计算机组成原理1
计算机组成原理 [袁春风]chap1
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计算机的结构
南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
计算机的存储格式
南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
计算机操作部分流程图
南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
冯诺依曼结构的主要思想
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南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
非冯诺依曼计算机的发展
! 非冯诺依曼结构的计算机
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南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
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公司的机
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同在年出现 与
相比 价格更低 更小巧 因而被称为小型机
! "#"$创造了小型机的概念 并使之成为数 十亿美元的工业 使#%成为了最大的小型 机制造商 主要特点 首次采用总线结构 &'!总线包含了个独立的信号通道 用 以传送控制 地址和数据信号 这种结构具有 高度的灵活性 允许将模块插入总线以形成各 种配置
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计算机的五个发展阶段
计算机时代划分
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问题 计算机的 基本功能是什么 问题 这些基本功 能如何实现
南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
系列计算机
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IBM公司于1964年研制成功 引入了兼容机
兼容机的特征
计算机组成原理第一章思考题
计算机组成原理第⼀章思考题1、什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个重要？ 计算机系统：由“硬件”和“软件”两⼤部分组成。
（原书就只写了这个，完全没再解释，总觉得应该会有更详细全⾯的概念，可惜百度了很久也没找到满意的） 计算机硬件：即计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元件、各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外设等等。
计算机软件：由⼈们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成。
通常可以分为两⼤类：系统软件和应⽤软件。
系统软件⼜称为系统程序，主要⽤来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确保⾼效运⾏。
应⽤软件⼜称应⽤程序，他是⽤户根据任务需要所编制的各种程序。
很显然缺⼀不可。
2、如何理解计算机系统的层次结构？3、说明⾼级语⾔、汇编语⾔和机器语⾔的差别及其联系。
机器语⾔：⽤户必须⽤⼆进制代码0/1编写程序。
难度很⼤，但可以直接在机器上执⾏。
汇编语⾔：符号式的程序设计语⾔。
⽤符号ADD、SUB、MUL、DIV等分别表⽰加减乘除等操作，并⽤符号表⽰指令或数据所在存储空间的地址，使程序员摆脱了⼆进制代码程序。
但是必须先将汇编语⾔程序翻译成机器语⾔程序后，才能被机器接受和运⾏。
这个翻译过程是由机器系统软件中的汇编程序来完成的。
由于汇编语⾔摆脱不了实际机器的指令系统，因此，汇编语⾔没有通⽤性，每台机器必须有⼀种与之相对应的汇编语⾔。
⾼级语⾔：这类⾼级语⾔对问题的描述⼗分接近⼈们的习惯，并且还具有较强的通⽤性。
程序员完全可以不必了解实际机器M1的机型、内部的具体组成及⾃⾝的指令系统，只要掌握这类⾼级语⾔本⾝所赋予的语法和语义，便可直接⽤这种语⾔编程，很⽅便。
当然在进⼊M1机器运⾏前，必须先将⾼级语⾔翻译成汇编语⾔（或其他中间语⾔程序），然后再将其翻译成机器语⾔程序。
通常，我们把⾼级语⾔程序翻译成机器语⾔程序的软件叫做翻译程序。
翻译程序有两种：⼀种叫编译程序，另⼀种叫解释程序。
计算机组成原理第1章PPT课件
3.数据传输率与数据通路宽度 （1）数据通路宽度: 数据总线一次能并行 传输的数据位数。 （2）数据传输率（带宽）：数据总线每秒 传输的数据量。
总线位数×总线时钟频率
总线带宽 =
8
（B/S）
主存带宽 =？
4.存储容量
1）主存容量
K、M、G、T
1024
指存储单元个数 × 位数。
决定地址位数
存储体
控制线路
数据寄存器 读/写线路
译码器
…………
地址寄存器
…………
