第1章计算机原理精选文档.ppt

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1、第1章计算机原理本讲稿第一页，共一百二十三页n本课程的性质本课程的性质 计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学与技术专业本科是计算机科学与技术专业本科生的核心课程之一，是必修的专业基础课。生的核心课程之一，是必修的专业基础课。学习指南学习指南本讲稿第二页，共一百二十三页n本课程的本课程的地位地位 本本课课程程在在计计算算机机学学科科中中处处于于承承上上启启下下的的地地位位，要求先修的课程有：要求先修的课程有：计算机科学导论计算机科学导论 数字电路数字电路学习指南学习指南本讲稿第三页，共一百二十三页n本课程的任务本课程的任务 讨讨论论单单机机系系统统范范围围内内计计算算机机各各部部件件和和系系

2、统统的的组组成成以以及及内内部部工工作作机机制制。通通过过学学习习，掌掌握握计计算算机机各各大大部部件件的的组组成成原原理理、逻逻辑辑实实现现、设设计计方方法法及及其其互互连连构构成成整整机机系系统的技术，并为后继课程的学习打好基础。统的技术，并为后继课程的学习打好基础。学习指南学习指南本讲稿第四页，共一百二十三页n本课程的本课程的重点重点：五大基本部件的原理及实现。：五大基本部件的原理及实现。n本本课课程程的的难难点点：各各部部件件互互连连构构成成整整机机系系统统，即即整整机机概概念念的建立。的建立。n本本课课程程的的深深广广度度：主主要要讨讨论论计计算算机机组组成成中中具具有有共共性性的的

3、问题，要处理好抽象概念与具体实例的关系。问题，要处理好抽象概念与具体实例的关系。学习指南学习指南本讲稿第五页，共一百二十三页参考书参考书n白中英，计算机组成原理，北京科学出版社，白中英，计算机组成原理，北京科学出版社，2001。n唐朔飞，高等教育出版社，北京，唐朔飞，高等教育出版社，北京，2000。n蒋蒋本本珊珊，计计算算机机组组成成原原理理学学习习指指导导与与习习题题解解析析，北北京京，清华大学出版社，清华大学出版社，2005。学习指南学习指南本讲稿第六页，共一百二十三页第第1 1章章 概论概论本讲稿第七页，共一百二十三页 在本章中我们将从存储程序的概念入手，讨论计算在本章中我们将从存储程序

4、的概念入手，讨论计算机的基本组成与工作原理，使大家对于计算机系统先有机的基本组成与工作原理，使大家对于计算机系统先有一个简单的整体概念，为今后深入讨论各个部件打下基一个简单的整体概念，为今后深入讨论各个部件打下基础。础。第第1 1章章 本讲稿第八页，共一百二十三页 电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确的对各种信息进行处理和存储的电子动、高速、准确的对各种信息进行处理和存储的电子设备。设备。可以有非电子计算机（如：光计算机、量子可以有非电子计算机（如：光计算机、量子计算机、超导计算机等）。计算机、超导计算机等）。可以有非数字计算机（如

5、：模拟计算机）。可以有非数字计算机（如：模拟计算机）。1.1 1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制本讲稿第九页，共一百二十三页n电子计算机（电子计算机（Electronic Digital Computer）q简称为计算机（简称为计算机（Computer）q是按照一系列指令来对数据进行处理的机器是按照一系列指令来对数据进行处理的机器n计算机拥有众多的物理形态计算机拥有众多的物理形态q个人计算机（个人计算机（Personal Computer，PC）q便携计算机（便携计算机（Portable Computer）n又称膝上型计算机（又称膝上型计算机（Laptop Compute

6、r）q嵌入式嵌入式计算机（计算机（Embedded Computer）n使用使用最为广泛最为广泛的计算机形态的计算机形态1.1 1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制本讲稿第十页，共一百二十三页n根据根据ChurchTuringChurchTuring理论，理论，q任何一台具有最基本功能的计算机，原则上都能任何一台具有最基本功能的计算机，原则上都能够执行任何其他计算机可以执行的任务够执行任何其他计算机可以执行的任务q只要只要不考虑时间和存储容量不考虑时间和存储容量，性能和复杂度均相，性能和复杂度均相差甚远的各种计算机，都能够执行相同的运算任差甚远的各种计算机，都能够执行相同的

