第01章计算机系统概述精.ppt

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1、第01章计算机系统概述第1页，本讲稿共30页课程说明课程说明n介绍现代计算机硬件的组成方式，控制介绍现代计算机硬件的组成方式，控制方式和工作原理；方式和工作原理；n专业主干必修课，难点、重点多。在计专业主干必修课，难点、重点多。在计算机科学中占重要地位。算机科学中占重要地位。n先行课及后续课的说明。先行课及后续课的说明。n实验安排。实验安排。n教材与笔记。教材与笔记。第2页，本讲稿共30页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.11.1计算机发展概况计算机发展概况 计算技术的发展及计算机的产生是计算技术的发展及计算机的产生是人类社会信息化的产物。解决社会和自人类社会信息化的产物。解决社会

2、和自然界各种问题的一种工具。然界各种问题的一种工具。n一、计算机发展史一、计算机发展史 习惯上用习惯上用“代代”（generation)generation)的划的划分简要地表示其发展，先行课中应提到，分简要地表示其发展，先行课中应提到，此处简单回顾。此处简单回顾。第3页，本讲稿共30页*第一代计算机第一代计算机(1946-1959(1946-1959年年):):电子管电子管;*第二代计算机第二代计算机(1959-1964(1959-1964年年):):晶体管晶体管;*第三代计算机第三代计算机(1964-1975(1964-1975年年):):中小规模集成电路中小规模集成电路;*第四代计算机第

3、四代计算机(1975-1990):(1975-1990):大规模、超大规模集大规模、超大规模集成电路成电路;*第五代计算机第五代计算机(1990-(1990-现在现在):):超级规模集成电路超级规模集成电路;1 1、计算机分代、计算机分代第4页，本讲稿共30页第一台电子计算机第一台电子计算机美国宾夕法尼亚大学美国宾夕法尼亚大学19461946年年2 2月月ENIAC ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)(Electronic Numerical Integrator And Computer)n1880018800电子管电子管n

4、3030吨吨n150150平方米平方米n150kw150kwn50005000次次/秒秒第5页，本讲稿共30页电子计算机的发展电子计算机的发展ENIACENIAC第6页，本讲稿共30页电子计算机的发展电子计算机的发展ENIACENIAC第7页，本讲稿共30页2 2、冯、冯.诺依曼原理诺依曼原理（Von NeumannVon Neumann）1946 1946年年6 6月冯提出了正确的关于计算机组成与工作方式的建月冯提出了正确的关于计算机组成与工作方式的建议。主要内容为：议。主要内容为：(A)(A)用二进制代码表示数据和指令用二进制代码表示数据和指令 (B)(B)采用存储程序工作方式（采用存储程

5、序工作方式（Stored ProgramStored Program）*事先编制程序事先编制程序 *将程序存储于计算机的存储器中将程序存储于计算机的存储器中 *计算机在运行时将自动地、连续地从存储器计算机在运行时将自动地、连续地从存储器 中依次取出指令加以执行中依次取出指令加以执行 (C)(C)由运算器、存储器、控制器、输入设备及输出由运算器、存储器、控制器、输入设备及输出设备等五大部件，构成计算机硬件系统设备等五大部件，构成计算机硬件系统.第8页，本讲稿共30页二、计算机发展方向二、计算机发展方向n不同的年代有不同的提法，如巨型化、不同的年代有不同的提法，如巨型化、微型化、智能化、网络化等等

6、。对此强微型化、智能化、网络化等等。对此强调两点：调两点：1 1、计算机发展方向中的、计算机发展方向中的“发展发展”，主要指机器本身系统结构等方面的发展。主要指机器本身系统结构等方面的发展。2 2、发展的总目标应是：性能更优，、发展的总目标应是：性能更优，价格更低。价格更低。第9页，本讲稿共30页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.2.1 1.2.1 计算机分类计算机分类一、按规模分一、按规模分 可分为巨型机可分为巨型机（万亿次秒）（万亿次秒），大型机，中型，大型机，中型机，小型机，微型机。机，小型机，微型机。n巨型机：以进行非常复杂而且要求高精巨型机：以进行非常复杂而且要求高精度的

