《计算机组成原理》刘智珺，张琰，王勇主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《计算机组成原理》

【作　者】刘智珺，张琰，王勇主编

【丛书名】普通高等教育“十三五”规划教材.高等院校计算机系列教材

【页 数】 202

【出版社】 武汉：华中科技大学出版社 , 2019.01

【ISBN号】978-7-5680-4435-6

【价 格】32.00

【分 类】计算机组成原理

【参考文献】 刘智珺，张琰，王勇主编. 计算机组成原理. 武汉：华中科技大学出版社, 2019.01.

图书封面：

图书目录：

《计算机组成原理》内容提要：

本书系统介绍了计算机组成的基本原理、内部工作机制以及实现技术。全书分为八章，第一章和第二章是基本的系统结构概述和信息表示的知识点，是全书的概括，也是后续内容展开的知识基础；具体的内容展开按照计算机的五大部件进行：第三章是运算器、第四章是存储器、第五、六章是指令系统与中央处理器、第七、八章介绍输入输出设备以及输入输出系统。本书的主要思想是在强调基本原理、基本概念的同时，力求做到内容全面、概念清楚、通俗易懂，并注意到实用性和先进性。

《计算机组成原理》内容试读

第1章概论

计算机是对信息进行自动处理的机器。计算机系统由硬件和软件两大部分组成。计算机系统的层次结构是计算机系统的科学描述，位于层次结构底部的两层是实际的物理机器。本章主要介绍了计算机系统的发展、计算机的层次结构、冯·诺伊曼计算机的特点、计算机系统的组成以及几个重要的计算机指标。

1.1计算机系统的概论

1.1.1计算机的发展

1.第一代电子管计算机

1943年，正当第二次世界大战进入后期的阶段，因战争需要，美国国防部批准了由

Pennsylvania大学John Mauchly教授和John Pesper Ecker工程师提出的建造一台用电子

管组成的电子数字积分计算机(EIAC)的计划，用它来完成当时国防弹道研究实验室

(BRL)为开发新武器的射程和检测模拟运算表的任务。

第一代电子管计算机的主要特点：计算机所使用的逻辑元件为电子管，存储器采用延迟线或磁效：软件程序主要使用机器语言编写，后期使用汇编语言。

2.第二代晶体管计算机

1947年，Bl1实验室成功地使用半导体硅做基片，制成了第一个晶体管，它的小体积、低电耗以及载流子高速运行的特点，使真空管望尘莫及。进入20世纪50年代后，全球出现

了一场以晶体管替代电子管的革命，计算机的性能有了很大提高。以BM公司的7O0

7000系列为例，晶体管机7094(1964年)与电子管机701(1952年)相比，其主存容量从2B

增加到32KB,存储周期从30us下降到14us,指令操作码数从24增加到185，运算速度从每秒上万次提高到每秒50万次，而且晶体管机7094还采用了数据通道和多路转换器等在当时看来是最新的技术。

第二代晶体管计算机的主要特点：逻辑元件使用晶体管，普遍采用磁芯作为主存储器；采用磁带或磁盘作为辅助存储器；这一代出现了Fortran、Cobol等高级语言，并出现了机器内部的管理程序。

3.第三代集成电路计算机

计算机的数据存储、数据处理、数据传送以及各类控制功能，基本上都是由具有布尔逻辑功能的各类门电路完成的，而大量的门电路又都是由晶体管、电阻、电容等搭接而成。当集成电路制作技术出现后，可以利用光刻技术把由晶体管、电阻、电容等构成的单个电路制作在一块极小，如几个平方微米的硅片上。后来又实现了将成百上千个这样的门电路全部

·1·

计算机组成原理

制作在一块极小，如几个平方毫米的硅片上，并引出与外部连接的引线，这样一次便能制作成百上千个相同的门电路，大大缩小了计算机的体积，大幅降低了耗电量，极大提高了机器

的可靠性，这就是人们称为小规模集成电路(SSIC)和中等规模集成电路(MSIC)的第三代

计算机。

第三代集成电路计算机的主要特点：采用中、小规模集成电路取代了晶体管，用半导体存储器淘汰了磁芯存储器；在软件上，把管理程序发展成为现在的操作系统，采用了微程序控制技术，高级语言更加流行，如Basic、Pascal等。

4.第四代计算机

从计算机体系结构上看，第四代计算机只是前三代计算机的扩展和延伸，计算机的操作环境更加完善，在语音图像处理、多媒体技术、人工智能等方面取得了很大发展。

第四代计算机的主要特点：大规模集成电路(LSIC)及超大规模集成电路(VLSIC)取代

了MSIC、SSIC.

