计算机组成原理 第 1 章 概 论

目录

1.1 电子计算机与存储程序控制

1.1.1 电子计算机的发展

1. 计算机的发展历史

2. 计算机的发展趋势

1.1.2 存储程序概念

1.2 计算机的硬件组成

1.2.1 计算机的主要部件

1.2.2 计算机各大部件之间连接

1. 总线结构（小、微型机的典型结构）

2. 大、中型计算机的典型结构

1.2.3 不同对象观察到的计算机硬件系统

1. 一般用户观察到的计算机硬件系统

2. 专业用户观察到的计算机硬件系统

1.3 计算机系统

1.3.1 硬件与软件的关系

1.3.2 系列机和兼容机

1.3.3 计算机系统的多层次结构

1.3.4 实际机器和虚拟机器

1.4 计算机的工作过程和主要性能指标

1.4.1 计算机的工作过程

1.4.2 计算机的主要性能指标

1. 机器字长

2. 数据通路宽度

3. 主存容量

表格

4. 运算速度

（1）吞吐量和响应时间

（2）主频和CPU时钟周期

（3）CPI

（4）CPU执行时间

（5）MIPS和MFLOPS

习题

1-1 电子数字计算机和电子模拟计算机的区别在哪里？

1-2 冯·诺依曼计算机的特点是什么？其中最主要的一点是什么？

1-3 计算机的硬件是由哪些部件组成的？它们各有哪些功能？

1-4 什么叫总线？简述单总线结构的特点。

1-5 简述计算机的层次结构，说明各层次的主要特点。

---

这个颜色的会在结尾给补充扩展，有什么问题都可以在评论区提，我会回复，并补充到文章结尾的补充扩展部分。

本章以存储程序的概念为切入点，深入探讨计算机的基本组成架构和工作原理，旨在帮助读者初步构建起对计算机系统的整体认知框架，为后续深入学习计算机各个部件的细节知识奠定坚实的基础。

---

1.1 电子计算机与存储程序控制

电子计算机是一种能够自动、高速、准确地处理和存储信息的电子设备，无需人工直接干预。从总体上来说，电子计算机可以分为两大类：电子模拟计算机和电子数字计算机。

• 电子模拟计算机处理的是连续的物理量，运算过程也是连续的。
• 电子数字计算机处理的是离散的数字量，运算过程是不连续的。

通常所说的计算机指的是电子数字计算机。

1.1.1 电子计算机的发展

1. 计算机的发展历史

人们通常根据计算机所采用的电子器件来划分电子计算机的发展阶段，将其分为“代”。最常见的分法如下：

• 第一代（1946—1958年）：电子管计算机

  • 基本器件：电子管。

  • 存储器：初期使用延迟线，后发明磁芯存储器。

  • 应用领域：主要用于科学计算，服务于军事与国家尖端科技。

• 第二代（1958—1964年）：晶体管计算机

  • 基本器件：晶体管。

  • 存储器：磁芯存储器。

  • 性能提升：运算速度从每秒几千次提高到几万次，存储器容量从几千存储单元提高到10万存储单元以上。

  • 应用拓展：从军事与尖端技术扩展到气象、工程设计、数据处理等领域。

• 第三代（1964—1971年）：小、中规模集成电路（SSI、MSI）计算机

  • 基本器件：小、中规模集成电路。

  • 性能提升：功耗、体积和价格进一步下降，速度及可靠性相应提高。

  • 应用拓展：应用范围进一步扩大。

• 第四代（1971—至今）：大规模集成电路（LSI、VLSI）计算机

  • 基本器件：大规模集成电路。

  • 存储器：半导体存储器取代磁芯存储器，向大容量、高集成度、高速方向发展。

  • 关键事件：1971年出现微处理器，以微处理器为核心的微型计算机引发计算机发展史上的又一次革命。

  • 应用领域：计算机进入几乎所有行业。

现代计算机严格意义上仍属于第四代计算机。但随着集成电路技术的发展，单片集成电路规模不断扩大，专家对集成电路规模进行了进一步的划分：

• ULSI（Ultra Large-Scale Integration，超大规模集成电路）：单片集成电路集成的晶体管数量超过100万，集成组件数在10^7～10^9个之间。ULSI技术使得芯片能够集成更多的晶体管和其他元件，实现更复杂的处理、存储和通信功能。