存储体: 存放信息的实体。 寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。 读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂 存读/写数据。 控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作。 3）讨论 存储单元读/写原理、存储器逻辑设计
（3） 输入/输出设备 1）功能：转换信息。
换、逻辑控制等功能。
2.典型的硬件系统结构 （1）以总线为基础的系统结构 特点：结构简单、控制方便、扩展容易。
总线
部件 部件 部件
单总线结构 系统总线
CPU
M
接口
I/O
接口 I/O
（2）采用通道或IOP的系统结构 带通道的系统（图1-6）
主机
通道
I/O控制器
I/O
• 规模较小的系统可将通道部件设置在 CPU内部。
1.3.2 计算机的主要性能指标
1.基本字长 指操作数的基本位数。 和运算器、寄存器、总线有关，它影响
计算精度、指令功能。 8 — 16 — 32 — 64位
2. 运算速度 （1）定点/浮点四则运算时间
（2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（Hz）
5M 100M 1G 2.0G 3.2G （4）典型程序执行时间 （5）每条指令平均执行周期.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序
计算机组成原理1-4章带答案
第一章一、选择题1．冯·诺依曼机工作的基本方式的特点是______。
A 多指令流单数据流B 按地址访问并顺序执行指令C 堆栈操作D 存贮器按内容选择地址2．完整的计算机应包括______。
A 运算器、存储器、控制器；B 外部设备和主机；C 主机和实用程序；D 配套的硬件设备和软件系统；3.计算机硬件能直接执行的只有______。
A.符号语言 B 机器语言 C 汇编语言 D 机器语言和汇编语言二、简答题1. 冯·诺依曼计算机的特点是什么？（p8）1、计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。
2、指令和数据以同等地位存放于存储器内，并按地址寻访。
3、指令和数据均用二进制表示。
4、指令有操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
5、指令在存储器内按顺序存放。
通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
6、机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。
三、名词解释CPU、机器字长、存储容量、MIPS、FLOPSCPU（Central Processing Unit 中央处理器）：中央处理器（机），是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成。
存储容量=存储单元个数*存储字长MIPS：Million Instruction Per Second，每秒执行百万条指令数，为计算机运算速度指标的一种计量单位FLOPS：Floating Point Operation Per Second，每秒浮点运算次数，计算机运算速度计量单位之一。
第三章一、选择题1．系统总线中控制线的功能是______。
A 提供主存、I / O接口设备的控制信号和响应信号B 提供数据信息C 提供时序信号D 提供主存、I / O接口设备的响应信号2.系统总线地址线的功能是______。
A 选择主存单元地址；B 选择进行信息传输的设备；C 选择外存地址；D 指定主存和I / O设备接口电路的地址；3.同步传输之所以比异步传输具有较高的传输频率是因为同步传输______。
计算机组成原理第一章
被减数 减法 差
乘数
乘法 乘积高位 乘积低位
被除数
除法 余数
商
X
加数
减数
被乘数 除数
第23页，共63页。
① 加法操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
加
初态 ACC [M]
[ACC]+[X]
M
被加数 X ACC
第24页，共63页。
② 减法操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
减
初态 ACC [M]
[ACC]-[X]
M
被减数 X ACC
第25页，共63页。
③ 乘法操作过程
AC0 C MQ
AALUU
X
运算器
指令
乘
M
初态 ACC [M]
[ACC]
0
[X]×[MQ]
第26页，共63页。
被乘数 MQ X
ACC
ACC∥MQ
④ 除法操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
除
M
初态 ACC
被除数
[M] X
同组成和实现的一系列（Family）不同档次、不同
型号的机器
兼容机
系列机和兼容机需要保证向后兼容
不同厂家生产的具有相同计算机结构（不同的组成 和实现）的计算机
第39页，共63页。
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.机器字长 CPU 一次能处理数据的位数
与 CPU 中的 寄存器位数 有关
