2.1.2计算机的逻辑组成计算机系统由硬件和软件两部分组成。计算机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稳当计算机系统、计算机硬件计算机软件运算器系统软件应用软件控制器操作系统文字处理存储器数据库管理系统通信程序语言处理系络输入设备输出设备娱乐大计算机硬件系统，从逻辑上（功能上）来讲，是由CPU、内（主）存储器、辅助存储器、输入设备、输出设备通过总线连接而成。（或者说由五大部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备）。在很久的过去人们把CPU和内存储器作为计算机的主机，把输入输出设备和辅助存储器称为外设。注意上述论述都是从逻辑（功能）角度和五大部分的角度划分的，以后还要注意逻辑概念和物理部件的区别。存结器中央处理器内存储器（送算器控制器）控制器1运算器和控制器出设备总线(bus)北北北控制控制拉制计算机各个部件通过总线相互连接外存储器楼1/0楼口1/0楼十愉入设榆出设外存储器1.中央处理器辨析：处理器、微处理器、中央处理器、多处理器系统、并行处理、片上系统处理器：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的部件。对信息进行处理的部件即为处理器。微处理器：所有电路都制作在大规模集成电路芯片上的处理器。简称uP或者MP现代计算机一般包含多个（微）处理器。例如：用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU，CPU是计算机必不可少的核心组成部件1)显卡包含的绘图处理器GPU（用于加速图形绘制）2) 声卡包含的DSP（用于数字声音信号的处理）3) 各种输入输出设备，各类物理部件（比如主板）上的各式各样的（微）处理器。4)辨析：CPU的两层含义（都称为CPU）1）逻辑概念，强调的是他的作用，比如计算机五大部分中的CPU2）CPU芯片是IC产品，是物理部件，比如intel公司生产的Core2CPU要根据上下文理解。例如：
2.1.2 计算机的逻辑组成 计算机系统由硬件和软件两部分组成。计算机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稳当 计算机硬件系统，从逻辑上（功能上）来讲，是由 CPU、内（主）存储器、辅助存储器、输入设 备、输出设备通过总线连接而成。（或者说由五大部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输 出设备）。在很久的过去人们把 CPU 和内存储器作为计算机的主机，把输入输出设备和辅助存储器称为 外设。 注意上述论述都是从逻辑（功能）角度和五大部分的角度划分的，以后还要注意逻辑概念和物理部 件的区别。 计算机各个部件通过总线相互连接。 1. 中央处理器 辨析：处理器、微处理器、中央处理器、多处理器系统、并行处理、片上系统 处理器：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的部件。对信息进 行处理的部件即为处理器。 微处理器：所有电路都制作在大规模集成电路芯片上的处理器。简称 uP 或者 MP 现代计算机一般包含多个（微）处理器。例如： 1) 用于执行系统软件和应用软件的处理器称为 CPU，CPU 是计算机必不可少的核心组成部件 2) 显卡包含的绘图处理器 GPU（用于加速图形绘制） 3) 声卡包含的 DSP（用于数字声音信号的处理） 4) 各种输入输出设备，各类物理部件（比如主板）上的各式各样的（微）处理器。 辨析：CPU 的两层含义（都称为 CPU） 1) 逻辑概念，强调的是他的作用，比如计算机五大部分中的 CPU 2) CPU 芯片是 IC 产品，是物理部件，比如 intel 公司生产的 Core 2 CPU 要根据上下文理解。例如： 中央处理器 (运算器控制器) 外存储器 内存储器 输出设 备 总线(bus) 输入设 备 I/O接口 I/O接口 外存储器接 口 控制 器 控制 器 控制 器 控制器