• ELSI（Extreme Large-Scale Integration，极大规模集成电路）：单片集成电路集成的晶体管数量达到一亿到十亿。

2. 计算机的发展趋势

计算机的发展正呈现出“两极”分化的趋势：

微型计算机

• 发展趋势：向微型化、网络化、高性能、多用途发展。

• 类型：包括台式机、便携机、笔记本、亚笔记本、掌上机等。

• 特点：体积小、成本低。

• 应用：广泛应用于国民经济和社会生活的各个领域。

巨型机

• 发展趋势：向巨型化、超高速、并行处理、专门应用方向发展。

• 特点：体现国家的科技、经济、军事实力。

• 应用：用于天气预报、地震分析、航空航天、卫星遥感、核武器、海洋工程等领域。

随着新的元器件及其技术的发展，新型计算机如超导计算机、量子计算机、光子计算机、生物计算机、纳米计算机等有望在不久的将来走进人们的生活，遍布各个领域。

1.1.2 存储程序概念

1946年2月，世界上第一台电子计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生。这台重30吨、占地167平方米的计算机每秒可完成5000次加法运算，但存储容量极小，仅能存放20个十进制数，需要通过纸带编程和人工改变接线，准备时间远超计算时间。

在ENIAC研发过程中，冯·诺依曼提出了“存储程序控制”理念，并开始研制EDSAC。1949年，英国剑桥大学的EDVAC吸收了这一理念，成为第一台实际采用存储程序的计算机。

存储程序概念由冯·诺依曼等人于1945年6月首次提出，其核心要点如下：

1. 硬件组成：计算机应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件构成。

2. 二进制表示：计算机内部采用二进制形式来表示指令和数据。

3. 程序存储：将编好的程序和原始数据预先存入存储器中，随后启动计算机运行，这便是存储程序的核心含义。

冯·诺依曼对计算机技术贡献卓越，尤其是提出和实现了“存储程序控制”概念。60多年来，尽管计算机技术发展迅猛，但现代计算机的基本结构仍基于存储程序概念，绝大多数计算机仍属于冯·诺依曼型计算机。不过，现代计算机在结构上已有诸多改进。

然而，随着技术发展，冯·诺依曼型计算机的局限性逐渐显现，最突出问题是存储器访问瓶颈。近年来，突破传统存储程序控制的非冯计算机应运而生，如数据流计算机、归约机、智能计算机等。本书仅讨论冯·诺依曼型计算机的组成，非冯计算机将在后续课程中讨论。

1.2 计算机的硬件组成

原始的冯·诺依曼计算机以运算器为中心，但现代计算机结构已转向以存储器为中心。下图展示了计算机最基本的组成框图。

通常，运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。在超大规模集成电路构成的微型计算机中，CPU通常被集成在一块芯片上，称为微处理器。

中央处理器和主存储器（内存储器）共同构成主机部分，而主机以外的硬件装置，如输入设备、输出设备和辅助存储器等，被称为外围设备或外部设备。

1.2.1 计算机的主要部件

• 输入设备：将程序和数据输入计算机并转换为内部可接受的格式。

• 输出设备：以数字、字符、图形、图像、声音等形式输出处理结果。

• 存储器：存放程序和数据，实现“存储程序控制”。分为多级，包括：

  • 主存储器：速度快、容量小，存放当前执行的程序和数据。

  • 辅助存储器：容量大、速度慢，存放备用程序。

  • Cache（高速缓存）：存取速度快、容量小，存放急需处理的数据。

• 运算器：进行算术和逻辑运算，包含通用寄存器或累加寄存器，暂存操作数和结果，存取速度快于存储器。

• 控制器：指挥中心，控制各部件按指令自动工作，逐条取出并分析指令，发出操作信号，包含其他寄存器。

1.2.2 计算机各大部件之间连接

将上述各部件按某种方式连接起来，就构成了计算机的硬件系统。

1. 总线结构（小、微型机的典型结构）

总线（Bus） 是一组公共信息传送线路，能为多个部件服务，分时发送和接收信息。总线结构减少了信息传送线的数目，提高了计算机扩充主存及外部设备的灵活性。

单总线结构 是最简单的总线结构，各大部件都连接在同一组总线上，称为系统总线。CPU与主存、CPU与外设之间可以直接进行信息交换，主存与外设、外设与外设之间也可以直接交换信息，无需CPU干预。

