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1、第1章 计算机系统概论23第一篇第一篇 概概 述述 计算机是一种层次化结构的系统。一台计算机可以看成由一些部件组成，它的功能由各个部件的集合功能来决定。每个部件能够根据它的内部结构和功能依次来描述。 4第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论重点内容：计算机软、硬件概念；计算机系统的层次结构；计算机的基本组成、冯诺依曼计算机的特点；计算机的硬件框图及工作过程；计算机硬件的主要技术指标；计算机的发展及应用。51.11.1 计算机系统简介 1.1.1 计算机简史ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机）是第一台正式运
2、转的通用电子计算机（见图1-1），它于1946年2月15日，在美国宾夕法尼亚大学的物理学家约翰莫克利（John Mauchly）和工程师普雷斯伯埃克特（J Presper Eckert）的领导下研制成功。61.11.1 计算机系统简介1944年，冯诺依曼由ENIAC研制组的戈尔德斯廷中尉介绍参加ENIAC研制小组后，便和这批富有创新精神的年轻科技人员，向着更高的目标进军。1945年，他们在共同讨论的基础上，发表了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）。EDVAC方案明确了新机器由五个部
3、分组成，包括运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的功能和相互关系。EDVAC还有两个非常重大的改进： 采用了二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制。 使用存储程序方式，指令和数据一起放在存储器里，并采用相同的处理方式，简化了计算机的结构，大大提高了计算机的速度。71.11.1 计算机系统简介 自从ENIAC问世以来，从使用的元器件角度来看，计算机的发展大致经历了四代。 （1）第一代（19461954年）电子管计算机（2）第二代（19551964年）晶体管计算机（3）第三代（19651973年）集成电路计算机（4）第四代（1974年至现在）大规模和超大规模集成电路
4、计算机81.11.1 计算机系统简介 1.1.2 摩尔定律 集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。 91.11.1 计算机系统简介 1.1.3 计算机系统的分类 1按所处理的信号分类（1）模拟计算机（2）数字计算机 2按硬件的组合及用途分类（1）专用计算机（2）通用计算机 3按计算机的规模分类（1）单片机（2）桌面计算机（3）服务器101.11.1 计算机系统简介 1.1.4 计算机系统 1计算机系统组成计算机系统由硬件（子）系统和软件（子）系统组成。 2计算机的硬件 3计算机的软件（1）系统软件（2）支撑软件（3）应用软件111.11.1 计算机系统简介 1.1.5 计算机
5、的应用和发展趋势1科学计算2数据处理3过程控制4人工智能5计算机辅助工程6信息高速公路7电子商务121.11.1 计算机系统简介 计算机的系统结构仍在继续发展，其发展趋势是： 由于计算机网络和分布式计算机系统能为信息处理提供廉价的服务，因此计算机系统进一步发展的最终目标，是将有线电视、数据通信和电话“三网合一”，进入以通信为中心的体系结构。 计算机智能化的进一步发展，使各种知识库及人工智能技术逐渐普及，人们将用自然语言和机器对话。计算机从数值计算为主过渡到知识推理为主，从而使计算机进入知识处理阶段。 随着大规模集成电路的发展，用多处理机技术不仅可以实现并行计算机的功能，而且还会出现计算机的动态
6、结构，即所谓模块化计算机系统结构。 多媒体技术将有重大突破和发展，并在微处理器、计算机网络与通信等方面引起重大变革。131.11.1 计算机系统简介 1.1.6 计算机体系结构、组成与实现 （1）计算机体系结构计算机体系结构指程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性 （2）计算机组成计算机组成是指计算机体系结构的逻辑实现。 （3）计算机实现计算机实现指计算机组成的物理实现。 141.21.2 现代计算机的体系结构 1.2.1 冯诺依曼计算机的特点1采用二进制形式表示数据和指令2采用存储程序方式3计算机系统由五大部件组成151.21.2 现代计算机的体系结构 1.2.2 计算机的
