第1章计算机系统概述.ppt

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1、2022-6-161 教材：王爱英教材：王爱英 主编主编 计算机组成与结构计算机组成与结构 (第第5版版) 清华大学出版社清华大学出版社 计算机组成计算机组成 教师：教师： 吴涛吴涛 计算机与软件学院计算机与软件学院 2022-6-162 -课程简介课程简介- 本课程从计算机组成原理与系统结构的基本概念出发，本课程从计算机组成原理与系统结构的基本概念出发，系统讲述计算机系统的系统讲述计算机系统的基本组成基本组成、工作原理工作原理和和系统结构系统结构。 通过学习本课程，学生应理解计算机各部件内部通过学习本课程，学生应理解计算机各部件内部工作原工作原理理、组成结构组成结构及相互及相互连接方式连接方

2、式，具有完整的，具有完整的计算机系统整计算机系统整体概念体概念，熟悉，熟悉计算机系统层次化概念计算机系统层次化概念，了解计算机体系的，了解计算机体系的新技术，能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对新技术，能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能对一些基本部件进行简单设计，为学习本专业后继课并能对一些基本部件进行简单设计，为学习本专业后继课程和对今后从事计算机系统的研究、开发打好基础。程和对今后从事计算机系统的研究、开发打好基础。2022-6-163目目 录录第第1章章 计算机系统概

3、述计算机系统概述第第2章章 数据的表示和运算数据的表示和运算第第3章章 存储器层次结构存储器层次结构第第4章章 指令系统指令系统第第5章章 中央处理器中央处理器第第6章章 总线总线第第7章章 输入输出系统输入输出系统第第8章章 流水线处理技术流水线处理技术第第9章章 并行计算机体系结构并行计算机体系结构2022-6-164第第1章章 计算机系统概论计算机系统概论 1.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 1.3 计算机的性能指标计算机的性能指标 1.4 计算机的分类和应用计算机的分类和应用2022-6-1651.1 计算机的发展历程计算机的发展

4、历程 根据制造计算机所使用的元器件的不同，电子计根据制造计算机所使用的元器件的不同，电子计算机的发展依次经历了算机的发展依次经历了电子管时代电子管时代、晶体管时代晶体管时代、中小规模集成电路时代中小规模集成电路时代、大规模和超大规模集成大规模和超大规模集成电路时代电路时代等几个不同的发展阶段。等几个不同的发展阶段。电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路2022-6-1661.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 第一代，电子管计算机时代（第一代，电子管计算机时代（19461959）电子管是封装在玻璃外壳内的一种电真空器件。电子管是封装在玻璃外壳内的一种电真空器件。1904年年，世界上第一只电

5、子管在英国物理学家弗莱，世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱明的手下诞生，标志着世界从此进入了电子时代。明的手下诞生，标志着世界从此进入了电子时代。世界上第一台电子数字计算机世界上第一台电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And calculator），），1946年由年由美国宾夕法尼亚大学研制，字长美国宾夕法尼亚大学研制，字长12位，运算速度位，运算速度5000次次/秒，使用秒，使用18800个电子管、个电子管、1500个继电器，个继电器，功耗功耗150kw，占地，占地170m2，重达，重达30吨，造价吨，造价100万美万美元。一般认为它

6、是现代计算机的始祖。元。一般认为它是现代计算机的始祖。2022-6-167世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机ENIAC2022-6-168有争议的第一台计算机：二战中，为破译德国人的有争议的第一台计算机：二战中，为破译德国人的机械式密码，英国情报机关与数学、机械式密码，英国情报机关与数学、 电子学专家电子学专家合作，合作，1943年年研制出了一种大型电子运算装置，称研制出了一种大型电子运算装置，称其为其为“巨人巨人”机机 。1939年年12月月，美籍保加利亚人、，美籍保加利亚人、物理学家物理学家阿塔纳索夫阿塔纳索夫就造出了世界上第一台电子计就造出了世界上第一台电子计算机算机ABC，但

