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1、第1章计算机系统概述第1页，本讲稿共39页课课 程程 要要 求求作业作业：20%上机实验及报告：20%考试(开卷)：60%每章完后布置本章作业；下一章完成后交上一章的作业。第2页，本讲稿共39页第一章计算机系统概论第一章计算机系统概论1.1 计算机的语言计算机的语言自然语言自然语言：人类相互交流信息所用的语言高级语言高级语言：由于当前的计算机还不具备理解自然 语言的能力，于是人们希望找到一种和自然语言接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为计算机的高级语言。机机器器语语言言：由于目前的通用计算机不会直接执行用高级语言编写的程序，因而要先将其翻译成机器能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由二
2、进制代码表示的指令组成）。汇编语言汇编语言：符号式程序设计语言。第3页，本讲稿共39页1.2 计算机的硬件 组成计算机的基本部件有中央处理器CPU（运算器和控制器）、存储器和输入、输出设备。输人设备用来输人原始数据和处理这些数据的程序、输人的信息有数字符、字母和控制符等。输出设备用来输出计算机的处理结果。可以是数字、字母、表格、图形等.存储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存储和交流中心。存储器可与CPU、输入输出设备交换信息，起存储、缓冲、传递信息的作用，中央处理器又叫CPU，在早期的计算机中分成运算器和控制器两部分，由于电路集成度的提高，现在已把它们集成在一个芯片中。在计算机中各部件
3、间来往的信号可分成三种类型，即地址、数据和控制信号。通常这些信号是通过总线传送的，CPU发出的控制信号，经控制总线送到存储器和输入输出设备，控制这些部件完成指定的操作。与此同时，CPU（或其他设备）经地址总线向存 储器或输入输出设备发送地址，使得计算机各个部件中的数据能根据需要互相传送。第4页，本讲稿共39页1.3 计算机系统的层次结构（从语言功能层次划分）虚拟机：通过配置软件扩展功能后形成的与实际机无关的机器。它将提供给用户的功能抽象出来，脱离了物理机。如图所示第5页，本讲稿共39页 1.4.1 计算机的产生1945年,美国数学家冯.诺依曼博士发表电子计算工具逻辑设计论文，提出二进制表达方式
4、和存储程序控制计算机构想。1946年,美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC。重28吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每秒5000次加法。1.4 计算机的现代发展史第6页，本讲稿共39页第7页，本讲稿共39页 一般认为冯.诺依曼机具有如下基本特点:计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改。数据以二进制码表示指令由操作码和地址码组成。指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序替增。机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。第
5、8页，本讲稿共39页1.4.2 电子 计算机的发展简史第一代第一代 电子管时代电子管时代(1946-1958)耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言第二代第二代 晶体管时代晶体管时代(1958-1965)变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言第三代第三代 中小规模集成电路时代中小规模集成电路时代(1965-1970)存储容量大，运算速度快，几十至几百万次存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒秒第四代第四代 大规模集成电路时代大规模集成电路时代(1971至今至今)向大型机和微型机两个方向发展向大型机和
6、微型机两个方向发展现代计算机发展方向现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 根据摩尔定律集成电路大体上每根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番，今后可再用个月翻一番，今后可再用10年。年。第9页，本讲稿共39页计算机的简单框图中央处理器（CPU）CPU=运算器运算器+控制器控制器主机主机主机=中央处理器中央处理器+主存储器主存储器外部设备除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输出设除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输出设备、外存储器等）备、外存储器等）1 电子数字计算机与存储程序控制第10页，本讲稿共39页1 电子数字计算机与存
7、储程序控制运算器控制器主存储器主存储器输入设备输出设备辅助存储器辅助存储器控制控制数据数据地址或指令地址或指令CPU主机主机外设外设存储器存储器第11页，本讲稿共39页2 计算机的类型和应用系列机的概念系列机的概念 系列机是指一个厂家生产的，具有相同的系统结构，系列机是指一个厂家生产的，具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。系列机应在指令系统、数据格式、字符编码、中断系列机应在指令系统、数据格式、字符编码、中断系统、控制方式、输入系统、控制方式、输入/输出操作方式等方面保持统一，输出操作方式等方面保持统一，从而保证软件的兼容
