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1、计算机组成与结构科学计算与计算机应用系 二零零八年一月幻灯内容部分采用宁波大学幻灯成绩考核l平时作业+考勤l期中考试l期末考试第第1章章 计算机系统概述计算机系统概述l计算机计算机Computerl 如何正确理解如何正确理解“计算机计算机”这个术语呢？这个术语呢？l 凡是能完成以下三类工作的机器就是计算机：凡是能完成以下三类工作的机器就是计算机：l 能接受程序和数据的输入，并存储起来；能接受程序和数据的输入，并存储起来；l 能按照存储的程序对输入的数据进行自动处理并能按照存储的程序对输入的数据进行自动处理并得出结果；得出结果；l 能把结果输出。能把结果输出。l 所以，计算机是一种能够接收信息，
2、存储信息，并所以，计算机是一种能够接收信息，存储信息，并按照存储在其内部的程序按照存储在其内部的程序(这些程序是人们意志的体现这些程序是人们意志的体现)对输入的信息进行加工、处理，得到人们所期望的结对输入的信息进行加工、处理，得到人们所期望的结果，然后把处理结果输出的高度自动化的电子设备。果，然后把处理结果输出的高度自动化的电子设备。l1.1 计算机的构成计算机的构成 1.1.1 计算机硬件和软件的概念计算机硬件和软件的概念 1.1.2 计算机的硬件计算机的硬件 1.1.3 计算机程序、指令和语言计算机程序、指令和语言l1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构l1.3 计算机的分类和应
3、用计算机的分类和应用 1.3.1 计算机的分类计算机的分类 1.3.2 计算机的应用计算机的应用 l1.4 计算机的特点和性能指标计算机的特点和性能指标 1.4.1 计算机的特点计算机的特点 1.4.2 计算机的性能指标计算机的性能指标l1.5 计算机的发展计算机的发展 1.5.1 电子计算机的发展历史电子计算机的发展历史 1.5.2 微型计算机的发展微型计算机的发展 1.5.3 计算机的发展趋势计算机的发展趋势1.1.1 计算机硬件和软件的概计算机硬件和软件的概念念 l 硬件硬件(Hardware)，是指计算机系统中实际装是指计算机系统中实际装置的总称。它可以是电子的、电的、磁的、机置的总称
4、。它可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置，或由它们组成的计算械的、光的元件或装置，或由它们组成的计算机部件或整个计算机硬件系统。机部件或整个计算机硬件系统。l 计算机的硬件由输入设备、输出设备、运算计算机的硬件由输入设备、输出设备、运算器、控制器和存储器五部分组成。器、控制器和存储器五部分组成。l 计算机软件是指在计算机硬件上运行的各种计算机软件是指在计算机硬件上运行的各种程序以及有关的文档资料，例如操作系统、汇程序以及有关的文档资料，例如操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、数据库管理系编程序、编译程序、诊断程序、数据库管理系统、专用软件包、各种维护使用手册、程序流统、专用软件
5、包、各种维护使用手册、程序流程图和说明等。程图和说明等。1.1.2 计算机的硬件计算机的硬件 计算机的硬件是指组成一台计算机的各种物理装置计算机的硬件是指组成一台计算机的各种物理装置,它它们是由各种实实在在的器件组成的们是由各种实实在在的器件组成的,是计算机进行工作是计算机进行工作的物质基础。计算机的硬件由输入设备、输出设备、的物质基础。计算机的硬件由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五部分组成。运算器、存储器和控制器五部分组成。1.输入设备输入设备 l 输入设备（输入设备（input equipment）的功能是从计的功能是从计算机外部把信息和处理这些信息的程序通过输算机外部把信息和
