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1、第第1章计算机系统概章计算机系统概论论第1页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/162本章学习内容计算机的发展历史计算机的发展历史 计算机系统的硬件组成计算机系统的硬件组成 计算机的软件系统计算机的软件系统 计算机系统的组织结构计算机系统的组织结构 计算机的特点和性能指标计算机的特点和性能指标 计算机的分类与应用计算机的分类与应用 第2页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1631.1 1.1 计算机的发展历史计算机的发展历史 1.1.1 计算机硬件的发展计算机硬件的发展通常将计算机的发展按通常将计算机的发展按“代代”划分为五个发划分为五个发展阶段。展阶段。1.
2、电子管时代电子管时代（20世纪世纪40年代中期年代中期 50年代中期）年代中期）2.晶体管时代晶体管时代（20世纪世纪50年代末期年代末期 60年代中期）年代中期）3.中、小规模集成电路时代中、小规模集成电路时代（20世纪世纪60年代中期年代中期 70年代年代中期）中期）4.超大规模集成电路时代超大规模集成电路时代（20世纪世纪70年代中期年代中期 90年代年代初期）初期）5.超级规模集成电路时代超级规模集成电路时代（20世纪世纪90年代初期年代初期 目前）目前）第3页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/164电子管时代（电子管时代（19461959）运算速度：运算速度：5千千
3、4万（次万（次/秒秒）在电子管时代，计算机以电在电子管时代，计算机以电子管作为基本逻辑单元，主子管作为基本逻辑单元，主存储器采用汞延迟线、磁鼓存储器采用汞延迟线、磁鼓等材料，数据用定点表示。等材料，数据用定点表示。第4页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/165USA ENIAC第5页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/166晶体管时代晶体管时代（19571964）运算速度：运算速度：几十万百万（次几十万百万（次/秒）秒）第6页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/167晶体管时代的计算机主要以晶体管代替晶体管时代的计算机主要以晶体管代替电子管作为
4、基本逻辑元件，主存储器由电子管作为基本逻辑元件，主存储器由磁芯构成，引入了浮点运算硬件加强科磁芯构成，引入了浮点运算硬件加强科学计算能力。学计算能力。第7页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/168第一台小型计算机第一台小型计算机 PDP-8 第8页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/169中小规模集成电路时代中小规模集成电路时代（19651975）运算速度：百万几百万（次运算速度：百万几百万（次/秒）秒）第9页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1610在中小规模集成电路（在中小规模集成电路（MSI、SSI）时代，）时代，集成电路器件成为了计算
5、机的主要逻辑集成电路器件成为了计算机的主要逻辑元件，由半导体存储器替代磁芯存储器元件，由半导体存储器替代磁芯存储器作为主存储器。此阶段采用多处理器并作为主存储器。此阶段采用多处理器并行结构的大型、巨型机和物美价廉的小行结构的大型、巨型机和物美价廉的小型机得到快速发展。型机得到快速发展。第10页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1611采用了采用了Intel8080的个人电脑的个人电脑Altair8800第11页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1612超大规模集成电路时代（超大规模集成电路时代（19751990）运算速度：几百万几千万亿（次运算速度：几百万几
6、千万亿（次/秒）秒）第12页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1613这一阶段集成电路的集成度进一步提高，这一阶段集成电路的集成度进一步提高，超规模、大规模电路（超规模、大规模电路（VLSI、LSI）被）被广泛应用于计算机。采用并行技术、多广泛应用于计算机。采用并行技术、多机系统和分布式计算技术、机系统和分布式计算技术、RISC指令集指令集等极大地提高了计算机系统的性能等极大地提高了计算机系统的性能。此此时按照计算机性能和规模，划分出了巨时按照计算机性能和规模，划分出了巨型机、型机、大型机、小型机、微型机和便携大型机、小型机、微型机和便携机等不同的类型。机等不同的类型。第13