7、科学计算为目的，具有超高性能的度的科学计算为目的，具有超高性能的特殊计算机。特殊计算机。第10页，本讲稿共30页1.2.1 1.2.1 计算机分类计算机分类 巨型机一般应用领域：原子能核聚变研巨型机一般应用领域：原子能核聚变研究，大气和地震研究，国防、气象等方究，大气和地震研究，国防、气象等方面的研究。巨型机的几个典型：我国的面的研究。巨型机的几个典型：我国的YH-1,IBM 360/195YH-1,IBM 360/195等。等。n微型机：主要指把运算器和控制器作在微型机：主要指把运算器和控制器作在一个芯片上的小规模低价格且有较好性一个芯片上的小规模低价格且有较好性能的计算机。现已逐渐与能的计

8、算机。现已逐渐与PCPC机混为同义。机混为同义。实际上微型机的概念中涵盖实际上微型机的概念中涵盖PCPC机。机。第11页，本讲稿共30页1.2.1 1.2.1 计算机分类计算机分类二、按用途分二、按用途分n专用机：功能单一，专为某一特定目标而设计制专用机：功能单一，专为某一特定目标而设计制造。举例：财会专用机，石油站专用机，造。举例：财会专用机，石油站专用机，CAD/CAMCAD/CAM专用机。专用机。n通用机：又叫万能型计算机。可用于科学计算，通用机：又叫万能型计算机。可用于科学计算，事务处理，过程控制等多种领域。事务处理，过程控制等多种领域。三、按信息形式与处理方式分三、按信息形式与处理方

9、式分n数字计算机数字计算机n模拟计算机模拟计算机n混合式计算机混合式计算机第12页，本讲稿共30页 1.2.2 1.2.2 计算机的主要应用计算机的主要应用一、科学计算一、科学计算(Scientific Calculating)(Scientific Calculating)要求快速、准确。要求快速、准确。二、实时控制二、实时控制(Real Time Control)(Real Time Control)要求在规定时间内有灵敏的反应。要求在规定时间内有灵敏的反应。实时控制的实时控制的过程过程：（：（1 1）采集数据；（）采集数据；（2 2）计算处理；（）计算处理；（3 3）向）向执行机构发控制

10、命令；（执行机构发控制命令；（4 4）发现异常及时处理并报）发现异常及时处理并报警。警。三、数据处理三、数据处理(Data Processing)(Data Processing)将一般事务处理纳入计算机应用后，此类应用将一般事务处理纳入计算机应用后，此类应用中数据量巨大，但运算简单，多逻辑判断。中数据量巨大，但运算简单，多逻辑判断。第13页，本讲稿共30页 1.2.2 1.2.2 计算机主要应用计算机主要应用 四、四、CAD/CAM CAD/CAM (Computer Aided Design/Manufacturing)(Computer Aided Design/Manufacturin

11、g)计算机辅助设计计算机辅助设计/制造。要点为图形制造。要点为图形处理。用于各种工程设计与产品制造，处理。用于各种工程设计与产品制造，如汽车、飞机、船舶、轻工、广告、动如汽车、飞机、船舶、轻工、广告、动画，等等。已有近四十年历史。画，等等。已有近四十年历史。第14页，本讲稿共30页 1.2.2 1.2.2 计算机主要应用计算机主要应用五、五、OAS(Office Automation System)OAS(Office Automation System)办公自动化（系统），包含一般所谓的办公自动化（系统），包含一般所谓的MISMIS应用应用在内。主要应用目的是提高工作效率、工作质量、在内。主

12、要应用目的是提高工作效率、工作质量、经济效益和社会效益。经济效益和社会效益。六、教育和卫生六、教育和卫生 CAI(CAI(计算机辅助教学计算机辅助教学)、借助计算机的各种医、借助计算机的各种医疗设备应运而生。疗设备应运而生。七、人工智能七、人工智能 人工智能人工智能,又称又称“智能模拟智能模拟”,简单地说简单地说,就是要就是要使计算机能够模仿人的高级思维活动。使计算机能够模仿人的高级思维活动。第15页，本讲稿共30页1.3 1.3 计算机硬件计算机硬件1.3.1 1.3.1 计算机硬件结构计算机硬件结构 一、硬件一、硬件(Hardware):(Hardware):计算机系统中的实计算机系统中的