6、处理这些信息的程序通过输入接口输入到计算机的存储器中。入接口输入到计算机的存储器中。l 键盘键盘(keyboard)和鼠标器和鼠标器(Mouse)是最常用是最常用的输入设备。的输入设备。l 其它输入设备还有：扫描仪其它输入设备还有：扫描仪(scanner)、数数字化仪字化仪(digitizer)、光笔光笔(light pen)、条形条形码扫描器码扫描器(barcode scanner)、触摸屏、各种模触摸屏、各种模数数(A/D)转换器、数码相机等。转换器、数码相机等。输出设备和外围设备输出设备和外围设备 l 输出设备（输出设备（output equipment）的功能是用的功能是用来输出计算机
7、的处理结果。来输出计算机的处理结果。l 最常用的输出设备是显示器最常用的输出设备是显示器(display)和打和打印机印机(printer)，还有绘图仪还有绘图仪(plotter)、X-Y记录仪、音箱、各种数模记录仪、音箱、各种数模(D/A)转换器等。转换器等。l I/O设备属于外围设备，但外围设备除设备属于外围设备，但外围设备除I/O设设备外，还应包括外存储器设备、多媒体设备、备外，还应包括外存储器设备、多媒体设备、网络通信设备和输入输出处理机等。外围设备网络通信设备和输入输出处理机等。外围设备分类见下图。分类见下图。存储器存储器l 存储器存储器(Memory)是计算机用来存放程序和数据的记
8、忆是计算机用来存放程序和数据的记忆部件部件,是计算机各种信息存放和交流的中心。它的基是计算机各种信息存放和交流的中心。它的基本功能是在控制器的控制下按照指定的地址存入和取本功能是在控制器的控制下按照指定的地址存入和取出信息。出信息。l 存储器可分为内存储器与外存储器存储器可分为内存储器与外存储器,简称内存与外存。简称内存与外存。l 内存是由中央处理器直接访问的存储器内存是由中央处理器直接访问的存储器,它存放着现它存放着现在运行的程序和数据在运行的程序和数据,也可以存储计算的结果或中间结也可以存储计算的结果或中间结果。由于其直接和运算器、控制器交换信息果。由于其直接和运算器、控制器交换信息,因此
9、要求因此要求存取速度快存取速度快,但存储容量较小。但存储容量较小。l 外存储器简称外存储器简称“外存外存”，是主机的外围设备，用来，是主机的外围设备，用来存储大量的暂时不参加运算或处理的数据和程序存储大量的暂时不参加运算或处理的数据和程序,因因而允许速度较慢。而允许速度较慢。运算器运算器l 运算器（运算器（arithmetic unit）的功能是在控制器的功能是在控制器的指挥下的指挥下,对信息或数据进行处理和运算对信息或数据进行处理和运算,包括包括算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算,所以在其内部有一个算术所以在其内部有一个算术逻辑部件逻辑部件ALU(Arithmetic and Logica
10、l Unit)。l 功能功能:l 实现对数据的算术和逻辑运算。实现对数据的算术和逻辑运算。l 暂时存放参与运算的数据和某些中间运算暂时存放参与运算的数据和某些中间运算结果。结果。l 挑选参加运算的数据挑选参加运算的数据,选中要执行的运算选中要执行的运算功能功能,并把运算结果输出到所要求的部件中。并把运算结果输出到所要求的部件中。控制器控制器l 控制器控制器(control)：它指挥计算机各部件按照它指挥计算机各部件按照指令功能的要求进行所需要的操作。指令功能的要求进行所需要的操作。l 主要功能：从存储器中取出指令主要功能：从存储器中取出指令,解释指令解释指令的操作码和地址码，并根据译码的操作码
11、和地址码，并根据译码,产生一系列产生一系列的控制信号的控制信号,去控制计算机各部件协调地工作去控制计算机各部件协调地工作,并控制程序的执行顺序。因此并控制程序的执行顺序。因此,控制器的主要控制器的主要工作是不断地取指令、分析指令和执行指令。工作是不断地取指令、分析指令和执行指令。l 中央处理器中央处理器CPU主要包括：运算器、控制器、主要包括：运算器、控制器、总线和时钟等部件总线和时钟等部件,计算机的主机则由计算机的主机则由 CPU和和内存储器组成。在微机中使用的内存储器组成。在微机中使用的CPU也称为微也称为微处理器。处理器。1.1.3 计算机程序、指令和语计算机程序、指令和语言言l 1.程