7、正值二战，他没有申请专利，也没有，但正值二战，他没有申请专利，也没有公布资料。公布资料。1941年，年，约翰约翰莫奇利莫奇利在阿坦那索夫家借住在阿坦那索夫家借住5天，可天，可能看到了研究成果，其后负责制造了能看到了研究成果，其后负责制造了ENIAC，随，随后迅速申请专利。后迅速申请专利。1967年，莫奇利被告上法庭。年，莫奇利被告上法庭。1973年年10月月19日，法庭终审，该审判从法律上认定日，法庭终审，该审判从法律上认定阿坦那索夫才是真正的现代计算机的发明人，这是阿坦那索夫才是真正的现代计算机的发明人，这是一场美国历史上耗时最久的知识产权官司。一场美国历史上耗时最久的知识产权官司。2022

8、-6-1691.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 第一代，电子管计算机时代（第一代，电子管计算机时代（19461959）ENIAC计算机存在两个主要缺点，一是存储容量太小，只计算机存在两个主要缺点，一是存储容量太小，只能存能存20个字长为个字长为10位的十进制数，二是用线路连接的方法位的十进制数，二是用线路连接的方法来编排程序，每次解题都要依靠人工改接连线，准备时间来编排程序，每次解题都要依靠人工改接连线，准备时间大大超过实际计算时间。大大超过实际计算时间。与与ENIAC计算机研制的同时，计算机研制的同时，冯冯诺依曼诺依曼(Von Neumann)与与莫尔小组合作研制莫尔小组合作研制EDV

9、AC计算机，采用了计算机，采用了存储程序方案存储程序方案，其后开发的计算机都采用这种方式，称为其后开发的计算机都采用这种方式，称为冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机 。ENIAC的总设计师，世界上第一家计算机公司创办者：约翰莫克利计算机之父，博弈论之父：冯诺依曼2022-6-16101.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 第一代，电子管计算机时代（第一代，电子管计算机时代（19461959）一般认为一般认为冯冯诺依曼机诺依曼机具有如下具有如下基本特点基本特点： (1) (1) 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备备五部分组成五部分组成。

10、 (2) (2) 采用采用存储程序方式存储程序方式，程序和数据放在同一个存储器中，程序和数据放在同一个存储器中，并以并以二进制二进制码表示。码表示。 (3) (3) 指令由操作码和地址码组成。指令由操作码和地址码组成。 (4) (4)指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器（即程指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器（即程序计数器序计数器 PCPC）指明要执行的指令所在的存储单元地址，一）指明要执行的指令所在的存储单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件改变。般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件改变。 (5) (5) 以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送以运算器为

11、中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。都通过运算器。2022-6-16111.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 第二代，晶体管计算机时代（第二代，晶体管计算机时代（19591964）晶体管通常指晶体三极管，是内部含有两个晶体管通常指晶体三极管，是内部含有两个PN结、外部通结、外部通常为三个引出电极的半导体器件。常为三个引出电极的半导体器件。1947年年贝尔实验室贝尔实验室肖克利肖克利发明了晶体管。发明了晶体管。1958年晶体管进入批量生产阶段。年晶体管进入批量生产阶段。用晶体管可设计出实现反相功能的反相器线路，在此基础用晶体管可设计出实现反相功能的反相器线路，在此基础上，再实

12、现出计算机用的全部组合逻辑线路，和触发器、上，再实现出计算机用的全部组合逻辑线路，和触发器、计数器等各种时序逻辑线路。计数器等各种时序逻辑线路。“晶体管之父” “硅谷第一人”肖克利W.Shockley 2022-6-16121.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 第二代，晶体管计算机时代（第二代，晶体管计算机时代（19591964）1954年，美国贝尔实验室研制出第一台使用晶体管年，美国贝尔实验室研制出第一台使用晶体管线路的计算机，取名线路的计算机，取名“催迪克催迪克”（TRADIC），装），装有有800个晶体管。个晶体管。1958年，美国年，美国IBM公司制成第一公司制成第一台全部使用晶体

13、管的计算机台全部使用晶体管的计算机RCA501型。型。1964年，年，中国制成了第一台全晶体管电子计算机中国制成了第一台全晶体管电子计算机441-B型型 。2022-6-16131.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 第二代，晶体管计算机时代（第二代，晶体管计算机时代（19591964）第二代计算机性能和可靠性提高，体积和价格下降，第二代计算机性能和可靠性提高，体积和价格下降，外设和软件也越来越多，并且高级程序设计语言应外设和软件也越来越多，并且高级程序设计语言应运而生，从而使计算机工业迅速发展。运而生，从而使计算机工业迅速发展。尽管用晶体管替代电子管使计算机面貌焕然一新，尽管用晶体管替代电

