1、#*第 1 章 计算机系统概述数字计算机也称为电子计算机或计算机它无处不在很难发现有哪个领域没有使用计算机在本章中我们将介绍数字计算机、数据类型、计算机的发展和计算机分类，1 . 1 数字计算机 数字计算机是处理各种计算任务的数字系统。“数字”的意思是计算机中的信息可由具有部分离散值的变量来表示，这些离散值的内部处理是由具有部分离散状态的部件完成的例如十进制数字 O , l , 2 ， 9 即提供了 10 个离散值。第一台电子数字计算机产生于 20 世纪 40 年代末，它主要用于数值计算，那时的离散元素即为数字为了进行数值计算而产生了数字计算机实际上如果只使用两种状态数字计算机的性能将更可靠。
2、因为部件的物理约束和人们的逻辑处理需要所以数字计算机使用具有两种值的离散数据这种数据称为二进制。数字计算机使用只有数字 O 和 l 的二进制数据系统一个二进制数字称作位在数字计算机中用一组二进制表示信息。应用各种编码技术一组二进制数字不但可以表示二进制数据，而且还可以表示其他离散符号如十进制数字或字母表中的字母例如 ASCII 是用 7 位二进制数字表示一个字符。通过合理使用二进制组合和各种编码技术可产生用于完成各种类型计算的一系列指令。与基数为 10 的十进制数相比二进制数的基数为 2 使用了数字 O 和 1 与一个二进制数等值的十进制数可以扩展为包含更多位的二进制数计算机系统是由硬件系统和
3、软件系统组成的，硬件系统由看得见、摸得着的物理设备构成如磁盘和屏幕。软件系统是管理计算机的无形“控制”，是运行在计算机中的所有程序，程序是指令的集台，它告诉硬件应该做什么，通常将计算机硬件分为#*3 个主要部分：输入和输出设备（I/O 设备）、中央处理器（CPU ）和存储器。在第2 章中对硬件部分进行详细介绍软件可以按其用途分类。应用软件是为诸如会计、娱乐和工程领域之类的处理任务而设计的，如果玩过计算机游戏或用字处理软件输入入过文件内容则用户已经具有使用应用软件的体验。另一方面系统软件控制计算机系统，系统软件不仅包括专业人员用于创建应用软件的复杂程序而且还包括用于启动计算机和提供给其他程序使用
4、的管理程序这部分内容将在第 2 章和第 6 章中详细介绍，1 . 2 数据类型数字计算机中的二进制信息存储在存储器或处理器的寄存器中。寄存器的内容为数据或控制信息。控制信息为一位或多位用于表明控制信号的顺序这些信号用于处理其他寄存器的数据数据是数字和其他二进制代码信息通过处理这些数据得到所需的计算结果下面介绍在数字计算机最常用的数据类型和各种数据类型在计算机的寄存器中如何以二进制代码的形式表示数字计算机寄存器中的数据可分类如下；数值数据常用来表示整数n 位无符号整数其值的表示范围为 O -l ；n 位带符号整数其值的表示范围为- -1。这两种格式的数据可以用于算术运算。有些数值数据不能表示为整
5、数。这些数值在计算机中用浮点格式表示典型的如小数部分。计算机中有专用于浮点数的寄存器和指令。布尔值 TRUE 和 FALSE 经常被被使用这使它们有自己的数据类型一一布尔型和汇编语言指令常用 0 值表示 FALSE 用非 0 值表示 TRUE 。布尔汇编语言指令可以对布尔数据执行逻辑操作。与逻辑指令每位都产生操作结果不同，布尔指令只产生一个结果。下面举例来说明它们的不同，若 A=0000 0010 , B =0000 0001，#*则二进制数据的逻辑与运算的给果为 0000 0000；然而，如果它们是布尔值，因为它们均为非 O ，所以 A 和 B 均为 TRUE ，对它们进行布尔与运算给果为