12、序程序l 计算机程序计算机程序(Program)是用某种特定的符号系统是用某种特定的符号系统(指指令或语言令或语言)对被处理的数据和实现算法的过程进行的描对被处理的数据和实现算法的过程进行的描述。述。l 2.指令指令l 指令指令(Instruction)是指挥计算机如何工作的命令，是指挥计算机如何工作的命令，它通常由一串二进制数码组成，即由操作码和地址码它通常由一串二进制数码组成，即由操作码和地址码两部分组成。两部分组成。l 3.计算机语言（计算机语言（computer language）l 指的是程序设计语言，程序设计语言分为三种类型：指的是程序设计语言，程序设计语言分为三种类型：机器语言、
13、汇编语言和高级语言。机器语言、汇编语言和高级语言。l 机器语言机器语言l 机器语言（机器语言（machine language）是一种二进是一种二进制语言，它是用二进制代码表示的机器指令来制语言，它是用二进制代码表示的机器指令来描述的。描述的。用机器语言编写程序就是用机器指令用机器语言编写程序就是用机器指令来描述所求解问题的过程和步骤，这样的程序来描述所求解问题的过程和步骤，这样的程序称为机器语言程序，或称二进制语言程序称为机器语言程序，或称二进制语言程序。l 汇编语言汇编语言l 汇编语言（汇编语言（assembler language）和机器语言和机器语言基本上是一一对应的，但在表示方法上作
14、了根基本上是一一对应的，但在表示方法上作了根本性的改进，用一种助记符来代替操作码，用本性的改进，用一种助记符来代替操作码，用符号来表示操作数地址符号来表示操作数地址(地址码地址码)，这些助记符，这些助记符通常使用指令功能英文单词的缩写，以便于记通常使用指令功能英文单词的缩写，以便于记忆。忆。l 高级语言高级语言l 高级语言（高级语言（high-level language）是面向问题的程序是面向问题的程序设计语言，高级语言种类很多，常用的有设计语言，高级语言种类很多，常用的有FORTRAN、ALGOL、COBOL、C、PASCAL、BASIC、LISP、LOGO、PROLOG和和Java等。等
15、。l 高级语言的发明是计算机发展史上最惊人的成就之高级语言的发明是计算机发展史上最惊人的成就之一，使得非计算机专业人员能够使用计算机，大大地一，使得非计算机专业人员能够使用计算机，大大地促进了计算机的广泛应用和普及。促进了计算机的广泛应用和普及。l Visual Basic、Visual C、Delphi等是面向对象的程序等是面向对象的程序设计语言，充分体现了面向对象技术，是程序设计语设计语言，充分体现了面向对象技术，是程序设计语言的未来。言的未来。1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 计计算算机机系系统统：由由计计算算机机硬硬件件系系统统和和软软件件系系统统组组成。软件又分为系统
16、软件和应用软件。成。软件又分为系统软件和应用软件。计计算算机机系系统统的的层层次次结结构构可可用用右右图来表示。图来表示。l 从计算机系统的层次结构的示意图中，我们从计算机系统的层次结构的示意图中，我们可以看到可以看到l 指令系统是计算机硬件和软件的接口；指令系统是计算机硬件和软件的接口；l 操作系统是用户和计算机硬件的接口，用操作系统是用户和计算机硬件的接口，用户操作计算机直接面对的是操作系统，是和操户操作计算机直接面对的是操作系统，是和操作系统打交道，操作系统是用户的操作平台；作系统打交道，操作系统是用户的操作平台；l 只有硬件没有软件的机器只有硬件没有软件的机器(裸机裸机)是不能是不能工
17、作的。工作的。1.3.1 计算机的分类计算机的分类l 按处理的信息形式分：数字计算机和模拟计算机。按处理的信息形式分：数字计算机和模拟计算机。用脉冲编码表示数字，处理的是数字信息，这类计算用脉冲编码表示数字，处理的是数字信息，这类计算机是数字计算机；处理长度、电压、电流等模拟量的机是数字计算机；处理长度、电压、电流等模拟量的计算机称为模拟计算机。计算机称为模拟计算机。l 按字长分：可分为按字长分：可分为 8 位机、位机、16位机、位机、32位机和位机和64位机等。位机等。l 按结构分：可分为单片机、单板机、多芯片机与按结构分：可分为单片机、单板机、多芯片机与多板机。多板机。l 按用途分：可分为
