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1、第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述计算机组成原理电子教案 陆 遥1.1 计算机组成的任务计算机组成的任务1.2 计算机的硬件系统构成计算机的硬件系统构成 计算机的基本硬件组成计算机的基本硬件组成 计算机的主要性能指标计算机的主要性能指标1.3 计算机的软件系统构成计算机的软件系统构成 计算机的语言计算机的语言 计算机的软件计算机的软件1.4 计算机系统的层次结构特征计算机系统的层次结构特征1.5 电子计算机的发展简史电子计算机的发展简史1.1 计算机组成的任务计算机组成的任务 n计算机硬件子系统从设计到实现，需要经过计算计算机硬件子系统从设计到实现，需要经过计算机系统结构设计、计算机组
2、成和计算机实现三个机系统结构设计、计算机组成和计算机实现三个阶段的工作。阶段的工作。n计算机系统结构计算机系统结构主要研究计算机系统硬件、软件主要研究计算机系统硬件、软件功能的分配，确定硬件和软件的界面，并研究提功能的分配，确定硬件和软件的界面，并研究提高计算机系统性能的方法。高计算机系统性能的方法。n计算机组成计算机组成是按照计算机系统结构分配给硬件子是按照计算机系统结构分配给硬件子系统的功能以及确定的概念结构，研究硬件子系系统的功能以及确定的概念结构，研究硬件子系统各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机统各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。也可以说，计算机器
3、指令级的各种功能和特性。也可以说，计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。组成是计算机系统结构的逻辑实现。n计算机实现计算机实现是计算机组成的物理实现，即按计算是计算机组成的物理实现，即按计算机组成制定的方案，制作出实际的计算机系统。机组成制定的方案，制作出实际的计算机系统。1.2 计算机的硬件系统构成计算机的硬件系统构成 计算机的基本硬件组成n通用电子数字计算机普遍采用的是通用电子数字计算机普遍采用的是冯冯诺依曼诺依曼系系统结构。冯统结构。冯诺依曼计算机也称为存储程序计算诺依曼计算机也称为存储程序计算机机。n冯冯诺依曼结构计算机由运算器、控制器、存储诺依曼结构计算机由运算器、控制器、存储器、输
4、入设备和输出设备这器、输入设备和输出设备这5大部件组成，相互间大部件组成，相互间以总线相连接。以总线相连接。n运算器运算器是计算机的数据处理中心，完成各种算术是计算机的数据处理中心，完成各种算术运算、逻辑运算、移位操作等。运算、逻辑运算、移位操作等。n存储器存储器是计算机的记忆装置，按其在计算机工作是计算机的记忆装置，按其在计算机工作过程中的作用不同，可分为主（内部）存储器和过程中的作用不同，可分为主（内部）存储器和辅助（外部）存储器。辅助（外部）存储器。主存储器（简称主存）主存储器（简称主存）中存放的是计算机正在执中存放的是计算机正在执行的程序和正在处理的数据。行的程序和正在处理的数据。辅助
5、存储器（简称辅存）辅助存储器（简称辅存）中则以文件的形式存储中则以文件的形式存储了大量等待执行的程序和等待处理的数据。了大量等待执行的程序和等待处理的数据。n控制器控制器是计算机的控制中心，它按严格的时间关是计算机的控制中心，它按严格的时间关系发出各种控制信号，控制计算机中其他部件协系发出各种控制信号，控制计算机中其他部件协调工作，完成各种操作任务。调工作，完成各种操作任务。控制器是按人所编写的解题控制器是按人所编写的解题程序程序的要求来实施控的要求来实施控制的，而程序则是由制的，而程序则是由指令指令编排而成的。一台计算编排而成的。一台计算机拥有的所有指令构成一台计算机的机拥有的所有指令构成一