1.1.2计算机系统的层次结构

计算机系统是由硬件系统与软件系统组成的，硬件系统与软件系统又各自包含许多子系统，因此，计算机系统的结构十分复杂。但通过仔细分析可以发现，计算机系统存在着层

次结构。

第五级

高级语言级

从功能上看，现代计算机系统可分为五个层次级别，如

编译程序

图1-1所示。

第四级汇编语言级

不

第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由

汇编程序

机器硬件直接执行微指令。如果某个应用程序直接用微指

第三级操作系统级

令来编写，那么可在这一级上运行该应用程序。第二级是一

操作系统

般机器级，也称机器语言级，它由微程序解释机器指令系统，

第二级

一般机器级

这一级也是硬件级。第三级是操作系统级，它由操作系统程

微程序

第一级微程序设计级

序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指

微程序直接由硬件执行

令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级又称混合级。第四级是汇编语言级。它给程序员提供一种符号形式

图1-1计算机系统层次

的语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持

结构示意图

和执行。如果应用程序采用汇编语言编写，则机器必须有这

级的功能才能运行；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。第五级是高级语言级。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行，这是面向用户的，是为方便用户编写应用程序而设置的。

1.1.3计算机组成和计算机体系结构

计算机组成和计算机体系结构这两个概念对于想要了解计算机系统的人来说是很重要的。虽然很难给出这两个术语的精确定义，但对它们所涉及的领域则存在着共识。一般认为，计算机体系结构是指那些对程序员可见的系统属性。换句话说，这些属性直接影响到程序的逻辑执行。例如，计算机体系结构的属性包括指令系统、表示各种数据类型（例如整型

·2·

第1章概论

字符型)的比特数、输入/输出机制以及内存寻址技术。计算机组成指的是实现计算机体系结构规范的操作单元及其相互连接。计算机组成的属性包括那些对程序员透明的硬件细节，如控制信号、存储器使用技术等。

下面通过一个例子来说明计算机体系结构和计算机组成的区别。例如，计算机是否有乘法指令是计算机体系结构的设计问题。这条指令是由特定的乘法单元实现还是通过重复使用系统的加法单元来实现，则是一个计算机组成问题。决定使用哪种计算机组成需要考虑使用乘法单元的频度，要考虑两种方案的相对速度，还要考虑特定乘法单元的成本和物理尺寸等因素。

1.2计算机硬件的组成

1.2.1冯·诺依曼计算机的特点

要知道什么是冯·诺依曼计算机，还得从世界上第一台通用电子数字计算机谈起。世界上第一台通用电子数字计算机的英文全名是Electronic Numerical Integrator And Computer(电子数字积分计算机，ENIAC)。研制通用电子数字计算机的目的是满足美国战时

(第二次世界大战)的需要。美国军队的弹道研究实验室(BL)一一个负责开发新式武器

的射程和弹道表的机构，在提供数据表的精确性和及时性上遇到了困难。他们发现，如果没

有这些发射表，新式的武器和火炮对炮手来说并没有用处。BRL雇用了200多人，且大多

数是妇女，他们使用桌面计算器求解所需的火炮公式，为一件武器提供数据表将耗费几小时，甚至几天的时间。美国Pensylvania大学教授John Mauchly和他的研究生Eckert提出

用电子管创造通用计算机的设想，用于满足BRL的应用需求。

1943年，这个计划被军方采纳，ENIAC项目开始启动。冯·诺伊曼是其中一个研究人

员。ENIAC完成于1946年，这是一台十进制机器而不是一台二进制机器，最终的机器体积

庞大，重量约30吨，占地面积约170平方米，使用了约18000个电子管，它工作时消耗的功率达140kW,但它的速度比电子机械计算机的要快得多，每秒钟能执行加法5000次，如图

