计算机架构(二)

第1章计算机概述

1.1计算机定义

什么是计算机？计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子装置。

1.2 计算机发展史及新旧机器对比

计算机发展的几个阶段

第一台电子计算机爱达瓦克ENIAC（1946）；世界第一台机械式加法计算机(1642年)；世界第一台机械式加法计算机(1642年)；1674年发明的乘法计算机；1822年研制的差分机；1834年研制的分析机；1936年制造的手摇式机械计算机；电动机械式计算机(1930年)；1941年研制的Z-3型计算机；1943年12月，“巨人”计算机运行；

1.3 计算机的系统组成

计算机由硬件系统和软件系统组成。硬件指的是所能够看得见的组成计算机的物理设备，例如：显示器、主机等，是构成计算机的实体；软件是用来指挥计算机完成具体工作的程序和数据，是整个计算机的灵魂。

计算机的硬件系统由中央处理器(由运算器和控制器等组成)、内存储器、外存储器和输入/输出设备组成。而计算机的软件系统分为两大类，即计算机系统软件和应用软件。

系统软件是指负责管理、监控和维护计算机硬件和软件资源的一种软件。系统软件用于发挥和扩大计算机的功能及用途，提高计算机的工作效率，方便用户的使用。系统软件主要包括操作系统、程序设计语言及其处理程序（如汇编程序、编译程序、解释程序等）、数据库管理系统、系统服务程序以及故障诊断程序、调试程序、编辑程序等工具软件。如：操作系统（如DOS、Windows、UNIX、OS/2等）、语言编译和解释系统、程序设计语言（如汇编语言、BASIC、C、PASCAL等）、网络软件、数据库管理系统（如FoxBASE、Oracle等）、系统服务程序（如诊断程序等）。

应用软件是指利用计算机和系统软件为解决各种实际问题而编制的程序。常见的应用软件有科学计算程序、图形与图像处理软件、自动控制程序、情报检索系统、工资管理程序、人事管理程序、财务管理程序以及计算机辅助设计与制造、辅助教学等软件。如：信息管理软件（如工资管理软件、人事管理软件等）、科学计算程序、文字与表格处理软件（如WPS、Word、Excel等）、图形与图像处理软件、辅助设计软件（如CAD、CAM、CAI、CAT等）。

1.4计算机工作原理

计算机的基本工作原理是存储程序和进行程序控制。预先把指挥计算机如何进行操作的指令序列(称为程序)和原始数据输入到计算机内存中，每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地方去等步骤。计算机在运行时，先从内存中取出第1条指令，通过控制器的译码器接受指令的要求，再从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，取出第2条指令，在控制器的指挥下完成规定操作，依此进行下去，直到遇到停止指令。

冯·诺依曼原理

程序与数据一样存储。按照程序编排的顺序，一步一步地取出命令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯·诺依曼于1945年提出来的，故称为冯·诺依曼原理。虽然现在的计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域和价格等方面与当时的计算机有很大差别，但基本结构没有变。

计算机的总线结构

现在的计算机系统多采用总线结构。所谓总线（Bus），指的是连接微机系统中各部件的一簇公共信号线，这些信号线构成了微机各部件之间相互传送信息的公用通道。CPU（包括内存）与外设、外设与外设之间的数据交换

都是通过总线来进行的。

总线通常由地址总线、数据总线和控制总线三部分组成。地址总线用于传送地址信号。地址总线的数目决定微机系统存储空间的大小；数据总线用于传送数据信号。数据信号的数目反映了CPU 一次可接收数据的能力；控制总线用于传送控制器的各种控制信号。

1.5 计算机中信息表示与存储

在计算机内部，一切信息的存取、处理和传送都是以二进制编码形式进行的。二进制是计算机信息表示、存储的基础。二进制只有0和1这两个数字符号，0和1可以表示器件的两种不同的稳定状态，即用0表示低电平，用1表示高电平。计算机采用二进制，其运算器电路在物理上很容易实现，而且运算简便、可靠。

1．十进制

日常生活中最常见的是十进制数，用十个不同的符号来表示：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，称为代码。

2．二进制

二进制数只有两个代码“0”和“1”，所有的数据都由它们的组合来实现。二进制数据在进行运算时，遵守“逢二进一，借一当二”的原则。

3．十六进制

十六进制数采用0~9和A、B、C、D、E、F六个英文字母一起构成十六个代码。

1.5.1 进位计数制

1.5.2 不同进制之间的转换

1．二进制与十进制的相互转换

二进制数要转换成十进制数非常简单，只需将每一位数字乘以它的权2n，再以十进制的方法相加就可以得到它的十进制的值（注意，小数点左侧相邻位的权为20，从右向左，每移一位，幂次加1）。