14、子管使计算机面貌焕然一新，但随着对计算机性能的追求，新计算机包含的晶体但随着对计算机性能的追求，新计算机包含的晶体管数量已从一万个左右骤增到管数量已从一万个左右骤增到数十万个数十万个，人们需要，人们需要将这些晶体管、电阻等元件都焊接到将这些晶体管、电阻等元件都焊接到一块电路板一块电路板上，上，再有一块块电路板通过再有一块块电路板通过导线连接导线连接到一台计算机上。到一台计算机上。其复杂工艺严重影响了制造计算机的生产效率，使其复杂工艺严重影响了制造计算机的生产效率，使计算机可靠性很低。计算机可靠性很低。2022-6-16141.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 第三代，中小规模集成电路计算机

15、时代（第三代，中小规模集成电路计算机时代（19641970）集成电路（集成电路（Integrated Circuit，简称，简称IC）是将各种电子电子元）是将各种电子电子元器件以相互联系的状态集成到半导体材料（主要是硅）或绝缘器件以相互联系的状态集成到半导体材料（主要是硅）或绝缘体材料薄层片子上，再用一个管壳将其封装起来，构成一个完体材料薄层片子上，再用一个管壳将其封装起来，构成一个完整的、具有一定功能的电路或系统。整的、具有一定功能的电路或系统。计算机的数据存储、运算、传输及控制功能是由各类计算机的数据存储、运算、传输及控制功能是由各类门电路门电路实实现的，而门电路又是由晶体管、电阻、电容等

16、组成，集成电路现的，而门电路又是由晶体管、电阻、电容等组成，集成电路制造技术发展可实现将成百上千个门电路全部制作在一块小硅制造技术发展可实现将成百上千个门电路全部制作在一块小硅片上，这使得计算机体积大大缩小，功耗降低，计算机可靠性片上，这使得计算机体积大大缩小，功耗降低，计算机可靠性提高。提高。4081,四四2输入与门输入与门2022-6-1615第一个集成电路：第一个集成电路：1958年，美国德克萨斯仪器公司Jack Kilby提出将多个半导体元件放在一片半导体材料上，这个成果就是世界上第一个集成电路。Jack Kilby：集成电路的发明专利拥有者，集成电路之父（争议），奠定了现代微电子学领

17、域的基础。因参与发明集成电路2000年获诺贝尔物理学奖2022-6-1616Robert Noyce：著名物理学家，集成电路推广者，英特尔创始人，1958年与Jack Kilby同时宣布制成第一块集成电路，法庭将集成电路发明专利授予基尔比，而将关键的内部连接技术（制作工艺）专利授予诺伊斯。诺伊斯共同创办了两家硅谷最伟大的公司之一：第一家是半导体工业的摇篮-仙童(Fairchild)公司，已成为历史；第二家则仍跻身美国最大的公司之列，这就是英特尔公司。他的外号叫“硅谷市长”。硅谷唯一一位集财富、威望和成就于一体的圣人2022-6-16171.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 第三代，中小规模

18、集成电路计算机时代（第三代，中小规模集成电路计算机时代（19641970）第三代计算机的代表是第三代计算机的代表是IBM公司花了公司花了50亿美元开发的亿美元开发的IBM 360系列。系列。 20世纪60年代初，IBM公司提出研制由集成电路组成的系列电脑，淘汰晶体管机器。1961年12月28日，“IBM360系统电子计算机” 方案出台。新电脑系统用360为名，表示一圈360度。代表360电脑从工商业到科学界的全方位应用。所需费用：研制经费5亿，生产设备10亿，推销和租赁35亿共需投资50亿！而美国研制第一颗原子弹的“曼哈顿工程”才用了20亿美元。360系列率先提出“兼容性”概念，1964年IB