7、运算任务务1.1 1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制本讲稿第十一页，共一百二十三页n根据根据效率、速度、价格、运行的经济性和适应性效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，计算来划分，计算机可分为机可分为通用计算机通用计算机和和专用计算机专用计算机两大类两大类n通用通用计算机计算机q功能齐全，通用性强，适应面广，可完成各种各样的工作功能齐全，通用性强，适应面广，可完成各种各样的工作q牺牲部分效率、速度和经济性牺牲部分效率、速度和经济性n专用专用计算机计算机q为某些特定问题而设计的计算机，相对说来结构较简单，功能较单一为某些特定问题而设计的计算机，相对说来结构较简单，功

8、能较单一q具有可靠性高、速度快、成本低的优点具有可靠性高、速度快、成本低的优点q适应性较差适应性较差计算机分类计算机分类本讲稿第十二页，共一百二十三页 6类，其区别在于类，其区别在于体积、复杂度、体积、复杂度、功耗、性能指标、数据存储容功耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和价格量、指令系统规模和价格q超级计算机超级计算机（Supercomputer）q大型机大型机（Mainframe）q服务器服务器（Server）q工作站工作站（Workstation）q微型机微型机（Microcomputer）q单片机单片机（Single-Chip Computer）通用计算机分类通用计算机分类本讲稿

9、第十三页，共一百二十三页n超级计算机超级计算机q主要用于科学计算主要用于科学计算q运算速度远远超过其他计算机，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵运算速度远远超过其他计算机，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵n单片机单片机q用单片集成电路（用单片集成电路（Integrated Circuit，IC）做成的计算机）做成的计算机q体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜n大型机、服务器、工作站、微型机大型机、服务器、工作站、微型机q结构规模和性能指标依次递减结构规模和性能指标依次递减q随着超大规模集成电路的迅速发展，主要技术下移。今天的工作站可随着超大规模

10、集成电路的迅速发展，主要技术下移。今天的工作站可能是明天的微型机，而今天的微型机也可能是明天的单片机能是明天的微型机，而今天的微型机也可能是明天的单片机通用计算机分类通用计算机分类本讲稿第十四页，共一百二十三页n 按信息的形式和处理方式分按信息的形式和处理方式分q 数字计算机数字计算机q 模拟计算机模拟计算机q 数字模拟混合计算机数字模拟混合计算机n 按计算机的用途分按计算机的用途分q 通用计算机通用计算机q 专用计算机专用计算机n 按计算机规模分按计算机规模分q 巨型机巨型机q 大型机大型机q 中型机中型机q 小型机小型机q 微型机微型机q 多机系统或网络系统多机系统或网络系统计算机分类计算

11、机分类本讲稿第十五页，共一百二十三页1.1.1电子计算机的发展电子计算机的发展 世界上第一台电子数字计算机是世界上第一台电子数字计算机是1946年年2月问世的月问世的ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机）。ENIAC的设计开始于的设计开始于1943年年,该机一直使用到该机一直使用到1955年。年。1.1 1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制本讲稿第十六页，共一百二十三页ENIAC的特点：的特点：q采用十进制采用十进制q20 个个10位的累加器位的累加器q用开关手动编程用开关手动编程q18,0

12、00个电子管个电子管,1 500 1 500 多个继电器多个继电器q重重30 吨吨q占地占地170平方米平方米q耗电耗电170 KWq5,000次次/秒加法运算秒加法运算 1.1 1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制本讲稿第十七页，共一百二十三页n从使用器件的角度来说，计算机的发展大致经历了5代的变化(某些教材)时间使用器件执行速度（次/秒）典型应用第1代19461957电子管几千至几万数据处理机第2代19581964晶体管几万至几十万工业控制机第3代19651970小规模/中规模集成电路几十万至几百万小型计算机第4代19711985大规模/超大规模集成电路几百万至几千万微

13、型计算机第5代1986甚大规模集成电路几亿至上百亿单片计算机不同角度不同层次看发展不同角度不同层次看发展本讲稿第十八页，共一百二十三页器件分代器件分代n 第一代:电子管机(1946-1959)n 第二代:晶体管机(1959-1964)n 第三代:小、中规模集成电路(1964-1975)n 第四代:大、超大规模集成电路机(1975-1990)n 第五代:甚大规模集成电路机(新-代或智能计算机(1990-200 x)n 第六代:极大规模集成电路机(200 x-)q超大规模集成电路q智能型系统结构q常温超导材料和光器件等q超并行结构的数据流计算等本讲稿第十九页，共一百二十三页第一台第一台von Ne

