第一章 计算机系统概论
计算机系统概论
什么是计算机实现（Computer Implementation）?
指计算机功能的物理实现。包括片子、模块、插件、底板的 划分与连结等。
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第一节 计算机系统简介
计算机系统=硬件系统+软件系统
14 置、使用高速总线
摩尔定律
“每年将缩小硅片中形成晶体管电路的 细线尺寸的10%，芯片制造商能够每3年 发布新一代的芯片，其晶体管数为上一 代的4倍。”
“每18个月集成度将翻一翻，速度将提 高一倍，而价格将降低一半” 。
事实：
格登·摩尔照片
❖ 内存芯片DRAM的容量每3年提高4倍。
❖ 微处理器，通过增加新的电路，减小电路之间的距离来提 高速度，使得从Intel公司自1979年推出它的X86系列以来， 性能每3年提高4~5倍。
程序执行时间
一般用执行时间对计算机性能进行综合评测。
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第三节 计算机硬件的主要技术指标
时钟频率 ➢ 其他指标不变的情况下，主频越快，机器速度越快。
加法指令执行速度 ➢ 用加法指令速度衡量，单位为MIPS (每秒百万条指令)等。
等效指令速度（Gibson混合法） ➢ 设某类指令i在程序中所占比例为wi，执行时间为ti，则等 效执行时间为：T= w1x t1+w2 x t2 +…+wn x tn
其他 ➢ CPI：执行一条指令所需时钟周期（主频倒数）数。 ➢ FLOPS：每秒浮点运算次数。有MFLOPS、TFLOPS、 PFLOPS等。
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第三节 计算机硬件的主要技术指标
性能设计应从以下几方面考虑 1. 微处理器速度 （1）元器件本身的速度不断提高，容量不断增加 （ 遵循摩尔定律 ） （2）快速提供指令流（指令预取、流水线、超标量等） 2. 性能平衡 （1）处理器和主存之间 引入Cache、采用多模块存储器结构、 增加处理器和主存 间的带宽、使用高速总线 （2）处理器和I/O之间 在处理器和I/O之间引入缓冲和暂存机制、 使用多处理器配
第1章 计算机系统概论
2
1.1
用来管理整个计算机系统， 系统软件 监视服务，使系统资源得到 (系统程序) 合理调度，高效运行。
语言处理程序（编译程序）
软 件
操作系统 数据库管理系统
服务性程序（诊断、调试、连接）
网络软件
应用软件 按任务需要编制成的各种程序 3 (应用程序)
二、计算机系统的层次结构 1. 计算机的解题过程
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例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑电 路完全相同。 (3) B机的平均指令执行速度为多少? 解答： (3) A机平均每条指令的时钟周期数=2.5μs/0.125μs=20。 因微机A和B片内逻辑电路完全相同，所以B机平均每 条指令的时钟周期数也为20。 由于B机的CPU主频为12MHz．所以B机的CPU时钟 周期=1/12MHz= 1/12μs。 B机的平均指令周期=20×(1/12）=5/3μs。 B机的平均指令执行速度=1/(5/3)μs=0.6MIPS。 另解：B机的平均指令执行速度=A机的平均指令执行 速度0.4MIPS×(12/8）=0.6MIPS。
计算机 组成
如何实现计算机体系结构所体现的属性
（具体指令的实现）（对程序员透明—不知道）
如何实现乘法指令
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1.2 计算机的基本组成
电子计算机是一种自动计算工具，而算盘是手动计 算工具。 计算机有存储程序的功能，即能把由操作步骤编制 成的程序(program)记住，然后按程序的要求，逐 一完成程序规定的操作任务——程序存储控制原理
1.1
高级语 言程序 (源程序)
翻译
目标 程序
运行
结果
计算机
4
2、计算机系统的层次结构
高级语言
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
第1章计算机系统概论
ENIAC
ENIAC
ENIAC
ENIAC的特点： ENIAC的特点：十进制表示 的特点 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 为了改进程序的输入方式： 二进制表达方 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制表达方 式和存储程序控制计算机构想。 存储程序控制计算机构想 式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一 个计算机模型EDVAC 个计算机模型EDVAC