单总线结构提高了CPU的工作效率，外设连接灵活，易于扩充。但所有部件都挂在同一组总线上，总线只能分时工作，同一时刻只允许一对设备（或部件）之间传送信息。

总线并非只有一根信号线，根据传送信息的不同，可以细分为：

• 地址总线：用于CPU向主存、外设传输地址信息。

• 数据总线：双向传输数据。

• 控制总线：传输控制信息，包括CPU的控制命令和主存或外设的反馈信号。

总线结构的计算机是微型计算机的典型结构，因为小、微型计算机的设计目标是以较小的体积和代价获得较强功能的系统，总线结构正好满足这一需求。

2. 大、中型计算机的典型结构

大、中型计算机系统的设计目标更侧重于系统功能的扩大和效率的提高。系统连接分为四级：主机通道、设备控制器和外部设备。

通道 是承担I/O操作管理的主要部件，每个通道可以连接一台或几台设备控制器，每个设备控制器又可连接一台或几台外部设备，从而实现大量外部设备的连接。这种结构具有较大的扩充余地。

• 较小系统：设备控制器与外设可以合并，通道与CPU也可以合并。

• 较大系统：单独设置通道部件。

• 更大系统：通道可发展成为具有处理功能的智能处理器。

1.2.3 不同对象观察到的计算机硬件系统

计算机已广泛应用于各个领域，不同对象对计算机硬件系统的观察和关注点存在显著差异，以下从微观和宏观两个层面进行分析。

1. 一般用户观察到的计算机硬件系统

一般用户是指那些仅使用计算机完成基本功能的用户。他们主要关注计算机的用户界面，如键盘、鼠标、显示器，以及用于存储信息的磁盘、光盘等。对于他们来说，计算机本身只是一个铁箱子，其内部结构和工作原理无需关心。

2. 专业用户观察到的计算机硬件系统

专业用户是指那些对计算机硬件系统有深入了解的用户。他们更多地关注计算机机箱内各部件的结构和组成。

1.3 计算机系统

一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件是指所有看得见、摸得着的实体设备；而软件则是指各类程序和文件，它们本质上是一些算法及其在计算机中的表示形式。

1.3.1 硬件与软件的关系

硬件构成了计算机系统的物质基础，为软件提供了运行的空间。软件则是硬件功能的支持者，赋予硬件实际的运行能力，是计算机系统的“灵魂”。它们相辅相成，共同构成计算机系统的整体。

1.3.2 系列机和兼容机

随着计算机技术的飞速发展，新的高性能计算机不断被研制和生产出来。用户希望在新型计算机系统推出后，之前开发的软件仍能在升级后的计算机上继续使用，这就要求软件具有良好的兼容性。

系列机是指由同一家厂商生产的、具有相同机器结构但不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。从程序设计的角度来看，系列机具有相同的机器指令，即相同的系统结构。这包括在指令系统、数据格式、字符编码、中断系统、控制方式和操作方式等方面保持统一，从而确保软件的兼容性。系列机的软件兼容性分为以下四种：

• 向上兼容：某档次机器编写的程序，不加修改即可运行在更高档的机器上。

• 向下兼容：某档次机器编写的程序，不加修改即可运行在更低档的机器上。

• 向前兼容：某个时期投入市场的机器编写的程序，不加修改即可运行在之前投入市场的机器上。

• 向后兼容：某个时期投入市场的机器编写的程序，不加修改即可运行在之后投入市场的机器上。

在系列机的设计中，虽然向下和向前兼容可以不作严格要求，但必须保证向后兼容，并力争做到向上兼容。

1.3.3 计算机系统的多层次结构

现代计算机系统是一个由软件和硬件组成的综合体，可以将其视为按功能划分的多层次结构，如图1-11所示：

• 第零级：硬联逻辑级：这是计算机的内核，由门、触发器等逻辑电路组成。

• 第一级：微程序级：这一级的机器语言是微指令集，用微指令编写的微程序通常直接由硬件执行。

• 第二级：传统机器级：这一级的机器语言是该机的指令集，用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。

• 第三级：操作系统级：操作系统一方面直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面又是传统机器的延伸。