CPU是逻辑概念的情况CPU是物理部件的情况控制器、运算器合称CPUCPU内包含控制器、运算器、寄存器组、一、二、三级缓存、集成GPU。运行系统软件的微处理器称为|使用多个CPU实现超高速计算的技术称为“并行处理”CPU集成多个CPU在同一个芯片内的“多核”CPU芯片包含了多个中央处理器的计算机系称为多处理器系统重点辨析和区分：多任务处理和并行处理、多处理器系统和多核CPU。（多任务处理（进程管理）和并行处理、多处理器系统和多核CPU都没有必然关系，不存在关联）片上系统SoC（SystemonChip）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“单片机”。如果芯片中不仅包含微处理器，而且把存储器、1/O控制接口电路，甚至把模拟电路、数字/模拟混合电路和无线通信使用的射频电路等也都集成在单个芯片中，这样的超大规模集成电路称为SoC（SystemonChip），国内称为片上系统或系统级芯片。目前单片机也被称为片上系统，两者相当于发展和传承的关系。单片机和SoC芯片大多内嵌在其他设备中作为嵌入式计算机使用。嵌入式计算机是专用计算机系统。片上系统是嵌入式计算机的核心。2.存储器（主存储器和辅助存储。过去的称谓：内存储器和外存储器）历史沿革：早期（PC机出现之前）计算机主存储器和CPU一起安装在主机柜中，而辅助存储器独立于主机柜之外，所以有内存和外存的说法，并延续至今。现今（PC机出现后，硬盘是在机箱内的，特别是移动终端出现后（大量使用FlashRom）更加难分内外）内外的概念已经不适合计算机的发展且容易混淆，所以外存储器的叫法被禁止，内存、主存、RAM的传统叫法有时还使用，但是都以主存储器和辅助存储器为主要说法。内存储器（逻辑概念）包含：寄存器组、高速缓存CACHE、内存条和BIOS（都是物理部件）。可以简单认为物理部件内存条为内存储器的主要部分，即主存储器。他负责和CPU直接交换指令和数据执行系统软件和应用软件。主存储器和辅助存储器属于逻辑概念上的划分。内存储器（主存储器）memory辅助存储器storage与CPU的关系（区直接存取（交互）正在运行的数据先批量送入主存储器才能被CPU访分内外存储器的关问，可长期存放数据键）是否易失主存储器是易失性的：内存储器大多是易都是非易失性失性（BIOS是非易失性的）编址方式主存储器按字节编制（每个字节均有地操作系统对辅助存储器一般按页（数据址）（注意：高速缓存CACHE的寻址方块）进行编址：磁盘设备还有磁道和扇式是遍历）区的问题性能（相对）速度快、单位存储容量造价高、容量小速度慢、单位存储容量造价便宜、容量大
CPU 是逻辑概念的情况 CPU 是物理部件的情况 控制器、运算器合称 CPU CPU 内包含控制器、运算器、寄存器组、一、二、三级缓存、集成 GPU。 运行系统软件的微处理器称为 CPU 使用多个 CPU 实现超高速计算的技术称为“并行处理” 集成多个 CPU 在同一个芯片内的“多核”CPU 芯片 包含了多个中央处理器的计算机系称为多处理器系统 重点辨析和区分：多任务处理和并行处理、多处理器系统和多核 CPU。（多任务处理（进程管理） 和并行处理、多处理器系统和多核 CPU 都没有必然关系，不存在关联） 片上系统 SoC（SystemonChip） 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“单片机”。 如果芯片中不仅包含微处理器，而且把存储器、I/O 控制接口电路，甚至把模拟电路、数字/模拟混 合电路和无线通信使用的射频电路等也都集成在单个芯片中，这样的超大规模集成电路称为 SoC （SystemonChip），国内称为片上系统或系统级芯片。目前单片机也被称为片上系统，两者相当于发展和 传承的关系。 单片机和 SoC 芯片大多内嵌在其他设备中作为嵌入式计算机使用。