7、页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16142011全球超级计算机全球超级计算机500强强http:/www.top500.org/2011年年6月月20日国际日国际TOP 500组织评出了最组织评出了最新全球超级计算机新全球超级计算机500强。强。由日本政府出资、由日本政府出资、日本物理化学研究所和日本物理化学研究所和富富士通公司联合开发制造的巨型计算机士通公司联合开发制造的巨型计算机“京京”(K Computer)，排名首位。，排名首位。由由中国高技术研究发展计划和天津滨海新由由中国高技术研究发展计划和天津滨海新区共同资助，国防科技大学开发研制的超级区共同资助，国防科技大
8、学开发研制的超级计算机计算机“天河一号天河一号”(TH-1A)位列第二。位列第二。第14页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1615京（京（K Computer）第15页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1616京（京（K Computer）名字来源于中文数字单位名字来源于中文数字单位“京京”，即，即10的的16次方。次方。是日本是日本2006年开始的年开始的“通用京速（每秒万万亿次）通用京速（每秒万万亿次）计算机计算机”研发项目的成果。目前位于日本神户的日研发项目的成果。目前位于日本神户的日本物理化学研究所内。本物理化学研究所内。“京京”的实际最大性能为的
9、实际最大性能为8.162PFlops(8.162千万亿次千万亿次)，峰值性能为，峰值性能为8.77363PFlops。日方计划到。日方计划到2012年组年组装完成时，其运算能力将达到万万亿次。装完成时，其运算能力将达到万万亿次。第16页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1617超级计算机超级计算机“京京”由由68544个个SPARC64 VIIIfx处理器组成，每个处理处理器组成，每个处理器均内置器均内置8个内核，总内个内核，总内核数量为核数量为548352个。个。目前超级计算机目前超级计算机“京京”仍仍在建造之中，将于在建造之中，将于2012年年11月投入运行，届时处理月投
10、入运行，届时处理器数量将增加到器数量将增加到8万个。万个。第17页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1618天河一号天河一号(TH-1A)第18页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1619天河一号天河一号(TH-1A)2009年由国防科技大学研制开发的天河一号年由国防科技大学研制开发的天河一号(TH-1)是我国自主研制的第一台计算机能力达到到千万亿是我国自主研制的第一台计算机能力达到到千万亿次的超级计算机，在次的超级计算机，在2009年年11月世界超级计算机月世界超级计算机TOP500排名中，位列亚洲第一、世界第五。排名中，位列亚洲第一、世界第五。天河天河-
11、1A于于2010年年8月在国家超级计算天津中心在月在国家超级计算天津中心在TH-1的基础上升级完成。实际最大性能为为的基础上升级完成。实际最大性能为为2.566PFlops，峰值性能为，峰值性能为4.7PFlops。在。在2010年年11月月世界超级计算机世界超级计算机TOP500排名中位列世界第一，在排名中位列世界第一，在2011年年6月的月的TOP500排名中位列世界第二排名中位列世界第二。第19页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1620第20页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1621YH-1A的计算处理系统包含的计算处理系统包含7168个计算个计算
12、结点和结点和1024个服务结点。个服务结点。每个计算结点包含每个计算结点包含2路英特尔路英特尔CPU和一路和一路英伟达英伟达GPU，每个服务结点包含，每个服务结点包含2路飞腾路飞腾CPU。全系统包括全系统包括23552个微处理器，其中个微处理器，其中CPU核核102400个，个，GPU核核100352个。个。第21页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1622在本届在本届500强榜单中，美国领导着世界强榜单中，美国领导着世界HPC（高性能计算）的最新潮流。（高性能计算）的最新潮流。500强中，美国强中，美国256台、中国台、中国62台、德国台、德国30台、英国台、英国27台、日