14、umann von Neumann 系统结构的计算机系统结构的计算机本讲稿第二十页，共一百二十三页第一代计算机n1946年到1959年n使用电子管（Vacuum Tube）作为电子器件n使用机器语言与符号语言编制程序n存储器使用延迟线、磁芯存储器，体积庞大，存储容量小，成本很高，可靠性较低n主要用于科学计算，国防、军事n在此期间，形成了计算机的基本体系结构，确定了程序设计的基本方法本讲稿第二十一页，共一百二十三页第二代计算机n1959年到1964年n使用晶体管（Transistor）作为电子器件n开始使用计算机高级语言n磁芯存储器，体积缩小，存储容量扩大，成本降低，可靠性提高n用于科学计算、数

15、据处理和事务处理等，并逐渐用于工业控制n“工业控制机”开始得到应用本讲稿第二十二页，共一百二十三页第三代计算机n1964年到1975年n使用小规模集成电路（Small-Scale Integration，SSI）与中规模集成电路（Medium-Scale Integration，MSI）作为电子器件n操作系统开始出现n计算机小型化、微型化n科学计算，文字处理、企业管理和自动控制等领域n管理信息系统（Management Information System，MIS）n“小型计算机”开始出现本讲稿第二十三页，共一百二十三页第四代计算机n1975年到1990年n使用大规模集成电路（Large-Sc

16、ale Integration，LSI）与超大规模集成电路（Very-Large-Scale Integration，VLSI）作为电子器件n半导体存储器，大容量、高速度n办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别和专家系统等众多领域n由几片大规模集成电路组成的“微型计算机”开始出现，并进入家庭本讲稿第二十四页，共一百二十三页第五代计算机n1990年到200 x年n采用甚大规模集成电路（Ultra-Large-Scale Integration，ULSI）作为电子器件，也包括常温超导材料和光器件等n由一片甚大规模集成电路实现的“单片计算机”开始出现n 也称为新-代或智能计算机，采用智能型系统结

17、构、超并行结构的数据流计算等新技术n不是纯器件的分代不是纯器件的分代本讲稿第二十五页，共一百二十三页总体而言n电子管计算机在整个20世纪50年代居于统治地位n20世纪60年代，晶体管计算机逐渐取而代之n20世纪70年代，集成电路技术的采用和其后微处理器的产生，导致计算机有了一次新的飞跃n20世纪80年代，计算机被个人广泛使用，成为现在无处不在的个人计算机n20世纪90年代以来，几乎所有的现代电子设备都会包含某种形式的计算机在内本讲稿第二十六页，共一百二十三页Moore 定律Intel 公司的缔造者之一公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶体管数目每

18、三年翻两番晶体管数目每三年翻两番本讲稿第二十七页，共一百二十三页Intel Intel 公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品 8080 8位位 1974年年 8086 16位位 1979年年 2.9 万万 80286 16位位 1982年年 13.4 万万 80386 32位位 1985年年 27.5 万万 80486 32位位 1989年年 120.0 万万 Pentium 64位（准）位（准）1993年年 310.0 万万 Pentium pro 64位（准）位（准）1995年年 550.0 万万 Pentium 64位（准）位（准）1997年年 550.0 万以上万以上 Pent

19、ium 64位（准）位（准）1999年年 800.0 万以上万以上 Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 万万预计预计 2007 年年 芯片上可集成芯片上可集成 3 亿亿 5 千万千万 晶体管晶体管 2010 年年 芯片上可集成芯片上可集成 8 亿亿 晶体管晶体管本讲稿第二十八页，共一百二十三页1）多处理）多处理2）网络化）网络化3）智能化）智能化4）微型化）微型化5）巨型化）巨型化6）多媒体）多媒体数字计算机的发展趋势数字计算机的发展趋势本讲稿第二十九页，共一百二十三页1）多处理多处理n多处理（多处理（Multiprocessing）q在一个或多个CPU之间划分工作q传统上