18、工业控制机与数据处理机等。按用途分：可分为工业控制机与数据处理机等。l 按规模分：可分为巨型机、小巨型机、大中型机、按规模分：可分为巨型机、小巨型机、大中型机、小型机、工作站和微型机小型机、工作站和微型机(PC机机)六类。六类。1.3.2 计算机的应用计算机的应用l计算机的应用范围，按其应用特点，计算机的应用范围，按其应用特点，可以分为以下几个方面可以分为以下几个方面:l1.科学计算科学计算l2.数据处理数据处理l3.过程控制过程控制l4.计算机辅助系统计算机辅助系统 l5.计算机通信计算机通信 1.4.1 计算机的特点计算机的特点l 1.通用数字计算机的特点通用数字计算机的特点l 处理速度快
19、处理速度快l 计算精度高计算精度高l 记忆能力强记忆能力强l 可靠的逻辑判断能力可靠的逻辑判断能力l 可靠性高，通用性强可靠性高，通用性强l 由于采用了大规模和超大规模集成电路，计算机具有由于采用了大规模和超大规模集成电路，计算机具有非常高的可靠性，可以连续无故障地运行几个月甚至几非常高的可靠性，可以连续无故障地运行几个月甚至几年。现代计算机不仅可用来进行科学计算，也可用于数年。现代计算机不仅可用来进行科学计算，也可用于数据处理、据处理、工业实时控制、辅助设计和辅助制造、办公工业实时控制、辅助设计和辅助制造、办公自动化等，通用性非常强。自动化等，通用性非常强。2.微型计算机的特点微型计算机的特
20、点l 微型计算机微型计算机:除了具有计算机的一般特除了具有计算机的一般特点外，还具有以下一些特点。点外，还具有以下一些特点。l 体积小，重量轻体积小，重量轻l 价格便宜，成本低。价格便宜，成本低。l 使用方便，运行可靠使用方便，运行可靠l 对工作环境无特殊要求对工作环境无特殊要求1.4.2 计算机的性能指标计算机的性能指标l 计算机的主要技术性能指标有下面几项：计算机的主要技术性能指标有下面几项：l 主频主频:主频即时钟频率，是指计算机的主频即时钟频率，是指计算机的CPU在单位时间内发出的脉冲数。主频的单位在单位时间内发出的脉冲数。主频的单位是兆赫兹是兆赫兹(MHz)，如如486DX/66的主
21、频为的主频为66MHz，Pentium/100的主频为的主频为100MHz，P/233的的主频为主频为233MHz，P的主频有的主频有450MHz、500MHz、733 MHz等，等，P4的主频在的主频在1GHz以上。以上。l 字长字长:是指计算机的运算部件能同时处理是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位的二进制数据的位.字长也影响机器的运算速字长也影响机器的运算速度，字长越长，计算机的运算速度越快。度，字长越长，计算机的运算速度越快。l 存储容量：计算机能存储的信息总字节量。字节存储容量：计算机能存储的信息总字节量。字节(Byte，简写为简写为B)是作为一个单位来处理的一串二进制是作
22、为一个单位来处理的一串二进制数位，通常以数位，通常以8个二进制位个二进制位(bit)作为一个字节。每作为一个字节。每1024个字节称为个字节称为1K字节字节(1KB)。存储容量的单位还有存储容量的单位还有MB（兆字节）、兆字节）、GB（吉字节）和吉字节）和TB（太字节）。它太字节）。它们之间的关系是：们之间的关系是：l 1KB=1024B=210Bl 1MB=1024KB=220B=1048576Bl 1GB=1024MB=230B=1973741824Bl 1TB=1024GB=240B=1099511627776Bl 存取周期：连续启动两次独立的存取周期：连续启动两次独立的“读读”或或“写