13、本台、日本26台、法国台、法国25台。台。在前在前10强中，中国的天河一号和曙光星强中，中国的天河一号和曙光星云分列第二和第四位。云分列第二和第四位。第22页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16231.1.2 1.1.2 计算机软件的发展计算机软件的发展1.汇编语言阶段汇编语言阶段 （20世纪世纪50年代）年代）2.程序批处理阶段（程序批处理阶段（20世纪世纪60年代）年代）3.分时多用户阶段（分时多用户阶段（20世纪世纪70年代）年代）4.分布式管理阶段（分布式管理阶段（20世纪世纪80年代）年代）5.软件重用阶段软件重用阶段 （20世纪世纪90年代）年代）6.Web服务
14、阶段服务阶段 （21世纪初期）世纪初期）第23页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16241.2 1.2 计算机硬件系统计算机硬件系统个完整的计算机系统由硬件和软件两大个完整的计算机系统由硬件和软件两大系统组成。系统组成。计算机系统计算机系统硬件系统硬件系统组成一台计算机的各种组成一台计算机的各种物理装置以及它们的设物理装置以及它们的设计与实现技术计与实现技术软件系统软件系统泛指计算机系统中使用泛指计算机系统中使用的各种程序和文件的各种程序和文件第24页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16251.2.1 1.2.1 计算机计算机硬件硬件系统的功能部件系统的
15、功能部件计算机的基本功能主要包括计算机的基本功能主要包括:数据加工、数据保存、数据传送和操作数据加工、数据保存、数据传送和操作控制等。控制等。为了实现这些基本功能，计算机必须要为了实现这些基本功能，计算机必须要有相应的功能部件（硬件）承担有关工有相应的功能部件（硬件）承担有关工作。作。第25页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1626第26页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1627计算机硬件系统主要包括计算机硬件系统主要包括计算机的计算机的五大部件五大部件以及将它们组织成计算机以及将它们组织成计算机系统的系统的体系结构体系结构。第27页，共113页，编辑于
16、2022年，星期一2022/9/16281.1.输入设备输入设备输入设备的主要功能：将程序和数据以输入设备的主要功能：将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入到机器所能识别和接受的信息形式输入到计算机内。计算机内。常见的输入设备有：键盘、扫描仪、语常见的输入设备有：键盘、扫描仪、语音输入设备、手写笔、触摸屏、音输入设备、手写笔、触摸屏、鼠标、鼠标、数码摄像设备等。数码摄像设备等。第28页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16292.2.输出设备输出设备输出设备的主要功能：输出设备的主要功能：将计算机处理的结果以人们所能接受的将计算机处理的结果以人们所能接受的信息形式或其
17、它系统所要求的信息形式信息形式或其它系统所要求的信息形式输出。输出。最常见的输出设备有：显示器、打印机、最常见的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪绘图仪、音箱等。、音箱等。计算机的输入、输出设备简称为计算机的输入、输出设备简称为I/O设备设备。第29页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1630存储器是计算机的存储部件，用于存放程序和数据，存储器是计算机的存储部件，用于存放程序和数据，是计算机存储信息的核心。是计算机存储信息的核心。存储器可分为：存储器可分为：主存储器主存储器(也称内存储器，简称内存、主存也称内存储器，简称内存、主存)CPU能够直接访问、速度快、容量小、易失性存
18、储器能够直接访问、速度快、容量小、易失性存储器 辅助存储器辅助存储器(也称外存储器，简称外存、辅存也称外存储器，简称外存、辅存)CPU不能直接访问的大容量、速度较慢、非易失性存不能直接访问的大容量、速度较慢、非易失性存储器。储器。辅助存储器帮助主存记忆更多的信息，辅助存储器辅助存储器帮助主存记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能为中的信息必须调入主存后，才能为CPU所使用。所使用。3.3.存储器存储器第30页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1631运算器是计算机的执行部件，用于完成算术逻辑运算运算器是计算机的执行部件，用于完成算术逻辑运算以及对数据的加工处理
