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计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理唐朔飞唐朔飞第版第版高等教育出版社高等教育出版社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社配合由高等育出版社出版的面向为教21世程材算机成原纪课教计组理和自的需要，出版了教学学随书算机成原理计组配套件。

@#@了配合课为材的第版，本件在保留原件特色的基上，做了相的充和修改该教课课础应补。

@#@件该课与算机成原理计组第版材在体系上完全一致，教它以堂依托，助者思考，通点鼠课教学为帮读边阅读边过击，逐行示精的文标显练字和明的表，可文稿中材的重点和点加深理解，又可中简图既从对教难从视图看到演示效果，形象地理解各路的工作原理和思路。

@#@动画种电设计新版件课提供了章目和目。

@#@操作上除了序播放外，可任一录节录顺还选章、任一播放，可任意一幻灯片返回到上一目。

@#@具体功能如下选节并从页级录。

@#@1.入章目后，可点任一章播放。

@#@进录击2.入目后，可点任一播放。

@#@进节录击节3.每一播放束，可播放，也可点本最后一幻灯片右下节结时继续击节页角的按，回到上一目，再点目幻灯片右下角的按，即可回到钮级录击节录钮章目。

@#@录4.点任一幻灯片右下角的按，均可回到上一目。

@#@击页钮级录在修改件程中，哈尔工大算机科技院杰、课过滨业学计学与术学张丽罗丹彦件的入、排版、演示做了大量工作，在此表示衷心感为课录绘图动画。

@#@谢由于促，免有不妥之，敬者和家批指正。

@#@时间仓难处请读专评唐朔飞2007年12月第第第第章计算机系统概论章计算机系统概论章计算机系统概论章计算机系统概论第第第第章系统总线章系统总线章系统总线章系统总线第第第第章存储器章存储器章存储器章存储器第第第第章输入输出系统章输入输出系统章输入输出系统章输入输出系统第第第第章计算机的运算方法章计算机的运算方法章计算机的运算方法章计算机的运算方法第第第第章指令系统章指令系统章指令系统章指令系统第第第第章章章章CPUCPU的结构和功能的结构和功能的结构和功能的结构和功能第第第第章控制单元的功能章控制单元的功能章控制单元的功能章控制单元的功能第第第第1010章控制单元的设计章控制单元的设计章控制单元的设计章控制单元的设计第第第第章计算机的发展及应用章计算机的发展及应用章计算机的发展及应用章计算机的发展及应用第第第第章计算机系统概论章计算机系统概论章计算机系统概论章计算机系统概论1.1计算机系统简介1.1计算机系统简介1.4本书结构1.4本书结构1.3计算机硬件的主要技术指标1.3计算机硬件的主要技术指标1.2计算机的基本组成1.2计算机的基本组成1.11.1计算机系统简介计算机系统简介计算机系统简介计算机系统简介由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序）组成1.计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统计算机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等一、计算机的软硬件概念一、计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件软软件件1.11.1计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标程序程序结果结果翻译翻译运行运行1.11.12.计算机的解题过程计算机的解题过程二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器M2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器实际机器M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器M01.11.1用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令软软件件硬硬件件1.11.1虚拟机器虚拟机器M4虚拟机器虚拟机器M3虚拟机器虚拟机器M2实际机器实际机器M1微程序机器微程序机器M0程序员所见到的计算机系统的属性程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性概念性的结构与功能特性计算机计算机体系结构体系结构计算机计算机组成组成实现计算机体系结构所体现的属性实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令有无乘法指令如何实现乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、（指令系统、数据类型、寻址技术、I/OI/O机理）机理）（具体指令的实现）（具体指令的实现）1.11.1三、三、计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成1.21.2计算机的基本组成计算机的基本组成计算机的基本组成计算机的基本组成1.计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成3.指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器，指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访可按地址寻访5.存储程序存储程序一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点5.存储程序存储程序算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行1.21.2冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备1.21.2冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备二、计算机硬件框图二、计算机硬件框图1.21.21.以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O设备设备硬件硬件CU2.现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器1.21.2ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存1.上机前的准备上机前的准备建立数学模型建立数学模型!