嵌入式计算机是专用计算机系 统。片上系统是嵌入式计算机的核心。 2. 存储器（主存储器和辅助存储。过去的称谓：内存储器和外存储器） 历史沿革：早期（PC 机出现之前）计算机主存储器和 CPU 一起安装在主机柜中，而辅助存储器独立 于主机柜之外，所以有内存和外存的说法，并延续至今。现今（PC 机出现后，硬盘是在机箱内的，特别 是移动终端出现后（大量使用 FlashRom）更加难分内外）内外的概念已经不适合计算机的发展且容易混 淆，所以外存储器的叫法被禁止，内存、主存、RAM 的传统叫法有时还使用，但是都以主存储器和辅助 存储器为主要说法。 内存储器（逻辑概念）包含：寄存器组、高速缓存 CACHE、内存条和 BIOS（都是物理部件）。可以 简单认为物理部件内存条为内存储器的主要部分，即主存储器。他负责和 CPU 直接交换指令和数据执行 系统软件和应用软件。 主存储器和辅助存储器属于逻辑概念上的划分。 内存储器（主存储器）memory 辅助存储器 storage 与 CPU 的关系（区 分内外存储器的关 键） 直接存取（交互）正在运行的数据 先批量送入主存储器才能被 CPU 访 问，可长期存放数据 是否易失 主存储器是易失性的；内存储器大多是易 失性（BIOS 是非易失性的） 都是非易失性 编址方式 主存储器按字节编制（每个字节均有地 址）（注意：高速缓存 CACHE 的寻址方 式是遍历） 操作系统对辅助存储器一般按页（数据 块）进行编址；磁盘设备还有磁道和扇 区的问题 性能（相对） 速度快、单位存储容量造价高、容量小 速度慢、单位存储容量造价便宜、容量 大
注意内存储器和外存储器是逻辑概念，简称内存外存，内存储器直接和CPU发生数据交换，外存储器中的数据必须批量送入内存器才能被运行。任何程序，运行之前，必须先调入内存，然后再运行：程序运行结束，从内存中撤除，释放出内存空间以被运行其它程序。运行时所有需要的数据及临时数据都在内存中。外存是通过它的控制器直接连接在1/O总线上的。CPU不能直接访问。只能间接访问（即：先将外存中数据通过I/O总线传输到内存），然后CPU再直接访问内存。内存储器作为一个逻辑概念，他对应的物理部件有：内存条、高速缓存CACHE、BIOS和寄存器组。其中内存条即对应主存储器。所以内存储器和主存储器还是有区别的。所以内存储器有易失性的和非易失性的存储器（BIOS用的是FlashRom），而主存储器一般都是易失性的。所以主存储器和内存储器的概念依然有存在，而外存储器现在都改称为辅助存储器（填空时要注意）。3.输入输出设备（1/o设备）1）输入设备：将外界的各种形式的数据，经过输入设备，通过/0接口，经过1/0控制器，经过I/O总线，最终到达内存中某处[此时一定是二进制]。常用输入设备：键盘、MOUSE、扫描仪、麦克风、读卡机等。2）输出设备：将内存某处的二进制数据经过1/O总线、经过1/O控制器、通过1/O接口，最终通过输出设备变成各种各样形式的数据。常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音箱等。4.总线1）CPU、内存之间是通过CPU总线（又称为：前端总线、CPU-存储器总线）连接。速度快、带宽高。用于连接高速设备。显卡也可以简单的认为是连接在该总线上。2）1/0总线（又称：系统总线）是连接各种1/0设备、辅助存储器设备、网卡、声卡、键盘、MOUSE等的总线。3）所有的设备都通过各自的总线控制器连接到总线上。4）1/0操作、1/0设备、1/0接口、1/0控制器、1/0总线之间的关系：每一类设备都有自己独特的1/O控制器。不同种类的设备通常有不同的/O控制器。1/O操作的启动是由CPU发出1/O中断指令，由1/O控制器执行的。以后整个I/O操作是由1/O控制器全程控制的。注意：不是由CPU控制的。I/O操作结束，也是由I/O控制器向CPU报告一下。传输过程中CPU同时并行处理它自己的其它任务。同样各个1/O控制器也可以同时并行的（总线分时复用）。