19、。以及对数据的加工处理。运算器的核心是算术逻辑部件运算器的核心是算术逻辑部件 ALU(Arithmetic and Logical Unit)。运算器中设有若干寄存器，用于暂存操作数据和中间运算器中设有若干寄存器，用于暂存操作数据和中间结果。结果。由于寄存器往往兼备多种用途，如用作累加器、变址由于寄存器往往兼备多种用途，如用作累加器、变址寄存器、基址寄存器等，所以通常称为寄存器、基址寄存器等，所以通常称为通用寄存器通用寄存器。4 4运算器运算器第31页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1632运算器的简单框图运算器的简单框图第32页，共113页，编辑于2022年，星期一202
20、2/9/1633控制器是整个计算机的指挥中心。用于控制整个计算控制器是整个计算机的指挥中心。用于控制整个计算机系统中的各部件有条不紊地进行工作。机系统中的各部件有条不紊地进行工作。计算机控制器是根据事先编好的程序进行指挥的。计算机控制器是根据事先编好的程序进行指挥的。程序：程序：就是解题步骤，控制器按着事先安排好的解题就是解题步骤，控制器按着事先安排好的解题步骤，控制计算机各个部件有条不紊地自动工作。步骤，控制计算机各个部件有条不紊地自动工作。程序按指令序列的形式存放在存储器中，控制器依程序按指令序列的形式存放在存储器中，控制器依次读出存储器中存放的程序指令实施控制。次读出存储器中存放的程序指
21、令实施控制。这种工作方式称为这种工作方式称为存储程序方式存储程序方式。5 5控制器控制器(CU)重点第33页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16341.2.2 1.2.2 冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机 存储程序概念是美国数学家冯存储程序概念是美国数学家冯诺依曼（诺依曼（John von Neumann）于）于1946年首先提出来的，它奠定了现代计年首先提出来的，它奠定了现代计算机的结构基础。算机的结构基础。尽管几十年来，计算机体系结构发生许多重大变革，尽管几十年来，计算机体系结构发生许多重大变革，但存储程序的概念仍是普遍采用的结构原则，现在但存储程序的概念仍是普遍采用的结构
22、原则，现在广泛应用的计算机仍属于冯广泛应用的计算机仍属于冯诺依曼的结构格式。诺依曼的结构格式。第34页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1635John von Neumann第35页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1636冯冯诺依曼思想的基本要点：诺依曼思想的基本要点：(1)(1)采用二进制形式表示数据和指令采用二进制形式表示数据和指令指令是程序的基本单位，程序是若干指令的指令是程序的基本单位，程序是若干指令的有序集合有序集合。冯。冯诺依曼结构计算机中，指令诺依曼结构计算机中，指令与数据均以二进制代码的形式同存于存储器与数据均以二进制代码的形式同存于存储
23、器中。中。1.1.存储程序思想存储程序思想 第36页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1637(2)(2)采用存储程序方式采用存储程序方式存储程序方式存储程序方式：在用计算机解题之前，事先编制好：在用计算机解题之前，事先编制好程序，并连同所需的数据预先存入主存储器中。在解程序，并连同所需的数据预先存入主存储器中。在解题过程题过程(运行程序运行程序)中，由控制器按照事先编好并存入中，由控制器按照事先编好并存入存储器中的程序自动地、连续地从存储器中依次取存储器中的程序自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行，直到获得所要求的结果为止。出指令并执行，直到获得所要求的结果为止。存储
24、程序方式是冯存储程序方式是冯诺依曼思想的核心，是计算机能诺依曼思想的核心，是计算机能高速自动运行的基础。高速自动运行的基础。第37页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1638(3)(3)计算机由输入设备、输出设备、运计算机由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五大部件组成。算器、存储器和控制器五大部件组成。CPU：运算器和控制器的统称。运算器和控制器的统称。计算机主机：计算机主机：CPU与主存储器与主存储器(内存内存)的统称。的统称。I/O设备设备：输入设备、输出设备、外存储器的统称为计：输入设备、输出设备、外存储器的统称为计算机的外部设备，简称为算机的外部设备，简称为