19、M360系列面世，共有6个型号大、中、小型电脑和44种配套设备。5年之内，IBM360共售出32300台，创造了电子计算机销售中的奇迹。 2022-6-16181.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代（1970至今）至今）目前计算机使用的元件依然是集成电路，不过，这种集成目前计算机使用的元件依然是集成电路，不过，这种集成电路已经大大改善，它包含着几十万到上百万个晶体管，电路已经大大改善，它包含着几十万到上百万个晶体管，人们称之为大规模集成电路（人们称之为大规模集成电路（LargeScale lntegrate

20、d Circuit，简称，简称LSI）和超大规模集成电路（）和超大规模集成电路（Very Large Scale lntegrated Circuit，简称，简称VLSI）1975年，美国年，美国IBM公司推出了个人计算机公司推出了个人计算机PC（PersonaI Computer），计算机开始深入到人类生活的各个方面。），计算机开始深入到人类生活的各个方面。2022-6-16191.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代（1970至今）至今）表表1.1概括了概括了计算机发展历程中各个阶段计算机发展历程中各个阶

21、段的特点。的特点。当前计算机发展的趋势当前计算机发展的趋势是由大到巨是由大到巨(追求高速度、高容量、追求高速度、高容量、高性能高性能)，由小到微，由小到微(追求微型化追求微型化, 包括台式、便携式、笔记包括台式、便携式、笔记本式乃至掌上型本式乃至掌上型, 使用方便使用方便, 价格低廉价格低廉)，网络化，智能化。，网络化，智能化。现代计算机在许多技术领域取得了极大进步。如多媒体技现代计算机在许多技术领域取得了极大进步。如多媒体技术、计算机网络、面向对象技术、并行处理技术、人工智术、计算机网络、面向对象技术、并行处理技术、人工智能、不污染环境并节约能源的能、不污染环境并节约能源的“绿色计算机绿色计

22、算机”等。许多新等。许多新技术和材料开始应用于计算机技术和材料开始应用于计算机, 如量子计算机、光子计算如量子计算机、光子计算机、分子计算机和纳米计算机等机、分子计算机和纳米计算机等 。2022-6-1620表表1.1计算机发展历程中各个阶段的特点计算机发展历程中各个阶段的特点 年代年代第一代第一代1946-1959第二代第二代1959-1964第三代第三代1964-1970第四代第四代1970-现在现在电子器件电子器件电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路大规模、超大大规模、超大规模集成电规模集成电路路存储器存储器延迟线延迟线磁芯、磁鼓磁磁芯、磁鼓磁带、纸带带、纸带磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁带

23、、磁盘磁带、磁盘半导体存储器半导体存储器磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁带、磁盘磁带、磁盘半导体存储器半导体存储器磁带、磁盘磁带、磁盘光盘光盘处理方式处理方式机器语言机器语言汇编语言汇编语言监控程序监控程序高级语言高级语言实时处理实时处理操作系统操作系统实时实时/分时处理分时处理网络操作系网络操作系统统应用领域应用领域科学计算科学计算科学计算科学计算数据处理数据处理过程控制过程控制科学计算科学计算系统设计等系统设计等 科技工程领域科技工程领域各行各业各行各业运行速度运行速度5000至至3万次万次/秒秒几十万至几十万至百万次百万次/秒秒百万至百万至几百万次几百万次/秒秒几百万至几百万至千亿次千亿次/秒秒典

24、型机型典型机型ENIACEDVACIBM705UNIVACIBM7094CDC6600IBM360PDP 11NOVA1200ILLIAC-VAX 11IBM PC2022-6-16211.1 计算机的发展历程计算机的发展历程IT行业第一定律行业第一定律摩尔定律摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能将提升一倍。个月便会增加一倍，性能将提升一倍。1965年年4月，当时还是仙童公司电子工程师的摩尔在月，当时还是仙童公司电子工程师的摩尔在电电子学子学杂志上发文提出。四十多年来，该定律基本有效。杂志上发文提出。四十多年来，该定律基

25、本有效。专家预言，随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级，芯片发专家预言，随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级，芯片发热等副作用逐渐显现，电子的运行也难以控制，热等副作用逐渐显现，电子的运行也难以控制， “摩尔摩尔定律定律”将逐步失效。将逐步失效。 戈登戈登. .摩尔摩尔IntelIntel公司联合创世人公司联合创世人现任现任IntelIntel公司名誉董事长公司名誉董事长2022-6-1622 计算机发展历史上几次飞跃计算机发展历史上几次飞跃 (应用应用) 1发展阶段发展阶段代表性成果代表性成果标志性标志性成就成就硬硬件件软软件件应应用用说说 明明第一次飞跃电子计算机1919，电子触发器 1946，E

