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1、第第 1 1 章章 计算机系统概论计算机系统概论 3/8/20231 第9版 2013.09 顾一禾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 3/8/202321.1 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.电子管时代电子管时代（20世纪世纪40年代中期年
2、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年代中期）年代中期）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年代初期）年代初期）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 目目前）前）3/8/20233电子管时代（电子管时代（19461959）运算速度：运算速度：5千千4万（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
3、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。3/8/20234USA ENIAC3/8/20235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）3/8/20236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。3/8/20237第一台小型计算机第一台小型计算机 PDP-8 3/8/20238中
4、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）3/8/20239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。3/8/202310采用了采用了Intel8080的个人电脑的个人电脑Altair880
5、03/8/202311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：几百万几千万亿（次/秒）秒）3/8/202312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
6、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。3/8/202313超级规模集成电路时代超级规模集成电路时代（1990）运算速度：几千万亿几万万亿（次运算速度：几千万亿几万万亿（次/秒）秒）采用采用超大、甚大规模集成电路（超大、甚大规模集成电路（ULSI，ELSI）3/8/2023142013全球超级计算机全球超级计算机500强强http:/www.top500.org/世界超级计算机世界超级计算机TOP500组织于北京时间组织于北京时间 2013年年6月月17日日下午，在德国莱比锡举行的下午，在德国莱比锡举行的“2013国际超国际超级计算大会级计算大会”上，正式发
7、布第上，正式发布第41届世界超级计算届世界超级计算机机500强排名。强排名。中国国防科技大学研制的中国国防科技大学研制的“天河二天河二号号”超级计算机以每秒超级计算机以每秒33.86千万亿次的浮点运算千万亿次的浮点运算速度拔得头筹，成为全球最快的超级计算机。速度拔得头筹，成为全球最快的超级计算机。3/8/202315天河二号超级计算机天河二号超级计算机3/8/202316天河二号技术参数天河二号技术参数运算速率：运算速率：54.9PFLOPS（理论峰值）（理论峰值）33.86PFLOPS（实际峰值）（实际峰值）运算节点：运算节点：16000个个 每节点配备两颗每节点配备两颗Xeon E5 12
8、核心的中央处核心的中央处理器、三个理器、三个Xeon Phi 57核心的协处理器。计算核心的协处理器。计算核心总数核心总数3120000个。个。内存内存：总计：总计1.408PB（约（约1400万亿字节）万亿字节）外存：外存：12.4PB的硬盘阵列的硬盘阵列 3/8/202317天河二号天河二号的能力的能力天河二号运算天河二号运算1小时相当于小时相当于13亿人同时用计算亿人同时用计算器计算器计算1000年。年。天河二号的总存储容量相当于可存储每册天河二号的总存储容量相当于可存储每册10万万字的图书字的图书600亿册。亿册。一个生动的例子是电影一个生动的例子是电影阿凡达阿凡达的动漫渲染。的动漫渲
9、染。当年当年阿凡达阿凡达的动漫渲染制作动用了众多超的动漫渲染制作动用了众多超级计算机资源、耗时一年多才完成，而如果采级计算机资源、耗时一年多才完成，而如果采用现在的天河二号，用现在的天河二号，1个月即可完成。个月即可完成。3/8/202318“天河二号天河二号”将于今年下半年安装应用将于今年下半年安装应用于广州超级计算机中心。于广州超级计算机中心。“天河二号天河二号”已应用于生物医药、新材已应用于生物医药、新材料、工程设计与仿真分析、天气预报、料、工程设计与仿真分析、天气预报、气候模拟与海洋环境研究、数字媒体和气候模拟与海洋环境研究、数字媒体和动漫设计等多个领域，开始为多家用户动漫设计等多个领
10、域，开始为多家用户单位提供超级计算服务。单位提供超级计算服务。3/8/202319第二名：泰坦（第二名：泰坦（Titan）Titan位于美国能源部位于美国能源部(DOE)橡树岭国家实橡树岭国家实验室。验室。Titan的运行速度为的运行速度为17.59千万亿次千万亿次/秒。秒。使用使用560640个个AMD皓龙处理器核心和皓龙处理器核心和261632个英伟达个英伟达K20 x加速器。加速器。Titan是最节电的超级计算机，耗电是最节电的超级计算机，耗电8.21兆瓦，性能为兆瓦，性能为2143 Mflops/W。Titan是是2012年年11月的超算冠军。月的超算冠军。3/8/202320泰坦（泰