20、用于超级计算机、大型机和服务器这类大型、强大的计算机上n超级计算机超级计算机q经常拥有几千个CPU、定制的高速互连网络和专门的计算硬件n低端市场应用低端市场应用q配备多处理器（Multiprocessor）和多核（Multi-Core）处理器的台式/便携式计算机数字计算机的发展趋势数字计算机的发展趋势本讲稿第三十页，共一百二十三页2）网络化）网络化n20世纪70年代q美国国防部高级研究计划署（ARPA）资助形成ARPANETn此后q该网络传播开来，最终形成了互联网（Internet）n20世纪90年代q电子邮件（e-Mail）和万维网（World Wide Web，WWW）等应用普及q以太网（

21、Ethernet）和非对称数字用户线路（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）等廉价、快速联网技术发展q计算机网络变得无处不在数字计算机的发展趋势数字计算机的发展趋势本讲稿第三十一页，共一百二十三页3）智能化）智能化n人们将用自然语言和机器对话n计算机将从数值计算为主过渡到知识推理为主，进入知识处理阶段4）微型化）微型化n微型计算机将向更加微型化、网络化、高性能、多用途方向发展5）巨型化）巨型化n超级计算机将向更加巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展数字计算机的发展趋势数字计算机的发展趋势本讲稿第三十二页，共一百二十三页6）多媒体）多媒体n多媒体信

22、息q文本、图像、图形、声音、视频等n多媒体计算机q将真正改善人机界面q使计算机向着人类接受和处理信息的最自然的方式发展数字计算机的发展趋势数字计算机的发展趋势本讲稿第三十三页，共一百二十三页1.1.2 存储程序概念存储程序概念 美籍匈牙利数学家美籍匈牙利数学家冯冯诺依曼等人在诺依曼等人在1946年年6月月提出存储程序概念。提出存储程序概念。1.1 1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制本讲稿第三十四页，共一百二十三页存储程序概念存储程序概念q 计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；备和

23、输出设备五大基本部件组成；q 计算机内部采用二进制来表示指令和数据；计算机内部采用二进制来表示指令和数据；q 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。，这就是存储程序的基本含义。1.1 1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制本讲稿第三十五页，共一百二十三页 EDVAC 冯冯诺依曼设计的存储程序计算机诺依曼设计的存储程序计算机 1951年诞生。年诞生。EDSAC 事实上的第一台存储程序计算机事实上的第一台存储程序计算机 1949年诞生。年诞生。目前绝大多数计算机仍建立在存

24、储程序概念的基础上，目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上，称冯称冯诺依曼型计算机。诺依曼型计算机。也出现了一些突破冯也出现了一些突破冯诺依曼结构的计算机，统称非冯结构诺依曼结构的计算机，统称非冯结构计算机，如：数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机计算机，如：数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。和模式匹配驱动的智能计算机等。1.1 1.1 电子计算机与存储程序控制电子计算机与存储程序控制本讲稿第三十六页，共一百二十三页计算机系统软、硬件的概念计算机系统软、硬件的概念计计算算机机系系统统计算机的实体计算机的实体如主机、外设等如主机、外设等由具

25、有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序）组成硬件硬件软件软件本讲稿第三十七页，共一百二十三页 计算机由硬件（计算机由硬件（Hardware）和软件（）和软件（Software）组成：）组成：q硬件是基础，是软件活动的舞台q软件是灵魂，使硬件最大限度地发挥作用q两者缺一不可n计算机硬件计算机硬件q由物理元器件构成的有形实体q主要是数字逻辑电路n计算机软件计算机软件q由计算机程序构成的无形的东西q需要存储在有形的硬件（如主存储器、硬盘等）中q可以实现更高层次的逻辑功能本讲稿第三十八页，共一百二十三页n冯冯诺伊曼计算机具有诺伊曼计算机具有5大部件大部件q控制器控制器、运算器运

26、算器、存储器存储器、输入设备输入设备、输输出设备出设备 q这些部件用总线总线相互连接q中央处理器中央处理器（Central Processing Unit，CPU）n控制器和运算器的合称n早期由许多分立元件组成，现在通常被制作在单片集成电路上，称为微处理器（Microprocessor）qCPU和存储器通常组装在一个机箱内，合称为主机主机q除去主机以外的硬件装置称为外围设外围设备备1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第三十九页，共一百二十三页中央处理器中央处理器（CPU）CPU=运算器运算器+控制器控制器主机主机 主机主机=中央处理器中央处理器+主存储器主存储器外部设备外部设