25、I/O设备。设备。第38页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16392.2.早期的冯早期的冯诺依曼计算机诺依曼计算机 在微处理器问世之前，运算器和控制器在微处理器问世之前，运算器和控制器是两个分离的功能部件，加上当时存储是两个分离的功能部件，加上当时存储器还是以磁芯存储器为主，计算机存储器还是以磁芯存储器为主，计算机存储的信息量较少，因此早期冯的信息量较少，因此早期冯诺依曼提出诺依曼提出的计算机结构是的计算机结构是以运算器为中心以运算器为中心的，其的，其它部件都通过运算器完成信息的传递。它部件都通过运算器完成信息的传递。第39页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/
26、9/1640早期的冯早期的冯诺依曼计算机组织结构图诺依曼计算机组织结构图 第40页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16413.3.现代计算机组织结构现代计算机组织结构 随着微电子技术的进步，人们成功地研制出了微处理随着微电子技术的进步，人们成功地研制出了微处理器。微处理器将运算器和控制器两个主要功能部件合器。微处理器将运算器和控制器两个主要功能部件合二为一，集成到一个芯片里。同时随着半导体存储器二为一，集成到一个芯片里。同时随着半导体存储器代替磁芯存储器，存储容量成倍地扩大，加上需要计代替磁芯存储器，存储容量成倍地扩大，加上需要计算机处理、加工的信息量与日俱增，以运算器为中
27、心算机处理、加工的信息量与日俱增，以运算器为中心的结构已不能满足计算机发展的需求，甚至会影响计的结构已不能满足计算机发展的需求，甚至会影响计算机的性能。算机的性能。为适应发展的需要，现代计算机组织结构逐步转变为为适应发展的需要，现代计算机组织结构逐步转变为以存储器为中心以存储器为中心。第41页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1642第42页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1643现代计算机的基本结构仍然遵循冯现代计算机的基本结构仍然遵循冯诺依曼思想诺依曼思想第43页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16441.3 1.3 计算机软件系统
28、计算机软件系统 软件的作用软件的作用 软件在计算机系统中起着指挥和管理的作用。软件在计算机系统中起着指挥和管理的作用。软件是计算机用户和硬件的接口界面。软件是计算机用户和硬件的接口界面。软件是计算机系统结构设计的主要依据。软件是计算机系统结构设计的主要依据。在计算机系统中，各种软件的有机组合构成了在计算机系统中，各种软件的有机组合构成了软件系统软件系统。基本的软件系统应包括基本的软件系统应包括系统软件系统软件与与应用软件应用软件两大类。两大类。第44页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16451.3.1 1.3.1 系统软件系统软件 系系统统软软件件是是一一组组保保证证计计算
29、算机机系系统统高高效效、正正确确运运行行的的基基础础软软件件，通通常常作作为为系系统统资资源源提提供供给给用用户户使使用用。系系统统软软件主要包括：件主要包括：操作系统操作系统语言处理系统语言处理系统数据库管理系统数据库管理系统分布式软件系统分布式软件系统 网络软件系统网络软件系统 各种服务程序各种服务程序第45页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16461.3.2 1.3.2 应用软件应用软件 应用软件是指用户为解决某个应用领域中的各类问应用软件是指用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序。题而编制的程序。应用软件包括各种科学计算类程序、工程设计类应用软件包括各种科学
30、计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序、情报检索程序、企程序、数据统计与处理程序、情报检索程序、企业管理程序、生产过程控制程序等。业管理程序、生产过程控制程序等。由于计算机已应用到各种领域，因而应用程序是由于计算机已应用到各种领域，因而应用程序是多种多样，极其丰富的。目前应用软件正向标准多种多样，极其丰富的。目前应用软件正向标准化、集成化方向发展，许多通用的应用程序可以化、集成化方向发展，许多通用的应用程序可以根据其功能组成不同的应用软件包供用户选择使根据其功能组成不同的应用软件包供用户选择使用。用。第46页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16471.4 1.4 计
31、算机系统的组织结构计算机系统的组织结构 1.4.1 1.4.1 硬件与软件的关系硬件与软件的关系 计算机系统由硬件、软件两大部分组成。硬件和计算机系统由硬件、软件两大部分组成。硬件和软件是紧密相关、缺一不可的整体。软件是紧密相关、缺一不可的整体。硬件是计算机系统的物质基础硬件是计算机系统的物质基础。没有硬件，再好的软件也无法运行；没有强有力的没有硬件，再好的软件也无法运行；没有强有力的硬件支持，就不可能编制出高质量、高效率的软件；硬件支持，就不可能编制出高质量、高效率的软件；没有好的硬件环境，一些先进的软件也无法运行。没有好的硬件环境，一些先进的软件也无法运行。软件是计算机系统的灵魂软件是计算