26、NIAC 冯诺依曼结构的确立1969，贝尔实验室Unix 1957, IBM,Fortran 1960, 结构化程序设计语言ALGOL 60 1970, Pascal 1964, 日本，铁路售票系统 1967，IBM,应用卫星实现数据通讯 1970，斯坦福大学,专家系统DENDRAL 计算机进入社会2022-6-1623 计算机发展历史上几次飞跃计算机发展历史上几次飞跃 (应用应用) 2发展阶段发展阶段代表性成果代表性成果标志性标志性成就成就硬硬件件软软件件应应用用说说 明明第二次飞跃微型计算机1971，日本与Intel,4004 1975,美国,Altair 8800 / Tandy,TRS

27、80等 Apple机(motorola 68000) 与 IBM PC机 1987 IBM PS/2(MCA结构) 单片机Microsoft公司: DOS/WINDOWS工业控制 / 自动化仪器与家电 OA / 商业 /机电与宇航出现了许多技术与产品： 工作站 / 并行计算机 / 精简指令系统（RISC） 面向对象技术（OOP） 客户机/服务器模型 数据库技术 / 数据仓库的理论（80年代IBM提出）2022-6-1624 计算机发展历史上几次飞跃计算机发展历史上几次飞跃 (应用应用) 3发展阶段发展阶段代表性成果代表性成果标志性标志性成就成就硬硬件件软软件件应应用用说说 明明第三次飞跃网络与

28、多媒体DECnet / IBM LAN / Ethernet （网络）1984, Macintosh机 (多媒体)1986.Philip与Sony,CD-ROM 1987.,RCA公司，DVI（Digital Video Interactive）系统VR （虚拟现实）OODB （面向对象数据库）多种图像格式与压缩算法Internet 多媒体Internet与多媒体的结合与无限发展2022-6-16251.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构为了描述计算机系统的结构，首先要清楚地区分计算机结构和为了描述计算机系统的结构，首先要清楚地区分计算机结构和计算机组织两个概念。计算机组织两个概念。

29、计算机结构计算机结构: : 对涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所对涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所见到的计算机系统的属性，更多的情况下是指计算机的外特性。见到的计算机系统的属性，更多的情况下是指计算机的外特性。这些属性直接影响到程序的逻辑执行，主要包括指令集、表示这些属性直接影响到程序的逻辑执行，主要包括指令集、表示各种数据类型的比特数、各种数据类型的比特数、I/OI/O机制以及内存访问技术等。机制以及内存访问技术等。计算机组成计算机组成: : 计算机各部件的具体组成以及它们之间的连接关计算机各部件的具体组成以及它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。从这一点上，计算

30、机系，实现机器指令级的各种功能和特性。从这一点上，计算机组成是计算机结构的逻辑实现组成是计算机结构的逻辑实现2022-6-16261.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构计算机系统通常包括计算机系统通常包括硬件硬件和和软件软件两大部分，仅有硬件或者仅有两大部分，仅有硬件或者仅有软件，计算机系统都不能正常工作，只有两者互相配合才能实软件，计算机系统都不能正常工作，只有两者互相配合才能实现特定功能。现特定功能。计算机的层次结构计算机的层次结构既是分配软硬件功能的一种模式描述，也是既是分配软硬件功能的一种模式描述，也是分析计算机系统的较好方法分析计算机系统的较好方法 。一般将计算机系统层次结

31、构分为六层。一般将计算机系统层次结构分为六层。2022-6-16271.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构第三级2022-6-16281.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构微指令系统微指令系统在采用微程序控制方式的计算机系统中用来解释微在采用微程序控制方式的计算机系统中用来解释微程序指令。每条机器指令的功能均由微程序实现，指令的执行程序指令。每条机器指令的功能均由微程序实现，指令的执行过程就是微程序的执行过程。过程就是微程序的执行过程。传统机器传统机器只能识别只能识别机器语言机器语言，不能立刻运行程序指令。，不能立刻运行程序指令。操作系统语言机器操作系统语言机器由管理计算机