27、备 除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输出设备、辅助存储器等）出设备、辅助存储器等）1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成注意本讲稿第四十页，共一百二十三页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CPU控制控制数据数据地址或指令地址或指令主机主机外设外设存储器存储器1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第四十一页，共一百二十三页1.2.1 计算机的计算机的主要部件主要部件 1.输入设备输入设备输入设备输入设备 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

28、算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。常用的有键盘、鼠标、扫描仪等。的信息方式。常用的有键盘、鼠标、扫描仪等。2.输出设备输出设备输出设备输出设备 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、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。绘图仪等。1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第四十二页，共一百二十三页 3.存储器存储器 存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个存储器是用来存放程序

29、和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制存储程序控制”的的基础。基础。1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第四十三页，共一百二十三页Cache主存储器主存储器辅助存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1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第四十四页，共一百二十三页Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器三级存储系统三级存储系统小小大大容量容量1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第四十五页，共一百二十三页Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器三级存储系统三级存储

30、系统贵贵贱贱价格价格/位位1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第四十六页，共一百二十三页Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器 主存储器主存储器 可由可由CPU直接访问，用来存放当前正在执行的程序和直接访问，用来存放当前正在执行的程序和数据。数据。1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第四十七页，共一百二十三页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，CPU不能直接访问不能直接访问，用来存放，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。暂时不参与运行的程序和数据，需要时再传送到主存。

31、1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第四十八页，共一百二十三页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（Cache）CPU可以直接访问，用来存放当前正在执行的程可以直接访问，用来存放当前正在执行的程序中的序中的活跃部分（副本）活跃部分（副本），以便快速地向，以便快速地向CPU提供指令提供指令和数据。和数据。1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第四十九页，共一百二十三页 4.运算器运算器 运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常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，因此运算器的进行的运算是算

32、术运算和逻辑运算，因此运算器的核心是核心是算术逻辑运算部件算术逻辑运算部件ALU。运算器中有若干个寄存器（如累加寄存器、暂运算器中有若干个寄存器（如累加寄存器、暂存器等）。存器等）。1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第五十页，共一百二十三页5.控制器控制器 控制器是整个计算机的控制器是整个计算机的管理机构和指挥中心。指挥中心。控制器中主要包括时序控制信号形成部件和一些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。专用的寄存器。按照预先确定的操作步骤，协调控制计算机各部件有条不紊地自动工作 控制器工作的实质就是解释程序，逐条读取、分析、执行指令，控制各部件动作1.2

33、 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第五十一页，共一百二十三页1.2.2 计算机的总线结构（小、微型机典型结构）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。计算机的硬件系统。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（基本部件之间是用总线（Bus）连接起来的。）连接起来的。总线总线总线总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能路，它能分时分时分时分时地发送与接收各部件的信息。地

34、发送与接收各部件的信息。1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第五十二页，共一百二十三页 总线特点总线特点：共享共享 分时分时 小型、微型机的设计目标是以较小的硬件代价小型、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。这一要求。1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第五十三页，共一百二十三页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1.单总线结构单总线结构1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第五十四页，共一百二十三页 单总线并不是

35、指只有一根信号线。系统总线按传单总线并不是指只有一根信号线。系统总线按传送信息的不同又可以细分为：送信息的不同又可以细分为：地址总线、数据总线和地址总线、数据总线和控制总线控制总线。q地址总线地址总线（Address Bus）由单方向的多根信号线组成，）由单方向的多根信号线组成，用于用于CPU向主存、外设传输地址信息；向主存、外设传输地址信息；q数据总线数据总线（Data Bus）由双方向的多根信号线组成，）由双方向的多根信号线组成，CPU可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据；主存或外设送出数据；q控制总线控制总

36、线（Control Bus）上传输的是控制信息，包括）上传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存送出的控制命令和主存/外设反馈给外设反馈给CPU的状态信号。的状态信号。1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第五十五页，共一百二十三页2.总线电路总线电路(1)三态门三态门三态门三态门 具有三种逻辑状态的门电路。这三种状态是：具有三种逻辑状态的门电路。这三种状态是：“0”状态状态 “1”状态状态 浮空状态浮空状态注意1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第五十六页，共一百二十三页1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第五十七页，共一百二十三页