1-2所示。ENIAC的主要缺点：必须通过手工设置分布于各处的6000个开关和插头及众多

的插座才能编程，这显然是一件十分枯燥和乏味的工作。

为了克服这一困难，冯·诺伊曼在普林斯顿高等研究院研制自己的EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer),即IAS机。他发现，程序可以采用数字形式与数据一起在计算机内存中表示，代替繁琐的开关和插头的编程方式。他使用Atanasoff几

年前就已经使用过的二进制数，而ENIAC用10个电子管(1个亮，9个不亮)表示一位十进

制数。由他第一次描述的这些基本设计，现在被命名为冯·诺伊曼机，其体系结构如图1-3

所示，并在世界上第一台存储程序的计算机EDSAC中采用，直到今天，依然是几乎所有数

字计算机的基础。

冯·诺伊曼机由5个基本部分组成：存储器、算术运算单元(ALU)、控制器以及输入

输出设备。其中，ALU和控制器组成计算机的“大脑”，字长为40位，当然，其存储容量、指令

数目等都比较少。冯·诺依曼机可将事先编写好的程序（包含指令代码和数据代码）存入主存

。3

计算机组成原理

储器中，由CPU调用执行。这在现在看起来是普通的常识，但在当时却是一个伟大的贡献。

霍每秒执行加法5000次

存储器

P重量约30吨

①占地面积约170平方米星约18000只电管子

输入

算术

星1500个继电器

控制器

运算单元

配耗电140kW

输出

累加器

图1-2 ENIAC(电子数字积分计算机)】

图1-3最初的冯·诺依曼机

1.2.2计算机的主要部件

计算机的基本功能，主要包括数据加工、数据保存、数据传送和操作控制等。数据加工的任务是对数据进行算术运算和逻辑运算；数据保存的任务是在计算机进行数据处理时，将计算机中的信息（指令和数据）保存起来，必要时需要进行永久性保存，以便再次运算或对结果进行分析；数据传送则反映在必须有传输通道，将数据从一个地方传送到另一个地方，尤

其是数据必须能够在外界和计算机之间传送，能够将

运算器

输入设备

需要加工的数据发送给计算机，并获得计算机处理的结果。当然，所有这些工作都必须在严格的控制之下

控制器

存储器

输出设备

有条不紊地进行，才能够得到预期结果。

CPU

为了实现这些基本功能，计算机必须有相应的功

主机系统

I/O系统

能部件（硬件）承担相关工作。计算机的硬件通常由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备等五大

图1-4计算机部件组成示意图

部件组成，如图1-4所示。

1.2.3存储程序的工作方式

电子计算机采用“存储程序控制”原理。由于这一原理是在1946年由美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼提出的，所以又称“冯·诺伊曼原理”。这一原理在计算机的发展过程中始终发挥着重要作用，确立了现代计算机的基本组成和工作方式，直到现在，各类计算机还是采用冯·诺伊曼原理。

冯·诺伊曼原理的核心是“存储程序控制”。第一步：将程序和数据通过输人设备送入存储器。

第二步：运行后，计算机从存储器中取出程序指令送人控制器中去识别，并分析该指令要做什么。

第三步：控制器根据指令的含义发出相应的命令（如加法、减法），将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行运算，再把运算结果送回存储器指定的单元中。

第四步：当运算任务执行完成后，就可以根据指令将结果通过输出设备输出。

。4。

第1章概论

“存储程序控制”原理的基本内容主要包括以下几方面。

(1)采用二进制代码表示数据和指令。

数据和指令在代码形式上没有区别，都是由0和1组成的二进制数据，但其含义不同。程序信息本身也可以作为被处理的对象（如编译）。

(2)采用存储程序方式。

将事先编制好的程序（包含指令和数据代码）存入主存储器中，计算机在程序运行时就能够自动地、连续地从存储器中依次取出指令，并加以执行，这是计算机高速自动运行的基础。

(3)由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大基本部件组成计算机系统，并规定了这五大部件的基本功能。