• 第四级：汇编语言级：这一级的机器语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序称为汇编程序。

• 第五级：高级语言级：这一级的机器语言是各种高级语言，通常由编译程序完成高级语言的翻译工作。

• 第六级：应用语言级：这一级是为了使计算机满足特定用途而设计的，因此这一级的语言是各种面向问题的应用语言。

将计算机系统按功能划分成多级层次结构，有助于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件和硬件在计算机系统中的地位和作用。

1.3.4 实际机器和虚拟机器

在图1-11所示的多级层次结构中，对于每一个机器级的用户来说，都可以将此机器级看作是一台独立的、使用自己特有的“机器语言”的机器。

实际机器是指由硬件或固件实现的机器，如图1-11中的第零级到第二级。虚拟机器是指以软件或以软件为主实现的机器，如图1-11中的第三级到第六级。

虚拟机器只对该级的观察者存在，即在某一级观察者看来，他们只需要通过该级的语言来了解和使用计算机，而无需关心下级是如何工作和实现的。例如，高级语言级和应用语言级的用户，无需了解机器的具体组成，也无需熟悉指令系统，只需直接用指定的语言描述所要解决的问题即可。

1.4 计算机的工作过程和主要性能指标

为了让计算机按照预定要求工作，首先需要编制程序。程序是由一系列特定的指令组成的，它告诉计算机要做什么以及按照什么步骤去做。指令是一组二进制信息的代码，用来表示计算机能够完成的基本操作。

1.4.1 计算机的工作过程

编制好的程序存储在主存中，由控制器逐条取出并执行。以下通过一个例子来说明这一过程。

例如，计算 a+b−c=?（假设 a、b、c 是已知的三个数，分别存储在主存的5~7号单元中，结果将存储在主存的8号单元）。如果采用单累加寄存器结构的运算器，完成上述计算至少需要5条指令，这5条指令依次存储在主存的0~4号单元中，参与运算的数也必须存储在主存指定的单元中，主存中相关单元的内容如图1-12(a)所示。运算器的简单框图如图1-12(b)所示，参与运算的两个操作数一个来自累加寄存器，一个来自主存，运算结果则存放在累加寄存器中。图1-12(b)中的存储器数据用于暂存从主存中读出的数据与写入主存的数据，它本身不属于运算器的范围。

计算机的控制器将逐条执行指令，最终得到正确的结果，具体步骤如下：

1. 取指令：将累加寄存器中的 a 与从主存6号单元取出的数 b 一起送到ALU中相加，结果 a+b 保留在累加寄存器中。

2. 取指令：将累加寄存器中的内容 a+b 与从主存7号单元取出的数 c 一起送到ALU中相减，结果 a+b−c 保留在累加寄存器中。

3. 存指令：将累加寄存器的内容 a+b−c 存至主存8号单元。

4. 停机指令：计算机停止工作。

1.4.2 计算机的主要性能指标

为了全面衡量一台计算机的性能，以下介绍计算机的主要性能指标。

1. 机器字长

机器字长是指参与运算的数的位数，由运算器和寄存器的位数决定，通常等于内部寄存器的大小。字长标志着计算精度，字长越长，计算精度越高。

在计算机中，信息以字节（Byte，用大写字母B表示）为单位进行处理，一个字节等于8位二进制位（bit，用小写字母b表示）。通常所说的字（Word）是指数据字，不同计算机的数据字长度可能不同。对于系列机来说，数据字的长度应该是相同的。例如，Intel 80x86系列中，一个数据字等于16位；IBM 303X系列中，一个数据字等于32位。

需要注意的是，字（数据字）的字长与位（bit）的概念有区别。字长是一个度量单位，用来度量各种数据的宽度，表示数据运算的精度，反映了计算机处理信息的能力。它们的单位可以相同，也可以不同。

2. 数据通路宽度

数据通路宽度是指数据总线一次能够并行传送信息的位数。它直接影响信息的传送速度，进而影响计算机的有效处理速度。这里所说的数据通路宽度通常指的是外部数据总线的宽度，它与CPU内部的数据总线宽度（内部寄存器的大小）可能不同。

