。（1）嵌入式移动数据库null智能家居网络（E-Home）指在一个家居中建立一个通信网络，为家庭信息提供必要的通路；在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络中家电和设备的控制和监测。家用电器将向数字化和网络化发展，电视机、微波炉、电话等都将嵌入计算机并通过家庭控制中心与Internet连接，转变为智能网络家电。其网络结构的组成必然有家庭网关，家庭网关主要实现控制网络和信息网络的信号综合，并具有与外界联络的接口，以便作远程控制和信息交换。不论是网关还是各家电上的控制模块，都需要有嵌入式操作系统。这些操作系统必须有内嵌入式、实时性好、多用户的特点。 （2）嵌入式系统在智能家居网络中的应用null嵌入式语音芯片基于嵌入式操作系统，采用语音识别和语音合成、语音学层次结构体系和文本处理模型等技术，可以应用在手持设备、智能家电等多个领域。如果赋予这些设备人性化的交互方式和便利的使用方法，也可应用于玩具中，实现声控玩具、仿真宠物、与人对话的玩具。也能应用于车载通信设备实现人机交流。（3）嵌入式语言芯片null以蓝牙为代表的小范围无线接入 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 与嵌入式系统的结合，必将推动嵌入式系统的广泛应用。近来，基于这些协议的嵌入式产品层出不穷，包括各种电话系统、无线公文包、各类数字电子设备以及在电子商务的应用。这些产品以其微型化和低成本的特点为它们在家庭和办公室自动化、电子商务、工业控制、智能化建筑和各种特殊场合的应用开辟了广阔的前景。（4）基于小范围无线通信协议的嵌入式产品null我国的工业生产需要完成智能化，数字化改造，智能控制设备、智能仪表、自动控制等为嵌入式系统提供了很大的市场。而工业控制、仿真、数据采集、军用等领域一般都要求操作系统支持实时响应。在服务业和交通系统，嵌入式也在发挥着越来越重要的作用。（5）其他工业控制和仿真领域，嵌入式设备也早已得到广泛应用。null嵌入式系统通常是面向特定应用而设计的，与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，而且能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，增强其移动能力。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。3. 嵌入式计算机系统与通用型计算机系统的比较null为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。思考：随着嵌入式计算机的高速发展，计算机的应用也越来越贴近人们的生活，请举例说明你身边那些产品属于嵌入式计算机系统的应用。本章小结本章小结本章主要讲述了计算机的硬件系统和软件系统的基本组成及其功能，并从层次结构的角度分析了计算机的层次结构。随后介绍了计算机的发展历程、应用领域和现代计算机技术的发展与应用方向。通过本章的学习，读者应该在思想上对计算机的发展和应用有一定的认识，对计算机的设计技术和新的发展、应用方向有所了解，充分理解计算机总体结构及软、硬件的功能，为深入学习以后各章打下基础。null第2章 计算机的逻辑部件计算机的逻辑部件 计算机的逻辑部件 本章从逻辑代数的基本知识、逻辑门电路的构成及特性出发，介绍组合逻辑电路分析与设计的一般方法；介绍了加法器、译码器等常用芯片的逻辑功能；介绍了加法器、译码器等中规模器件设计组合逻辑电路、解决实际问题的思路与方法。读者应深入理解基本逻辑运算、逻辑运算规则、逻辑函数的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 表达式、代数化简、卡诺图化简等基本理论；掌握利用逻辑代数知识分析组合逻辑电路的方法；掌握用小规模器件设计组合电路的一般过程；深入理解中规模器件在设计组合逻辑电路、解决实际问题中的应用。本章要点：本章要点：数字逻辑电路基础知识 逻辑函数的化简 加法器设计 译码器设计 计数器设计 EDA技术2.1.1 逻辑代数的基本知识2.1.1 逻辑代数的基本知识逻辑代数是研究逻辑电路的基本工具，是描述输入逻辑变量和输出函数之间关系的数学表达式。