8、性。从而保证软件的兼容性。向上兼容向上兼容 向下兼容向下兼容 向前兼容向前兼容 向后兼容向后兼容向下兼容指的是高版本支持低版本的或者说后期开发的版本支持向下兼容指的是高版本支持低版本的或者说后期开发的版本支持和兼容早期开发的版本，向下兼容和兼容早期开发的版本，向下兼容(Downward Compatible)(Downward Compatible)又称又称向后兼容（向后兼容（Backwards compatibilityBackwards compatibility）。）。向上兼容向上兼容(Upward Compatible)(Upward Compatible)，又称向前兼容（，又称向前兼
9、容（Forward Forward compatibilitycompatibility），与向下兼容（向后兼容）相对。即旧版），与向下兼容（向后兼容）相对。即旧版本能够适应新版本的应用本能够适应新版本的应用，向上兼容的很少。但也有一些，向上兼容的很少。但也有一些，Word2007-2003Word2007-2003第12页，本讲稿共39页3 计算机系统的硬件组成 3.1 计算机的主要部件 1.输入设备 输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别
10、和接受的信息方式。常用的有键盘、鼠标、扫描仪等。信息方式。常用的有键盘、鼠标、扫描仪等。2.输出设备 输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。常用的有显示器、打印机、绘图仪等接受的形式送出计算机。常用的有显示器、打印机、绘图仪等3.3.存储器存储器 存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现置，也是计算机能够实现“存储程序控制存储程序控制”的基础。的基础。第13页，本讲稿共39页3 计算机系统的硬件组成Cache主存储器主存储器辅助存
11、储器辅助存储器速度速度快快慢慢三级存储系统三级存储系统小小大大容量容量贵贵贱贱价格价格/位位第14页，本讲稿共39页3 计算机系统的硬件组成Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器 主存储器 可由CPU直接访问，用来存放当前正在执行的程序和数据。第15页，本讲稿共39页3 计算机系统的硬件组成Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器 设置在主机外部，设置在主机外部，CPUCPU不能直接访问，用来存放暂不能直接访问，用来存放暂时不参与运行的程序和数据，需要时再传送到主存。时不参与运行的程序和数据，需要时再传送到主存。第16页，本讲稿共39页3 计算机系统的硬件组成
12、Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（CacheCache）CPUCPU可以直接访问，用来存放当前正在执行的程序中的可以直接访问，用来存放当前正在执行的程序中的活跃活跃部分部分，以便快速地向，以便快速地向CPUCPU提供指令和数据。提供指令和数据。第17页，本讲稿共39页3 计算机系统的硬件组成 4.运算器 运算器是对信息进行处理和运算的部件，经运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算是算术运算和逻辑运算，因此运算器常进行的运算是算术运算和逻辑运算，因此运算器的核心是算术逻辑运算部件的核心是算术逻辑运算部件ALUALU。运算器中有若干个寄存器（
13、如累加寄存器、暂存器运算器中有若干个寄存器（如累加寄存器、暂存器等）。等）。5.控制器 控制器是整个计算机的指挥中心。控制器是整个计算机的指挥中心。控制器中主要包括时序控制信号形成部件和控制器中主要包括时序控制信号形成部件和一些专用的寄存器。一些专用的寄存器。第18页，本讲稿共39页3 计算机系统的硬件组成 3.2 计算机的总线结构（小、微型机典型结构）将各大基本部件，按某种方式连接起来就构成了计算将各大基本部件，按某种方式连接起来就构成了计算机的硬件系统。机的硬件系统。目前许多计算机（主要指小、微型计算机）的各大基目前许多计算机（主要指小、微型计算机）的各大基本部件之间是用总线（本部件之间是
14、用总线（BUSBUS）连接起来的。）连接起来的。总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息。小型、微型机的设计目标是以较小的硬件代价组成具有较强功能的系统，而总线结构正好能满足这一要求。第19页，本讲稿共39页3 计算机系统的硬件组成 以CPU为中心的双总线结构CPU主存储器主存储器接口接口接口接口外设外设外设外设I/O总线总线存储总线存储总线接口接口外设外设第20页，本讲稿共39页3 计算机系统的硬件组成 接口接口接口接口外设外设外设外设CPU主存储器主存储器系统总线系统总线单总线结构第21页，本讲稿共39页3 计算机系统的硬件组成 接口接口接口接口外设外
15、设外设外设CPU主存储器主存储器系统总线系统总线存储总线存储总线面向存储器的双总线结构第22页，本讲稿共39页3 计算机系统的硬件组成 3.3 大、中型机的典型结构 大、中型计算机系统的设计目标更着重于系统功能的扩大与效率的提高。在系统连接上分为四级。第四级第四级第三级第三级第二级第二级主存主存CPU通道通道通道通道设备设备控制器控制器设备设备控制器控制器设备设备控制器控制器设备设备控制器控制器外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设外设主机主机第一级第一级第23页，本讲稿共39页4 计算机系统的层次结构 4.1 硬件与软件 计算机系统=硬件系统+软件系统 硬件是计算机系统