•它采用了间接寻址技术。在这种技术中，间接寻址指令所 它采用了间接寻址技术。在这种技术中， 它采用了间接寻址技术 形成的地址，不是存放操作数的地址， 形成的地址，不是存放操作数的地址，而是用来形成操作 数地址的地址。这种寻址技术在分类、 数地址的地址。这种寻址技术在分类、排序中是非常有用 的； •采用了专用的程序控制指令，这种指令对应于不同程序 采用了专用的程序控制指令， 采用了专用的程序控制指令 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对， LINK/TRA指令对 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对，即后来人们常 称的调用子程序/子程序返回指令对， 称的调用子程序/子程序返回指令对，对调用子过程等是 十分有效的； 十分有效的； •I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制 I/O 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU I/O设备间的字 CPU和 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU和I/O设备间的字 长能够匹配； 长能够匹配； •采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术 I/O处理机请求访问主存储器时 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期， CPU的主存访问请求延迟一个存储周期 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期，但是并不 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期； CPU的操作 CPU操作推迟一个存储周期 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期；
计算机系统概论讲义
适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进 行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作
总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行 数据传送的公共通路。
总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、 适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也是人们常说的 计算机硬件。
➢ 指令和数据存储
控制器的基本组成
完成 取指令 PC
CU
一条 分析指令 IR 指令 执行指令 CU
取指 访存 执行 访存
IR PC
PC 存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（PC）+ 1 PC
IR 存放当前欲执行的指令
1.3计算机的硬件
六、控制器的基本任务
控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条 取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周 期
控制器
1 MAR MDR 4
主存储器 8
1.4计算机的软件
一、软件的组成与分类 计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机 系统中不可少的无形部件。主要有两大类：
系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高 计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。 它包括以下四类：
①各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 ②语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等 ③操作系统 ④数据库管理系统
运算电路单元
寄存器B
累加器A
运算器的基本组成及操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
ACC
MQ
加法 被加数 和
减法 乘法
被减数 差
乘积高位
乘数 乘积低位
第1章 计算机系统概论
第1章计算机系统概论第1章计算机系统概论第一章计算机系统概论计算机系统是由硬件和软件两大部分组成的，其功能是完成数据的输入、传送、存储、处理和输出。
本章介绍计算机系统的基本组成、层次结构和体系结构，认识计算机体系结构、组成和实现三者之间的关系。
1.1计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成可以分为硬件和软件两部分。
硬件是其物质基础，是软件的载体；软件则是计算机系统的灵魂。
没有硬件，软件就不能运行；没有软件，硬件就发挥不了作用，从而失去存在的价值。
因此二者紧密相关，缺一不可。
1.1.1硬件组成一般来说，计算机的硬件组成可以用图1-1来表示。
对微型机来说，运算器和控制器集成在一块芯片上，称为中央处理部件(cpu)。
cpu和内存储器统称为主机。
输入设备和输出设备统称为外围设备。
所谓输入与输出，是相对于主机系统而言的。
磁盘系统既是输入设备，也是输出设备。
当保存一个文档时，磁盘就是一个输出设备；当打开一个文档时，磁盘就作为输入设备使用。