逻辑代数又称为开关代数或布尔代数，是由英国数学家乔治· 布尔（George Boole）于19世纪中叶首先提出的用于描述客观事物逻辑关系的数学方法，是按一定的逻辑规律进行运算的，反映逻辑变量运算规律的数学，主要应用于继电器开关电路的分析与设计上。经过不断的完善和发展后，被用于数字逻辑电路和数字系统中，成为逻辑电路分析和设计的有力工具。 2.1 数字逻辑与数字电路null通常电子系统中都含有模拟和数字两种模块。和模拟电路相比较，在存储、分析或传输信号时，数字电路更具优越性。在数字电路中，常用二进制数来量化连续变化的模拟信号，而二进制数正好是用数字1和0来表示的。这里的0和1不是十进制数中的数字，逻辑0和逻辑1不代表数值大小，仅表示相互矛盾、相互对立的两种逻辑状态，这样就可借助复杂的数字系统来实现信号的存储、分析和传输。1．数字逻辑信号2.逻辑电平2.逻辑电平逻辑代数与普通代数相似之处在于它们都是用字母表示变量，用代数式描述客观事物间的关系。但不同的是，逻辑代数是描述客观事物间的逻辑关系，逻辑函数表达式中的逻辑变量的取值和逻辑函数值都只有两个值，即0 和1，称之为数字逻辑。 在电路上，可用电子器件的开关特性来实现，由此形成离散信号电压或数字电压，这些数字电压通常用逻辑电平来表示。应当注意，逻辑电平不是物理量，而是物理量的相对表示。在正逻辑体系中，用1来表示高电平，用0来表示低电平。在负逻辑体系中，用0来表示高电平，用1来表示低电平（本书采用正逻辑）。这种高电平和低电平统称为逻辑电平。2.1.2 常见的门电路2.1.2 常见的门电路1．与门 真值表表示的两输入端与门如表2-1所示，逻辑符号如图2-1所示。从与门的逻辑关系上可以看出，如果输入端A作为控制端，则A的值将会决定输入端B的值是否能被输出到端口Y。 表2-1 两输入端与门的真值表null （a）国外符号 （b）国标符号 图2-1 两输入端与门逻辑符号符号表示:null2．或门 真值表表示的两输入端或门如表2-2所示，逻辑符号如图2-2所示。表2-2 两输入端或门的真值表图2-2 两输入端或门逻辑符号图2-2 两输入端或门逻辑符号（a）国外符号 （b）国标符号3．非门3．非门非门可以用反相器电路实现，因此非门又称为“反相器”。真值表表示的非门如表2-3所示，逻辑符号如图2-3所示。表2-3 非门的真值表null （a）国外符号 （b）国标符号 图2-3 非门逻辑符号 符号表示:5．或非门5．或非门真值表表示的两输入端或非门如表2-5所示，逻辑符号如图2-5所示。可以利用或非门的输入端A来控制输入端B。当A=0时，（输入信号被反相输出）；当A=1时，则不管B的值是什么，Y都为0。表2-5 两输入端或非门的真值表 符号表示:符号表示: （a）国外符号 （b）国标符号 图2-5 两输入端或非门逻辑符号 6．异或门6．异或门真值表表示的两输入端异或门如表2-6所示，逻辑符号如图2-6所示。从逻辑表达式中可以看出，异或门能够用与门、非门和或门来实现。表2-6 两输入端异或门的真值表符号表示:符号表示: （a）国外符号 （b）国标符号 图2-6 两输入端异或门逻辑符号 7．同或门7．同或门真值表表示的两输入端同或门如表2-7所示，逻辑符号如图2-7所示。表2-7 两输入端同或门的真值表符号表示:符号表示:（a）国外符号 （b）国标符号 图2-7 两输入端同或门逻辑符号 2.2.1 加法器2.2.1 加法器在数字系统中，减法、乘法和除法的核心都是加法，因此加法器是计算机的基本运算单元，在逻辑电路中经常使用。 半加器和全加器是算术运算电路中的基本单元，它们是完成1位二进制数相加的一种组合逻辑电路。2.2 常用的组合逻辑电路设计1．半加器1．半加器不考虑低位进位的加法器称半加器。 设A为被加数，B为加数。本位和为S，本位进位为C，根据半加器的概念得出半加器的真值表如表2-8所示。 由真值表可得出本位和S，本位进位C的表达式：表2-8 半加器真值表实现半加器运算的逻辑电路 实现半加器运算的逻辑电路 如图2-8（a）所示，（b）图为半加器的符号。 图2-8 半加器2．全加器2．全加器半加器只是解决了两个一位二进制数相加，没有考虑来自低位的进位。如果要多位二进制数相加，必须同时考虑来自低位的进位，这种加法器称全加器。 全加器真值表如表2-9所示，表中Ai为被加数；Bi为加数；本位和Si；进位Ci，低位进位Ci-1。 根据全加器的概念得出全加器真值表如下页表2-9所示。 表2-9 全加器真值表表2-9 全加器真值表null由真值表写出： null根据表达式画出全加器逻辑图如图2-9（a）所示，图2-9（b）