• 内部和外部数据总线宽度相等：例如Intel 8086、80286、80486等。

• 外部数据总线宽度小于内部：例如8088、80386SX等。

• 外部数据总线宽度大于内部：例如Pentium等。所有Pentium处理器都有64位外部数据总线和32位内部寄存器。这种结构看似复杂，因为Pentium有两条32位流水线，相当于两个合在一起的32位芯片，64位数据总线可以更高效地满足两个寄存器的需求。

3. 主存容量

一个主存储器所能存储的全部信息量称为主存容量。通常以字节数表示存储容量，这样的计算机称为字节编址的计算机。也有一些计算机是以字为单位编址的，它们用字数乘以字长来表示存储容量。在表示容量大小时，经常用到K、M、G、T、P等字符，它们与通常意义上的K、M、G、T、P有些差异，如表1-1所示。

表 1-1 K、M、G、T、P 的定义

单位	通常意义	实际表示
K(Kilo)	103	210=1024
M(Mega)	106	220=1,048,576
G(Giga)	109	230=1,073,741,824
T(Tera)	1012	240=1,099,511,627,776
P(Peta)	1015	250=1,125,899,906,842,624

1024个字节称为1KB，1024KB称为1MB，1024MB称为1GB，依此类推。计算机的主存容量越大，能够存放的信息就越多，处理信息的能力就越强。

4. 运算速度

计算机的运算速度与许多因素有关，如机器的主频、执行指令的操作以及主存本身的速度等。

（1）吞吐量和响应时间

吞吐量是指系统在单位时间内处理请求的数量，响应时间是指系统对请求作出响应的时间。响应时间包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等时间）的总和。

（2）主频和CPU时钟周期

CPU的主频又称为时钟频率，表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度。主频的倒数就是CPU时钟周期，这是CPU中最小的时间单位。每个动作至少需要一个时钟周期。

（3）CPI

CPI（Cycles per Instruction）是指每条指令执行所用的时钟周期数。在现代高性能计算机中，由于采用各种并行技术，使指令并行化，常常是一个系统时钟周期内可以处理若干条指令，所以CPI参数经常用IPC（Instructions per Cycle）表示，即每个时钟周期执行的指令数。

（4）CPU执行时间

CPU执行时间=时钟频率CPU时钟周期数​=时钟频率指令条数×CPI​

（5）MIPS和MFLOPS

MIPS（Million Instructions per Second）表示每秒执行多少百万条指令。对于一个给定的程序，MIPS定义为：

MIPS=执行时间×106指令条数​=CPI主频​

这里所说的指令一般是指加、减运算这类短指令。

MFLOPS（Million Floating-point Operations per Second）表示每秒执行多少百万次浮点运算。对于一个给定的程序，MFLOPS定义为：

MFLOPS=执行时间×106浮点操作次数​

MFLOPS适用于衡量向量机的性能。

1.5 扩展补充

1.5.1 电子模拟计算机 VS 电子数字计算机

电子模拟计算机

定义： 电子模拟计算机是一种处理连续的物理量的计算机。它通过模拟实际物理过程来进行计算。

通俗解释： 想象一下，你有一个水龙头，水的流量可以连续变化。你通过调节水龙头的开关来控制水流的大小，这个过程是连续的。电子模拟计算机的工作方式类似，它处理的数据也是连续变化的，就像水流一样。

例子：

• 温度控制：模拟计算机可以用来控制房间的温度。温度是一个连续变化的物理量，模拟计算机可以根据温度传感器的输入，连续地调节空调或加热器的功率，以保持房间温度恒定。

• 音频处理：处理声音信号时，声音的波形是连续的。模拟计算机可以用来调整声音的音量、音调等，这些操作也是连续的。

电子数字计算机

定义： 电子数字计算机是一种处理离散的数字量的计算机。它通过处理离散的数据来进行计算。

通俗解释： 想象一下，你有一个计数器，每次只能增加或减少一个单位（比如1）。你不能增加半个单位，只能是整数。电子数字计算机的工作方式类似，它处理的数据是离散的，就像计数器一样。