13、实际装置的总称。它可以是电子的、电的、际装置的总称。它可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或由它们组成磁的、机械的、光的元件或由它们组成的计算机部件或计算机。的计算机部件或计算机。软件软件(Software):(Software):软件是相对于硬软件是相对于硬件而言的，是使硬件充分发挥其功能的件而言的，是使硬件充分发挥其功能的所有程序的总和。所有程序的总和。第16页，本讲稿共30页 二、总线（二、总线（BUSBUS）n信息：地址信息、数信息：地址信息、数据信息、控制信息。据信息、控制信息。n总线：总线是构成计总线：总线是构成计算机系统的互连机构，算机系统的互连机构，是多个系统功能部件是多

14、个系统功能部件之间进行数据传送的之间进行数据传送的公共通路。公共通路。系统总线系统总线存储器存储器运算器运算器控制器控制器适配器适配器输入设备输入设备输出设备输出设备纸纸算盘算盘大脑大脑手、笔手、笔第17页，本讲稿共30页1.3.2 1.3.2 主要硬件简介主要硬件简介一、运算器：一、运算器：完成二进制编码的算术运算完成二进制编码的算术运算和逻辑运算。和逻辑运算。ALU:ALU:Arithmetic(and)Logic UnitArithmetic(and)Logic UnitA L UA L U寄存器寄存器B B累加器累加器A A运算器结构示意图运算器结构示意图第18页，本讲稿共30页1.3

15、.2 1.3.2 主要硬件简介主要硬件简介存储元存储元：存储一位二进制信息：存储一位二进制信息0 0或或1 1存储单元存储单元：由若干个存储元组成：由若干个存储元组成地址地址：用以区分不同的存储器单元：用以区分不同的存储器单元存储容量存储容量：所有存储单元的总数：所有存储单元的总数 存储单元存储单元地址地址0 01 12 2m m：二、存储器：二、存储器：是计算机系统中的记忆设备，存放数据或是计算机系统中的记忆设备，存放数据或命令命令.包括内存储器（由半导体存储器构成包括内存储器（由半导体存储器构成,亦称为主存亦称为主存储器）、外存储器（亦称辅助存储器储器）、外存储器（亦称辅助存储器,包扩硬盘

16、存储器、包扩硬盘存储器、光盘存储器等）、光盘存储器等）、CacheCache、控制存储器、寄存器等。、控制存储器、寄存器等。第19页，本讲稿共30页1.3.2 1.3.2 主要硬件简介主要硬件简介三、控制器：三、控制器：用于控制整个计算机自动地、用于控制整个计算机自动地、连续地和协调地完成一条条指令，由指连续地和协调地完成一条条指令，由指令部件、时序部件和操作控制部件三大令部件、时序部件和操作控制部件三大部分组成部分组成 CPU:CPU:运算器和控制器的合称运算器和控制器的合称 主机主机:CPU:CPU和存储器的合称和存储器的合称第20页，本讲稿共30页1.3.2 1.3.2 主要硬件简介主要

17、硬件简介四、输入设备四、输入设备 将某种信息形式变换为机器内部所接受和识别的将某种信息形式变换为机器内部所接受和识别的二进制形式二进制形式五、输出设备五、输出设备 把计算机处理的结果变换为人或其它设备所能接收把计算机处理的结果变换为人或其它设备所能接收和识别的信息形式和识别的信息形式适配器：输入适配器：输入/输出设备通过适配器与主机相连，用输出设备通过适配器与主机相连，用于完成计算机和外设之间相互衔接、交换信息于完成计算机和外设之间相互衔接、交换信息第21页，本讲稿共30页硬件系统图硬件系统图输入命令输入命令 控制器控制器主存主存输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器辅存辅存指指令令数数