11、坦（Titan）3/8/202321第三名：第三名：红杉红杉(Sequoia)安装在美国能源部所属的劳伦斯利福摩尔国家安装在美国能源部所属的劳伦斯利福摩尔国家实验室。实验室。Sequoia的峰值运算速度高达每秒的峰值运算速度高达每秒20132万亿次，万亿次，其持续运算测试达到每秒其持续运算测试达到每秒16.324petaflops，即每，即每秒秒16324万亿次运算。万亿次运算。Sequoia使用了使用了1572864颗核心。耗电为颗核心。耗电为7.84兆瓦。兆瓦。“红杉红杉”可用于进行模拟核试验以及延长老旧可用于进行模拟核试验以及延长老旧核武器的寿命，避免进行地下核试验。核武器的寿命，避免进
12、行地下核试验。3/8/202322红杉红杉(Sequoia)3/8/202323第四名：京（第四名：京（K）京（京（K）安装在日本神户化学研究所高级）安装在日本神户化学研究所高级计算科学研究院计算科学研究院(AICS)。基准测试速度。基准测试速度为为10.51 Pflop/每秒，使用了每秒，使用了705024颗颗SPARC64处理核心，运算速度为处理核心，运算速度为10.51千千万亿次万亿次/秒。秒。3/8/202324京（京（K）3/8/202325第十名：天河第十名：天河-1A天河天河-1A系统安装于中国国家超级计算天津中心。系统安装于中国国家超级计算天津中心。该系统的运算速度达到该系统的
13、运算速度达到2.57 petaflop，即每秒可进行，即每秒可进行2.5千万亿次运算，拥有千万亿次运算，拥有186368个至强处理器核心。个至强处理器核心。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)是是我国自主研制的第一台计算机能力达到到千万亿次的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排排名中，位列亚洲第一、世界第五。名中，位列亚洲第一、世界第五。天河天河-1A于于2010年年8月在在月在在TH-1的基础上升级完成。在的基础上升级完成。在2010年年11
14、月世界超级计算机月世界超级计算机TOP500排名中位列世界第排名中位列世界第一，在一，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。3/8/202326在本届在本届500强榜单中强榜单中美国部署了美国部署了252个系统个系统欧洲部署了欧洲部署了112个系统个系统亚洲部署了亚洲部署了119个系统（其中在中国的有个系统（其中在中国的有66个系统）个系统）整体来看，美国仍然领导着世界整体来看，美国仍然领导着世界HPC（高性能计算）的最新潮流。（高性能计算）的最新潮流。3/8/2023271.1.2 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
15、 （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服务阶段服务阶段 （21世纪初期）世纪初期）3/8/2023281.2 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
16、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3/8/2023291.2.1 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。3/8/2023303/8/202331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计算机的五大部件的五大部
17、件以及将它们组织成计以及将它们组织成计算机系统的算机系统的体系结构体系结构。3/8/2023321.1.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。3/8/2023332.2.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
18、形式或其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。3/8/202334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能够直接访问的存储器能够直接访问的存储器 辅助存储器辅助存储器(也称外存储器，
19、简称外存、辅也称外存储器，简称外存、辅存存)CPU不能直接访问不能直接访问的的大容量、速度较慢的存储器。大容量、速度较慢的存储器。辅助存储器帮助主存记忆更多的信息，辅助存储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，才能器中的信息必须调入主存后，才能为为CPU所使用。所使用。3.3.存储器存储器3/8/202335主存分为若干个存储单元。每个单元都有自己唯主存分为若干个存储单元。每个单元都有自己唯一的地址编码。一的地址编码。每个主存单元的长度依机器而定。通常是一个字每个主存单元的长度依机器而定。通常是一个字节或字节的若干倍。节或字节的若干倍。存储器的访问方式存储器的访问
20、方式 按地址进行访问按地址进行访问如果需要对存储器某个单元进行读如果需要对存储器某个单元进行读/写操作，必须写操作，必须首先给出被访问的存储单元的地址码。首先给出被访问的存储单元的地址码。按内容进行访问按内容进行访问按所需内容对存储器的多个单元同时进行访问。按所需内容对存储器的多个单元同时进行访问。能够进行按内容访问的存储器称为能够进行按内容访问的存储器称为相联存储器相联存储器。3/8/202336主存的基本的组成主存的基本的组成3/8/202337存储体存储体：存放二进制信息的主体：存放二进制信息的主体地址寄存器地址寄存器：存放所要访问的存储单元的地址：存放所要访问的存储单元的地址码，由它经
21、地址译码找到被选的存储单元。码，由它经地址译码找到被选的存储单元。数据寄存器数据寄存器：主存与其它部件的接口。用于暂：主存与其它部件的接口。用于暂存从存储器读出存从存储器读出(取出取出)或向存储器中写入或向存储器中写入(存存入入)的信息。的信息。控制逻辑控制逻辑：用于产生存储器操作所需各种时序：用于产生存储器操作所需各种时序信号信号。3/8/202338运算器是计算机的执行部件，用于完成算术逻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。辑运算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
