計算機(jī)組成原理：前言、計算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

計算機(jī)組成原理

1參考教材21、白中英等，計算機(jī)組成原理(第5版)，科學(xué)出版社，20132、唐朔飛，

計算機(jī)組成原理(第2版)，高等教育出版社，20083、蔣本珊，計算機(jī)組成原理(第3版)，清華大學(xué)出版社，2013莫等閑,白了少年頭,空悲切StudyHardStudySmart34課程要求及說明1、不曠課、不遲到、不早退，遵守課堂紀(jì)律2、考試重點（知識點）在課堂和作業(yè)中體現(xiàn)3、閉卷考試（60+：100%，50+：作業(yè)、出勤）51.1計算機(jī)的發(fā)展、分類及應(yīng)用1.2

計算機(jī)的組成1.3計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.4計算機(jī)的工作過程1.5計算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)要求：掌握計算機(jī)的基本組成、工作原理及系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。使學(xué)生初步了解計算機(jī)整體架構(gòu)。6§1.1計算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用1.計算機(jī)及結(jié)構(gòu)ComputerMemoryInputOutputALUControlALU:

完成算術(shù)和邏輯運算，通常包括其中的寄存器。Control:CPU的組成部分，它根據(jù)程序指令來指揮datapath，memory以及I/O運行，共同完成程序功能。Memory:

存放運行時程序及其所需要的數(shù)據(jù)的場所。Input:

信息進(jìn)入計算機(jī)的設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)等。Output:

將計算結(jié)構(gòu)展示給用戶的設(shè)備，如顯示器、打印機(jī)、喇叭等。7計算機(jī)：是一種能夠接收信息，存儲信息，并按照存儲在其內(nèi)部的程序

（這些程序是人們的意志體現(xiàn)）對輸入的信息進(jìn)行加工、處理，得到人們所期望的結(jié)果，然后把處理結(jié)果輸出的高度自動化的

電子設(shè)備。2.計算機(jī)的發(fā)展

算籌，算盤是人類最早的手動計算工具，機(jī)械式加法機(jī)則是在此之后出現(xiàn)的一種用機(jī)械技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算的計算工具。

法國人帕斯卡生于1623年。他在19歲時，就設(shè)計出了機(jī)械式加法機(jī)，這是世界上第一臺機(jī)械式數(shù)字計算機(jī)。這臺加法機(jī)是利用齒輪傳動原理，通過手工操作，來實現(xiàn)加，減運算的。帕斯卡的加法機(jī)向人們提示出：用一種純粹機(jī)械的裝置去代替人們的思考和記憶，是完全可以做到的。法國人帕斯卡最早的運算機(jī)械—加法機(jī)，如今陳列在博物館中(1)古代：8

德國著名數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家萊布尼茲這是萊布茲發(fā)明的乘法計算機(jī)，它長約1米，使用了一套齒輪系統(tǒng)來傳動1672年萊布尼茲發(fā)明乘法計算機(jī)

萊布尼茲的這臺乘法機(jī)長約1米，寬30厘米，高25厘米。它由不動的計數(shù)器和可動的定位機(jī)構(gòu)兩部分組成。整個機(jī)器由一套齒輪系統(tǒng)來傳動，它的重要部件是階梯形軸，便于實現(xiàn)簡單的乘除運算。

萊布尼茲也是第一個認(rèn)識到二進(jìn)制記數(shù)法重要性的人，并系統(tǒng)地提出了二進(jìn)制數(shù)的運算法則。萊布尼茲非常向往和崇尚中國的古代文明，他把自己研制的乘法機(jī)的復(fù)制品贈送給中國皇帝康熙，以表達(dá)他對中國的敬意。9查爾斯·巴貝奇與差分機(jī)和分析機(jī)巴貝奇于19世紀(jì)30年代制造的分析機(jī)?，F(xiàn)存英國倫敦科學(xué)博物館查爾斯·巴貝奇（英）巴貝奇于19世紀(jì)20年代制造的差分機(jī)