2.运算速度
第43页，共63页。
用脑电波控制的电脑：附着在人头皮的传感器把 脑电波传给电脑，也可用无线电传递，在数千米 之外就能轻而易举的控制电脑。
计算机组成原理课后习题及答案(完整版)
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7
• 3. 什么是摩尔定律？该定律是否永远生效 ？为什么？
• 答：P23，否，P36
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8
系统总线
第三章
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9
1. 什么是总线？总线传输有何特点？ 为了减轻总线的负载，总线上的部件都应 具备什么特点？
解：总线是多个部件共享的传输部件； 总线传输的特点是：某一时刻只能有 一路信息在总线上传输，即分时使用； 为了减轻总线负载，总线上的部件应 通过三态驱动缓冲电路与总线连通。
解： 总线标准——可理解为系统与模块、 模块与模块之间的互连的标准界面。 总线标准的设置主要解决不同厂家各 类模块化产品的兼容问题； 目前流行的总线标准有：ISA、EISA、 PCI等； 即插即用——指任何扩展卡插入系统 便可工作。EISA、PCI等具有此功能。
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11. 画一个具有双向传输功能的总线逻
12
总线的主设备（主模块）——指一次总
线传输期间，拥有总线控制权的设备（模块）； 总线的从设备（从模块）——指一次总
线传输期间，配合主设备完成传输的设备（模 块），它只能被动接受主设备发来的命令；
总线的传输周期——总线完成一次完整 而可靠的传输所需时间；
总线的通信控制——指总线传送过程中 双方的时间配合方式。
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4. 为什么要设置总线判优控制？常见的集 中式总线控制有几种？各有何特点？哪种方式响 应时间最快？哪种方式对电路故障最敏感？
解：总线判优控制解决多个部件同时申请总 线时的使用权分配问题；
常见的集中式总线控制有三种： 链式查询、计数器查询、独立请求；
特点：链式查询方式连线简单，易于扩充，
计算机组成原理1
一、填空题1 字符信息是符号数据，属于处理（非数值 ）领域的问题，国际上采用的字符系统是七单位的（ASCLL ）码。
2 按IEEE754标准，一个32位浮点数由符号位S（1位）、阶码E（8位）、尾数M（23位）三个域组成。
其中阶码E的值等于指数的真值（ e ）加上一个固定的偏移值（ 127 ）。
3 双端口存储器和多模块交叉存储器属于并行存储器结构，其中前者采用（ 空间 ）并行技术，后者采用（时间 ）并行技术。
4 虚拟存储器分为页式、（段 ）式、（ 段页 ）式三种。
5 安腾指令格式采用5个字段：除了操作码（OP）字段和推断字段外，还有3个7位的（ 地址码 ）字段，它们用于指定（ 寄存器 ）2个源操作数和1个目标操作数的地址。
6 CPU从内存取出一条指令并执行该指令的时间称为（指令周期 ），它常用若干个（ CPU周期 ）来表示。
7 安腾CPU中的主要寄存器除了128个通用寄存器、128个浮点寄存器、128个应用寄存器、1个指令指针寄存器（即程序计数器）外，还有64个（推断寄存器 ）和8个（ 分支寄存器）。
8 衡量总线性能的重要指标是（总线带宽 ），它定义为总线本身所能达到的最高传输速率，单位是（MB/s ）。
9 DMA控制器按其结构，分为（选择型 ）DMA控制器和（ 多路型 ）DMA控制器。
前者适用于高速设备，后者适用于慢速设备。
10 64位处理机的两种典型体系结构是（英特尔64体系结构）和（安腾体系结构 ）。
前者保持了与IA-32的完全兼容，后者则是一种全新的体系结构。
1 在计算机术语中，将ALU控制器和（ 内 ）存储器合在一起称为（主机 ）。
2 数的真值变成机器码可采用原码表示法，反码表示法，（ 补码 ）表示法，（ 移码 ）表示法。
3 广泛使用的（ SRAM ）和（ DRAM ）都是半导体随机读写存储器。
前者的速度比后者快，但集成度不如后者高。
4 反映主存速度指标的三个术语是存取时间、（存储器带宽 ）和（ 存储周期 ）。
计算机组成原理第一章总结
第一章计算机系统概述1.电子（电子线路）数字（电子线路是数学式）通用（计算机本身功能多样）计算机系统。
2.计算机系统由计算机硬件（构成计算机的所有实体部件的组合）和计算机软件（一系列按照待定顺序组织的计算机数据和指令的集合）组成。
3.硬件指由中央处理器，存储器以及外围设备等组成的实际装置，硬件的作用是完成每条指令规定的功能。
指令是计算机运行的最小的功能单位，指令是指示计算机硬件执行某种运算，处理功能的命令。
4.软件是为了使用计算机而编写的各种系统的和用户的程序，程序由一个序列的计算机指令组成。
指令是用于设计的一种计算机语言。
5.计算机系统的层次结构：数字逻辑层，微体系结构层（这两层是硬件部分），指令系统层（处在硬件和软件系统），操作系统层，汇编语言层，高级语言层（这三层是软件部分）。
6.运算器（ALU，算术逻辑单元）（1）算术运算和逻辑运算（2）在计算机中参与运算的数是二进制的（3）运算器的长度一般是8，16，32或64位。