32、机系统的灵魂。没有软件，再好的硬件也毫无用途；没有高质量的软没有软件，再好的硬件也毫无用途；没有高质量的软件，硬件也不可能充分发挥它的效率。件，硬件也不可能充分发挥它的效率。第47页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1648虽然在一个具体的计算机系统中，硬件、虽然在一个具体的计算机系统中，硬件、软件是紧密相关、缺一不可的，但是对软件是紧密相关、缺一不可的，但是对某一具体功能来说，可以用硬件实现，某一具体功能来说，可以用硬件实现，也可以用软件实现，这就是也可以用软件实现，这就是硬件、软件硬件、软件在逻辑功能上的等效在逻辑功能上的等效。硬件、软件在逻辑功能上等效硬件、软件在逻辑功
33、能上等效第48页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1649硬件、软件在逻辑功能上的等效硬件、软件在逻辑功能上的等效除基本操作外，任何由硬件实现的操作，除基本操作外，任何由硬件实现的操作，在原理上，均可用软件来实现；同样，在原理上，均可用软件来实现；同样，任何由软件实现的操作，在原理上都可任何由软件实现的操作，在原理上都可硬化由硬件来实现硬化由硬件来实现。例：乘除运算早期均由软件编程实现。例：乘除运算早期均由软件编程实现。现已由硬件乘、除法器实现。现已由硬件乘、除法器实现。例：在微小型机中，为了降低系统复杂例：在微小型机中，为了降低系统复杂程度和成本，将一些在巨型、大型机中程度
34、和成本，将一些在巨型、大型机中由硬件实现的功能由软件编程实现。由硬件实现的功能由软件编程实现。第49页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1650硬件的软化硬件的软化：将由硬件实现的功能用软件实现。将由硬件实现的功能用软件实现。软件的硬化软件的硬化：将由软件实现的功能用硬件实现。将由软件实现的功能用硬件实现。固件：固件：载有在用户环境中不能加以改变的程序及数据的器载有在用户环境中不能加以改变的程序及数据的器件。件。将复杂且常用的程序写入只读存储器就构成了固件。将复杂且常用的程序写入只读存储器就构成了固件。固件从功能上看是软件，但从形态上看是硬件。固件从功能上看是软件，但从形态上
35、看是硬件。例如，例如，PC机中的主板机中的主板BIOS、显卡、显卡BIOS，网卡，网卡BOOT ROM等都属于固件。等都属于固件。第50页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1651硬件软件的功能分配硬件软件的功能分配在设计一个计算机系统时，必须根据设在设计一个计算机系统时，必须根据设计要求、现实技术与器件条件，首先确计要求、现实技术与器件条件，首先确定哪些功能直接由硬件实现，哪些功能定哪些功能直接由硬件实现，哪些功能通过软件实现。这就是硬件、软件的功通过软件实现。这就是硬件、软件的功能分配。能分配。随着电子技术的发展，可以使软件逐渐随着电子技术的发展，可以使软件逐渐“固化固化
36、”乃至乃至“硬化硬化”。所以设计计算。所以设计计算机系统时必须首先解决机系统时必须首先解决硬、软件的功能硬、软件的功能分配问题。分配问题。第51页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16521.4.2 1.4.2 计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构 现代的计算机是一个硬件与软件组成的综合体。由现代的计算机是一个硬件与软件组成的综合体。由于面对的应用范围越来越广，所以必须有复杂的系于面对的应用范围越来越广，所以必须有复杂的系统软件和硬件的支持。统软件和硬件的支持。由于软件、硬件的设计者和使用者是从不同的角度，由于软件、硬件的设计者和使用者是从不同的角度，以各种不同的
37、语言来对待同一个计算机系统。因此，以各种不同的语言来对待同一个计算机系统。因此，他们各自看到的计算机系统的属性及对计算机系统提他们各自看到的计算机系统的属性及对计算机系统提出的要求也就不一样。出的要求也就不一样。如硬件设计人员要求机器能够高速有效地执行机如硬件设计人员要求机器能够高速有效地执行机器指令所规定的各种操作。而高级语言使用者则器指令所规定的各种操作。而高级语言使用者则关心机器能否提供高效方便的编程环境。关心机器能否提供高效方便的编程环境。第52页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1653对不同的对象而言，一个计算机系统就对不同的对象而言，一个计算机系统就成为成为实现