例子：

• 计算器：当你用计算器计算1 + 1时，结果是2。这里的1和2都是离散的数字，没有中间的连续变化。

• 电子表格：在Excel中，每个单元格的数据都是离散的。比如，你可以在单元格中输入数字、文字或公式，但每个单元格的内容是独立的，没有连续的变化。

总结

• 电子模拟计算机：处理连续的物理量，运算过程也是连续的。就像调节水龙头的水流，可以连续变化。

• 电子数字计算机：处理离散的数字量，运算过程是不连续的。就像用计数器数数，每次只能增加或减少一个单位。

1.5.2 电子管 延迟线 磁芯存储器

电子管

电子管是一种利用电子在真空或低气压环境中的运动来实现信号放大的电子器件。它主要由以下几个部分组成：

• 灯丝：用于加热阴极，使阴极能够发射电子。

• 阴极：发射电子的部件。

• 栅极：控制电子流的部件，类似于水龙头，可以控制电子流的大小。

• 阳极（屏极）：吸引电子并形成电流的部件。

工作原理：

1. 灯丝通电后发热，使阴极温度升高，阴极表面的电子变得活跃。

2. 阳极加上正电压，吸引阴极发射的电子，形成电流。

3. 栅极加上不同的电压（正电压或负电压），可以控制电子流的大小，从而实现对电流的控制。

特点：

• 电子管需要真空环境，因为电子在空气中会与空气分子碰撞，导致电流无法正常形成。

• 电子管体积较大，功耗较高，寿命较短。

延迟线存储器

延迟线存储器是一种早期的计算机存储技术，它利用声波在介质（如水银）中的传播延迟来存储数据。

工作原理：

1. 数据以声波的形式存储在延迟线中。

2. 声波从延迟线的一端传播到另一端需要一定的时间，这段时间内数据被“存储”在延迟线中。

3. 通过控制声波的发送和接收时间，可以在特定时刻获取存储在延迟线中的信息。

特点：

• 延迟线存储器的存取速度较慢，且数据无法随机访问。

• 它是一种顺序存储设备，数据必须按顺序读取。

磁芯存储器

磁芯存储器是一种利用磁性材料的磁化状态来存储数据的存储器。

工作原理：

1. 磁芯存储器由许多小的磁环（磁芯）组成，每个磁芯可以被磁化为两个不同的方向，分别代表0和1。

2. 通过在磁芯中穿过的导线施加电流，可以改变磁芯的磁化方向，从而实现数据的写入。

3. 读取数据时，通过在磁芯中施加电流，检测磁芯的磁化方向，从而确定存储的数据。

特点：

• 磁芯存储器是非易失性的，即使断电也能保留数据。

• 它是一种随机存取存储器，可以快速读取和写入数据。

1.5.3 晶体管

晶体管是一种半导体器件，它具有放大和开关功能，是现代电子设备的核心部件之一。晶体管的发明是电子技术的一次重大突破，它取代了体积大、功耗高的电子管，成为现代电子设备的基础元件。

工作原理

晶体管通常由三个区域组成：发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。以下是晶体管的基本工作原理：

1. 发射极：发射极处于N型半导体区域，通过少量注入高速电子，这些电子会跨越P-N结进入基极区域。

2. 基极：基极是一个窄带隙的P型半导体区域，主要作用是控制电子从发射极到集电极的流动。

3. 集电极：集电极处于N型半导体区域，负责收集从基极传来的电子，并输出电流。

当在基极施加一个小电压时，可以控制大量电子从发射极向集电极流动，从而实现信号的放大。此外，晶体管还可以作为开关使用，通过在基极施加适当的电压来控制电子的流动。

优越性

与电子管相比，晶体管具有以下显著优点：

1. 体积小、功耗低：晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，功耗仅为电子管的十分之一或几十分之一。