5）总线、总线控制器是逻辑概念，对应的物理部件（主要）叫主板，属于主机。2.1.3计算机分类按内部逻辑结构分：32位机、64位机（当下的计算机包括移动终端）。按历史、性能、用途、价格分：巨型计算机（成千上万个CPU组成、大规模并行处理）、大型计算机（几十个或上百个CPU。企业或政府数据集中存储、管理、处理）、中型计算机、小型计算机（部门级使用）。目前中型机和小型机已经不常见，相应的应用被服务器取代。服务器：服务器原本是个逻辑概念，原理上任何计算机都可以做服务器，由于网络上的服务器应用性能要求很高，所以厂家专门开发了一类用作服务器的高性能计算机。又分为工作组服务器，部门级服务器和企业级服务器个人计算机：直接为用户服务，通用性高，性价比好，种类丰富：台式机、工作站、笔记本、智能手机
注意内存储器和外存储器是逻辑概念，简称内存外存，内存储器直接和 CPU 发生数据交换，外存储 器中的数据必须批量送入内存器才能被运行。任何程序，运行之前，必须先调入内存，然后再运行；程 序运行结束，从内存中撤除，释放出内存空间以被运行其它程序。运行时所有需要的数据及临时数据都 在内存中。外存是通过它的控制器直接连接在 I/O 总线上的。CPU 不能直接访问。只能间接访问（即：先 将外存中数据通过 I/O 总线传输到内存），然后 CPU 再直接访问内存。 内存储器作为一个逻辑概念，他对应的物理部件有：内存条、高速缓存 CACHE、BIOS 和寄存器组。 其中内存条即对应主存储器。所以内存储器和主存储器还是有区别的。所以内存储器有易失性的和非易 失性的存储器（BIOS 用的是 FlashRom），而主存储器一般都是易失性的。所以主存储器和内存储器的概 念依然有存在，而外存储器现在都改称为辅助存储器（填空时要注意）。 3. 输入输出设备（I/O 设备） 1) 输入设备：将外界的各种形式的数据，经过输入设备，通过 I/O 接口，经过 I/O 控制器，经过 I/O 总线，最终到达内存中某处[此时一定是二进制]。常用输入设备：键盘、MOUSE、扫描仪、 麦克风、读卡机等。 2) 输出设备：将内存某处的二进制数据经过 I/O 总线、经过 I/O 控制器、通过 I/O 接口，最终通过 输出设备变成各种各样形式的数据。常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音箱等。 4. 总线 1) CPU、内存之间是通过 CPU 总线（又称为：前端总线、CPU-存储器总线）连接。速度快、带宽 高。用于连接高速设备。显卡也可以简单的认为是连接在该总线上。 2) I/O 总线（又称：系统总线）是连接各种 I/O 设备、辅助存储器设备、网卡、声卡、键盘、 MOUSE 等的总线。 3) 所有的设备都通过各自的总线控制器连接到总线上。 4) I/O 操作、I/O 设备、I/O 接口、I/O 控制器、I/O 总线之间的关系：每一类设备都有自己独特的 I/O 控制器。不同种类的设备通常有不同的 I/O 控制器。I/O 操作的启动是由 CPU 发出 I/O 中断指 令，由 I/O 控制器执行的。以后整个 I/O 操作是由 I/O 控制器全程控制的。注意：不是由 CPU 控 制的。I/O 操作结束，也是由 I/O 控制器向 CPU 报告一下。传输过程中 CPU 同时并行处理它自己 的其它任务。同样各个 I/O 控制器也可以同时并行的（总线分时复用）。 5) 总线、总线控制器是逻辑概念，对应的物理部件（主要）叫主板，属于主机。 2.1.3 计算机分类 按内部逻辑结构分：32 位机、64 位机（当下的计算机包括移动终端）。 按历史、性能、用途、价格分: 巨型计算机（成千上万个 CPU 组成、大规模并行处理）、大型计算机（几十个或上百个 CPU。企业或 政府数据集中存储、管理、处理）、中型计算机、小型计算机（部门级使用）。目前中型机和小型机已 经不常见，相应的应用被服务器取代。 服务器：服务器原本是个逻辑概念，原理上任何计算机都可以做服务器，由于网络上的服务器应用性能 要求很高，所以厂家专门开发了一类用作服务器的高性能计算机。又分为工作组服务器，部门级服务器 和企业级服务器 个人计算机：直接为用户服务，通用性高，性价比好，种类丰富：台式机、工作站、笔记本、智能手机