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@#@x3xx9753sin编制解题程序编制解题程序确定计算方法确定计算方法程序程序运算的运算的全部步骤全部步骤0,1,2,）（）（21nynxynx指令指令每每一个步骤一个步骤1.21.2三、计算机的工作步骤三、计算机的工作步骤取取x至运算器中至运算器中乘以乘以x在运算器中在运算器中乘以乘以a在运算器中在运算器中存存ax2在存储器中在存储器中取取b至运算器中至运算器中乘以乘以x在运算器中在运算器中加加ax2在运算器中在运算器中加加c在运算器中在运算器中=（ax+b）x+c取取x至运算器中至运算器中乘以乘以a在运算器中在运算器中加加b在运算器中在运算器中乘以乘以x在运算器中在运算器中加加c在运算器中在运算器中计算计算ax2+bx+c1.21.2编程举例编程举例0000010000001000打印打印停机停机取数取数ACC存数存数ACC加加ACC+ACC乘乘ACCACC指令格式举例指令格式举例1.21.2操作码操作码地址码地址码打印机打印机0000001100000000110000000010110000001000000000101000000010010000001000地址码地址码存放结果存放结果12原始数据原始数据cc11原始数据原始数据bb10原始数据原始数据aa9原始数据原始数据xx8停机停机0001107打印打印0001016将将ax2+bx+c,存于主存单存于主存单元元0000105加加c得得ax2+bx+c,存于存于ACC0000114乘乘x得（得（ax+b）x,存于存于ACC中中0001003加加b得得ax+b,存于存于ACC中中0000112乘乘a得得ax,存于存于ACC中中0001001取数取数x至至ACC0000010操作码操作码注释注释指指令令指令和数据存于指令和数据存于主存单元的地址主存单元的地址1.21.2计算计算ax2+bx+c程序清单程序清单存储体存储体大楼大楼存储单元存储单元存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字存储字存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长存储字长存储单元中二进制代码的位数存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访存储单元存储单元存储元件存储元件（0/1）房房间间床位床位（无人（无人/有人）有人）

（1）存储器的基本组成存储器的基本组成1.21.2MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR2.计算机的解题过程计算机的解题过程MARMDR存储单元个数存储单元个数16存储字长存储字长8设设MAR=4位位MDR=8位位1.21.2存储器地址寄存器存储器地址寄存器反映存储单元的个数反映存储单元的个数存储器数据寄存器存储器数据寄存器反映存储字长反映存储字长