38、不同语言的、具有不同属性实现不同语言的、具有不同属性的的机器。机器。假如在软件、硬件之间，系统设计者和假如在软件、硬件之间，系统设计者和使用者之间不能很好地协调、配合，就使用者之间不能很好地协调、配合，就会大大影响系统的性能与效率。会大大影响系统的性能与效率。第53页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1654计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构根据从各种角度所看到的机器之间的有根据从各种角度所看到的机器之间的有机关系，可以将计算机系统分为机关系，可以将计算机系统分为多级层多级层次结构次结构。目的目的：分清各级层次结构彼此之间的界：分清各级层次结构彼此之间的界面，明
39、确各自的功能，以便构成合理、面，明确各自的功能，以便构成合理、高效的计算机系统。高效的计算机系统。第54页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1655第55页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1656第第 0 级级 硬件操作时序硬件操作时序实际的硬件层，是硬件组成的实体。实际的硬件层，是硬件组成的实体。第第 1 级级 微程序机器层微程序机器层实际的硬件层，它由机器硬件直接执行微指令。实际的硬件层，它由机器硬件直接执行微指令。第第 2 级级 传统机器语言层传统机器语言层实际的硬件层，由微程序解释机器指令系统。实际的硬件层，由微程序解释机器指令系统。第第 3 级级
40、 操作系统层操作系统层由操作系统程序实现。操作系统程序是由机器指由操作系统程序实现。操作系统程序是由机器指令和广义指令组成的。其中广义指令是为扩展机令和广义指令组成的。其中广义指令是为扩展机器功能而设置的，是由操作系统定义和解释的软器功能而设置的，是由操作系统定义和解释的软件指令。这一层也称为混合层。件指令。这一层也称为混合层。第56页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1657第第 4 级级 汇编语言层汇编语言层汇编语言是一种符号形式语言，用户借此可编写汇编语言是一种符号形式语言，用户借此可编写汇编语言源程序。这一层由汇编程序支持和执行。汇编语言源程序。这一层由汇编程序支持和
41、执行。第第 5 级级 高级语言层高级语言层高级语言层为方便用户编写各类应用程序而设置的。高级语言层为方便用户编写各类应用程序而设置的。它是面向用户的。该层由各种高级语言编译程序支持它是面向用户的。该层由各种高级语言编译程序支持和执行。和执行。第第 6 级级 应用语言层应用语言层应用语言层是直接面向某个应用领域，为方便用户应用语言层是直接面向某个应用领域，为方便用户编写该应用领域的应用程序而设置的。由相应的应编写该应用领域的应用程序而设置的。由相应的应用软件包支持和执行。用软件包支持和执行。第57页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1658高级语言程序高级语言程序CAB汇编语言
42、程序汇编语言程序MOV AL，AADD AL，BMOV C，AL机器语言程序机器语言程序1000H000000011001H000000101002H000000000000H101000000001H000000000002H000100000003H000000100004H000000010005H000100000006H100010000007H000001100008H000000100009H00010000第58页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1659在多级层次结构中，第在多级层次结构中，第0、1、2级是级是实机实机器器，上面几层均为，上面几层均为虚机器（
43、虚拟机）虚机器（虚拟机）。虚机器虚机器：是指用软件技术构成的机器。：是指用软件技术构成的机器。虚机器建立在实机器的基础上，利用软件虚机器建立在实机器的基础上，利用软件技术扩充实机器的功能。从整体看就好像技术扩充实机器的功能。从整体看就好像有了一台更强功能的机器，所以称它为虚有了一台更强功能的机器，所以称它为虚机器。机器。机器语言层和操作系统层是虚、实机器的机器语言层和操作系统层是虚、实机器的分界面。分界面。软、硬件功能的分配，决定了虚、实机器软、硬件功能的分配，决定了虚、实机器的界面。的界面。第59页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1660利用多级层次结构观点，可以在设计计