平板电脑。一般而言，PC机专指使用x86处理器并运行Windows操作系统的台式机和笔记本电脑。而平板电脑、智能手机一般被称为“移动终端”。目前，大多数平板电脑、智能手机使用的都是基于ARM处理器的SoC芯片。嵌入式计算机：是内嵌在其他设备中的专用计算机。现在片上系统（SoC）已经成为嵌入式计算机的核心。嵌入式计算机把软件固化在芯片中，所以功能和用途一般不再轻易改变。嵌入式计算机一般需要满足实时信息处理、最小化功耗、适应恶劣环境的要求。2.2CPU的结构与原理2.2.1CPU的作用与组成1．冯·诺依曼提出“存储程序控制”原理。存储数据执行指令一控制信号和指令冯·诺依曼体系结构处理数据数供信号中央输入设备输出设备存储器指令，数据存储器处理器运算器央处理器控制器处理结果第一：计算机由五大部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。注意红线代表数据流向，黑线代表控制流向。第二：存储程序控制原理1）计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令：2）程序（指令）和数据均以二进制编码的形式表示，均存放在存储器（主存储器）中；3）存储器（主存储器）中存放的指令和数据按地址进行存取；4）指令是由CPU逐条顺序执行的。2．主存储器的存储方式0000001101001指令和数据以二进制的形式存储在主存中00001存储00010每个存储单元存储一个字节内容000110010010101010每个存储单元按字节编址，每个单元拥有一个二进制地址地址的宽度决定地址线的宽度：决定CPU的寻址空间大小地（主存储器的最大容量（考点））址CPU访问高速缓存（CACHE）的遍历方式与访问主存储的*按地址寻址方式不同11110111113.辅助存储器的工作方式和步骤：任务启动时操作系统将执行该任务的程序和数据从辅助存储器一次批量传送到主存储器1)2)CPU根据地址从主存储器中逐条读取该程序的指令及相关的数据3) CPU逐条执行指令，按指令要求完成对数据的运算和处理将指令的运算处理结果送回主存储器保存4)
平板电脑。一般而言，PC 机专指使用 x86 处理器并运行 Windows 操作系统的台式机和笔记本电脑。而 平板电脑、智能手机一般被称为“移动终端”。目前，大多数平板电脑、智能手机使用的都是基于 ARM 处理器的 SoC 芯片。 嵌入式计算机：是内嵌在其他设备中的专用计算机。现在片上系统（SoC）已经成为嵌入式计算机的核 心。嵌入式计算机把软件固化在芯片中，所以功能和用途一般不再轻易改变。嵌入式计算机一般需要满 足实时信息处理、最小化功耗、适应恶劣环境的要求。 2.2 CPU 的结构与原理 2.2.1 CPU 的作用与组成 1. 冯•诺依曼提出“存储程序控制”原理。 第一：计算机由五大部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。注意红线代表数 据流向，黑线代表控制流向。 第二：存储程序控制原理 1） 计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令； 2） 程序（指令）和数据均以二进制编码的形式表示，均存放在存储器（主存储器）中； 3） 存储器（主存储器）中存放的指令和数据按地址进行存取； 4） 指令是由 CPU 逐条顺序执行的。 2. 主存储器的存储方式 指令和数据以二进制的形式存储在主存中 每个存储单元存储一个字节 每个存储单元按字节编址，每个单元拥有一个二进制地址 地址的宽度决定地址线的宽度；决定 CPU 的寻址空间大小 （主存储器的最大容量（考点）） CPU 访问高速缓存（CACHE）的遍历方式与访问主存储的 按地址寻址方式不同 3. 辅助存储器的工作方式和步骤： 1) 任务启动时操作系统将执行该任务的程序和数据从辅助存储器一次批量传送到主存储器 2) CPU 根据地址从主存储器中逐条读取该程序的指令及相关的数据 3) CPU 逐条执行指令,按指令要求完成对数据的运算和处理 4) 将指令的运算处理结果送回主存储器保存