23、写”操作操作(如连续的两次如连续的两次“读读”操作操作)所需的最短时间。所需的最短时间。l “写写”：把信息代码存入存储器：把信息代码存入存储器l “读读”：把信息代码从存储器中取出：把信息代码从存储器中取出 l 访问时间访问时间(或读写时间或读写时间)：存储器进行一次：存储器进行一次“读读”或或“写写”操作所需的时间。操作所需的时间。l 运算速度：是一项综合性的性能指标。衡量计算运算速度：是一项综合性的性能指标。衡量计算机运算速度的单位是机运算速度的单位是MIPS(百万条指令百万条指令/秒秒)。影响机。影响机器运算速度的因素很多，主要器运算速度的因素很多，主要是是CPU的主频和存储器的主频和
24、存储器的存取周期。的存取周期。衡衡量量一一台台计计算算机机系系统统的的性性能能指指标标除除上上面面列列举举的的五五项项主主要要指指标标外外，还还应应考考虑虑机机器器的的兼兼容容性性(包包括括数数据据和和文文件件的的兼兼容容、程程序序兼兼容容、系系统统兼兼容容和和设设备备兼兼容容)，系系统统的的可可靠靠性性(平平均均无无故故障障工工作作时时间间MTBF，Mean Time Between Failures)，系系统统的的可可维维护护性性(平平均均修修复复时时间间MTTR，Mean Time to Repair)，机机器器允允许许配配置置的的外外部部设设备备的的最最大大数数目目，计计算算机机系系统
25、统的的汉汉字字处处理理能能力力，数数据据库库管管理理系系统统及及网网络络功功能能等等。性性能能/价价格格比比是是一一项项综综合合性性评评价价计计算算机性能的指标。机性能的指标。1.5.1 电子计算机的发展历史电子计算机的发展历史l 世界上第一台电子计算机是在世界上第一台电子计算机是在1946年由美国年由美国的物理学家莫奇利的物理学家莫奇利(John Mauchly)博士和埃克博士和埃克特博士特博士(J.Presper Eckert)等人在宾夕法尼亚等人在宾夕法尼亚大学设计制造的。起名叫大学设计制造的。起名叫ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Ca
26、lculator)，ENIAC的诞生，为计算机和信息产业的发展奠的诞生，为计算机和信息产业的发展奠定了基础，它在美国陆军弹道研究所运行了约定了基础，它在美国陆军弹道研究所运行了约十年，一直工作到十年，一直工作到1955年。年。l 两个主要缺点：两个主要缺点：l 一是存储容量太小一是存储容量太小l 二是准备时间太长。二是准备时间太长。世世界界上上第第一一台台具具有有存存储储程程序序功功能能的的计计算算机机叫叫EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer，译译 作作“埃埃 德德 瓦瓦 克克”)，它它 是是 由由 曾曾 担担 任任ENIA
27、C小小组组顾顾问问的的著著名名的的美美籍籍匈匈牙牙利利数数学学家家冯冯诺诺依依曼曼(VonNeumann)博博士士领领导导设设计计的的。冯冯诺诺依依曼曼提提出出的的存存储储程程序序和和程程序序控控制制的的理理论论，及及他他首首先先确确立立的的计计算算机机硬硬件件由由输输入入部部件件、输输出出部部件件、运运算算器器、存存储储器器、控控制制器器五五个个基基本本部部件件组组成成的的基基本本结结构构和和组组成成的的思思想想，奠奠定定了了现现代代计计算算机机的的理理论论基基础础，计计算算机机发发展展至至今今，整整个个四四代代计计算算机机统统称称为为冯冯诺诺依依曼曼结结构构计计算算机机，世世人人也也称称冯
28、冯诺依曼为诺依曼为“计算机鼻祖计算机鼻祖”。l 世界上第一台投入运行的存储程序式的电子世界上第一台投入运行的存储程序式的电子计算机是计算机是EDSAC(Electronic Delay Storage Automatic Calculator，译作译作“埃德沙克埃德沙克”)，该机于该机于1949年年5月制成并投入运行，比月制成并投入运行，比EDVAC早一年多。早一年多。l 从电子管、晶体管、中小规模集成电路到从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模、超大规模集成电路计算机的发展道路，大规模、超大规模集成电路计算机的发展道路，现在正在向智能计算机和神经网络计算机的方现在正在向智能计算机和神经网