44、利用多级层次结构观点，可以在设计计算机系统时，明确哪些功能由硬件完成，算机系统时，明确哪些功能由硬件完成，哪些功能由软件完成。同样还可以明确哪些功能由软件完成。同样还可以明确在虚机器中各层次应完成的功能，上级在虚机器中各层次应完成的功能，上级应得到下级的哪些支持。应得到下级的哪些支持。多级层次结构观点，对于了解掌握计算多级层次结构观点，对于了解掌握计算机的组成，设计一个良好的计算机系统机的组成，设计一个良好的计算机系统结构有很大的帮助。结构有很大的帮助。第60页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16611.4.3 1.4.3 计算机硬件系统的组织计算机硬件系统的组织 如何把五
45、大基本部件互连起来构成计算如何把五大基本部件互连起来构成计算机的硬件系统，是机的硬件系统，是计算机硬件系统的组计算机硬件系统的组织问题织问题。在计算机的五大部件之间，有大量的信在计算机的五大部件之间，有大量的信息需要传送，息需要传送，如何实现信息的传送，取如何实现信息的传送，取决于数据通路的逻辑结构决于数据通路的逻辑结构。早期的计算机往往在各部件之间直接连早期的计算机往往在各部件之间直接连接传送线路，数据通路复杂、零乱，控接传送线路，数据通路复杂、零乱，控制不便，而且没有多少扩展余地。制不便，而且没有多少扩展余地。第61页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1662总线结构总线
46、结构现在的计算机普遍采用总线结构。现在的计算机普遍采用总线结构。1.1.总线总线：一组可为多个功能部件共享的公共信息传送线路。一组可为多个功能部件共享的公共信息传送线路。2.2.总线的使用规定总线的使用规定 共享总线的各个部件必须分时使用总线发送共享总线的各个部件必须分时使用总线发送信息，保证总线上的信息在任何时候都是唯一的。信息，保证总线上的信息在任何时候都是唯一的。总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲突，且总总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲突，且总线上的各部件可以共享总线信息。线上的各部件可以共享总线信
47、息。第62页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1663按总线的任务分按总线的任务分(1)CPU内部总线内部总线 这是一级数据线，用于连接这是一级数据线，用于连接CPU内部各寄存器和内部各寄存器和算术逻辑部件。在微型计算机系统中，算术逻辑部件。在微型计算机系统中，CPU内内部总线也就是芯片内的总线。部总线也就是芯片内的总线。(2)部件内总线部件内总线 在计算机中各功能模块插件上芯片之间的总线。在计算机中各功能模块插件上芯片之间的总线。属于芯片间的总线。如内存条、声卡等插件上的总属于芯片间的总线。如内存条、声卡等插件上的总线。线。3.3.总线的分类总线的分类第63页，共113页，
48、编辑于2022年，星期一2022/9/1664(3)(3)系统总线系统总线连接系统内各大部件如连接系统内各大部件如CPU、主存、主存、I/O设备等的总设备等的总线，是连接整机系统的基础。系统总线包括地址总线、线，是连接整机系统的基础。系统总线包括地址总线、数据总线、控制数据总线、控制/状态总线。状态总线。(4)外总线外总线计算机系统之间或计算机系统与其它系统之间的计算机系统之间或计算机系统与其它系统之间的通信总线。外总线往往借用电子工业领域已有的通信总线。外总线往往借用电子工业领域已有的标准。如标准。如RS232串行总线标准。串行总线标准。第64页，共113页，编辑于2022年，星期一2022
49、/9/1665按总线上信息传送的方向分按总线上信息传送的方向分(1)(1)单向总线单向总线 连接在总线上的部件只能有选择地将连接在总线上的部件只能有选择地将信息进行单向传送。如地址总线。信息进行单向传送。如地址总线。(2)(2)双向总线双向总线 连接在总线上的任何部件既能通过总连接在总线上的任何部件既能通过总线发送信息，也能通过总线接受信息。如线发送信息，也能通过总线接受信息。如数据总线。数据总线。第65页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1666采用总线结构的好处采用总线结构的好处可以大大减少系统中的信息传输线数，可以大大减少系统中的信息传输线数，减轻发送部件的负载。减轻发
50、送部件的负载。可以简化硬件结构，灵活地修改与扩充可以简化硬件结构，灵活地修改与扩充系统。系统。第66页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/16674.4.总线的连接方式总线的连接方式单机系统中采用的总线类型单机系统中采用的总线类型(1)(1)单总线结构单总线结构用一组系统总线把用一组系统总线把CPU、主存及各种、主存及各种I/O接口连接接口连接起来。起来。第67页，共113页，编辑于2022年，星期一2022/9/1668总线上各设备之间（总线上各设备之间（CPU与与MEM、MEM与与I/O、CPU与与I/O、I/O与与I/O）都）都通过单总线交换信息。通过单总线交换信息。可将