计算机组成原理计算机发展及组成

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计算机组成原理(本全)课件

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目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机,20世纪40年代 中期至50年代末期,主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数,是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置,可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器,用 于存放运算数据和程序代码;外存则是计算机外部存储器,用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分,它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ,使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据,从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分,负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部,根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成,每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时,会通过地址总线发送地址 信号,内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元,完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式,即将内存单元按照 一定顺序排列,每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定,地址总线位数越多,可访问的 内存单元数量就越多。

计算机组成原理知识点汇总

计算机组成原理知识点汇总

计算机组成原理知识点汇总本文将计算机组成原理的知识点做了系统的整理,方便大家系统学习。

如果您正在学习计算机体系结构,可以按照本文的知识点进行扩展学习。

计算机体系结构一、发展历史1.1946 ENIAC2.冯诺依曼EDVAC1)计算机思想:二进制存储控制2)计算机组成控制器运算器存储器输入输出3)时间轴a)代际划分第一代计算机1946-1957 电子管第二代计算机1958-1964 晶体管第三代计算机1965-1972 中、小规模集成电路第四代计算机1972~至今超大规模集成电路b)我国计算机发展2009研发出天河一号2010天河一号A 成为最快计算机2017神威太湖一号位于榜首4)辅助技术:CADCAMCAECAICIMS二、相关计算1.容量单位1B=8 bit1KB = 2^10 B= 1024 BTB PB EB ZB YB BB NB DB2.进制转换1)二进制、八进制、十进制、十六进制2)换算方法:统一换算成十进制,在转换为其他进制十进制转换为二进制十进制除以2 保留余数倒数3)各个进制的小数点转换:当前位数的值*(1/(进制^位数))3.二进制码表示1)原码:表示范围-2^(n-1)-1 ~ 2^(n-1)-1如8位的就是-127~1272)反码:正数的反码等于补码负数的反码等于除符号位以外取反3)补码:正数的补码=反码负数的补码=反码+1表示范围-2^(n-1) ~ 2^(n-1)-1如8位的就是-128~127 -128的补码是1000000 人为规定4)移码补码的符号位取反5)特性00的补码、移码相同6)运算原码运算反码运算补码运算4.校验码1)奇偶校验码:根据1的位数1位数为奇数则是奇数校验码2)循环冗余CRC:多项式模2除法只能检错不能纠错3)海明校验码:有纠错功能5.ASCII编码1)汉字编码6.浮点数表示三、中央处理器CPU1.组成结构1)运算器a)作用:完成算术和逻辑运算,实现数据加工与处理b)组成:i.算术与逻辑计算单元ALUii.累加器AC(为ALU提供工作区,暂存ALU的操作数或运算结果)iii.状态字寄存器PSW:表征当前运算的状态及程序的工作方式一个保存各种状态条件标志的寄存器保存中断和系统工作状态等信息iv.寄存器组v.多路转换器2)控制器a)作用:取指令分析指令执行指令b)指令的组成指令码操作码c)内部寄存器i.程序计数器PC保存下一条指令的地址ii.指令寄存器IR保存当前执行的指令地址iii.指令译码器对IR中的指令的操作码进行译码iv.关系从PC中取出指令地址,送入IR,由译码器译码以后执行3)寄存器组a)数据寄存器DRi.暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字ii.作用作为CPU与外部存储设备的中转站弥补CPU与外部存储设备的速度差异b)地址寄存器AR用来保存当前CPU访问的主存的地址,直到主存信息读取完毕4)内部总线2.指令系统1)周期a)时钟周期:振荡周期计算机中最小、最基本的时间单位,一个时钟周期内,CPU只完成一个基本动作b)机器周期:完成一项基本操作的时间c)指令周期:完成一条指令需要的时间2)周期关系一条指令周期包含若干机器周期,一个机器周期包含若干时钟周期指令周期>机器周期>时钟周期3)流水线技术Pipeline程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术4)指令集a)复杂指令集CISCi.指令系统复杂,指令数目多ii.设有专用寄存器iii.指令字长不固定,指令格式多,寻址方式多iv.可访存指令不受限制v.各种指令的执行时间差大vi.采用微程序控制器vii.难以用优化编译生成高效的目标代码b)精简指令集RISCi.选取使用频度较高的简单指令以及很有用但不复杂的指令ii.指令长度固定,指令格式种类少,寻址方式种类少iii.只有取数、存数指令访问存储器,其余指令的操作都在寄存器中完成iv.CPU 中有多个通用寄存器v.采用流水线技术,大部分指令在一个时钟周期内完成vi.控制器采用组合逻辑控制为主vii.采用优化编译技术3.寻址方式1)数据寻址a)立即寻址:操作数包含在指令中b)直接寻址:操作数位于内存中,指令中直接给出操作数的内存地址c)间接寻址:操作数位于内存中,指令中给出操作数地址的地址d)寄存器寻址:操作数存放寄存器中,指令中给出存放操作数的寄存器名e)寄存器间接寻址:操作数存放在内存中,操作数的内存地址位于某个寄存器中f)变址寻址:指令给出的形式地址A 与编制寄存器Rx 的内容相加,形成操作数有效地址;应用广泛如一组连续存放在主存中的数据g)基址寻址基址寄存器Rb 的内容与形式地址A 相加,形成操作数有效地址;基址寻址和变址寻址在形成有效地址时所用的算法是相同的;变址寻址是面向用户的,用于访问字符串、向量和数组等成批数据;基址寻址用于逻辑地址和物理地址的变换,解决程序在主存中的再定位和扩大寻址空间h)相对寻址:基址寻址的一种变通,由程序计数器PC 提供基准地址i)隐含寻址:指令中不明显地给出操作数的地址,其操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中j)堆栈寻址2)指令寻址a)顺序寻址:程序计数器PC +1b)跳跃寻址:程序转移执行时的指令寻址方式,它通过转移类指令实现4.性能指标1)主频a)计算机的时钟频率b)时钟周期=1/主频c)单位是GHzd)时钟频率为1GHz,时钟信号周期等于1ns 时钟频率为2GHz,时钟周期为0.5ns2)字长8位32位64位3)MIPS:每秒处理百万级的机器语言指令数4)MFLOPS:每秒百万个浮点操作,反映浮点运算情况5)CPI:每条指令的时钟周期数6)平均无故障时间MTBF:Mean Time Between Failure多次相继失效之间的平均时间该指标和故障率衡量系统的可靠性7)平均修复时间MTTR:多次故障发生到系统修复后的平均时间间隔。