6、台计算机的指令系统指令系统。控制器的基本任务控制器的基本任务，就是按照程序指令在存储器，就是按照程序指令在存储器中的存放顺序，依次对各条指令进行读取、分析中的存放顺序，依次对各条指令进行读取、分析和控制执行，直至程序结束。和控制执行，直至程序结束。n输入输出设备输入输出设备是计算机的外围设备，是计算机系是计算机的外围设备，是计算机系统与其使用者统与其使用者人进行交流必不可少的设备。人进行交流必不可少的设备。n系统总线系统总线将计算机的各个组成部分连接在一起，将计算机的各个组成部分连接在一起，实现各部分之间的信息传递。实现各部分之间的信息传递。系统总线是一组信号线的集合，其中包含有传递系统总线是
7、一组信号线的集合，其中包含有传递数据信息的数据信息的数据总线数据总线、传递地址信息的、传递地址信息的地址总线地址总线和传递控制或状态信息的和传递控制或状态信息的控制总线控制总线。外围设备需要通过专门的外围设备需要通过专门的适配器适配器（接口电路）与（接口电路）与系统总线相连。适配器的作用就是进行速度缓冲、系统总线相连。适配器的作用就是进行速度缓冲、信息格式及信号转换等。信息格式及信号转换等。计算机的主要性能指标n吞吐量吞吐量：指一台计算机在某一时间间隔内能够处：指一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。理的信息量。n响应时间响应时间：指从输入有效到系统产生响应之间的：指从输入有效到系统产生
8、响应之间的时间度量。时间度量。n利用率利用率：指在给定的时间间隔内，系统被实际使：指在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率。用的时间所占的比率。n处理机字长处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二：指处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数。进制运算的位数。n总线宽度总线宽度：一般指：一般指CPU中运算器与存储器之间进中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。行互连的内部总线二进制位数。n存储器容量存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目。：存储器中所有存储单元的总数目。n存储器带宽存储器带宽：单位时间内存储器所存取的信息量，：单位时间内存储器所存取的信息量，通常使用位
9、通常使用位/秒或字节秒或字节/秒为单位。秒为单位。n主频主频/时钟周期时钟周期：CPU的工作节拍受的工作节拍受主时钟主时钟控制，控制，主时钟是主时钟是CPU内部一切工作的时间基准。主时钟内部一切工作的时间基准。主时钟的频率的频率 f 叫叫CPU的的主频主频，主频的倒数称为，主频的倒数称为CPU的的时钟周期时钟周期 T。nCPU执行时间执行时间：指：指CPU执行一般程序所占用的执行一般程序所占用的CPU时间，有时间，有CPU执行时间执行时间CPU时钟周期数时钟周期数CPU时钟周期时钟周期nCPI：指执行一条指令所需的平均时钟周期数：指执行一条指令所需的平均时钟周期数CPI执行某段程序所需的时钟周
10、期数执行某段程序所需的时钟周期数所执行的指令条数所执行的指令条数nMIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数令数（以百万为单位）（以百万为单位），有，有MIPS所执行的指令数所执行的指令数（程序执行时间（程序执行时间106）nMFLOPS：每秒百万浮点操作次数，即单位时间：每秒百万浮点操作次数，即单位时间内执行的浮点操作次数内执行的浮点操作次数（以百万为单位）（以百万为单位），用来，用来衡量机器浮点操作的性能。有衡量机器浮点操作的性能。有MFLOPS程序中的浮点操作次数程序中的浮点操作次数（程序执行时间（程序执行时间106）1.3 计算机的软件系统