32、内部资源的各种系统软件组成。由管理计算机内部资源的各种系统软件组成。操作系统随着计算机的发展正逐渐成为系统软件的核心。操作系统随着计算机的发展正逐渐成为系统软件的核心。汇编语言机器汇编语言机器使用汇编程序翻译成机器语言，用户用汇编编写使用汇编程序翻译成机器语言，用户用汇编编写的程序可以在计算机上运行。的程序可以在计算机上运行。高级语言机器高级语言机器采用编译程序或解释程序将高级语言翻译成汇编采用编译程序或解释程序将高级语言翻译成汇编语言，所以用户用高级语言编写的程序也以在计算机上运行。语言，所以用户用高级语言编写的程序也以在计算机上运行。应用语言机器应用语言机器将面向各种不同应用的专用程序翻译

33、成高级语言。将面向各种不同应用的专用程序翻译成高级语言。从上面可以看出，在计算机层次结构的六层结构中，最下面的从上面可以看出，在计算机层次结构的六层结构中，最下面的两层属于硬件，其余四层为软件。两层属于硬件，其余四层为软件。2022-6-16291.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.1 计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成。从外观上看从外观上看，计算机系统的硬件部分主要由主机、键盘、鼠标，计算机系统的硬件部分主要由主机、键盘、鼠标和显示器等组成；和显示器等组成；从逻辑功能上看从逻辑功能上看，可以分为控制器、运算器、，可以分为控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五个部

34、分，一般地又把运算器和存储器、输入设备、输出设备五个部分，一般地又把运算器和控制器合称为中央处理器控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit,CPU) 。运算器运算器是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能是执行算是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能是执行算术逻辑运算并暂时存放中间结果；术逻辑运算并暂时存放中间结果；控制器控制器是计算机中控制指令执行的部件，向计算机各功能部件是计算机中控制指令执行的部件，向计算机各功能部件提供每一时刻运行所需控制信号，主要功能是从内存中取出一提供每一时刻运行所需控制信号，主要功能是从内存中取出一条指令，指出下一条指令在内存中位置

35、，对指令进行译码，产条指令，指出下一条指令在内存中位置，对指令进行译码，产生相应操作控制信号；指挥并控制生相应操作控制信号；指挥并控制CPU、内存和输入、内存和输入/输出设输出设备之间数据流动的方向。备之间数据流动的方向。 2022-6-16301.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.1 计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成。存储器存储器是计算机中用于存储程序和数据的部件。计算机中的全是计算机中用于存储程序和数据的部件。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据

36、控制器指定的位置存最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。入和取出信息。存储器作为存储程序和数据的部件，使得计算机有了存储器作为存储程序和数据的部件，使得计算机有了记忆记忆功能，功能，并能保证计算机正常工作。并能保证计算机正常工作。按用途按用途存储器可分为主存储器存储器可分为主存储器(内存内存)和辅助存储器和辅助存储器(外存外存)。内。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，仅用于暂时存放程序和数据，断电后数据会丢失；外存是大容仅用于暂时存放程序和数据，断电后数据会丢失；外存是大容量、永久性存

37、储器，以弥补内存的不足，如磁带、磁盘、光盘量、永久性存储器，以弥补内存的不足，如磁带、磁盘、光盘等。等。 2022-6-16311.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.1 计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成。计算机的计算机的外部设备外部设备包括输入设备、输出设备和辅助存储器等。包括输入设备、输出设备和辅助存储器等。输入设备输入设备(Input Device): 向计算机输入数据和信息的设备。是向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。计算机能够接收各种各计算机与用户或其他设备通信的桥梁。计算机能够接收各种各样的数据，如数值、符号、图形、图像、声音等

38、。样的数据，如数值、符号、图形、图像、声音等。输出设备输出设备(Output Device): 人与计算机交互的部件，用于数据人与计算机交互的部件，用于数据的输出。把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声的输出。把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。常见的有显示器、打印机、绘图仪、影像音等形式表示出来。常见的有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等输出系统、语音输出系统、磁记录设备等 。 2022-6-16321.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.1 计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成。计算机内各部件间来往的计算