【例1】（10110.011）

B=1×24+0×23+1×22+1×21+0×20+0×2-1 +1×2-2+1×2-3=（22.375）D

十进制数据转换成二进制采用的是倒除法，即“除2取余”的方法。具体过程介绍如下：

（1）将十进制数除2，保存余数。

（2）若商为0，则进行第三步，否则，用商代替原十进制数，重复第1步。

（3）将所有的余数找出，最后得到的余数作为最高位，最先得出的余数作为最低位，由各余数依次排列而成的新的数据就是转换成二进制的结果。

2．二进制数与十六进制数的相互转换

由于16=24，所以在将二进制数转换成十六进制数时，从最右侧开始，每四位二进制数划为一组，用一位十六进制数代替，也称为“以四换一”；十六进制数转换成二进制数时正好相反，一位十六进制数用四位二进制数来替换，也称“以一换四”。

3．十六进制与十进制的相互转换

十六进制数与十进制数相互转换时，可以分成两步完成：将待转换的十六进制数转换成二进制，然后再将二进制数转换成十进制。

1.5.3 信息的存储形式与单位

在计算机中，通常用B（字节）、KB（千字节）、MB（兆字节）或GB（吉字节）为单位来表示存储器（内存、硬盘、软盘等）的存储容量或文件的大小。所谓存储容量指的是存储器中能够包含的字节数。一个字节（Byte）包含8个二进制位，即1Byte＝8bit。这里的bit 指的是二进制数的一位，又称比特，是计算机存储数据的最小单位。

存储单位B、KB、MB与GB的换算关系如下：

1个英文字符＝1个字节

1KB（千字节）＝1024B（字节）

1MB（兆字节）＝1024KB（千字节）

1GB（吉字节）＝1024MB（兆字节）

1.6计算机的特点

计算机是一种可以进行自动控制、具有记忆功能的现代化计算工具和信息处理工具，它有以下特点：

（1）具有高速的运算速度、极高的计算精度和灵敏准确的判断能力

（2）具有自动运行和自动控制的能力。

（3）具有强大的数据处理能力，能完成各种复杂的处理任务。

（4）具有超强的记忆（存储）功能，能存储程序，由程序来控制运算和处理操作

1.7 计算机的性能指标

评价一台计算机的性能时，通常要根据该机器的字长、时钟频率、运算速度、内存及硬盘容量等主要技术指标来进行综合考虑。

（1）字长

在计算机中，数据的长度用“字”表示，每个字所包含的二进制数的位数称为字长。由于字长是计算机中的CPU一次能够同时处理的二进制数据的位数，因此它直接关系到计算机的计算精度、速度和功能。字长越长，计算机处理数据的能力越强。

（2）时钟频率（主频）

时钟频率又称主频，指CPU在单位时间（秒）内平均要动作的次数，单位为MHz（兆赫兹）。时钟频率决定着计算机的运算速度，时钟频率越高，计算机的运算速度越快。

（3）运算速度

运算速度是指计算机每秒钟能够执行的指令条数，常以MIPS（每秒百万条指令）或MFLOPS（每秒百万条浮点指令）为单位来描述。MIPS是英文“Million of Instructions Per Second”的缩写，意思是“每秒百万条指令”。它用于描述计算机每秒钟能够执行的指令条数，反映了计算机的运算速度。

（4）内存容量

内存容量指的是内存储器中的RAM（随机存储器）与ROM（只读存储器）的容量总和。内存容量反映了计算机的内存储器存储信息的能力，是影响整机性能和软件功能发挥的重要因素。内存的容量越大，运算速度越快，处理数据的能力越强。

（5）MTBF

MTBF,即平均无故障时间，英文全称是“Mean Time Between Failure”。是衡量一个产品（尤其是电器产品）的可靠性指标。单位为“小时”。它反映了产品的时间质量，是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。具体来说，是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔。它仅适用于可维修产品。同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF。磁带机产品的MTBF值不应低于200000小时。

1.8 计算机分类

1.9计算机的应用

科学技术：数学、化学、原子能、天文学、地球物理学、生物学等基础科学的研究，以及航天飞行、飞机设计、桥梁设计、水力发电、地质探矿

自动控制：工业、农业、科学技术、国防以至我们日常生活的各个领域

数值处理：如编制生产计划、统计报表、成本核算、销售分析、市场预测、利润预估、采购订货、库存管理、工资管理等

计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）：飞机、船舶、光学仪器、超大规模集成电路VLSI等设计制造过程

人工智能：证明数学定理、进行常识性推理、理解自然语言、诊断疾病、下棋游戏、破译密码等

1.10 计算机外观组成与硬件配置

1.10.1计算机外观组成

计算机从外观上看主要包括主机和显示器、键盘、鼠标等外设。

1.10.2 PC机的主机配置

微型机又叫PC机或个人电脑。一台个人电脑由主机、显示器、键盘、鼠标、音箱、调制解调器等设备组成。主机箱内安装有电脑的许多重要部件，其中包含有主板、中央处理器（CPU）、内存、硬盘、软盘驱动器、光盘驱动器、显示卡和声卡等。