6、TRUE ，用非O 值表示。计算机也可处理字符型数据。字符型数据用 ASCII、EBCDIC 、UNICODE 或其他字符编码标准编码后的二进制数据进行存储。计算机能将若干字符连成串，用一些字符代替其他字符或另行处理字符串，而不是用算术方法或逻辑方法处理字符。有些汇编语言指令集中包含了直接处理字符数据的指令，而另一些汇编语言指令集中则运用其他指令构成例程来达到相同的结果。1.3 计算机的发展第一台大型电子计算机是电子数字模拟计算机（ENIAC）,它诞生于 1946 年从此计算机经历了 4 个发展年代或阶段。每一年代的特点是：与上一年代相比，体积更小，费用更低。1 第一代（1944-1958）这
7、是最早的计算机，许多抽入和输出介质采用穿孔卡和磁带，尽管一合计算机只有一个使用磁鼓的主存，但主存几乎全部是由几百个电子管构成。因为电子管易坏，所以计算机可靠性差。与现代的微型计算机相比，它们速度慢、会产生很高的温度，并且体积非常大，它们一次只能运行一个程序。2 第二代（1959-1963） 在 20 世纪 60 年代初期，多数计算机采用了晶体管和比电子管小得多的其他固态器件。磁芯看起来像由带电的导线所串起来的非常小的金属垫圈，它最广泛地运用于#*主存。存储设备采用可移动磁盘组件，它是由公共轴将多个磁盘连接在一起而形成的。第二代计算机比第一代计算机体积更小性能更可靠，速度更快3 第三代（1964
8、-1970 ) 第三代计算机用集成电路代替了传统的晶体管电路集成电路是一个完整的电子电路它在一个小硅芯片上集成了许多晶体管和其他电子元件。由于各个元件不需要在计算机系统板上用线路直接连接所以集成电路成本低用于第二代数据存储的磁盘使用得更广泛计算机开始支持多道程序设计（同时处理多个程序）和分时技术（多个用户同时使用相同的计算机）小型计算机在 20 世纪 70 年代初期被广泛使用并占领了部分大型计算机市场。以前需要由大型计算机处理的任务现在都可由小型计算机完成。4 第四代（1971 一至今）大规模集成电路和超大规模集成电路得到发展它们是成千上万个晶体管集成在一个微小芯片上1971 年加 Intel
9、 公司的 Ted Hoff 发明了微处理器它是将 CPU 的全部组成部分，包括存储器、逻辑电路和控制电路集成到一个芯片上。微处理器和超大规模集成电路技术使计算机在体积大小、外观、价格、可用性和性能方面得到根本改变并且它们开创了小型化的时代计算机向着越来越小的方向发展在此期间计算机主存的性能得到提高而其价格不断降低这些都直接影响着软件的类型和可用性， 软件应用像文字处理、电子表格、数据库管理程序、绘图程序及桌面印刷等进入商业市场，使更多的人去使用计算机，1 . 4 计算机分类#*计算机通常分为 4 大类：微型计算机、小型计算机、大型计算机和巨型计算机。因为计算机速度和存储容量变化非常快所以很难给
10、出每类计算机的精确定义。下述定义将说明每类计算机的特点1 微型计算机微型计算机也称为个人计算机它是一种适合于在办公桌或桌面上使用的计算机并且便于携带。微机既可用作独立计算机又可通过连接形成网络如局域网局域网就是将一个办公室或一个建筑物内的一组个人计算机和外部设备用特殊电缆连接起来2 .小型计算机小型计算机设计成可同时支持多个分时终端与微机相比小型计算机操作速度快并且价格高。通常一台小型计算机能充分满足一个部门或一个小事务的日常计算需要其他小型计算机专用于特殊应用例如小型机能控制工厂中的流水线、能记录科学实验室中的数据或帮助编程人员为其他计算机开发程序。3 .大型计算机大型计算机比小型计算机体积