计算机组成原理详解

计算机组成原理详解

计算机组成原理详解计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的重要基础学科,它研究计算机硬件系统的各个组成部分以及它们之间的相互关系。

本文将以问题-解决的方式,详细阐述计算机组成原理的各个方面。

一、计算机组成原理的基本概念计算机组成原理是指计算机硬件系统的组成和工作原理,包括中央处理器(CPU)、存储器、输入设备和输出设备等。

其中,中央处理器负责执行各种计算和控制操作,存储器用于存储程序和数据,输入设备用于接收外部信号,输出设备用于显示计算结果或向外部发送信号。

二、计算机组成原理的关键技术1. 计算机指令系统计算机指令系统是计算机最基本的工作方式,它由指令集、寻址方式和指令执行流程等构成。

指令集是计算机能够执行的全部指令的集合,不同的计算机体系结构有不同的指令集。

寻址方式是指计算机执行指令时如何找到指令所需的操作数和结果存放的位置。

指令执行流程是指计算机按照指令顺序执行,逐条完成计算任务。

2. 计算机运算方法计算机运算方法包括算术运算和逻辑运算。

算术运算是对数据进行数字计算,包括加法、减法、乘法和除法等。

逻辑运算是对数据进行判断和比较,包括与、或、非和异或等。

计算机通过算术运算单元(ALU)和逻辑运算单元(ALU)来实现这些运算。

3. 计算机存储系统计算机存储系统用于存储程序和数据,包括主存储器和辅助存储器。

主存储器是计算机能够直接访问的存储空间,通常采用随机存储器(RAM)或只读存储器(ROM)。

辅助存储器是主存储器之外的存储设备,例如硬盘、光盘和磁带等。

4. 计算机输入输出系统计算机输入输出系统用于实现计算机与外部设备的数据交换,包括输入设备和输出设备。

输入设备用于将外部数据传输到计算机中,常见的有键盘、鼠标和扫描仪等。

输出设备用于将计算机处理的结果显示或输出到外部,常见的有显示器、打印机和音响等。

5. 计算机控制系统计算机控制系统用于协调和控制计算机系统的各个部件,包括指令控制、时序控制和数据传输控制等。

计算机组成原理(本全PPT)