29、络计算机的方向发展。向发展。以计算机所采用的元器件划分计以计算机所采用的元器件划分计算机的发展阶段算机的发展阶段l 20世纪世纪40年代末到年代末到50年代中期的计算机都是采用电年代中期的计算机都是采用电子管元件组成的子管元件组成的,此时计算机称为第一代计算机此时计算机称为第一代计算机,也就也就是电子管时代的计算机。是电子管时代的计算机。l 20世纪世纪50年代中期年代中期,晶体管发明了晶体管发明了,它使计算机技术它使计算机技术产生了革命性的变化。晶体管很快代替电子管用到计产生了革命性的变化。晶体管很快代替电子管用到计算机上，形成了第二代计算机，即晶体管计算机时代。算机上，形成了第二代计算机，
30、即晶体管计算机时代。l 20世纪世纪60年代中期年代中期,半导体工艺的发展半导体工艺的发展,制造成功了制造成功了集成电路集成电路,计算机也开始采用中小规模集成电路作为计计算机也开始采用中小规模集成电路作为计算机的主要元件，故第三代计算机又称为中小规模集算机的主要元件，故第三代计算机又称为中小规模集成电路计算机时代。成电路计算机时代。l 1971年起年起,第四代第四代大规模超大规模集成电路计大规模超大规模集成电路计算机时代。这一代计算机的体积进一步缩小，性能进算机时代。这一代计算机的体积进一步缩小，性能进一步提高。一步提高。l 计算机的发展大致分为四个时期，大型机时期、小型机时期、计算机的发展大
31、致分为四个时期，大型机时期、小型机时期、PC机时期（或客户机时期（或客户/服务器、服务器、PC/服务器）时期和服务器）时期和Internet（或以或以网络为中心）时期。网络为中心）时期。l 大型机时期大型机时期(1946年年70年代初年代初)：70年代初以前主要生产大年代初以前主要生产大型机，型机，IBM公司生产的大型机占据着主要市场。公司生产的大型机占据着主要市场。l 小型机时期小型机时期(70年代初年代初80年代初年代初)：这个时期，小型机在整：这个时期，小型机在整个计算机市场中独领风骚，并以个计算机市场中独领风骚，并以DEC公司生产的公司生产的PDP-11和和VAX-11为代表，这两种机
32、型占领了当时的小型机市场。为代表，这两种机型占领了当时的小型机市场。l PC机时期机时期(80年代初年代初90年代初年代初)：80 年代起进入了年代起进入了PC机时机时代，代，Microsoft和和Intel这两个公司领导着这两个公司领导着PC机的发展潮流。机的发展潮流。l Internet时期时期(90年代初年代初现在现在)：谁将在这个时期成为领导：谁将在这个时期成为领导Internet的发展，有待实践证明。的发展，有待实践证明。1.5.2 微型计算机的发展微型计算机的发展l 微型计算机以微处理器为核心的计算机，属于第四代计算微型计算机以微处理器为核心的计算机，属于第四代计算机。机。l 微型
33、计算机的发展至今发展了四代产品。微型计算机的发展至今发展了四代产品。l 第一代微型计算机是以第一代微型计算机是以4位微处理器和早期的位微处理器和早期的8位微处理器为核位微处理器为核心的微型计算机，心的微型计算机，4位微处理器的典型产品是位微处理器的典型产品是Intel4004、4040，早早期的期的8位微处理器的典型产品是位微处理器的典型产品是Intel8008。l 1973年年12月，月，Intel8080的研制成功，标志着第二代微型计算机的研制成功，标志着第二代微型计算机的开始。的开始。l 1978年年,INTEL公司推出了第三代微处理器的代表产品公司推出了第三代微处理器的代表产品Intel8086，接着又推出接着又推出Intel8088(1979年年)。l 1985年年10月，月，INTEL公司推出了公司推出了32位字长的微处理器位字长的微处理器Intel80386，标志了第四代微型计算机的开始。标志了第四代微型计算机的开始。1.5.3 计算机的发展趋势计算机的发展趋势l巨型化巨型化l微小化微小化l网络化网络化l智能化智能化l多媒体计算机多媒体计算机第 1 章 结 束The EndThe End