5）任务完成后，将处理得到的全部结果批量传送到辅助存储器得以长久保存指令程指序CPU指含7指含E外存储器X数递！数器5数码据4数招品4.存储程序控制原理（重点核心）每隔一个时已经启间周期T自动动运行根据地址去寻存放待执行加一的程序找指令和数据指令的地址和数据指令地址拉指令计数器指令1指令制程指令235序指令寄存器指令k操作操作数地址指令n存放待执资价令数据内存储器行的指令有数据1存器?算器并进行译数数据2A据组数据m暂存等待处完成规定的运算理的数据CPU与主存储器配合工作的流程：第一步操作系统将辅助存储器中将要运行的程序和数据送入主存储器，程序以指令序列的形式存放在主存储器中，指令和数据都是二进制形式存放在主存储器连续的存储单元中，每个存储单元都有二进制形式的编码即地址第二步操作系统将程序第一条指令的地址即首地址送入指令计数器中第三步取控制器根据指令计数器中的地址，通过总线找到主存储器中相应的存储单元，将指令送往指令指令寄存器。第四步指指令寄存器拥有指令译码功能，指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在哪令译码里。将二进制形式的指令转换成控制信号送达运算器和寄存器组第五步指运算器和寄存器组根据控制信号执行相应的操作，包括：根据操作数的位置从主存储器取令执行出操作数，按照操作码的要求完成规定的运算。寄存器组存放中间结果，运算器负责运算第六步修每隔一个时间周期T（指令周期）指令计数器自动加一，即地址加一，控制器执行第三步。改指令计实现指令序列被CPU逐条执行的最终目的。数器第七步程序运行完成后操作系统将最后结果送回辅助存储器，释放相应的内存空间其中第三步到第六步即为指令执行周期四步骤。图中：CPU内部包含运算器、控制器和寄存器组。1）运算器（算术逻辑部件ALU）运行算术运算（加、减、乘、除）与逻辑运算（与、或、非）。加减乘除实际上是通过加法和移位完成的，算术运算是由逻辑运算（门电路）完成的。运算器由
5) 任务完成后，将处理得到的全部结果批量传送到辅助存储器得以长久保存 4. 存储程序控制原理（重点核心） CPU 与主存储器配合工作的流程： 第一步 操作系统将辅助存储器中将要运行的程序和数据送入主存储器，程序以指令序列的形式存 放在主存储器中，指令和数据都是二进制形式存放在主存储器连续的存储单元中，每个存 储单元都有二进制形式的编码即地址 第二步 操作系统将程序第一条指令的地址即首地址送入指令计数器中 第 三 步 取 指令 控制器根据指令计数器中的地址，通过总线找到主存储器中相应的存储单元，将指令送往 指令寄存器。 第 四 步 指 令译码 指令寄存器拥有指令译码功能，指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在哪 里。将二进制形式的指令转换成控制信号送达运算器和寄存器组 第 五 步 指 令执行 运算器和寄存器组根据控制信号执行相应的操作，包括：根据操作数的位置从主存储器取 出操作数，按照操作码的要求完成规定的运算。寄存器组存放中间结果，运算器负责运算 第 六 步 修 改 指 令 计 数器 每隔一个时间周期 T（指令周期）指令计数器自动加一，即地址加一，控制器执行第三步。 实现指令序列被 CPU 逐条执行的最终目的。 第七步 程序运行完成后操作系统将最后结果送回辅助存储器，释放相应的内存空间 其中第三步到第六步即为指令执行周期四步骤。 图中：CPU 内部包含运算器、控制器和寄存器组。 1) 运算器（算术逻辑部件 ALU）运行算术运算（加、减、乘、除）与逻辑运算（与、或、非）。加 减乘除实际上是通过加法和移位完成的，算术运算是由逻辑运算（门电路）完成的。运算器由