現(xiàn)代計算機(jī)的設(shè)計思想，與100多年前巴貝奇的分析機(jī)幾乎完全相同。巴貝奇的分析機(jī)同現(xiàn)代計算機(jī)一樣可以編程，而且分析機(jī)所涉及到的有關(guān)程序方面的概念，也與現(xiàn)代計算機(jī)一致。101884年，美國人赫勒里發(fā)明了制表機(jī)并創(chuàng)建了IBM公司

1878瑞典發(fā)明家奧涅發(fā)明了手搖式機(jī)械計算機(jī)和按鍵式機(jī)械計算機(jī)。

1937年，英國人圖靈提出一種“通用”計算機(jī)的概念：它可以執(zhí)行任何一個描述好的程序（算法），實現(xiàn)需要的功能。最終形成了存儲程序計算機(jī)：問題的求解由程序或過程給出，程序和過程可以通過語言描述.存儲程序的思想，使計算機(jī)從專用走向通用。正是這一創(chuàng)新，開創(chuàng)了計算機(jī)的新時代。11

信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)在貝爾實驗室證明：可采用實現(xiàn)布爾代數(shù)運算的繼電器或電子元件來制造計算機(jī)，其理論使電子計算機(jī)即能用于數(shù)字計算，又具有各種非數(shù)字應(yīng)用能力。

1946年2月15日發(fā)生了人類歷史上一件劃時代的大事：人類第一臺電子計算機(jī)誕生了。

12(2)現(xiàn)代計算機(jī)的發(fā)展：

第一代電子管（1946年～1957年）1946年誕生第1臺電子計算機(jī)ENIAC

重30噸18000多個真空管組成5000次加法/秒。采用十進(jìn)制表示/運算采用手動編程特點：單CPU，定點運算，程序控制I/O馮·諾依曼機(jī)馮·諾依曼（圖靈也同時）:提出“存儲程序”思想，并于46年開始設(shè)計

“存儲程序”計算機(jī)，被稱為IAS計算機(jī)。

“存儲程序”思想：將事先編好的程序和原始數(shù)據(jù)送入主存中，然后啟動計算機(jī)工作。計算機(jī)應(yīng)能在不需操作人員干預(yù)下，自動完成逐條取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。

ENIAC的特點：18,000個電子管重30噸占地170平方米耗電150KW5,000次/秒加法運算

用開關(guān)手動編程13計算機(jī)應(yīng)由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個基本部件組成。各基本部件的功能是：

存儲器不僅能存放數(shù)據(jù)，而且也能存放指令，形式上兩者沒有區(qū)別，但計算機(jī)應(yīng)能區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)還是指令；控制器應(yīng)能自動執(zhí)行指令；運算器應(yīng)能進(jìn)行加/減/乘/除四種基本算術(shù)運算，并且也能進(jìn)行一些邏輯運算和附加運算；操作人員可以通過輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和主機(jī)進(jìn)行通信。內(nèi)部以二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)。每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼指出操作類型，地址碼指出操作數(shù)的地址。由一串指令組成程序。采用“存儲程序”工作方式。14

第二代:晶體管（1958年～1964年）●元器件：邏輯元件采用晶體管以外，其內(nèi)存儲器由磁芯構(gòu)成，磁鼓與磁帶成為外存儲器。

●特點：變址，浮點運算，多路存儲器，I/O處理機(jī)，中央交換結(jié)構(gòu)(非總線結(jié)構(gòu))?！褴浖菏褂昧烁呒壵Z言，并提供了系統(tǒng)軟件?！翊頇C(jī)種：IBM7094和DECPDP-1

第三代:MSI/SSI(中/小規(guī)模集成電路)1965～1971年元器件：邏輯元件與主存儲器均由集成電路實現(xiàn)。特點：微程序控制，Cache，虛擬存儲器，流水線等。