22、Unit)。运算器中设有若干寄存器，用于暂存操作数据运算器中设有若干寄存器，用于暂存操作数据和中间结果。和中间结果。由于寄存器往往兼备多种用途，如用作累加器、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，所以通常称为变址寄存器、基址寄存器等，所以通常称为通通用寄存器用寄存器。4 4运算器运算器3/8/202339运算器的简单框图运算器的简单框图3/8/202340控制器是整个计算机的指挥中心。用于控制整个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。计算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
23、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解题步骤，控制计算机各个部件有条不紊地自动工作。工作。程序按指令序列的形式存放在存储器中，控制器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。依次读出存储器中存放的程序指令实施控制。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)重重点点3/8/2023411.2.2 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
24、冯诺依曼（诺依曼（John von Neumann）于）于1946年首先提出来的，它奠年首先提出来的，它奠定了现代计算机的结构基础。定了现代计算机的结构基础。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变革，但存储程序的概念仍是普遍采用的结构原则，现在广泛应用的计算机仍属于冯原则，现在广泛应用的计算机仍属于冯诺依诺依曼的结构格式曼的结构格式。3/8/202342John von Neumann3/8/202343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
25、据和指令指令是程序的基本单位，程序是若干指令的有序指令是程序的基本单位，程序是若干指令的有序集合集合。冯。冯诺依曼结构计算机中，指令与数据均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中。两者在存以二进制代码的形式同存于存储器中。两者在存储器中的地位相同，均可按地址访问。储器中的地位相同，均可按地址访问。指令由操作码和地址码两部分组成指令由操作码和地址码两部分组成。操作码表示操作码表示指令的指令的操作性质，地址码表示操作数在存储器中操作性质，地址码表示操作数在存储器中的位置的位置。1.1.存储程序思想存储程序思想 3/8/202344(2)(2)采用存储程序方式采用存储程序方
26、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：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制好程序，并连同所需的数据预先存入主存储器中。在解题过程器中。在解题过程(运行程序运行程序)中，由控制器按中，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出指令并执行，直到获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。得所要求的结果为止。存储程序方式是冯存储程序方式是冯诺依曼思想的核心，是计诺依曼思想的核心，是计算机能高速自动运行的基础。算机能高速自动运行的基础。3/8/202345(3)(3
27、)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：输入设备、输出设备、外存储器的统称为计算机的外部设备，简称为称为计算机的外部设备，简称为I/O设备。设备。3/8/2023462.2.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
28、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诺依曼提出的计算机结构是出的计算机结构是以运算器为中心以运算器为中心的，的，其它部件都通过运算器完成信息的传递。其它部件都通过运算器完成信息的传递。3/8/202347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 3/8/2023483.3.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微处理器。微处理器将运算器和控制器两个
29、主要功能部件合二为一，集成到一个芯片里。同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代替磁芯存储器，存储容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，加上需要计算机处理、加工的量成倍地扩大，加上需要计算机处理、加工的信息量与日俱增，以运算器为中心的结构已不信息量与日俱增，以运算器为中心的结构已不能满足计算机发展的需求，甚至会影响计算机能满足计算机发展的需求，甚至会影响计算机的性能。的性能。为适应发展的需要，现代计算机组织结构逐步为适应发展的需要，现代计算机组织结构逐步转变为转变为以存储器为中心以存储器为中心。3/8/2023493/8/202350现代计算机的基本结构
30、仍然遵循现代计算机的基本结构仍然遵循冯冯诺依曼思想诺依曼思想3/8/2023511.3 1.3 计算机软件系统计算机软件系统 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软件系统系统。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两大类。类。3/8/2023521.3.1 1.3.