16、的物质基础，软件是计算机系统的灵魂。硬件和软件是相辅相成的，不可分割的整体。当前计算机的硬件和软件正朝着互相渗透，互相融合的方向发展，在计算机系统中没有一条明确的硬件与软件的分界线。硬件和软件之间的界面是浮动的，对于程序设计人员来说，硬件和软件在逻辑上是等价的。第24页，本讲稿共39页4 计算机系统的层次结构 硬件软化：原来由硬件实现的操作改由软件来实现。它可以增强系统的功能和适应性。软件硬化：原来由软件实现的操作改由硬件来实现。它可以显著降低软件在时间上的开销。4.2 计算机软件的基本内容 系统软件：包括各种语言的处理程序、操作系统、服务程序、管理程序等。应用软件：由用户或第三方软件公司专门
17、为解决某个应用领域中的具体任务而编制的程序。在计算机系统中，软件是在硬件的支持下工作的，而应用软件又是在系统软件的支持下工作的。第25页，本讲稿共39页4 计算机系统的层次结构 3.3 计算机系统的多层次结构 1.多层次结构 现代计算机系统是一个硬件与软件组成的综合体，我们可以把它看成是按功能划分的多级层次结构。微程序级（实际机器）微程序级（实际机器）机器语言级（实际机器）机器语言级（实际机器）汇编语言级（虚拟机器）汇编语言级（虚拟机器）应用语言级（虚拟机器）应用语言级（虚拟机器）高级语言级（虚拟机器）高级语言级（虚拟机器）操作系统级（虚拟机器）操作系统级（虚拟机器）数字逻辑（实际机器）数字逻
18、辑（实际机器）第第0级级第第1级级第第2级级第第3级级第第4级级第第5级级第第6级级数字逻辑级（实际机器）数字逻辑级（实际机器）微程序级（实际机器）微程序级（实际机器）机器语言级（实际机器）机器语言级（实际机器）操作系统级（虚拟机器）操作系统级（虚拟机器）汇编语言级（虚拟机器）汇编语言级（虚拟机器）高级语言级（虚拟机器）高级语言级（虚拟机器）应用语言级（虚拟机器）应用语言级（虚拟机器）硬联逻辑硬联逻辑微程序微程序操作系统操作系统汇编程序汇编程序编译程序编译程序应用程序应用程序第26页，本讲稿共39页4 计算机系统的层次结构2.虚拟机概念 在计算机系统的多层次结构中，除第0、1、2级外，上面四级
19、均为虚拟机。虚拟计算机是指这个计算机只对该级的观察者存在。对某一层次的观察者来说，他只能是通过该层次的语言来了解和使用计算机，至于下层是如何工作和实现的就不必关心了。简而言之，虚拟计算机即是由软件实现的机器。第27页，本讲稿共39页数据总线数据总线存储器数据寄存器存储器数据寄存器000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT累加器累加器ALU5 计算机的工作过程和主要性能指标5.1 计算机的工作过程LOAD 005LOAD
20、 005a aa aa a取数指令取数指令第28页，本讲稿共39页数据总线数据总线存储器数据寄存器存储器数据寄存器000001002003005006007008004主存主存b ba ac cLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALT累加器累加器ALU5 计算机的工作过程和主要性能指标LOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba aa+ba+b加法指令加法指令a ab b第29页，本讲稿共39页数据总线数据总线000001002003005006007008004主
21、存主存b ba aLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHALTALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba+ba+bb bc c5 计算机的工作过程和主要性能指标SUB 007SUB 007c cc ca+b-ca+b-c减法指令减法指令第30页，本讲稿共39页数据总线数据总线000001002003005006007008004主存主存b ba aLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE
22、 008HALTHALTALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab ba+b-ca+b-cc cc cSUB 007SUB 007c c5 计算机的工作过程和主要性能指标STORE 008STORE 008a+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-c存数指令存数指令第31页，本讲稿共39页5 计算机的工作过程和主要性能指标数据总线数据总线000001002003005006007008004主存主存b ba aLOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006SUB 007SUB 007STORE 008STORE 008HALTHAL
23、TALULOAD 005LOAD 005ADD 006ADD 006a ab bb bc cSUB 007SUB 007c cc cSTORE 008STORE 008a+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-ca+b-cHALTHALT停机指令停机指令第32页，本讲稿共39页5 计算机的工作过程和主要性能指标5.2 5.2 计算机的主要性能指标计算机的主要性能指标 1.1.基本字长基本字长 基本字长是指参与运算的数的基本位数，它是由加法器、寄存器、数据总线的位数决定的。在计算机中为了更灵活地表达和处理信息，许多计算机又以字节（Byte）为基本单位，一个字节等于8位二进制位（bit）。第