11、更大、速度更快、价格更高它们提供给银行、保险公司、大型团体和政府组织使用。大型计算机可同时服务于几百个用户它适用于解决大量数字计算问题或很多人同时共享最大信息4 巨型计算机巨型计算机最初在 20 世纪 70 年代产生它们是速度最快和性能最高的计算机，其价格在几十万美元到几亿美元之间它们要安装在具有特殊空调的房间中这些计算机通常用于科学研究，其应用领域包括世界范围内的天气预报技气象分析、石油勘#*探、航天飞机设计、核武器系列评估和数学研究与微型计算机一般只有一个中央处理器不同大型计算机有几百到几千个处理器，并且每秒能完成大最的计算第 2 章 计算机系统的组成原理本章主要介绍基本计算机系统的组成，
12、包括计算机组成简介、系统总线、CPU 组成、存储器子系统组成和输入/输出（I/O）子系统组成。2.1 计算机组成简介计算机系统有硬件系统和软件系统组成。计算机硬件系统通常被分为 3 个主要部分或子系统：CPU存储子系统和 I/O 子系统，如图 2-1 所示。，CPU 提供许多操作和控制计算机的功能 存储子系统用于存储被 CPU 执行的程序及其数据I/O 子系统可使 CPU 和输入/输出设备（比如个人计算机的键盘和显示器等）交互计算机的所有部件都通过总线相连我们首先介绍系统总线2 .2 系统总线物理上总线就是一束金属线它们被用于连接计算机系统的各个部件从一个部件向其他部件发送信息时，源部件输出数
13、据到总线，目的部件从总线输入相应的数据随着计算机系统复杂性的增加，使用总线比各个设备直接相连更加有效使用总线比大量的直接连接需要更小的电路板空间和电力，组成 CPU 的芯片或芯片组则需要更少的引脚,#*1地址总线在图中有 3 种系统总线图中最上面的总线是地址总线当 CPU 从存储器中读写数据或指令时，它必须指定 CPU 要访间的存储单元的地址 CPU 输出地址到地址总线，存储器从地址总线输入地址并用此地址存取正确的存储单元每一个 I/O 设备，比如键盘、显示器或磁盘驱动器都有一个惟一地址当访问一个 I/O 设备时，CPU 输出 I/O 设备的地址到地址总线每一个设备都可读取地址并判定是否是 C
14、PU 所需要的设备与其他总线不同，地址总线总是从 CPU 接收数据，而 CPU 从不读取地址总线2 数据总线数据通过数据总线进行传输当 CPU 从存储器中读取数据时，它首先输出该存储器的地址到地址总线，然后存储器将数据输出到数据总线，CPU 可以从数据总线读取数据。当向存储器写数据时，CPU 首先输出地址到地址总线，然后输出数据到教据总线这样存储器就可以正确地读取数据并存放在正确的位置I/O 设备读取数据和写数据的过程是相似的3 控制总线控制总线与其他两种总线不同地址总线由 n 条线组成，以组合传输一个 n 位的地址值与此相似，数据总线的线路也是协同工作以传输单个多位的值与此不同，控制总线由独
15、立的控制信号组成这些控制信号指示数据是否读入 CPU 或从 CPU 写出，控制 CPU 是访问存储器还是 I/O 设备，判断存储器或 I/O 设备是否准备好传输数据尽管这种总线确实是由单向信号组成的，但大多数信号是 CPU 输出到存储器和 I/O 子系统，少数是由这些子系统输出到 CPU . #*系统可以具有总线型的层次结构例如，用地址总线、数据总线和控制总线可以访问存储器和 I/O 控制器反之，I/O 控制器可以使用第二总线(通常被称为 I/O 总线或局部总线）访间所有 I/O 设备在个人计算机中比较常见的一个局部总线是 PCI 总线2 . 3 CPU 组成在计算机中用于完成数据处理的部件称
16、为中央处理器，简称 CPU在微型计算机中常称为微处理器CPU 主要由 3 部分组成，如图 2 一 2 所示1.寄存器组寄存器组存储指令执行过程的中间数据顾名思义，寄存器组包括一组寄存器和一个总线或其他的通信设备系统地址总线和数据总线与 CPU 的这个部件交互寄存器组还包括其他不被程序员直接访间的寄存器相对简单的 CPU 包含地址寄存器，临时存储寄存器和其他不是指令系统结构组成部分的寄存器2 ALU 算术逻辑单元（ALU ）提供大多数的算术和逻辑操作，比如“加或“与操作它从 CPU 的寄存器组中接收操作数并将结果返回到寄存器组中由于 ALU 必须在单个时钟周期内完成运算，所以 ALU 仅使用一个