主机和外围设备组成了计算机的硬件系统。
各部件之间使用三条总线连接，各部件之间就通过这三条总线实现信息传送。
注意，所有外围设备都是通过接口线路和总线连接的。
通常，cpu只与接口打交道(传递信息)，而不与外围设备直接打交道。
数据总线(dbus)是双向总线，在不同时刻可以在不同方向上传递数据，但同一时刻只能在一个方向传递数据。
地址总线(abus)用来选择发送数据或接收数据的地址。
地址总线上的信息通常是由cpu提供的。
当cpu将总线控制权转交给dma控制器时，地址总线上的信息便由dma控制器提供，这时cpu对外表现为高阻态。
dma控制器通常用于控制主机(内存)和高速外围设备(如磁盘)之间的数据传送。
控制总线(cbus)中的大部分信息由cpu提供，也有一些由内存或外围设备提供，但它不是双向总线；在大多数情况下，任何一条控制总线上的信息总是向着一个方向传递。
计算机的主要功能是处理数据。
第一章计算机系统概论
以上两个程序功能完全一样，算法完全一样，因此，时间和空
间复杂度完全一样，执行时间一样吗？
21 times slower (Pentium 4) Why？
理解该问题需要知道： 数组的存放方式 Cache机制 访问局部性
……
用“系统思维”分析问题
使用老版本gcc –O2编译时，程序一输出0，程序二输出却是1 Why？
理解该问题需要知道： IEEE 754 的表示 X87 FPU的体系结构 IA-32和x86-64中过程 调用的参数传递 计算机内部的运算电路 ……
在IA-32上运行时，打印结果为a=0 在x86-64上运行时，打印出来的a是一个不确定值 为什么？
用“系统思维”分析问题
double fun(int i) {
数据的表示 数据的运算 各类语句的转换与表示(指令) 各类复杂数据类型的转换表示 过程（函数）调用的转换表示
/*---main.c---*/
int main() {
int a[1]={100}; int sum; sum=sum(a,0); printf(“%d”,sum); }
链接（linker）和加载 程序执行（存储器访问） 异常和中断处理 输入输出(I/O)
主要内容
• 课程由来 • 课程内容概要 • 冯.诺依曼结构计算机特点 • 程序的开发和执行过程 • 计算机系统层次结构 • 计算机性能评价
什么是计算机系统？
程序执行结果 不仅取决于
算法、程序编写 而且取决于
语言处理系统 操作系统 ISA 微体系结构
不同计算机课程 处于不同层次
必须将各层次关 联起来解决问题
当count=230+1时， 程序会发生什么情况？
int *myarray = (int *) malloc(count*sizeof(int));
第1章 计算机系统概论第二版课后习题详细讲解
第1章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
2. 如何理解计算机的层次结构？答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。
（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。
（2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。
（3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。
通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。
各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。
3. 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。
答：机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。
高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。
4. 如何理解计算机组成和计算机体系结构？答：计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，如指令系统、数据类型、寻址技术组成及I/O 机理等。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的结构和功能，及相互连接方法等。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，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；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
第一章 计算机系统概论
1．2．1 计算机硬件 ． ．