（1）存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MARXMQACC

（2）运算器的基本组成及操作过程运算器的基本组成及操作过程1.21.2运算器运算器MQACCALUX被加数被加数被减数被减数被除数被除数乘数乘数商商加数加数减数减数被乘数被乘数除数除数加法加法减法减法乘法乘法除法除法和和差差余数余数乘积高位乘积高位乘积低位乘积低位运算器运算器MQACCALUXACC被加数被加数ACC初态初态加法操作过程加法操作过程1.21.2ACC+XALUMXXACCACC指令指令加加M1.21.2减法操作过程减法操作过程运算器运算器MQACCALUX指令指令减减MACC被减数被减数ACC初态初态MXXACC-XALUACCACC运算器运算器MQACCALUXACCACC被乘数被乘数初态初态1.21.2MQMMQ指令指令乘乘M乘法操作过程乘法操作过程XACCXALUXMQ00ACCACCMQACCMQ运算器运算器MQACCALUXACC被除数被除数ACC初态初态1.21.2ACCXALUMQACCMQ余数在余数在ACC中中指令指令除除MMXX除法操作过程除法操作过程取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCIRCU取指取指执行执行PC存放当前欲执行指令的地址，存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（具有计数功能（PC）+11PCIR存放当前欲执行的指令存放当前欲执行的指令访存访存访存访存完成完成一条一条指令指令1.21.2（3）控制器的基本组成控制器的基本组成CU控制单元控制单元PCIRCU12356789以取数指令为例以取数指令为例4（4）主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程1.21.2CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备12356798以存数指令为例以存数指令为例41.21.2（4）主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备（5）ax2+bx+c程序的运行程序的运行过程过程将程序通过输入设备送至计算机将程序通过输入设备送至计算机程序首地址程序首地址打印结果打印结果分析指令分析指令取指令取指令停机停机启动程序运行启动程序运行,（PC,（PC）+）+1PC1PC执行指令执行指令1.21.2MARMARMMMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP（IR）OP（IR）Ad（IR）Ad（IR）MARMARMMMDRMDRACCACCPCPC1.31.3计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.机器字长机器字长2.运算速度运算速度CPU一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与CPU中的中的寄存器位数寄存器位数有关有关ni1fitiTM吉普森法吉普森法主频主频每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPS执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPS221=256KB213=1KB如如3.存储容量存储容量主存容量主存容量辅存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数存储字长存储字长字节数字节数字节数字节数80GB如如MARMDR容量容量1081632存放二进制信息的总位数存放二进制信息的总位数1.31.31K=2101B=23b1GB=230b1K8位位64K32位位第第篇概论篇概论1.41.4本书结构本书结构本书结构本书结构计算机计算机1.41.4本书结构本书结构本书结构本书结构第篇第篇计算机系统的硬件结构计算机系统的硬件结构计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU1.41.4本书结构本书结构本书结构本书结构CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器第第篇篇CPU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU1.41.4本书结构本书结构本书结构本书结构CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器寄存器寄存器和解码器和解码器控制单元控制单元排队排队逻辑逻辑控制控制存储器存储器第篇第篇CU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU第章计算机的发展及应用第章计算机的发展及应用第章计算机的发展及应用第章计算机的发展及应用2.3计算机的展望2.3计算机的展望2.2计算机的应用2.2计算机的应用2.1计算机的发展史2.1计算机的发展史2.12.1计算机的发展史计算机的发展史计算机的发展史计算机的发展史一、计算机的产生和发展一、计算机的产生和发展1946年美国年美国ENIAC1955年退役年退役十进制运算十进制运算180001500150301500多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺5000次加法秒次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机ENIAC（1946）2.12.1硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响100000000超大规超大规模模集成电集成电路路1978现在现在五五10000000大规大规模模集成电集成电路路197219771000000中小规中小规模模集成电集成电路路19651971200000晶体晶体管管1958196440000电子电子管管19461957速度速度/（次（次/秒）秒）硬件技硬件技术术时间时间代代三三四四二二一一2.12.1第一台第一台vonNeumann系统结构的计算机系统结构的计算机2.12.1IBMSystem3602.12.12.12.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到2009.06）1.IBMRoadrunner（走鹊）（走鹊）129600个计算核心最大平均速度个计算核心最大平均速度1105000GFLOPS2.CrayXT5Jaguar（美洲虎）（美洲虎）150152个计算核心最大平均速度个计算核心最大平均速度1059000GFLOPS2.12.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到2009.06）2.12.13.IBMJUGENE-BlueGene/P最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到2009.06）294912个计算核心个计算核心最大平均速度最大平均速度825500GFLOPS2.12.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到2009.06）4.SGIPleiades系统系统51200个计算核心最大平均速度个计算核心最大平均速度487005GFLOPS2.12.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到2009.06）5.IBMBlueGene/L系统系统212992个计算核心最大平均速度个计算核心最大平均速度478200GFLOPS2.12.1最权威的超级计算机排名的参考网址最权威的超级计算机排名的参考网址http:

@#@/www.top500.org二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片微处理器芯片存储器芯片存储器芯片1971年年8位位16位位32位位64位位4位（位（4004）1970年年256位位1K位位16K位位64K位位256K位位1M位位16M位位64M位位4K位位4M位位2.12.1Moore定律定律Intel公司的缔造者之一公司的缔造者之一GordonMoore提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番晶体管数目每三年翻两番2.12.1Intel公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品80808位位1974年年808616位位1979年年2.9万个晶体管万个晶体管8028616位位1982年年13.4万个晶体管万个晶体管8038632位位1985年年27.5万个晶体管万个晶体管8048632位位1989年年120.0万个晶体管万个晶体管Pentium64位（准）位（准）1993年年310.0万个晶体管万个晶体管PentiumPro64位（准）位（准）1995年年550.0万个晶体管万个晶体管Pentium64位（准）位（准）1997年年750.0万万个晶体管个晶体管Pentium64位（准）位（准）1999年年950.0万个晶体管万个晶体管Pentium64位位2000年年4200.0万个晶体管万个晶体管2.12.12007年芯片上可集成年芯片上可集成3亿亿5千万千万个个晶体管晶体管预计预计2010年芯片上可集成年芯片上可集成8亿亿个晶体管个晶体管三、软件技术的兴起和发展三、软件技术的兴起和发展机器语言面向机器机器语言面向机器汇编语言面向机器汇编语言面向机器高级语言面向问题高级语言面向问题FORTRAN科学计算和工程计算科学计算和工程计算PASCAL结构化程序设计结构化程序设计C面向对象面向对象Java适应网络环境适应网络环境1.各种语言各种语言2.12.12.系统软件系统软件语言处理程序语言处理程序汇编程序编译程序解释程序汇编程序编译程序解释程序操作系统操作系统DOSUNIXWindows服务性程序服务性程序装配调试诊断装配调试诊断排错排错数据库管理系统数据库管理系统数据库和数据库管理软件数据库和数据库管理软件网络软件网络软件2.12.13.软件发展的特点软件发展的特点开发周期长开发周期长制作成本昂贵制作成本昂贵检测软件产品质量的特殊性检测软件产品质量的特殊性软件是程序以及开发、使用和软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档维护程序所需要的所有文档2.12.12.22.2计算机的应用计算机的应用计算机的应用计算机的应用一、科学计算和数据处理一、科学计算和数据处理二、工业控制和实时控制二、工业控制和实时控制三、网络技术三、网络技术1.电子商务电子商务2.网络教育网络教育3.敏捷制造敏捷制造四、虚拟现实四、虚拟现实五、办公自动化和管理信息系统五、办公自动化和管理信息系统六、六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术七、多媒体技术八、人工智能八、人工智能2.22.22.32.3计算机的展望计算机的展望计算机的展望计算机的展望一、计算机具有类似人脑的一些超级一、计算机具有类似人脑的一些超级智能功能智能功能要求计算机的速度达要求计算机的速度达1015/秒秒二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制芯片集成度受物理极限的制约芯片集成度受物理极限的制约按几何级数递增的制作成本按几何级数递增的制作成本芯片的功耗、散热、线延迟芯片的功耗、散热、线延迟三、？

@#@替代传统的硅芯片三、？

@#@替代传统的硅芯片1.光计算机光计算机2.DNA生物计算机生物计算机3.量子计算机量子计算机利用光子取代电子进行运算和存储利用光子取代电子进行运算和存储通过控制通过控制DNA分子间的生化反应分子间的生化反应利用原子所具有的量子特性利用原子所具有的量子特性2.2.33第章系统总线第章系统总线第章系统总线第章系统总线3.1总线的基本概念3.1总线的基本概念3.2总线的分类3.2总线的分类3.3总线特性及性能指标3.3总线特性及性能指标3.4总线结构3.4总线结构3.5总线控制3.5总线控制3.13.1总线的基本概念总线的基本概念总线的基本概念总线的基本概念一、为什么要用总线一、为什么要用总线二、什么是总线二、什么是总线三、总线上信息的传送三、总线上信息的传送总线是连接各个部件的信息传输线，总线是连接各个部件的信息传输线，是是各个部件共享的传输介质各个部件共享的传输介质串行串行并行并行四、总线结构的计算机举例四、总线结构的计算机举例1.面向面向CPU的双总线结构框图的双总线结构框图中央处理器中央处理器CPUI/O总线总线M总总线线3.13.1主存主存I/O接口接口I/O设备设备1I/O设备设备2I/O接口接口I/O接口接口I/O设备设备n单总线（系统总线）单总线（系统总线）2.单总线结构框图单总线结构框图CPU主存主存I/O接口接口I/O设备设备1I/O设备设备2I/O接口接口I/O设备设备nI/O接口接口3.13.13.以存储器为中心的双总线结构框图以存储器为中心的双总线结构框图系统总线系统总线主主存存CPUI/O接口接口I/O设备设备1I/O设备设备nI/O接口接口存储总线存储总线3.13.13.23.2总线的分类总线的分类总线的分类总线的分类1.片内总线片内总线2.系统总线系统总线芯片内部芯片内部的总线的总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线双向双向与机器字长、存储字长有关与机器字长、存储字长有关单向单向与存储地址、与存储地址、I/O地址有关地址有关有出有入有出有入计算机各部件之间计算机各部件之间的信息传输线的信息传输线存储器读、存储器写存储器读、存储器写总线允许、中断确认总线允许、中断确认中断请求、总线请求中断请求、总线请求3.通信总线通信总线串行通信总线串行通信总线并行通信总线并行通信总线传输方式传输方式3.23.2用于用于计算机系统之间计算机系统之间或或计算机系统计算机系统与其他系统与其他系统（如控制仪