2. 响应速度快：晶体管不需要预热，一开机即可工作，而电子管设备需要预热一段时间才能正常工作。

3. 结实可靠：晶体管的寿命比电子管长100到1000倍，耐冲击、耐振动，适合用于设计小型、复杂、可靠的电路。

4. 集成度高：晶体管可以集成在微芯片上，实现高密度的集成电路，从而提高电子设备的性能和功能。

应用领域

晶体管广泛应用于各种电子设备和系统中，包括：

1. 计算机：晶体管是计算机处理器和内存的核心部件，极大地提高了计算机的运算速度和处理能力。

2. 通信设备：在无线通信和光通信中，晶体管被用于构建无线电发射器、接收器、光电转换器和光放大器。

3. 消费电子：如智能手机、平板电脑、电视等设备中，晶体管用于实现各种功能，如显示、音频处理等。

4. 传感器：晶体管可用于制造高灵敏度的传感器，如光电探测器、化学传感器和生物传感器。

5. 能源领域：晶体管在太阳能电池、电动汽车等能源设备中也有广泛应用。

性能提升

在第二代计算机（1958—1964年）中，晶体管取代了电子管，带来了显著的性能提升：

1. 运算速度：从每秒几千次提高到几万次。

2. 存储器容量：从几千存储单元提高到10万存储单元以上。

3. 应用拓展：计算机的应用范围从军事与尖端技术扩展到气象、工程设计、数据处理等领域。

晶体管的发明和应用极大地推动了计算机技术的发展，使其更加高效、可靠和广泛适用。

1.6 习题

1-1 电子数字计算机和电子模拟计算机的区别在哪里？

解析：

• 处理信息的形式：

  • 电子模拟计算机：处理的信息是连续的物理量，例如电压、电流等模拟信号。它通过模拟实际物理过程来处理数据，运算过程也是连续的。例如，模拟电路中的电阻、电容等元件可以模拟物理系统的特性，适合处理连续变化的信号。

  • 电子数字计算机：处理的信息是离散的数字量，以二进制形式表示数据。它通过数字逻辑运算来处理数据，运算过程是不连续的。例如，数字电路中的逻辑门（如与门、或门、非门）进行离散的逻辑运算，适合处理离散的数据和复杂的计算任务。

• 应用场景：

  • 电子模拟计算机：主要用于模拟连续变化的物理过程，例如模拟电路设计、控制系统分析、信号处理等。它在处理连续信号时具有较高的精度和实时性。

  • 电子数字计算机：应用范围广泛，包括科学计算、数据处理、人工智能、图形图像处理等。它在处理离散数据和复杂算法时具有较高的灵活性和通用性。

• 精度和误差：

  • 电子模拟计算机：精度受元件特性（如电阻、电容的精度）和环境因素（如温度、噪声）的影响较大，误差可能随着计算过程的复杂性而累积。

  • 电子数字计算机：精度由二进制表示的位数决定，误差可以通过算法优化和数值分析方法进行控制，具有较高的可靠性和稳定性。

• 灵活性和可编程性：

  • 电子模拟计算机：通常需要通过改变电路结构或元件参数来调整计算过程，灵活性较差。

  • 电子数字计算机：通过编写程序来实现不同的计算任务，具有较高的灵活性和可编程性。

总结： 电子模拟计算机和电子数字计算机的主要区别在于处理信息的形式（连续 vs. 离散）、应用场景、精度和误差、以及灵活性和可编程性。电子模拟计算机适合处理连续信号和模拟物理过程，而电子数字计算机则适合处理离散数据和复杂计算任务。

---

1-2 冯·诺依曼计算机的特点是什么？其中最主要的一点是什么？

解析：

冯·诺依曼计算机的主要特点如下：

1. 存储程序控制：

   • 程序和数据存储在同一存储器中：计算机将编好的程序和原始数据预先存入存储器中，然后启动计算机运行。这是存储程序控制的核心思想。

   • 程序驱动的自动执行：计算机按照存储在存储器中的程序指令逐条执行，无需人工干预。

2. 硬件组成：

   • 五大基本部件：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。这些部件协同工作，完成各种计算任务。

   • 运算器和控制器合称为中央处理器（CPU）：CPU是计算机的核心部件，负责执行指令和进行数据处理。

3. 二进制表示：

   • 指令和数据均采用二进制形式：计算机内部使用二进制代码表示指令和数据，简化了硬件设计和逻辑运算。

4. 指令驱动的工作方式：

   • 逐条取指令和执行：控制器从存储器中逐条取出指令，分析指令并控制其他部件完成相应的操作。

其中最主要的一点： 存储程序控制是冯·诺依曼计算机最核心的特点。这一概念使得计算机能够自动、高效地执行复杂的计算任务，而无需人工干预。存储程序控制不仅简化了计算机的设计，还为现代计算机的发展奠定了基础。

总结： 冯·诺依曼计算机的主要特点是存储程序控制、硬件组成、二进制表示和指令驱动的工作方式。其中，存储程序控制是其最核心的特点，使得计算机能够自动执行程序，极大地提高了计算效率和灵活性。