代表機(jī)種：

IBM360和DECPDP-8（大型/巨型機(jī)與小型機(jī)同時發(fā)展）15第一個系列計算機(jī)：IBM360微程序控制器16

第四代:用大規(guī)模集成電路（LSI或VISI）1971年～1985年

第五代（1986年～）：用巨大規(guī)模集成電路作為計算機(jī)的基本器件運算速度提高到每秒運算幾億次以上。單片機(jī):將CPU、部分存儲器、部分I/O接口集成在一個芯片上典型代表——單片機(jī)的出現(xiàn)。17生物計算機(jī)：由硅芯片電路密集引起的散熱問題難以解決，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)有開關(guān)特性，用蛋白質(zhì)分子作元件制成集成電路，稱為生物芯片。使用生物芯片的計算機(jī)稱為蛋白質(zhì)電腦，或稱為生物電腦。用蛋白質(zhì)制造的電腦芯片，它存儲量可達(dá)到普通電腦10

億倍。大小只有硅片集成電路的十萬分之一，且具有生物的特點，具有自我組織自我修復(fù)的功能。它可以與人體及人結(jié)合起來，聽從人腦指揮，從人體中吸收營養(yǎng)。把生物電腦植入人的腦內(nèi)，可以使盲人復(fù)明，使人腦的記憶力成千萬倍地提高；若是植入血管中，則可以監(jiān)視人體內(nèi)的化學(xué)變化，使人的體質(zhì)增強(qiáng)，使殘疾人重新站立起來。美國的科技人員已研究出可以用于生物電腦的分子電路：它由有機(jī)物質(zhì)的分子組成，由分子導(dǎo)線組成的顯微電路，只有現(xiàn)代計算機(jī)電路的千分之一大小。(3)未來計算機(jī)：18光計算機(jī)：光計算機(jī)工作原理與電子計算機(jī)工作原理基本相同，其本質(zhì)區(qū)別在于光學(xué)器件替代了電子器件。電子計算機(jī)用電流傳送信息，在運算高速并行化時，往往會使運算部分和存儲部分之間的交換產(chǎn)生阻塞，從而造成“瓶頸”。

光計算機(jī)以光作為信息載體來處理數(shù)據(jù)的，運算部分通過光內(nèi)連技術(shù)直接對存儲部分進(jìn)行高速并行存取。光子之間不發(fā)生相互作用，即在一個通路上傳送的光不影響另一個通道上傳送的光。光計算機(jī)可破譯現(xiàn)在無法破譯的代碼和設(shè)計超級核武器。

19量子計算機(jī)：根據(jù)量子理論：在微型世界中，電子既是微粒，也是一種波，利用這種特性制成的量子計算機(jī)運算速度將大大超過目前的超級計算機(jī),

專家預(yù)見，在更遠(yuǎn)的將來會出現(xiàn)一種工業(yè)，可以將原子計算設(shè)備嵌入到任何東西當(dāng)中去。不必再像現(xiàn)在這樣將一臺PC

機(jī)放在桌子上，也許到那時候桌子本身就是一臺計算機(jī)，汽車輪胎可以計算速度和閘動力，醫(yī)生可以將微型計算機(jī)插入到人體血液中以殺死腫瘤細(xì)胞…

20神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī):是在模擬人腦神經(jīng)組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全新的計算系統(tǒng).多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不需要事先設(shè)計出解決問題的算法,而是通過不斷學(xué)習(xí)和不斷的糾錯

在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部建立起解決這類問題的一般方法(4)

計算機(jī)總體發(fā)展趨勢巨型機(jī)：代表國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平微型機(jī)：代表國家現(xiàn)代化水平智能機(jī)：國家研究重點213.計算機(jī)的分類

計算機(jī)分類數(shù)字計算機(jī)模擬計算機(jī)專用計算機(jī)巨型機(jī)通用計算機(jī)大型機(jī)中型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)單片機(jī)模擬式電子計算機(jī)問世較早,內(nèi)部所使用的電信號模擬自然界的實際信號,因而稱為模擬電信號。模擬電子計算機(jī)處理問題的精度差;所有的處理過程均需模擬電路來實現(xiàn),電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,抗外界干擾能力差，第一臺電子模擬計算機(jī)于1946年研制成功。與數(shù)字計算機(jī)不同，模擬計算機(jī)的原理是基于不同物理量變化規(guī)律在數(shù)學(xué)描述上的相似性。模擬計算機(jī)的機(jī)器變量是連續(xù)變化的電壓變量，對于變量的運算是基于電路中電壓、電流、元件等電特性的相似運算關(guān)系。例如電路節(jié)點上任一支路電流等于其余各支路電流之和（基爾霍夫定律），這是加法運算的基礎(chǔ)。又如，電容是積累電荷的元件，當(dāng)電荷流入電容器，電容兩端電壓增大，它的數(shù)學(xué)關(guān)系表現(xiàn)為電流對時間的積分，這就是實現(xiàn)積分運算的基礎(chǔ)。

