第2章 计算机组成原理
2.1 计算机的组成与分类 计算机的发展与作用
? 计算机：又称电脑，是一种能够接收信息，并按照存储在其内部的程序（程序表达了某种规则）对输入信息进行处理，并产生输出结果的高度自动化的数字电子设备。是一种通用的信息处理工具
? 计算机的特性：速度快；存储容量大；通用性好
? 1946年研制成功第1台数字电子计算机ENIAC（电子数字积分机与计算机）：
? 计算机的分代(按使用的元器件)
第1代：电子管＋磁鼓 第2代：晶体管＋磁芯 第3代：中、小规模集成电路 第4代：大、超大规模集成电路 ? 计算机应用模式的演变
20世纪50年代～70年代：大型计算机的“集中计算模式” 20世纪80年代：个人计算机的“分散计算模式” 20世纪90年代后：“网络计算模式” 计算机的组成
? 计算机系统由硬件和软件两部分组成。计算机的硬件是计算
机系统中所有实际物理装置的总称。计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档。 ? 从逻辑（功能）上讲，计算机硬件包括中央处理器（CPU）、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等，它们之间通过总线相互连接。
输入设备：用来向计算机输入信息的设备，如：键盘、鼠标、扫描仪和麦克风等
输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到
计算机中的信息都使用二进位来表示
中央处理器(运算控制器)
处理器(processor)：对各种信息进行处理（例如计算、
排序、分类、检索）的部件，能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作，由数字电路组成，结构复杂
微处理器：将处理器的所有组成部分制作在仅为几个
平方厘米的半导体集成电路芯片上
中央处理器(CPU)：计算机中通常有多个不同的处理
器，用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU
多数个人计算机只有1个CPU，但有一些计算机包含有
2个、4个、8个甚至成百上千个CPU
存储器：储存以二进位形式表示的程序和数据的部件，包括：
内存储器：存取速度快，容量相对小，直接与CPU
连接，用来临时存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据
外存储器：存取速度较慢，容量相对很大，能长期
存放计算机系统中几乎所有的信息，外存中的数据必须先传送到内存，才能被CPU使用
输出设备：完成输出功能的设备，如:显示器、打印机和扬声器等
(多数)输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转
换成人可感知的形式(文字、符号、图形、声音等)
总线(bus)：用于连接CPU、内存、外存和各种I/O设备
并在它们之间传输信息的一组共享的传输线及其控制电路
分类：CPU总线（或前端总线）：用于连接CPU和内存的总线
I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的
总线
计算机的分类
? 按内部逻辑结构分类：8位/16位/32位/64位 ? 按性能和价格分类：
巨型计算机(supercomputer) 大型计算机(mainframe) 小型计算机(minicomputer) 个人计算机(personal computer) ? 个人计算机可以分成：
台式PC(deskbook) 笔记本(notebook,Laptop) 工作站 (workstation)
超级便携机UMPC(Ultra-Mobile PC) 微处理器和嵌入式计算机
? 微处理器(μP)：使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的电子部件。微处理器是各类计算机的核心组成部分，中央处理器几乎都采用微处理组成
? 嵌入式计算机：把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为单片计算机或嵌入式计算机 2.2 CPU的逻辑结构与工作原理 CPU的结构
? 迄今为止，计算机都是按照冯?诺依曼提出的“存储程序控制”
的原理工作，即：
? 问题的解算步骤（程序）连同它所处理的数据都用二进位表示，并预先存放在存储器中；
? 程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。
? CPU的主要任务：执行指令，按指令的要求完成对数据的运算和处理
? CPU的结构：CPU主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成
寄存器（GPR）：存储速度快，用来临时存放参加运算的数
据和运算得到的中间（或最后）结果
运算器(ALU)：用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件(ALU)
参与ALU运算的数据——预先从内存传送到寄存器
无需继续运算的结果——从寄存器保存到内存
控制器：CPU的指挥中心
指令计数器——存放CPU正在执行的指令的地址，
CPU每执行一条指令后它就自动加1
指令寄存器——保存正在执行的指令，通过译码器