计算机组成原理(本全PPT)
应用
用作固件存储,如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘(HDD)和固态硬盘(SSD)。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线,内部总线连接 计算机内部各部件,外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接,实现数据传输和控制信号传递 ;保障系统的稳定性和可靠性;提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务,适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器,实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输,适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器,成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下,适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程

组成原理与计算机体系结构

组成原理与计算机体系结构

组成原理与计算机体系结构计算机是一个非常复杂的系统,它在现代社会中扮演着至关重要的角色。

那么,计算机是如何诞生的呢?它的组成原理又是什么呢?本文将为大家介绍计算机的组成原理和体系结构,希望能够帮助大家更好地理解计算机。

一、计算机的组成原理计算机是由许多不同的部件组成的,这些部件需要相互配合才能正常工作。

计算机的主要组成部分包括:中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、硬盘、输入设备和输出设备等。

下面将分别介绍这些部件。

1、中央处理器中央处理器是计算机的“大脑”,它负责处理所有的指令和数据。

中央处理器包括两个重要的部分:控制单元和算术逻辑单元。

控制单元的主要功能是从内存中取出指令并执行它们,而算术逻辑单元则是负责执行各种算数和逻辑运算。

2、随机存储器随机存储器是计算机的内存,它用于暂时存储数据和指令。

随机存储器的容量和速度非常重要,它们直接影响计算机的性能。

3、硬盘硬盘是计算机的主要存储设备,它用于长期存储数据和程序。

硬盘的容量随着技术的发展而不断增加,目前最大的硬盘容量已经达到数十TB。

4、输入设备和输出设备输入设备和输出设备也是计算机的主要组成部分。

输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等,而输出设备则包括显示器、打印机、喇叭等。

二、计算机体系结构计算机体系结构是计算机硬件和软件之间的接口,它描述了计算机的组成和运行方式。

计算机体系结构包含两个层次:指令集体系结构和微体系结构。

下面将分别介绍这两个层次。

1、指令集体系结构指令集体系结构是计算机处理器和编译器之间的接口。

它定义了计算机所支持的指令集以及这些指令的语法和语义。

指令集体系结构包含许多方面,比如地址模式、数据类型、寄存器、中断和异常等。

2、微体系结构微体系结构是计算机处理器内部的设计,它描述了如何实现指令集体系结构。

微体系结构包括处理器中的电路、指令流水线、分支预测、缓存和总线等。

三、计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展经历了几个重要的阶段。

计算机组成原理 第1章 绪论

计算机组成原理  第1章  绪论

超级计算机——天河一号


运算速度 “天河一号”峰值运算速度为每秒4700 万亿次。做个换算对比:“天河一号”运 算1小时,相当于全国13亿人同时计算340 年以上的时间;“天河一号”运算1天, 相当于1台双核的高档桌面电脑运算620年 以上的时间。 存储容量 “天河一号”存储容量为两千万亿个字节。 做个换算对比:一个汉字平均为两个字节, “天河一号”可在线存储一千万亿个汉字, 相当于存储100万汉字的书籍10亿册。

电子数字计算机以离散量即数字量表示数据,应
用算术运算法则实现运算。 由于具有很强的逻辑判断功能、庞大的存储能力,以及 计算、模拟、分析问题、操作机器、处理事务等能力, 因而得到了极其广泛的应用。
电子计算机的诞生
• 第一台电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)于1946年在美国诞生。 ① 每秒5000次加法运算; ② 每秒50次乘法运算;

1.1.1 更新换代的计算机硬件
(1) 电子管时代(1946年-1959年) (2) 晶体管时代(1959年-1964年) (3) 中、小规模集成电路时代(1964年-1975年)
(4) 超、大规模集成电路时代(1975年-1990年)
(5) 超级规模集成电路时代(1990年-现在)