---

1-3 计算机的硬件是由哪些部件组成的？它们各有哪些功能？

解析：

计算机的硬件主要由以下五个基本部件组成：

1. 运算器（ALU）：

   • 功能：对信息进行处理和运算，主要进行算术运算（如加、减、乘、除）和逻辑运算（如与、或、非、异或）。运算器中包含若干通用寄存器或累加寄存器，用于暂存操作数和存放运算结果，其存取速度远高于存储器。

   • 作用：是计算机进行数据处理的核心部件，负责完成各种计算任务。

2. 控制器（Control Unit）：

   • 功能：作为计算机的指挥中心，按照预先确定的操作步骤，控制计算机各部件有条不紊地自动工作。控制器从存储器中逐条取出指令进行分析，根据指令安排操作码，并向各部件发出相应的操作信号，控制它们执行指令规定的任务。

   • 作用：协调和控制计算机各部件的工作，确保计算机按照程序指令正确运行。

3. 存储器（Memory）：

   • 功能：用于存放程序和数据，是计算机实现“存储程序控制”的基础。存储器分为多级，常见的二级存储系统包括主存储器（直接访问，速度快，容量小，存放当前执行的程序和数据）和辅助存储器（设置在主机外部，容量大，速度慢，存放备用程序）。为了匹配CPU的速度，主存和CPU之间还增设了Cache（高速缓存），其存取速度比主存更快，容量更小，用于存放最急需处理的程序和数据。

   • 作用：存储程序和数据，为计算机的运行提供数据支持。

4. 输入设备（Input Devices）：

   • 功能：将人们编写的程序和原始数据输入计算机，并转换成计算机内部能够接受的信息格式。常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等。

   • 作用：将外部信息输入到计算机中，以便进行处理。

5. 输出设备（Output Devices）：

   • 功能：将计算机的处理结果以数字、字符（汉字）、图形、图像、声音等形式输出。常见的输出设备包括显示器、打印机、扬声器等。

   • 作用：将计算机的处理结果呈现给用户，便于用户查看和使用。

总结： 计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。运算器负责数据处理，控制器协调各部件工作，存储器存储程序和数据，输入设备将外部信息输入计算机，输出设备将处理结果呈现给用户。这些部件协同工作，完成各种计算任务。

---

1-4 什么叫总线？简述单总线结构的特点。

解析：

总线（Bus）： 总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，能够分时地发送和接收各部件的信息。总线结构可以大大减少信息传送线的数目，提高计算机扩充主存及外部设备的灵活性。

单总线结构的特点：

1. 系统总线：各大部件都连接在同一组总线上，这组总线称为系统总线。

2. 直接信息交换：CPU与主存、CPU与外设之间可以直接进行信息交换，主存与外设、外设与外设之间也可以直接进行信息交换，无需CPU干预。

3. 提高CPU效率：单总线结构提高了CPU的工作效率，因为CPU可以直接与主存和外设进行通信，减少了中间环节。

4. 灵活的外设连接：外设连接灵活，易于扩充，便于添加新的设备。

5. 分时工作：由于所有部件都挂在同一组总线上，总线只能分时工作，同一时刻只允许一对设备（或部件）之间传送信息。这可能会导致总线竞争和通信瓶颈，特别是在多设备同时请求总线时。

总结： 总线是一组公共信息传送线路，用于连接计算机的各个部件。单总线结构的特点包括系统总线的概念、直接信息交换、提高CPU效率、灵活的外设连接和分时工作。这种结构虽然简单高效，但在多设备通信时可能会出现总线竞争和通信瓶颈。

---

1-5 简述计算机的层次结构，说明各层次的主要特点。

解析：

现代计算机系统可以按功能划分为多级层次结构，每一级都有其特定的机器语言和功能。以下是计算机的层次结构及其各层次的主要特点：

1. 第零级：硬联逻辑级：

   • 主要特点：这是计算机的内核，由门、触发器等逻辑电路组成。这一级主要涉及硬件的物理实现，是计算机的最基本组成部分。

2. 第一级：微程序级：

   • 主要特点：这一级的机器语言是微指令集，用微指令编写的微程序通常直接由硬件执行。微程序级主要用于实现低级的硬件操作，提供基本