11、构成计算机的软件系统构成 计算机的语言n计算机语言计算机语言：用来编写程序的符号系统。：用来编写程序的符号系统。n机器语言机器语言：直接用二进制代码来表达操作要求的：直接用二进制代码来表达操作要求的计算机语言。基本要素是计算机语言。基本要素是机器指令机器指令（简称指令）。（简称指令）。优点优点：程序执行速度快、占用存储空间小。：程序执行速度快、占用存储空间小。缺点缺点：语言难以掌握、程序调试和排错困难、需：语言难以掌握、程序调试和排错困难、需 要掌握较多硬件知识。要掌握较多硬件知识。n汇编语言汇编语言：机器语言符号化的产物，用助记符表：机器语言符号化的产物，用助记符表示每条指令。用汇编语言编写
12、的程序在执行前，示每条指令。用汇编语言编写的程序在执行前，需要用汇编程序将其转换成机器语言程序。需要用汇编程序将其转换成机器语言程序。n高级语言高级语言：更接近人的自然语言的一类计算机语：更接近人的自然语言的一类计算机语言。言。优点优点：便于描述复杂的程序控制结构及处理功能；：便于描述复杂的程序控制结构及处理功能；增强了对解题算法的描述能力；基本上不直接涉增强了对解题算法的描述能力；基本上不直接涉及计算机硬件概念，更容易掌握和使用。及计算机硬件概念，更容易掌握和使用。缺点缺点：用高级语言编写的程序，需要用专门的编：用高级语言编写的程序，需要用专门的编译程序将其转换成机器语言程序，才能被计算机译
13、程序将其转换成机器语言程序，才能被计算机执行。且转换得到的目标代码往往冗余较多，执执行。且转换得到的目标代码往往冗余较多，执行效率较低。行效率较低。计算机的软件n计算机软件计算机软件是各种计算机程序的统称。完整的、是各种计算机程序的统称。完整的、实际可工作的计算机系统，是计算机硬件系统和实际可工作的计算机系统，是计算机硬件系统和计算机软件系统有机结合的整体。计算机软件系统有机结合的整体。n计算机软件一般分为两大类，即系统软件和应用计算机软件一般分为两大类，即系统软件和应用软件。软件。n应用软件应用软件是人们为了用计算机完成一些具体工作是人们为了用计算机完成一些具体工作而编写的程序。如科学计算程
14、序、数据处理程序、而编写的程序。如科学计算程序、数据处理程序、自动控制程序、信息管理程序、工程设计程序等自动控制程序、信息管理程序、工程设计程序等等。等。n系统软件系统软件是各类工具性软件的统称。系统软件可是各类工具性软件的统称。系统软件可以帮助人们更加方便、高效地使用计算机，也可以帮助人们更加方便、高效地使用计算机，也可以让计算机更好地发挥出它的功能和潜力。以让计算机更好地发挥出它的功能和潜力。系统软件包括：系统软件包括：操作系统操作系统 各种服务性程序，如诊断程序、排错程序等各种服务性程序，如诊断程序、排错程序等 编译程序、解释程序、汇编程序等编译程序、解释程序、汇编程序等 数据库管理系统
15、数据库管理系统1.4 计算机系统的层次结构特征计算机系统的层次结构特征n在与计算机打在与计算机打交道的不同层交道的不同层次的人眼里，次的人眼里，计算机系统有计算机系统有着不同的作用着不同的作用和组成，这就和组成，这就使同一个计算使同一个计算机系统有了多机系统有了多个层次的结构个层次的结构特征。特征。n第第0层层是硬件设计与维护人员眼中的计算机，也就是硬件设计与维护人员眼中的计算机，也就是计算机的硬件系统。是计算机的硬件系统。n第第1层层是微系统结构计算机，它通过微程序，控制是微系统结构计算机，它通过微程序，控制信息在各部件之间的传送，以提供各种机器指令信息在各部件之间的传送，以提供各种机器指令
16、所需要的操作控制。这一层的逻辑设计员与第所需要的操作控制。这一层的逻辑设计员与第0层层的硬件设计员通常是同一层次的人员。的硬件设计员通常是同一层次的人员。n第第2层层是机器语言程序员眼中的计算机，也就是实是机器语言程序员眼中的计算机，也就是实现机器指令系统功能的机器。现机器指令系统功能的机器。n第第3层层是操作系统机器，是操作系统命令使用者是操作系统机器，是操作系统命令使用者（即操作员）眼中的计算机，它可以被看作是各（即操作员）眼中的计算机，它可以被看作是各种操作系统命令的解释器。种操作系统命令的解释器。n第第4层层是汇编语言程序员眼中的计算机，也就是汇是汇编语言程序员眼中的计算机，也就是汇编