一 二 三
1.1.2 日臻完善的计算机软件

汇编语言阶段(20世纪50年代)
程序批处理阶段(20世纪60年代)
分时多用户阶段(20世纪70年代)
分布式管理阶段(20世纪80年代)
软件重用阶段(20世纪90年代)
Web服务阶段(21世纪初期-现在)

第二章 计算机组成原理

第二章  计算机组成原理
部频率越高,CPU的处理速度就越快。 例如: P4 3.4GHz,800MHz外频(FSB)
时钟频率的发展:
400MHZ---533MHZ---800MHZ,即将达到1066MHZ [单选]用MHz来衡量计算机的性能,它指的是计算机__________。
ACM 图灵奖
1966年由ACM(美国计算机学会)创建,该奖有计 算机界的诺贝尔奖之称。
IEEE 计算机先驱奖
1980年由IEEE-CS(美国电气与电子工程师学会-计 算机学会)创建,是世界范围内计算机科学技术领域另 一个最重要的奖项,和图灵奖是互为补充的。
计算机的诞生与发展
对计算机的诞生发展做出重大贡献的两个人:
(a) NEC SX-6/64MB巨 型计算机外形
(b) 全球气温分布与 变化趋势图
计算机的分类
大型计算机(Mainframe)
运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安 全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机, CPU 通常有 4 、 8、16、32个甚至更多处理器。

功能: 为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理,作为主服务 器(企业级服务器),在信息系统中起着核心作用。
内存储器
控制器CU RAM
外部存储器--硬盘 、软盘、光盘、磁带
外设
输入设备--键盘、鼠标器、扫描仪 输出设备--显示器、打印机、绘图仪 其他设备--调制解调器
计算机的组成
台 式 机
PC机的物理组成
机箱、显示器、键盘、鼠标器等
机箱内包含:
主板、硬盘、软驱、光驱、
电源、风扇等
主板上安装
CPU、芯片组、内存条、
第二章
计算机组成原理