24、33页，本讲稿共39页5 计算机的工作过程和主要性能指标 2.2.数据通路宽度数据通路宽度 数据总线一次所能并行传送的位数，称为数据通路宽度。它影响到信息的传送能力，从而影响计算机的有效处理速度。CPU内部的数据通路宽度一般等于基本字长，而外部数据通路宽度则取决于系统总线。有些CPU的内、外数据通路宽度相等，例如Intel 8086、80286、80486等；有些CPU的外部数据通路宽度小于内部，例如8088、80386SX等；也有些CPU的外部数据通路宽度大于内部，例如Pentium等。第34页，本讲稿共39页5 计算机的工作过程和主要性能指标 3.3.主存容量主存容量 一个主存储器所能存储
25、的全部信息量称为主存容量。衡量主存容量单位有两种：字节数。这类计算机称为字节编址的计算机。每字节数。这类计算机称为字节编址的计算机。每10241024个字节个字节称为称为1K1K字节（字节（2 21010=1K=1K），每），每1024K1024K字节称为字节称为1M1M字节（字节（2 22020=1M=1M），每），每1024M1024M字节称为字节称为1G1G字节（字节（2 23030=1G=1G）。）。字数字数字长。这类计算机称为字编址的计算机。如：字长。这类计算机称为字编址的计算机。如：409616409616表示存储器有表示存储器有40964096个存储单元，每个存储单元字长为个存储
26、单元，每个存储单元字长为1616位。位。计算机的主存容量越大，存放的信息就越多，处理问题的能力就越强。第35页，本讲稿共39页5 计算机的工作过程和主要性能指标 4.4.运算速度运算速度 以以MIPSMIPS和和MFLOPSMFLOPS作为计量单位来衡量运算速度。作为计量单位来衡量运算速度。MIPS表示百万条指令每秒。对于一个给定的程序，MIPS定义为:MIPS=MIPS=指令条数指令条数/（执行时间（执行时间 10106 6）这里所说的指令一般是指加、减运算这类短指令。这里所说的指令一般是指加、减运算这类短指令。MFLOPS表示百万次浮点运算每秒。对于一个给定的程序，MFLOPS定义为：MF
27、LOPS=MFLOPS=浮点操作次数浮点操作次数/（执行时间（执行时间 10106 6）MFLOPSMFLOPS比较适用于衡量向量机的性能。比较适用于衡量向量机的性能。第36页，本讲稿共39页5 计算机的工作过程和主要性能指标 5.工作频率工作频率 工作频率是衡量计算机速度的重要参数。工作频率又可以细分为内频和外频。内频，就是内频，就是CPUCPU的内部工作频率，内频也可称为内部时钟。的内部工作频率，内频也可称为内部时钟。外频，即外部工作频率，也就是主板的总线速度或系统外频，即外部工作频率，也就是主板的总线速度或系统时钟。时钟。早期，CPU的内频就等于外频。目前，CPU的内频越来越高，外频与内
28、频不再是一比一的同步关系，从而出现了所谓的内部倍频技术，导致了“倍频”的出现。内频、外频和倍频三者之间的关系是：内频内频=外频外频倍频倍频第37页，本讲稿共39页1.4.3 计算机的六大分类巨型机巨型机世界几家公司生产，最快世界几家公司生产，最快1.4万亿次，万亿次，9千个千个CPU组成组成 Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河国产银河I,银河银河II,银河银河III小巨型机小巨型机功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速 美国美国Convex公司的公司的C系列机为其代表产品。系列机为其代表产品。大型机大型机大中型企事业单位作为计算
29、中心的主机使用，统一调大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调 度主机资源，代表产品有度主机资源，代表产品有IBM360，370，4300等。等。小型机小型机它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用，它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用，典型产品有典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列，国产太级系列，国产太级工作站工作站用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。典型产品有典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。工作站等。微型机微型机个人或家庭使用，个人或家庭使用，PC机机/个人计算机，价格低廉个人计算机，价格
30、低廉第38页，本讲稿共39页1.5 1.5 计算机的应用领域计算机的应用领域科学研究计算科学研究计算 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算过程控制过程控制 机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制辅助设计辅助设计/分析分析/制造制造/教学教学 机械机械CAD，建筑，建筑CAD，CAE，CAM，CAI数据处理数据处理 数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化智能模拟智能模拟 人工智能、专家系统、自学习人工智能、专家系统、自学习第39页，本讲稿共39页