223.計算機(jī)的分類

計算機(jī)分類數(shù)字計算機(jī)模擬計算機(jī)專用計算機(jī)巨型機(jī)通用計算機(jī)大型機(jī)中型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)單片機(jī)模擬式電子計算機(jī)問世較早,內(nèi)部所使用的電信號模擬自然界的實際信號,因而稱為模擬電信號。模擬電子計算機(jī)處理問題的精度差;所有的處理過程均需模擬電路來實現(xiàn),電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,抗外界干擾能力差，第一臺電子模擬計算機(jī)于1946年研制成功。與數(shù)字計算機(jī)不同，模擬計算機(jī)的原理是基于不同物理量變化規(guī)律在數(shù)學(xué)描述上的相似性。模擬計算機(jī)的機(jī)器變量是連續(xù)變化的電壓變量，對于變量的運算是基于電路中電壓、電流、元件等電特性的相似運算關(guān)系。例如電路節(jié)點上任一支路電流等于其余各支路電流之和（基爾霍夫定律），這是加法運算的基礎(chǔ)。又如，電容是積累電荷的元件，當(dāng)電荷流入電容器，電容兩端電壓增大，它的數(shù)學(xué)關(guān)系表現(xiàn)為電流對時間的積分，這就是實現(xiàn)積分運算的基礎(chǔ)。

23通用電子模擬計算機(jī)的組成包括:線性運算部件(比例器、加法器、積分器等),非線性運算部件（函數(shù)產(chǎn)生器、乘法器等），控制電路，電源，排題接線板，輸出顯示與記錄裝置。

模擬計算機(jī)特別適合于求解常微分方程，因此也被稱為模擬微分分析器。物理系統(tǒng)的動態(tài)過程多數(shù)是以微分方程的數(shù)學(xué)形式表示的，因此模擬計算機(jī)很適用于動態(tài)系統(tǒng)的仿真研究。模擬計算機(jī)在工作時是把各種運算部件按照系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型聯(lián)結(jié)起來，并行地進(jìn)行運算，各運算部件的輸出電壓分別代表系統(tǒng)中相應(yīng)的變量。因此模擬計算機(jī)具有處理速度高和能直觀表示出系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系的特點。

24單片機(jī)、微型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)、巨型機(jī)之間的區(qū)別：

254.計算機(jī)的應(yīng)用

①科學(xué)計算方面②自動控制和測量③信息處理④教育和衛(wèi)生⑤家用電器⑥人工智能，，，，，26§1.2計算機(jī)的組成——硬件和軟件若用算盤來計算:y=ax+b-c,其中a=9,x=12,b=10,c=11,則該題目解題步驟如下：行數(shù)解題步驟和數(shù)據(jù)說明12345678910111213a=9數(shù)據(jù)b=10數(shù)據(jù)c=11數(shù)據(jù)x=12數(shù)據(jù)y=數(shù)據(jù)取數(shù)(9)→算盤(9)表示第9行的數(shù)a,下同乘法(12)→算盤完成a*x,結(jié)果在算盤上加法(10)→算盤完成ax+b,結(jié)果在算盤上減法(11)→算盤完成ax+b-c,結(jié)果在算盤上存數(shù)y→13算盤上的y值記到第13行輸出把算盤上的y值寫出給人看停止運算完畢,暫停27算盤計算中用到了：

①紙:用于存儲解題的原始信息;②算盤:用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運算;③筆:用于把原始數(shù)據(jù)和解題步驟記錄到紙上,及把運算結(jié)果寫出;④人本身(主要是腦和手):用于控制解題步驟。