7.存储器（1）存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器，组成一个存储单元。
（2）存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号称为地址。
（3）内存储器（ROM,RAM）8.信息单位（1）位（bit，简写b）数字计算机信息单位；包含1位二进制（0或1）（2）字节（Byte,简写B）由8位二进制信息组成（3）字（Word）计算机一次所能处理的二进制位数，至少一个字节，通常把组成一个字的二进制位数称为字长9.存储器的分类（1）按照在计算机中的作用（主存储器，寄存器，闪速存储器，高速缓冲存储器，辅助存储器等）10.主存储器（主存）通常采用半导体存储器（1）随机存取存储器（RAM）CPU可读写，断电时内容被消除（2）只读存储器（ROM）CPU只能读写，断电后可保留其数据，存储在ROM中的软件常被称为固件。
11.寄存器（CPU内部的一组特殊存储单元）（1）读写速度比主存快的多，通常被用于使用最为频繁的数据项，以避免多次访问主存，减少主存访问可大大加快计算机速度。
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、器件的设计、装配技术等属于计算机实现。
计算机组成原理 31
例:① 主存容量与编址方式(按位、按字节、
按字访问等)的确定属于计算机系统结构。
②为达到所定性能价格比，主存速度应多快 ，在逻辑结构上需采用什么措施(如多体交叉 存储等)属于计算机组成。 ③主存系统的物理实现，如存储器器件的选 定、逻辑电路的设计、微组装技术的选定属于 计算机实现。
计算机组成原理
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计算机硬件系统的一种构成形式 存储器 系 统 总 线
运算器 控制器
适配器
输入设备 输出设备
17
计算机组成原理
计算机硬件系统的一种构成形式
4 PC+4 I 25-21 I 20-16 PC 指令 存储器 IR I15-11 I31-28 I 25-0 x4 Target
控制器
x4
计算机组成原理 7
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
8
计算机系统的基本构成
计算机系统
计算机硬件
计算机软件
主机
外设
主存 I/O接口
CPU 系统总线
辅存
I/O设备
运算器
控制器
内部寄存器组
计算机组成原理
9
计算机系统的基本构成
计算机系统
课程简介
课程性质与地位： 专业基础必修课程,承上启下 课程目的与任务：
建立计算机硬件系统的完整概念，以单 机系统为研究对象，阐述计算机系统的硬 件组成以及各部件的工作原理
计算机组成原理
4
课程主要内容
1、计算机系统概论 2、逻辑电路设计基础 3、信息编码和数据表示 4、计算机算法和算法逻辑实现 5、存储器 6、计算机指令构成和寻址方式 7、处理机设计 8、流水线处理机 9、存储系统 10、输入输出设备 11、输入输出系统
32
计算机组成原理
例:①确定是否有乘法指令属于计算机系统
结构。
②乘法指令是用专门的乘法器实现，还是经 加法器用重复的相加和右移操作来实现，属于计 算机组成。 ③乘法器、加法器的物理实现，如器件的选定 (器件集成度、类型、数量、价格)及所用微组 装技术等，属于计算机实现。
计算机组成原理 33
计算机系统结构、计算机组成和计算机实 现是三个不同的概念，但随着技术、器件和应 用的发展，三者之间的界限越来越模糊。
编译
操作系统
指 令 系 统
逻辑 设计
计算机组成原理
组 实
成 现
器件，封 装、机箱、 电源、冷 却设计
30
系统结构、组成、实现三者之间的区别
例 ① 机器指令集的确定属于计算机系统结 构。
② 指令的实现，如取指令、取操作数、运
算、送结果等具体操作及其排序方式属 于计 算机组成。
③ 实现指令集中所有指令功能的具体电路
第2级 第1级 第0级
机器指令时序
硬操作时序
物理计算机 （硬件）
从语言功能层次划分
计算机组成原理 21
计算机系统的层次结构
第0级由硬件实现。 第1级由微程序实现。 第2级是传统指令系统（机器语言）机器。 第3级是操作系统机器。操作系统是运行在第２级上的解释程序 第4级是汇编语言机器。 第5级是高级语言机器。 第6级是应用语言机器。
•面向计算机本身的软件--OS，故障处理程序等
•面向计算机维护人员的软件--调试、纠错、测试程序等 •面向用户的软件--汇编、编译和解释程序、DBMS等
（2）应用软件：为解决某个应用领域的具体任 务而编制的程序
计算机组成原理
12
计算机硬件系统的基本构成
控制器 内部 外设
CPU
系统 主存
总线
运算器
总线
软件系统
应用软件
计算机组成原理 35
小结
计算机组织(organization)是指计算机 的各个操作部件工作原理以及它们之间的相 互联系，这些操作部件用来具体实现计算机 结构的属性，如计算机内部的控制信号，存 储技术，与外部设备的接口等。
计算机组成原理
36
Jump Aluop PCSource MemRead MemWrite MemtoReg
Rx A Dx Ry 寄存器堆 Rz B Dy Dz RegWrite
ALU
Add 数据 Do 存储器 Di
PCWrite
IRWrite
I15-0
RegDst
符号扩展
ALUSource
专用通路结构例子