31、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用。系统软件主要包括：使用。系统软件主要包括：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3/8/2023531.3.2 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。类问题而编制的程序。应用软件包括各种科学计算类程序、工程设计应用
32、软件包括各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序、情报检索程序、类程序、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。企业管理程序、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。目前应用软件正向是多种多样，极其丰富的。目前应用软件正向标准化、集成化方向发展，许多通用的应用程标准化、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序可以根据其功能组成不同的应用软件包供用户选择使用。户选择使用。3/8/2023541.4 1.4 计算机系统的组织结构计算机系统的
33、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。和软件是紧密相关、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、高效力的硬件支持，就不可能编制出高质量、高效率的软件；没有好的硬件环境，一些先进的软率的软件；没有好的硬件环境，一些先进的软件也无法运行。件也无法运行。软件是计算机系统的灵魂软件是计算机系统的灵魂。没有软件，再好的
34、硬件也毫无用途；没有高质没有软件，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。量的软件，硬件也不可能充分发挥它的效率。3/8/202355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、软件在逻辑功能上等效3/8/202356硬件、软件在逻辑功能上的等效硬件、软件在逻辑功能上
35、的等效任何由硬件实现的操作，在原理上，均任何由硬件实现的操作，在原理上，均可用软件来实现；同样，任何由软件实可用软件来实现；同样，任何由软件实现的操作，在原理上都可硬化由硬件来现的操作，在原理上都可硬化由硬件来实现实现。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、除法现已由硬件乘、除法器器实现。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。3/8/202357硬件的软化硬件的软化：将由硬件实现的功能用
36、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载有在用户环境中不能加以改变的程序及数据的器件。器件。将复杂且常用的程序写入只读存储器就构成了固将复杂且常用的程序写入只读存储器就构成了固件。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，但从形态上看是硬件。例如例如，PC机中的主机中的主板板BIOS、显卡、显卡BIOS，网卡网卡BOOT ROM等都属于固件等都属于固件。3/8/202358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，
37、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”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。3/8/2023591.4.2 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
38、件组成的综合体。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，所以必须有复由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。杂的系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，以各种不同的语言来对待同一个计算机角度，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出的要求也就不一样。性及对计算机系统提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
39、的各种操作。而高级语言使用机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者则关心机器能否提供高效方便的编程环境。3/8/202360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。3/8/202361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
40、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。3/8/2023623/8/202363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
41、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 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指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展机器功能而设置的，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。释的软件指令。这一层也称为混合层。3/8/202364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
42、支持和写汇编语言源程序。这一层由汇编程序支持和执行。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置的。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。编译程序支持和执行。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。由用户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。相应的应用软件包支持和执行。3/8/202365高级语言程序高级语言程序CAB汇编
43、语言程序汇编语言程序MOV AL，AADD AL，BMOV C，AL机器语言程序机器语言程序1000H000000011001H000000101002H000000000000H101000000001H000000000002H000100000003H000000100004H000000010005H000100000006H100010000007H000001100008H000000100009H000100003/8/202366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（虚拟机）虚机器（虚拟机）。虚机器虚机器：是指
44、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。3/8/202367利用多级层次结构观点，可以在设计计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
45、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。3/8/2023681.4.3 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。
46、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。3/8/202369总线结构总线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一组可为多个功能部件共享的公共信息传送线路。路。总线规定了计算机组件
47、间规范化的交换数据总线规定了计算机组件间规范化的交换数据（datadata）的方式，以一种通用的方式为各组件）的方式，以一种通用的方式为各组件提供数据传送和控制逻辑。提供数据传送和控制逻辑。3/8/2023702.2.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送信息，保证总线上的信息在任何时候都是唯一的。一的。总线上的各个部件可同时接收总线上的信总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。息。总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲突，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
48、总线信息。且总线上的各部件可以共享总线信息。3/8/202371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内部各寄内部各寄存器和算术逻辑部件。在微型计算机系统存器和算术逻辑部件。在微型计算机系统中，中，CPU内部总线也就是芯片内的总线。内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、声卡总线。属于芯片间的总线。如内存条、声卡等插件上的总线。等插件上的总线。3.3.总线的分类总线的分类3/8/202372(3)(3
49、)系统总线系统总线连接系统内各大部件连接系统内各大部件如如CPU、主存主存、I/O设备等设备等的总线，是连接整机系统的基础。系统总线包括的总线，是连接整机系统的基础。系统总线包括地址总线、数据总线、控制地址总线、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标准。如。如RS232串行总线标准。串行总线标准。3/8/202373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
50、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。3/8/202374按总线上信息传送的位数分按总线上信息传送的位数分(1)(1)并行总线并行总线 一次可以传送多位二进制信息的总线一次可以传送多位二进制信息的总线。如如CPUCPU内部的数据总线、地址总线。内部的数据总线、地址总线。(2)(2)串行总线串行总线 一次只能传送一位二进制信息的总线一次只能传