17、组合逻辑来构成3 控制器控制器（CU）控制寄存器之间的信息传输和指示 ALU 完成操作这个控制器产生内部控制信号以使寄存器调用数据、增加或清除其内容，输出其内容，并且使 ALU 执行正确的功能控制器接收来自寄存器组的一些数据值，并以此产生控制信号这#*些数据包括指令代码和一些标记寄存器的值控制器还产生系统控制总线的信号，比如 READ 2 . ROM ROM 芯片是为数据只读的应用程序而设计的。这些芯片在被加入到计算机系统之前通过外部编程器来写入数据。一旦完成数据通常是不变的。ROM 芯片适用于这种情况因为它具有非易失性即当断电时存储在 ROM 中的指令记录不会消失当开机时在 ROM 中固定程
18、序引导计算机为了引导计算机ROM 首先告诉CPU 检测与计算机相连的输入、输出和存储设备然后指示 CPU 检测磁盘是否包含可以让用户开始发出命令的操作系统软件。在典型的个人计算机中 ROM 还有多种自检程序以便于很容易地诊断和修复硬件错误。根据固化程序的方式和时间长短ROM 芯片被分为几种不同的类型。(l）掩模 ROM 掩模 ROM 或简单的 ROM 在制作芯片时程序数据就被固化制造这些芯片的掩膜技术设计时内都需要使用数据硬连线这些芯片对那些批量生产并且一旦装入数据便不可改变的用户产品非常有用。并且一旦生产完毕数据不能再更改(2) PROM PROM 是可编程的 ROM 。与 ROM 不同 P
19、ROM 可以由使用任何标准的 PROM 的程序员来编写程序。与硬连线相比PROM 有一系列类似于熔丝的内部连接向PROM 编写数据本质上是熔断指定的熔丝以使存储器的侮一个字存储正确的值因为这些熔丝一旦熔断就不可恢复PROM 仅能编写一次这些芯片适用于制造原型也#*适用于可以使用 ROM 但考虑到 ROM 掩膜的成本，不能提供足够数量存储单元的应用。（3）EPROM EPROM 是可擦写的 PROM 顾名思义EPROM 像 PROM 一样可编写但它的内容可擦除并可重新编写编写 EPROM 类似于给电容器充电。已充电和未充电的电容器使存储器中的每个字能存储正确的值这些芯片在表面有一个小的透明窗口，
20、芯片放在紫外线下照射导致电容器泄漏电荷而被擦除这样就可以重新设置芯片内容当使用时这个窗口通常用不透光的胶布盖着以防止任何室内灯光或日光的紫外线不经意间破坏芯片内容尽管它们是可擦写的但常用于数据不变的应用中. EPROM 通常用于产品开发实验室和原型等场合。( 4 ) EEPROM 或（ PROM ) EEPROM 有时表示为 PROM 是电擦写 PROM 除了其内容是通过电而不是紫外线来擦写和重新编写外它的工作方式与 EPROM 相同与 EPROM 的必须全部擦除再重新编写不同EEPROM 可以更改个别单元而其他单元不变另外，重新编写一个 EEPROM 只需几秒种擦除一个 EPROM 则需大概 20 分钟EEPROM 适用于内容较少更改的应用只要系统电路中含有具有重写芯片的可编程硬件EEPROM 常用于个人计算机的基本输入/输入系统或 BIOS 芯片通常不更改除非新版本的软件应用时BIOS 被更改一次或两次。（5）快闪 EEPROM (flash EEPROM ) 一种特殊类型的 EEPROM 被称为快闪 EEPROM ，它是以电擦除方式擦除大块数据而不是独立的单元。它非常适用于写大量数据和用作固态硬盘也被用于数码