冯·诺伊曼思想实际上是电子计算机设计的基本思想，奠定了现代电子计算机的基本结构，开创了程序设计的时代。

1.3计算机系统的组织

1.3.1硬件系统

计算机的硬件系统是指组成一台计算机的各种物理装置，是计算机中的电子线路和物理装置，它是由各种实实在在的器件组成的，是看得见、摸得着的实体，如用集成电路芯片、

印刷电路板、接插件、电子元件和导线等装配而成的中央处理器(CPU)、存储器及外部设备

等。计算机的硬件系统是计算机进行工作的物质基础。

计算机有巨型、大型、中型、小型和微型之分，每种规模的计算机又有很多机种和型号，它们在硬件配置上差别很大。但是，绝大多数都是根据冯·诺依曼计算机体系结构来设计的，故具有共同的基本配置，即具有五大部件：存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备。

运算器与控制器合称中央处理器(CPU)。CPU和存储器通常组装在主板上，合称主

机。输入设备和输出设备统称输入/输出设备，有时也称外部设备或外围设备，因为它们位于主机的外部或外围。

1.存储器

存储器是计算机的存储部件，是信息存储的核心，存储器的主要功能是存放程序和数据。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。存储器分为主存储器（也称内存

储器)和辅助存储器（也称外存储器）。CPU能够直接访问的存储器是主存储器（简称主

存)，辅助存储器用于帮助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存储

器后，才能为CPU所使用。

2.运算器

运算器是计算机的执行部件，是一个用于信息加工的部件，又称执行部件，用于对数据

的加工处理。运算器通常由算术逻辑部件(ALU)和一系列寄存器组成。ALU是具体完成

·5·

计算机组成原理

算术与逻辑运算的部件，算术运算是指按照算术运算规则进行的运算，如加、减、乘、除及其复合运算。逻辑运算则为非算术运算，如与、或、非、异或、比较、移位等。寄存器用于存放运算操作数。累加器除存放运算操作数外，在连续运算中，还用于存放中间结果和最后结果。累加器由此而得名。寄存器与累加器的数据均从存储器取得，累加器的最后结果也存放在存储器中。

3.输入设备

输入设备是将人们熟悉的信息形式变换成计算机能接收并识别的信息形式的设备。输入的信息有数字、字母、文字、图形、图像、声音等多种形式。其中被送入计算机的只有一种形式，即二进制数据。一般的输入设备只用于原始数据和程序的输入。常用的输入设备有键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、数码相机等。

4.输出设备

输出设备是计算机运算结果的二进制信息转换成人类或其他设备能接收和识别的形式的设备。输出信息的形式有字符、文字、图形、图像、声音等。输出设备与输入设备一样.需要通过接口与主机相连。常用的输出设备有打印机、显示器、绘图仪等。外存储器也是计算机中重要的外部设备，它既可以作为输入设备，也可以作为输出设备。常见的外存储器有磁盘和光盘，它们与输入/输出设备一样，也要通过接口与主机相连。

5.控制器

控制器是全机的指挥中心，它能使计算机各部件自动协调地工作。控制器工作的实质就是解释程序，它每次从存储器读取一条指令，经过分析译码，产生一串操作命令，发向各个部件，控制各部件动作，使整个机器连续地、有条不紊地运行。如果把计算机比作一个乐团，那么前面讲的存储器、运算器、输入设备、输出设备就相当于不同乐器的演奏员，而控制器则相当于乐团的指挥，它是整个计算机的指挥中心。

1.3.2软件系统

计算机的软件是根据解决问题的方法、思想和过程编写的程序的有序集合。而所谓程序是指指令的有序集合。一台计算机中全部程序的集合，统称这台计算机的软件系统。软件按其功能分为应用软件和系统软件两大类。

应用软件是用户为解决某种应用问题而编制的程序，如科学计算程序、自动控制程序、工程设计程序、数据处理程序、情报检索程序等。随着计算机的广泛应用，应用软件的种类将越来越多、数量越来越庞大。系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能，其目的是方便用户，提升计算机使用效率，扩充系统的功能。通常将系统软件分为以下6类。

1.操作系统

操作系统是控制和管理计算机各种资源、自动调度用户作业程序、处理各种中断的软件。操作系统的作用是控制和管理系统资源的使用，是用户与计算机的接口。目前比较流

行的操作系统有DOS操作系统（主要用于PC系列微机）、UNIX操作系统（是多用户多任

务通用的交互式操作系统，通用于各种计算机)及Windows操作系统（是单用户多任务图形

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···试读结束···