37、(2)单向和双向总线单向和双向总线 单向总线上的信息只能向一个方向传送，如单向总线上的信息只能向一个方向传送，如地址总线。地址总线。双向总线上的信息可以向两个方向上传送，如双向总线上的信息可以向两个方向上传送，如数据总线。数据总线。1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第五十八页，共一百二十三页1.2.3 大、中型机的典型结构大、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。扩大与效率的提高。通道是承担通道是承担I/O操作管理的主要部件，主机可以连接操作管理的主要部件，主机可以连接多个通道，每个通

38、道可以接一台或几台设备控制器，每个多个通道，每个通道可以接一台或几台设备控制器，每个设备控制器又可接一台或几台外部设备，这样整个系统就设备控制器又可接一台或几台外部设备，这样整个系统就可以连接很多的外部设备。可以连接很多的外部设备。1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第五十九页，共一百二十三页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1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第六

39、十页，共一百二十三页1.2.4 不同对象观察到的计算机硬件系统不同对象观察到的计算机硬件系统 一般用户一般用户观察到的计算观察到的计算机硬件系统机硬件系统1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第六十一页，共一百二十三页 专业用户观专业用户观察到的计算机硬察到的计算机硬件系统件系统 1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第六十二页，共一百二十三页 计算机设计者计算机设计者观察到的计算机硬观察到的计算机硬件系统件系统 1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第六十三页，共一百二十三页1.2.5 冯冯诺依曼结构和哈佛结构的存储器设计思想诺依曼结构和哈佛结

40、构的存储器设计思想 1.冯冯诺伊曼结构诺伊曼结构 冯冯诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。指令存储地址和数据器和数据存储器合并在一起的存储器结构。指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。使用冯使用冯诺伊曼结构的中央处理器有很多。如诺伊曼结构的中央处理器有很多。如Intel公司的公司的80X86、ARM公司的公司的ARM7、MIPS公司的公司的MIPS等都采用了等都采用了冯冯诺伊曼结构。诺伊曼结构。1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件

41、组成本讲稿第六十四页，共一百二十三页冯冯诺依曼结构的存储器设计诺依曼结构的存储器设计 1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第六十五页，共一百二十三页 2.哈佛结构哈佛结构 哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。构。CPU首先到指令存储器中读取指令内容，译码后得到首先到指令存储器中读取指令内容，译码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。一步的操作（通常是执行）。哈佛结构的处理器通常具有较高的执行效率。其指令和哈佛结构

42、的处理器通常具有较高的执行效率。其指令和数据分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。数据分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。目前使用哈佛结构的中央处理器也有很多，如目前使用哈佛结构的中央处理器也有很多，如MOTOROLA公司的公司的MC68系列、系列、Zilog公司的公司的Z8系列和系列和ARM公司的公司的ARM9、ARM10和和ARM11等。等。1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第六十六页，共一百二十三页哈佛结构的存储器设计哈佛结构的存储器设计 1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成本讲稿第六十七页，共一百二十三页1.3 1.3 计算机系统计

43、算机系统 计算机系统计算机系统=硬件系统硬件系统+软件系统软件系统 硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体；硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体；软件通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是由一软件通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。些算法以及其在计算机中的表示所构成的。注意本讲稿第六十八页，共一百二十三页软件系统软件系统n计算机软件是程序的有序集合，而程序则是指令的有序集合1 1软件系统软件系统2 2程序设计语言程序设计语言3 3操作系统操作系统4 4数据库数据库本讲稿第六十九页，共一百二十三页运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序及文档

44、的总和软件通常分为系统软件和应用软件：操作系统 编辑程序 汇编程序 系统软件 语言处理程序 编译程序 解释程序 数据库管理系统 软件 装配连接程序 通用软件(如工具软件)应用软件 实用软件 用户程序 软件系统软件系统本讲稿第七十页，共一百二十三页用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件软软件件软件系统软件系统本讲稿第七十一页，共一百二十三页1）应用软件应用软件n应用软件是为解决某种应用问题而编制的程序软件系统软件系统本讲稿第七十二页，共一百二十三页2）系