39、机内各部件间来往的信号信号可分成三种类型，即可分成三种类型，即地址、数据地址、数据和控制信号和控制信号。通常这些信号是通过。通常这些信号是通过总线总线传送的传送的。2022-6-16331.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.2 计算机软件的分类计算机软件的分类。计算机软件计算机软件是指计算机系统中的是指计算机系统中的程序程序和和文档文档。 程序程序是对计算任务的处理对象和处理规则的描述；是对计算任务的处理对象和处理规则的描述； 文档文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料。是为了便于了解程序所需的阐明性资料。计算机软件按面向对象不同可计算机软件按面向对象不同可分为两类分为两类：

40、 (1) 系统软件系统软件：用于实现系统功能、管理系统的软件，为了便：用于实现系统功能、管理系统的软件，为了便于人们使用计算机而设计。系统软件管理整个计算机系统，合于人们使用计算机而设计。系统软件管理整个计算机系统，合理分配系统资源，确保计算机正确高效地运行。常用的系统软理分配系统资源，确保计算机正确高效地运行。常用的系统软件有：操作系统、编译器、解释器、汇编器等。件有：操作系统、编译器、解释器、汇编器等。 (2) 应用软件应用软件：面向用户的、针对某种特定应用而开发的软件。：面向用户的、针对某种特定应用而开发的软件。这类软件通常是实现用户的某类需求。如安装在操作系统下的这类软件通常是实现用户

41、的某类需求。如安装在操作系统下的各类应用软件，用于企业的各类资源管理软件各类应用软件，用于企业的各类资源管理软件 。 2022-6-16341.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.3 计算机的工作过程计算机的工作过程。简单地说，简单地说，计算机的工作过程就是执行程序的过程计算机的工作过程就是执行程序的过程。程序是由。程序是由一系列的机器指令构成，是一个特定的指令序列，指令则就是一系列的机器指令构成，是一个特定的指令序列，指令则就是一组二进制信息的代码。一组二进制信息的代码。计算机的工作过程就是将编制好的程序经过输入设备存放到主计算机的工作过程就是将编制好的程序经过输入设备存放到

42、主存储器中，并将程序存放的首地址传送到控制器中，它首先将存储器中，并将程序存放的首地址传送到控制器中，它首先将指令从存储器读到指令寄存器，称为指令从存储器读到指令寄存器，称为取指阶段取指阶段。接着，它分析。接着，它分析这条指令，指出指令要完成的操作，并指明操作数的地址，这这条指令，指出指令要完成的操作，并指明操作数的地址，这个阶段成为个阶段成为分析阶段分析阶段。最后根据指令分析的结果完成某种操作，。最后根据指令分析的结果完成某种操作，称为称为执行阶段执行阶段。计算机的工作过程就是。计算机的工作过程就是取指令、分析指令、执取指令、分析指令、执行指令行指令，如此周而复始的过程，如此周而复始的过程

43、。 2022-6-16351.3 计算机的性能指标计算机的性能指标计算机性能指标由其体系结构、采用的器件、外围设备配置以计算机性能指标由其体系结构、采用的器件、外围设备配置以及系统软件资源等多方面因素决定。及系统软件资源等多方面因素决定。衡量一台计算机性能的好坏，要综合多项指标。衡量一台计算机性能的好坏，要综合多项指标。本节主要讨论计算机硬件的性能指标。本节主要讨论计算机硬件的性能指标。2022-6-16361.3 计算机的性能指标计算机的性能指标1.3.1 机器字长机器字长机器字长是指机器字长是指CPU一次能处理二进制数据的位数，实际上指该一次能处理二进制数据的位数，实际上指该计算机中的计算

44、机中的运算器的位数运算器的位数。如某机器字长。如某机器字长32位，表示该机器中，位，表示该机器中，每次能完成两个每次能完成两个32位二进制数的运算。位二进制数的运算。通常，机器字长越长，计算机的运算能力越强，其运算精度也通常，机器字长越长，计算机的运算能力越强，其运算精度也越高。例如，酷睿越高。例如，酷睿i系列系列CPU的机器字长为的机器字长为64位位 。通常称处理字长为通常称处理字长为8位数据的位数据的CPU叫叫8位位CPU，32位位CPU就是在就是在同一时间内处理字长为同一时间内处理字长为32位的二进制数据。字长总是位的二进制数据。字长总是8的整数的整数倍，早期的微机字长一般是倍，早期的微