計算機(jī)與算盤類似相應(yīng)部件如:運算器:在計算機(jī)中相當(dāng)于算盤功能的部件；存儲器:在計算機(jī)中相當(dāng)于紙那樣具有“記憶”功能的部件;輸入輸出設(shè)備相當(dāng)于筆,把原始解題信息送到計算機(jī)或把運算結(jié)果顯示出來的設(shè)備;控制器相當(dāng)于我們的大腦,能夠自動控制整個計算過程。28◆計算機(jī)的組成＝硬件系統(tǒng)＋軟件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)：看得見、摸得著的物理部件的總和。軟件系統(tǒng)：計算機(jī)運行所需要的程序和數(shù)據(jù)。（系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件）1.計算機(jī)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成：

?運算器：執(zhí)行算術(shù)運算、邏輯運算

?控制器：計算機(jī)的指揮中心

?存儲器：存放程序和數(shù)據(jù)

?適配器：起緩沖器和轉(zhuǎn)換器的作用

?輸入設(shè)備：接受用戶輸入的程序和數(shù)據(jù)

?輸出設(shè)備：將加工后的信息輸出

?總線系統(tǒng)：各部件之間傳送信息的通路和器件29⑴硬件組成如圖所示：輸入輸出設(shè)備內(nèi)存儲器運算器控制器控制臺存取指令輸入輸出指令運算指令源程序和原始數(shù)據(jù)運算結(jié)果結(jié)果取數(shù)存數(shù)取指令啟動指令程序和數(shù)據(jù)計算結(jié)果30①運算器:

⑵各硬件的功能：功能：對信息進(jìn)行加工和運算(算術(shù)及邏輯運算）組成：算術(shù)邏輯運算單元（ALU），寄存器以及在它們之間傳送數(shù)據(jù)的通路。②控制器:功能：它指揮全機(jī)各部件自動、協(xié)調(diào)地工作。

組成：由程序計數(shù)器PC（來存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址），指令寄存器IR以及控制單元CU（用來分析當(dāng)前指令所需完成的操作，并發(fā)出各種做操作命令序列，用以控制所有被控對象）幾部分組成。通常：運算器+控制器＝CPU31③存儲器④輸入輸出設(shè)備功能：轉(zhuǎn)換信息。輸入設(shè)備：原始信息

代碼，送入主機(jī)輸出設(shè)備：處理結(jié)果(顯示）

或其它設(shè)備所能接受的形式,并輸出分類：內(nèi)存和外存功能：存儲信息。內(nèi)存組成：由存儲體、各種邏輯部件及控制電路等組成。通常：主機(jī)=中央處理器+主存儲器內(nèi)存中區(qū)分：存儲體，存儲單元，存儲單元的地址，存儲元件,

存儲器的存儲容量。主機(jī)接口輸入/輸出設(shè)備322.計算機(jī)軟件（1）軟件的作用：軟件是計算機(jī)系統(tǒng)的靈魂，沒有配備任何軟件的“裸機(jī)”無法使用，沒有配備足夠的軟件，計算機(jī)的功能將不能很好地發(fā)揮，應(yīng)用范圍也將受到很大的影響。（2）軟件的組成：33（3）軟件的發(fā)展：機(jī)器語言匯編語言高級語言翻譯系統(tǒng)：把高級語言編寫的程序翻譯成用二進(jìn)制形式表示的機(jī)器語言程序的軟件翻譯方式有兩種：編譯方式和解釋方式源程序：用高級語言編寫的程序目的程序：翻譯后得到的機(jī)器語言程序，又稱目的程序。計算機(jī)執(zhí)行的是目的程序(000001010)（ADDR1,R2）（A=A+B）34計算機(jī)組成硬件軟件主機(jī)外部設(shè)備內(nèi)存CPU控制器隨機(jī)存儲器(RAM)只讀存儲器(ROM)輸入設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)、語言處理程序等)應(yīng)用軟件(字處理、計算機(jī)輔助設(shè)計等)運算器微機(jī)系統(tǒng)組成圖外存存儲器35§1.3計算機(jī)的工作過程一利用計算機(jī)解題的步驟

1．上機(jī)前的準(zhǔn)備：①建立數(shù)學(xué)模型②確定計算方法③編制解題程序

2上機(jī)調(diào)試運行該程序

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