45、统软件）系统软件n系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能n系统软件一般包括以下6类：软件系统软件系统本讲稿第七十三页，共一百二十三页服务性程序服务性程序n又称为工具软件，包括诊断程序、调试程序等语言处理程序语言处理程序n将用汇编语言或高级语言编制的源程序，翻译成机器可以直接识别的目的程序（机器语言程序）n不同语言的源程序，对应有不同的语言处理程序n语言处理程序有汇编程序、编译程序、解释程序3种软件系统软件系统本讲稿第七十四页，共一百二十三页语言分代语言分代 第一代:机器指令语言,面向机器 第二代:汇编语言,面向机器 第三代:高级语言,面向问题 *FORTRAN FORTRAN

46、 科学计算和工程计算科学计算和工程计算 *PASCAL PASCAL 结构化程序设计结构化程序设计 *C C 面向对象面向对象 *Java Java 适应网络环境适应网络环境 *ALGOL、COBOL、BASIC、C、PL/1 第四代:第四代语言(4GL),面向对象(object-orionted)语言 *集成语言如Power Builder、Delphi等 *面向对象语言如VB、VC、C+、HTML、Java等 *辅助软件CASE，CAD,CAM等 软件系统软件系统本讲稿第七十五页，共一百二十三页操作系统操作系统n控制和管理计算机的各种资源n自动调度用户作业程序n处理各种中断n是用户与计算机

47、的接口软件系统软件系统本讲稿第七十六页，共一百二十三页数据库管理系统数据库管理系统n数据库q是一种计算机软、硬件资源组成的系统q能够有组织、动态地存储大量的相关数据，方便多用户访问n数据库和数据库管理软件一起，组成了数据库管理系统软件系统软件系统本讲稿第七十七页，共一百二十三页标准库程序标准库程序n为方便用户而预先按照标准格式编制好的一些常用程序段所组成的标准程序库计算机网络软件计算机网络软件n为计算机网络而配置的系统软件，负责对网络资源进行组织和管理，实现相互之间的通信n包括网络操作系统和数据通信处理程序q前者实现网络资源管理q后者实现网络操作软件系统软件系统本讲稿第七十八页，共一百二十三页

48、程序设计语言1）机器语言）机器语言2）汇编语言）汇编语言3）算法语言）算法语言本讲稿第七十九页，共一百二十三页1）机器语言）机器语言n早期人们直接用机器语言（即机器指令代码）编写程序，计算机完全可以“识别”并执行，所以又叫做目的程序n但是用机器语言编写程序需要耗费大量的人力和时间，且容易出错程序设计语言本讲稿第八十页，共一百二十三页2）汇编语言）汇编语言n指令助记符指令助记符q为了编写程序方便、提高机器使用效率，人们用约定的文字、符号和数字按规定格式来表示各种不同的指令，每条基本指令都被指定了一个表示其功能又便于记忆的短的名字，称为指令助记符（如ADD、SUB、MULT、JUMP等）n汇编语言

49、汇编语言（Assembly Language）q用指令助记符表示的指令来编写程序n汇编程序汇编程序（Assembler）q用来把汇编语言程序转换为计算机可以理解、用机器语言表示的目的程序n机器语言及汇编语言，对于特定类型的计算机而言是唯一的q一台ARM体系结构的计算机无法理解一台Intel Pentium计算机的机器语言程序设计语言本讲稿第八十一页，共一百二十三页3）算法语言）算法语言n算法语言算法语言q是指按实际需要规定好的一套基本符号，以及由这套基本符号构成程序的规则q比较接近数学语言，直观通用，与具体机器无关q有影响的算法语言包括BASIC、FORTRAN、C、C+、JAVA等q复杂程序

50、采用算法语言编写，能够更便利地表达程序员的设计思想，帮助减少程序错误n源程序源程序（Source）q是指用算法语言编写的程序q不能由机器直接识别和执行q必须“翻译”为机器语言后才能由机器识别和执行程序设计语言本讲稿第八十二页，共一百二十三页n源程序“翻译”方法编译程序编译程序（Compiler）q把用算法语言编写的源程序翻译成目的程序，然后在运行系统中执行目的程序，得出计算结果q编译程序和运行系统合称为编译系统解释程序解释程序（Interpreter）q进行解释执行，即逐个解释并立即执行源程序的语句q不是编译出目的程序后再执行，而是逐一解释语句并立即得出计算结果程序设计语言本讲稿第八十三页，共