17、语言的解释器。编语言的解释器。n第第5层层是高级语言程序员眼中的计算机，也就是高是高级语言程序员眼中的计算机，也就是高级语言的解释器。级语言的解释器。n除第除第0层外，其余每一层都需要其下各层的支持。层外，其余每一层都需要其下各层的支持。n从学科领域来划分，大致可以认为第从学科领域来划分，大致可以认为第0层至第层至第2层层是计算机组织与结构讨论的范畴，第是计算机组织与结构讨论的范畴，第3层以上则是层以上则是纯软件的范畴。除第纯软件的范畴。除第0层和第层和第1层直接面对的是计层直接面对的是计算机的硬件实体外，其它各级机器均由软件实现，算机的硬件实体外，其它各级机器均由软件实现，称为称为虚拟机器虚
18、拟机器。n按层次结构来看计算机系统，首先有助于我们正按层次结构来看计算机系统，首先有助于我们正确地理解计算机系统的工作，其次有利于理解各确地理解计算机系统的工作，其次有利于理解各种语言的实质及其实现。种语言的实质及其实现。1.5 电子计算机的发展简史电子计算机的发展简史n世界上第一台电子计算机是世界上第一台电子计算机是1946年由美国宾夕法年由美国宾夕法尼亚大学研制的尼亚大学研制的电子数字积分器和计算机电子数字积分器和计算机ENIAC.ENIAC采用十进制数据表示形式，存储容量很小，采用十进制数据表示形式，存储容量很小，没有存储程序的概念。没有存储程序的概念。n冯冯诺依曼首先提出用二进制数表示
19、替代十进制诺依曼首先提出用二进制数表示替代十进制数表示，将程序也用二进制数字形式和数据一起数表示，将程序也用二进制数字形式和数据一起在计算机内存中表示出来，这就是著名的在计算机内存中表示出来，这就是著名的存储程存储程序方案序方案。冯。冯诺依曼小组于诺依曼小组于1952年研制出了世界年研制出了世界上第一台存储程序计算机上第一台存储程序计算机IAS（属于（属于EDVAC电子离散变量自动计算机）。按冯电子离散变量自动计算机）。按冯诺依曼的存诺依曼的存储程序方案设计的计算机，被称为储程序方案设计的计算机，被称为冯冯诺依曼机诺依曼机。n从器件发展的角度看，可把电子计算机的发展过从器件发展的角度看，可把电
20、子计算机的发展过程划分为五代：程划分为五代：第一代第一代：电子管计算机时代（：电子管计算机时代（19461957）。）。此此阶段形成的存储程序方案和冯阶段形成的存储程序方案和冯诺依曼系统结构，诺依曼系统结构，成为后来计算机设计的基础。成为后来计算机设计的基础。第二代第二代：晶体管计算机时代（：晶体管计算机时代（19581964）。）。使使用了高级语言，为计算机提供了系统软件；产生用了高级语言，为计算机提供了系统软件；产生了系列机的萌芽；出现了高速大型计算机系统。了系列机的萌芽；出现了高速大型计算机系统。第三代第三代：小规模和中规模集成电路计算机时代：小规模和中规模集成电路计算机时代（19651
21、971）。）。小型计算机系统得到发展，计小型计算机系统得到发展，计算机产品形成了通用化、系列化和标准化。半导算机产品形成了通用化、系列化和标准化。半导体存储器问世，微处理器诞生。体存储器问世，微处理器诞生。第四代第四代：大规模集成电路计算机时代（：大规模集成电路计算机时代（19721977）。）。个人计算机（一种独立微型机系统）在个人计算机（一种独立微型机系统）在这个时期出现。这个时期出现。第五代第五代：VLSI（Very Large Scale Integration，超大规模集成电路）计算机时代（超大规模集成电路）计算机时代（1978）。）。在在各种高性能的巨型计算机、超级计算机得到大发各种高性能的巨型计算机、超级计算机得到大发展的同时，个人计算机成了这个时代的主角。展的同时，个人计算机成了这个时代的主角。n著名的著名的摩尔定律摩尔定律指出，存储器芯片及微处理器芯指出，存储器芯片及微处理器芯片的集成度大约每片的集成度大约每18个月翻一番。个月翻一番。摩尔定律仍将摩尔定律仍将在今后一段时间内适用。在今后一段时间内适用。