《计算机组成原理》课件

《计算机组成原理》课件
指令结束
将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度,通常以MIPS(百万条 指令每秒)表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质,内存可以分为RAM(随机存取存储器)和ROM(只读存储器)。RAM又可以分为DRAM(动态 随机存取存储器)和SRAM(静态随机存取存储器)。
谢谢您的聆听
THANKS
《计算机组成原理》ppt课件
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生,占地170平方米,重30吨,运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代,计算机体积缩小,运算速度提高,可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初,微处理器出现,个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今,计算机体积更小,性能更高,应用领域更广泛。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据,地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址,数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
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• Gen-1: Vacuum Tubes (1943-1959)
• Gen-2: Transistors (1960-1968)
– John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley
• Gen-3: Integrated Circuits (1969-1977)
运算速度:5000次加法/秒
使用十进制数 20个寄存器,每个存放10位的十进制数 通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来编程
Von Neumann机IAS
现代计算机结构的鼻祖:五大功能部件
将程序和数据统一表示:存储器有4096个字,每个字40位。
采用二进制数据:简化了存储器 只提供整数运算:任何有能力的数学家都能在头脑中记住 小数点的位置。
– Jack Kilby (1958)
• Gen-4: VLSI (1978-present)
• Gen-5: Optical? Quantum? 生物?
古代及近代计算技术
公元前500年,中国出现算盘
1642年,法国数学家帕斯卡(Blaise Pascal)发明自 动进位的加法机器,齿轮驱动拨盘,在窗口显示结果
现代计算机的里程碑
年代 1834 1936 1943 1944 1946 1949 1951 1952 1960 1961 1962 1963 1964 1964 1965 1970 1974 1974 1978 1981 1985 1987 1990 机器名称 A nalytical E ngine Z1 C O LO SSU S M ark I E N IA C I E D SA C W hirlw ind I IA S PD P -1 1401 7094 B 5000 360 6600 PD P -8 PD P -11 8080 C R AY -1 VA X IB M PC M IP S SPA R C R S6000 制造者 B abbage Zuse 英国政府 A iken E ckert/M auchley W ilkes M .I.T. Von N eum ann D EC IB M IB M B urroughs IB M CDC D EC D EC Intel C ray D EC IB M M IP S Sun IB M 说明 建造数字计算机的第一次尝试 第一台使用继电器的计算机器 第一台电子计算机 第一台美国通用计算机 现代计算机历史从它开始 第一台存储程序的计算机 第一台实时计算机 大多数现代计算机还用的设计 第 一 台 小 型 机 ( 销 售 50 台 ) 非常流行的小型商用机 60 年 代 早 期 的 主 流 科 学 计 算 用 机 面向高级语言设计的第一台计算机 系列机的第一个产品 第一台用于科学计算的超级计算机 第 一 台 占 领 市 场 的 小 型 机( 销 售 50,000 台 ) 70 年 代 的 主 导 小 型 机 第一台在一个芯片上的 8 位计算机 第一台向量超级计算机 第 一 台 32 位 超 级 小 型 计 算 机 开创现代个人计算机新纪元 第 一 台 商 用 R ISC 机 第 一 台 基 于 SPA R C 的 R ISC 工 作 站 第一台超标量体系结构计算机
Control
Datapath
Memory
Computer
计算机剖析
计算机系统 计算机结构 计算机处理器
设备制造
逻辑设计 电路(VLSI)设计
计算机剖析(续)
计算机系统 计算机结构 计算机处理器
高级语言
汇编语言
机器语言
计算机组成原理
Computer Generations
• Gen-0: Mechanical computers (BC to early 1940s)
1822年,巴贝奇(Charles Babbage)设计了差分机 (Difference Engine)。使用了“差分方法”的计算技术, 用来对多项式函数进行机械式求解 1833年,巴贝奇(Charles Babbage)设计了分析机 (Analytical Engine),比差分机更加通用,具备了执行 任意类型数学运算的能力,并且包括了现代计算机的许 多部件(maill,store,i/o设备)
第一台通用电子计算机ENIAC
Electronic Numerical and Integrate Calculator(电子数字积分器)
Mauchly and Eckert 设计 1946年2月14日 第一台通用电子计算机,设计用 于计算火炮的弹道 重30吨,占地15000平方英尺, 18000个电子管,耗电 140KW
– Memory – I/O
Intel Pentium
什么是计算机?
• Datapath: 完成算术和逻辑 运算,通常包括其中的寄 存器。 • Control: CPU的组成部分, 它根据程序指令来指挥 Input datapath, memory以及I/O 运行,共同完成程序功能。 • Memory: 存放运行时程序 及其所需要的数据的场所。 Output • Input: 信息进入计算机的 设备,如键盘、鼠标等。 • Output: 将计算结构展示给 用户的设备,如显示器、 磁盘、打印机、喇叭等。
Turing机
1937年,Alan Turing提出一 种“通用”计算机的概念,它可 以执行任何一个描述好的程序 (算法),实现需要的功能,形 成了“可计算性”概念的基础。
存储程序的思想,使计算机 从专用走向通用。正是这一创新, 开创了计算机的新时代。
Turing机特点
• 通用计算机:并不是保存所有问题的结 果。 • 存储程序计算机:问题的求解由程序或 过程给出,程序和过程可以通过语言描 述。 • 有限速度:计算机执行程序的时间是有 限的。 • 是现代计算机的鼻祖。
计算机里有什么?
什么是计算机?
• 构成计算机的基 础理论大部分已 经有50年了。 • 目前,计算机的 关键部件也没有 大的改变
– CPU
• Data Path • Controller
– Memory – I/O
什么是计算机?
• 功能部件
– CPU
• Data Path • Controller
第一台小型计算机:PDP-1
• • • • 1957年由DEC公司生产 第二代计算机(晶体管) 18位字长,4K内存,机器周期为5微秒 售价120000美元。售出50台。
• 开创了计算机产业!
第一个系列计算机:IBM 360
• 第三代计算机 • 计算机应用:科学计算和 商务处理 • 如何在不同的硬件平台上 运行相同的软件? • 系列计算机:IBM 360 • 计算机系统结构:程序员 眼中的计算机。具有相同 系统结构的计算机可以运 行相同的程序。 • 微程序控制器
应用的普及:IBM PC机
RISC计算机
精简指令系统计算机 指令系统尽量简单,复杂指令通过简单指令的组合来完成 提高计算机的运行速度
下一代计算机
• ????????
Байду номын сангаас
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