45、机字长一般是8位和位和16位，位，386以及更高的处理器以及更高的处理器大多是大多是32位。目前市面上计算机的处理器大部分已达到位。目前市面上计算机的处理器大部分已达到64位，位，但目前操作系统大多是但目前操作系统大多是32位的，很多时候，在位的，很多时候，在32位软件系统中位软件系统中64位字长的位字长的CPU只能当只能当32位用。位用。 2022-6-16371.3 计算机的性能指标计算机的性能指标1.3.2 运算速度运算速度CPU的的主频主频( f )，即，即CPU内部的工作频率，表示在内部的工作频率，表示在CPU内内数数字脉冲信号震荡的速度，与字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能

46、力并没有直接实际的运算能力并没有直接关系，但与关系，但与CPU实际的运算速度存在一定的关系。主频仅是实际的运算速度存在一定的关系。主频仅是CPU性能表现的一个方面，不能代表性能表现的一个方面，不能代表CPU整体性能。整体性能。除了除了CPU主频之外，还有一种工作频率，称为外部工作频率，主频之外，还有一种工作频率，称为外部工作频率，简称简称外频外频。它是由。它是由主板为主板为CPU提供的提供的基准时钟频率，它表示基准时钟频率，它表示的是系统总线的工作频率；而倍频则是指的是系统总线的工作频率；而倍频则是指CPU外频与主频相外频与主频相差的倍数。三者是密切关系：差的倍数。三者是密切关系：主频主频=外

47、频外频倍频倍频 。2022-6-16381.3 计算机的性能指标计算机的性能指标1.3.2 运算速度运算速度FSB:前端总线前端总线, 指指CPU与北桥与北桥芯片间的数据传输总线。芯片间的数据传输总线。FSB频率一般是外频的若干倍，频率一般是外频的若干倍，如对于如对于P4，FSB频率频率=CPU外外频频*4 , 现在主流主板中常见现在主流主板中常见 的的FSB有有1333M、800M、533M、400M和和333M等几种。等几种。右图为典型芯片组规划右图为典型芯片组规划2022-6-16391.3 计算机的性能指标计算机的性能指标1.3.2 运算速度运算速度时钟周期时钟周期(T) : CPU内

48、部时钟频率的倒数，这是内部时钟频率的倒数，这是CPU执行操作执行操作的最小时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。以的最小时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。以PC微处理器为例，微处理器为例，8086和和8088执行一条指令平均需执行一条指令平均需12个时钟周个时钟周期期 ，80286和和80386速度提高，每条指令约需速度提高，每条指令约需4.5个时钟周期；个时钟周期；80486的每条指令大约的每条指令大约2个时钟周期；个时钟周期；Pentium具有双指令流具有双指令流水线，每个时钟周期执行水线，每个时钟周期执行12条指令；条指令；Pentuim Pro、Pentium II/III每个

49、时钟周期可执行每个时钟周期可执行3条或更多条指令。条或更多条指令。CPU的主频与的主频与CPU时钟周期互为倒数，即时钟周期互为倒数，即 f =1/T 。2022-6-16401.3 计算机的性能指标计算机的性能指标1.3.2 运算速度运算速度CPU执行时间执行时间表示表示CPU执行某段程序所需的时间，通常用执行某段程序所需的时间，通常用tCPU表示。可以用下式表示：表示。可以用下式表示： CPU执行时间执行时间 CPU时钟周期数时钟周期数 CPU时钟周期长时钟周期长 CPI(Cycles Per Instruction)表示执行一条指令所需的时钟周表示执行一条指令所需的时钟周期数。计算公式如下

50、：期数。计算公式如下：该程序包含的指令条数时钟周期数CPU执行某段程序所需的CPI 2022-6-16411.3 计算机的性能指标计算机的性能指标1.3.2 运算速度运算速度MIPS（Million Instructions Per Second）：每秒执行多少百）：每秒执行多少百万条指令，定义为：万条指令，定义为： MFLOPS（Million Floating-point Opereation Per Second）：）：每秒执行多少百万次浮点运算。定义为：每秒执行多少百万次浮点运算。定义为：610MIPS执行时间指令条数610MFLOPS执行时间浮点操作次数2022-6-16421.3