7、硬件组成典型的冯诺依曼计算机是以运算器为中心的 结果 程序 输出设备 输入设备 控制器 运算器 存储器 161.21.2 现代计算机的体系结构现代的计算机已转化为以存储器为中心 结果 程序 输出设备 输入设备 控制器 运算器 存储器 171.21.2 现代计算机的体系结构 1.2.3 非冯诺依曼计算机典型的冯诺依曼机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据已经准备好，也必须逐条执行指令序列，而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理。因此，近年来人们在谋求突破传统冯诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非冯诺依曼化。对所谓非冯诺依曼化的探讨仍在争议中 181.31.3 计算机的层次结构 1
8、.3.1 虚拟机的概念虚拟机（Virtual Machine）是一个抽象的计算机，它将提供给用户的功能抽象出来，使之脱离具体的物理机器，用户可以不关心真实的计算机及其细节，它由软件实现，并与实际机器一样，都具有一个指令集并可以使用不同的存储区域。例如，一台机器上配有C语言和Pascal语言的编译程序，对C语言用户来说，这台机器就是以C语言为机器语言的虚拟机，对Pascal用户来说，这台机器就是以Pascal语言为机器语言的虚拟机。 191.31.3 计算机的层次结构 1.3.2 虚拟机的层次结构微程序机器 M0（微指令） 由硬件直接执行 传统机器 M1（机器语言） 由微程序解释机器指令 操作系
9、统虚拟机 M2（作业控制语言） 由机器语言程序解释操作系统命令 汇编语言虚拟机 M3（汇编语言） 汇编语言程序经汇编程序翻译成机器语言程序 应用语言虚拟机 M5（应用语言） 用应用语言编写的应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言程序 高级语言虚拟机 M4（高级语言） 高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言程序（或某种中间语言程序或机器语言程序） 201.31.3 计算机的层次结构 1.3.3 硬件和软件的逻辑等价性硬件和软件在逻辑上是等价的。任何由软件实现的操作都可直接由硬件来完成的，“硬件就是固化的软件”；任何由硬件实现的指令都可由软件来模拟。 211.41.4 计算机的性能指标 1.4.1
10、机器字长 机器字长是指CPU一次能处理数据的位数 目前，微型计算机的机器字长有8位、16位、32位几种档次，最新推出的微处理器已达64位。 1.4.2 存储容量 存储容量表示存储器中存放二进制代码的总数，具体表示有两种方法。（1）字节数（2）单元数（字数）位数221.41.4 计算机的性能指标 1.4.3 运算速度 现在一般采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，用MIPS(Million Instruction Per Second)作为计量单位，即每秒执行百万条指令 也有用CPI（Cycle Per Instruction）即执行一条指令所需的时钟周期（主频的倒数）数 也有用FPOPS（F
11、loating Point Operation Per Second）即每秒浮点运算次数来衡量运算速度231.41.4 计算机的性能指标 此外，还有一些和计算机运算速度相关的参数总结如下： 吞吐量：一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。 响应时间：从输入有效到系统产生响应之间间隔的时间。 主频/时钟周期：CPU的工作节拍受一个主时钟的控制，主时钟的频率叫做CPU的主频；主频的倒数叫做CPU的时钟周期。 CPU执行时间：表示CPU执行程序所占用的CPU时间。241.51.5 本 书 结 构 第一篇 概述。 第二篇 计算机系统。 第三篇 中央处理器。 第四篇 控制器。 25小 结电子计算机系
12、统对人类社会的发展产生了深远的影响。Intel的创始人之一高登 摩尔（Gordon Moore）于1965年提出了著名的摩尔定律，预言单位平方英寸芯片的晶体管数目每1824个月就将增加一倍。计算机系统由硬件和软件组成，硬件和软件在逻辑上是等价的。 本章重点介绍了冯诺依曼计算机的基本组成和工作原理。典型的冯诺依曼计算机采用二进制形式表示数据和指令，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，采用“存储程序”的思想来执行程序。虚拟机是一个抽象的计算机，它由软件实现，并与实际机器一样，都具有一个指令集并可以使用不同的存储区域。以虚拟机的观点来划分计算机的层次结构，共分为微指令层、机器语言层、操作系统层、汇编语言层、高级语言层和应用语言层6层，这有助于正确理解各种语言的实质和实现途径。