1．运算器 ． 用于信息加工的部件，又称执行部件。它对数据信息进行算术运算 和逻辑运算。它由算术逻辑部件 ALU 和一系列寄存器组成。 算术运算指加、减、乘、除和其他复合运算，逻辑运算指与、或、 非、异或、比较、移位。 运算器包含多个寄存器，称为通用寄存器组，使用它们可减少访问 存储器的次数，提高运算速度。寄存器用于存放运行指令和运算操作 数，累加器除了存放运算操作数外，还存放中间结果和最终结果。 计算机采用二进制计数。二进制 二进制的运算规律非常简单，易于用物 二进制 易于用物 理的方式实现。 理的方式实现 二进制数的位数越多，计算精度就越高，但是位数越多，所需的电 子器件也越多。计算机运算器的运算宽度（ 机器字长 ） 通常为 8×2n 计算机运算器的运算宽度（机器字长） 计算机运算器的运算宽度 × （n 为自然数，目前最大为 3），即 8 位、16 位、32 位或 64 位。 即
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1．2．1 计算机硬件 ． ．
指令和数据均以二进制信息形式存放在内存，按读取时间和存放 空间区分。取指周期中从内存中读出的信息流是指令流，它流向控制 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流， 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流 执行周期中从内存中读出的信息流是数据流 它流向运算器。 数据流， 器；执行周期中从内存中读出的信息流是数据流，它流向运算器 3．存储器 ． 存放程序和数据。分为若干个带地址的存储单元，数据以二进制 方式按地址存储。 读写过程：传送存储单元地址 → 地址译码器译码 → 选中存储单 元 → 从存储单元读出数据或向存储单元写入数据。 主板上的存储器为半导体触发器，每一个存储元（触发器）可存 储一位二进制信息。一个半导体触发器的 Q 输出端有两种电平状态， 输出高电平为 “1”，输出低电平为 “0”，通过输入端电平和时钟的控 制可改变触发器的输出状态，分别输出 “1” 或 “0”。
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第一章计算机系统概论（一）选择题1.有些计算机将一部分软件永恒地存于只读存储器中，称之为A.硬件B.软件C.固件D.辅助存储器E.以上都不对2.输入、输出装置以及外接的辅助存储器称为A.操作系统B.存储器C.主机D.外部设备3.计算机系统中的存储系统是指A. RAM存储器B. ROM存储器C.主存D.主存和辅存4.计算机与日常使用的袖珍计算器的本质区别在于A.运算速度的高低B.存储器容量的大小C.规模的大小D.自动化程度的高低5.冯·诺伊曼机工作方式的基本特点是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.存储器按内容选择地址6.用户与计算机通信的界面是A. CPU B外部设备 C.应用程序 D 系统程序7.下列属于应用软件。
A.操作系统 B 编译程序 C.连接程序D文本出来程序8下列不是输入设备。
A.画笔与图形板 B 键盘 C.鼠标器 D 打印机9.下列各装置中，具有输入及输出功能。
A.键盘 B 显示器 C.磁盘驱动器 D 打印机10.下列设备中不属于输出设备。
A.打印机 B 磁带机 C.光笔 D 绘图仪11下列语句中是正确的。
A.数据库属于系统软件B.磁盘驱动器只有输入功能C.评估计算机的执行速度可以用每秒执行的指令数为判断依据D.个人计算机是小型机12.计算机只懂机器语言，而人类熟悉高级语言，故人机通信必须借助A.编译程序B.编辑程序C.连接程序D.载入程序13.计算机的算术逻辑单元和控制单元合称为A. ALUB. UPC. CPUD. CAD14.只有当程序要执行时，它才会去将源程序翻译成机器语言，而且一次只能读取、翻译并执行源程序中的一行语句，此程序称为A.目标程序B.编译程序C解释程序 D.汇编程序15下列语句中是正确的。
A. 1 KB= 1024x1024 BB. 1 KB=1024 MBC. 1 MB = 1024 x1024 BD. 1 MB = 1 024 B16.一片1 MB的磁盘能存储的数据。
A. 106字节B. 10-6字节C. 109字节D. 220字节17. 32位的个人计算机，一个字节( byte)由位(bit)组成。
A. 4B. 8C. 16D. 3218.下列说法中不正确。
A.高级语言的命令用英文单词来表示B.高级语言的语法很接近人类语言C.高级语言的执行速度比低级语言快D.同一高级语言可在不同形式的计算机上执行19.将高级语言程序翻译成机器语言程序需借助于A.连接程序B.编辑程序C.编译程序D.汇编程序20.存储单元是指A.存放一个字节的所有存储元集合B.存放一个存储字的所有存储元集合C.存放一个二进制信息位的存储元集合D.存放一条指令的存储元集合21.存储字是指A.存放在一个存储单元中的二进制代码组合B.存放在一个存储单元中的二进制代码位数C.存储单元的集合D.机器指令22. 可区分存储单元中存放的是指令还是数据。
A.存储器B.运算器C.控制器D.用户23.存放欲执行指令的寄存器是A. MARB. PCC. MDRD. IR24.将汇编语言翻译成机器语言需借助于A.编译程序B.编辑程序C.汇编程序D.连接程序（二）填空题1.计算机硬件包括运算器、控制器，存储器，输入设备和输出设备。
其中运算器、控制器和存储器组成主机，运算器和控制器可统称为CPU。
2.基于存储程序原理的冯·诺伊曼计算机工作方式的基本特点是按地址访问并顺序执行指令3.计算机硬件是指计算机系统的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件及各类光、电、机设备的实物组成，包括主机、外部设备等。