计算机组成原理 18
同一程序可以在不同复杂度级别进行表示
计算机组成原理 23
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
24
计算机系统结构、组成及其实现
计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和 对软硬件界面的确定
软件
指令系统体系结构（ISA）
计算机组成原理
——运算速度、存储容量、I/O带宽
计算机组成原理 27
结构、组成和实现
计算机系统的组成是指计算机系统结构的逻
辑实现，主要包括：
确定数据通路的宽度 确定各种操作对功能部件的共享程度 确定专用的功能部件 确定功能部件的并行度 设计缓冲和排队策略 设计控制机构 确定采用何种可靠性技术
参考教材：
郑纬民 《计算机组成和设计-硬件/软件接口（第二版）》。清华大学 出版社 王爱英.《计算机组成与结构》.清华大学出版社.１９８９ 江义鹏.《计算机组成原理》.人民邮电出版社.１９８８ 俸远祯.《计算机组成原理》.电子工业出版社 李亚民.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社.2000年 袁开榜.《计算机组成原理》高等教育出版社 白中英、韩兆轩编.《计算机组成原理》.科学出版社 唐朔飞.《电子数字计算机原理》.哈尔滨工业大学出版社参考书： 邹海明.《计算机组织与结构》.电子工业出版社.１９９３年.版
计算机组成原理
第一讲
计算机系统概述
2013年9月9日
计算机组成原理 1
本讲主要内容
课程简介 计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
2
将回答:
本课程重要吗？ 计算机硬件有哪些基本部件构成？
计算机系统如何构成？ 本课程中探讨问题的前提？
计算机组成原理 3
计算机组成原理 5
主要教学环节
课堂教学：64学时 实验教学：16学时
实验内容：
运算器实验 存储器实验 微控制器实验 基本模型机设计
考试：笔试成绩 + 实验成绩 + 平时成绩
本课程重要吗？
计算机组成原理 6
教材：
Computer organization & design (the hardware/software interface) (second edition) David A. Patterson John L. Hennessy
计算机系统如何构成？ 计算机硬件有哪些基本部件构成？
计算机组成原理
19
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
20
计算机系统的层次结构
第6级 应用语言
第5级
第4级
高级语言
汇编语言 系统原语 机器指令系统 虚拟计算机 （软件）
第3级
25
计算机系统结构= 指令系统体系结构 + 机器组成 + …
“计算机系统结构(Computer Architecture)”
计算机组成原理
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系统结构的研究范围
外特性: ——指令系统、数据表示、寻址方式、寄存器集
界面设计:
——确定硬件功能
新型系统结构设计:
——并行性、数据流、推理机、神经网
性能成本评价:
计算机组成原理 15
计算机的组成部件
计算机的5大部件中，运算器和控制器是 信息处理的中心部件，所以它们合称为“中 央处理单元”（CPU：Central Processing Unit）。存储器、运算器和控制器在信息处 理操作中起主要作用，是计算机硬件的主体 部分，通常被称为“主机”。而输入 （Input）设备和输出（Output）设备统称 为“外部设备”，简称为外设或I/O设备。
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计算机组成原理
计算机实现是指计算机组成的物理
实现，包括：
处理机、主存储器等部件的物理结构 器件的集成度和速度 专用器件的设计 器件、模块、插件、底版的划分与连接 信号传输技术 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺 及技术等
计算机组成原理 29
相互关系
外特性 设计
应用程序
计算机软件
计算机硬件
应用软件
系统软件
操作系统 语言处理程序 诊断程序 各种标准程序库 。。。
计算机组成原理
MIS ERP OFFICE OUTLOOK 。。。
10
计算机软件（Software）： 是指能使计算机工作的程序和程序运行时所需 要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明 和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。
程序+数据+文档
计算机硬件（Hardware）： 是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这 些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。 计算机硬件指可触摸得到的物理设备实体
计算机组成原理 11
计算机软件（Software）： （1）系统软件：为用户便于使用和管理计算机 而编制的程序，由系统设计者和厂家提供。
寄存 器组
计算机组成