软件是指人们事先编制的具有各类特殊功能的程序，是无形的，固件是指具有某种软件功能的硬件，一般用ROM实现4.系统程序是指用来对整个计算系统进行调度、管理、监视及服务的各种软件，应用程序是指用户在各自的系统中开发和应用的各种程序5.计算机与日常使用的袖珍计算器的本质区别在于自动化程度的高低6. 指令和数据都存放在存储器中，控制器能自动识别它们。
7在用户编程所用的各种语言中，与计算机本身最为密切的语言是汇编语言。
8.电子计算机问世至今，计算机类型不断推陈出新，但依然保存"存储程序"的特点，最早提出这种观念的是冯·诺伊曼9.汇编语言是一种面向机器的语言，对机器依赖性强，用汇编语言编制的程序执行速度比高级语言快。
10.有些计算机将一部分软件永恒地存于只读存储器中，称为固件11.计算机将存储、算术逻辑运算和控制三个部分合称为主机，再加上输入系统和输出系统就组成了计算机硬件系统。
12. 1μs是一生10-6 s，其时间是1 ns的100 一倍。
13.计算机系统的软件可分为系统软件和应用软件，文本处理属于应用软件，汇编程序属于系统软件。
14.指令的解释是由计算机的控制器来完成的，运算器用来完成算术和逻辑运算。
15.软件是各种指挥计算机工作的程序总称，可大致分为系统软件和应用软件两大类。
前者的主要作用是充分发挥硬件功能及方使用户，最典型的如操作系统。
16.若以电视来比喻计算机硬件和软件的关系，则电视机好比A ，B 好比软件。
17.存储器可分为主存和辅存，程序必须存于主存内，CPU才能执行其中的指令。
18.存储器的容量可以用KB 、MB和GB表示，它们分别代表210字节，220字节和230字节19.计算机硬件的主要技术指标包括机器字长、存储容量、运算速度（三）问答题1.什么是计算机系统?说明计算机系统的层次结构。
答：1.计算机系统包括硬件和软件。
从计算机系统的层次结构来看，它通常可有5个以上的层次，在每一层次(级)上都能进行程序设计。
由下至上可排序为:第1级微程序机器级，微指令由硬件直接执行;第2级传统机器级，用微程序解释机器指令;第3级操作系统级，一般用机器语言程序解释作业控制语句;第4级汇编语言机器级，这一级由汇编程序支持和执行;第5级高级语言机器级，采用高级语言，由各种高级语言编译程序支持和执行。
还可以有第6级应用语言机器级，采用各种面向问题的应用语言。
2.什么是主机?什么是CPU?什么是存储器?简述它们的功能。
答：主机包括运算器、控制器和存储器。
其功能是在控制器的指挥下，逐条地从存储器中取出指令，分析指令，发出各种不同的命令，在运算器中完成各种算术逻辑运算，并将结果存于存储器中。
CPU包括运算器和控制器，又称为中央处理器，它具有运算器和控制器的功能。
存储器用来存放程序和数据。
3.计算机系统软件包括哪几类?各有何作用?答：计算机系统软件包括:(1)标准程序库，如监控程序，用于监视计算机工作。
(2)服务性程序，如连接、编辑、调试、诊断。
(3)语言处理程序，如编译程序、汇编程序、解释程序，将各种语言转换成机器语言。
(4 )操作系统，用来控制和管理计算机。
(5)数据库管理系统。
(6)各种计算机网络软件。
4.什么是硬件?什么是软件?两者谁更重要?为什么?答：硬件是计算机系统的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件及各类光、电、机设备的实物组成，包括主机和外部设备等。
软件是看不见摸不着的，由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成。
硬件和软件是不可分割的统一体，前者是后者的物质基础，后者是前者的"灵魂"，它们相辅相成，互相促进。
5.什么是指令?什么是程序?答：指令是机器完成某种操作的命令，典型的指令通常包括操作码和地址码两部分。
操作码用来指出执行什么操作(如加、传送)，地址码用来指出操作数在什么地方。
程序是有序指令的集合，用来解决某一特定问题。
6.什么是机器字长、指令字长、存储字长?答：机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
指令字长是指机器指令中二进制代码的总位数。
存储字长是指存储单元中存放二进制代码的总位数。
二者可以相等也可以不等，视不同机器而定。
7.如何理解计算机体系结构和计算机组成?答：.计算机体系结构是指能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。
通常是指用机器语言编程的程序员(也包括汇编语言程序设计者和汇编程序设计者) 所看到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等，大都属于抽象的属性。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的(即程序员不知道的)硬件细节。
例如，一台机器是否具备乘法指令是一个结构问题，而实现乘法指令采用什么方式是一个组成问题8.解释存储元件、存储元、存储基元、存储单元、存储字的概念。
答：存储元件(又称存储基元、存储元)用来存放一位二进制信息。
存储单元由若干个存储元件组成，能存放多位二进制信息。
许多个存储单元可组成存储矩阵(又称存储体)。
每个存储单元中二进制代码的组合即为存储字，它可代表数值、指令、地址或逻辑数等。
每个存储单元中二进制代码的位数就是存储字长。