18、据据I I/O O数数据据数据数据数据数据输出命令输出命令 第22页，本讲稿共30页1.3.3 1.3.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构一、完整的计算机系统一、完整的计算机系统应由软件系统和硬件应由软件系统和硬件系统共同组成。系统共同组成。二、系统的层次结构二、系统的层次结构 所谓层次结构，所谓层次结构，既非硬件结构，也既非硬件结构，也非软件结构，指的非软件结构，指的是系统执行（运行）是系统执行（运行）的结构，的结构，5 5级级4 4级级3 3级级2 2级级1 1级级微程序微程序操作系统操作系统汇编程序汇编程序高级语言级高级语言级汇编语言级汇编语言级操作系统级操作系统级机器语言级机

19、器语言级(指令系统指令系统)微程序设计级微程序设计级编译程序编译程序微程序直接由硬件执行微程序直接由硬件执行第23页，本讲稿共30页1.3.3 1.3.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构三、软件与硬件的逻辑等价性三、软件与硬件的逻辑等价性 任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现，如一些专用程序通过现，如一些专用程序通过“固化固化”形式由硬件实现。形式由硬件实现。1 1、关于固件（化）、关于固件（化）（Firmware)Firmware)把原来由硬件电路执行的机器语言指令改由微指把原来由硬件电路执行的机器语言指令改由微指令来执行叫硬件的固

20、件化；将原来由软件执行的功能令来执行叫硬件的固件化；将原来由软件执行的功能改由微程序来执行叫软件的固件化。上述微程序存于改由微程序来执行叫软件的固件化。上述微程序存于（刻、烧在）半导体（刻、烧在）半导体ROMROM芯片中，此类芯片叫固件。芯片中，此类芯片叫固件。第24页，本讲稿共30页三、软件与硬件的逻辑等价性三、软件与硬件的逻辑等价性2 2、固件化的好处、固件化的好处 （1 1）减少电路元件，带来成本和体积的下降。）减少电路元件，带来成本和体积的下降。（2 2）元件少，则硬件可靠性高，故障少。）元件少，则硬件可靠性高，故障少。（3 3）易于实现硬件功能的扩充和修改，因为只需）易于实现硬件功能

21、的扩充和修改，因为只需追加、改变微程序而不必追加、改变硬件即可追加、改变微程序而不必追加、改变硬件即可增加或改变指令。控制器设计方法微程序设计增加或改变指令。控制器设计方法微程序设计就因为这种优点而得以广泛应用。就因为这种优点而得以广泛应用。（4 4）执行速度提高一个数量级，从而提高效率。）执行速度提高一个数量级，从而提高效率。（5 5）通过改变微程序即可增加原来软件的功能，如）通过改变微程序即可增加原来软件的功能，如此就保证了系统的柔性和可扩充性。此就保证了系统的柔性和可扩充性。第25页，本讲稿共30页1.4 1.4 计算机系统的性能指标计算机系统的性能指标一、主频（主时钟频率）一、主频（主

22、时钟频率）1 1、定义：为控制计算机的操作时序，用晶体振荡器、定义：为控制计算机的操作时序，用晶体振荡器产生连续脉冲波，其幅度和频率不变，叫外部时产生连续脉冲波，其幅度和频率不变，叫外部时钟（外频）。将此信号送入钟（外频）。将此信号送入CPUCPU后再形成后再形成CPUCPU的内的内部工作频率，即主时钟频率，简称主频或内频，部工作频率，即主时钟频率，简称主频或内频，以以MHZMHZ为单位。为单位。2 2、早期的、早期的CPUCPU（486DX486DX之前）外频与主频相同，后来之前）外频与主频相同，后来主频为外频的若干倍（倍频系数）。主频为外频的若干倍（倍频系数）。3 3、主频反映速度，但不是

23、决定机器速度的唯一因、主频反映速度，但不是决定机器速度的唯一因素。素。第26页，本讲稿共30页1.4 1.4 计算机系统的性能指标计算机系统的性能指标二、字长二、字长 参与运算的数的基本位数参与运算的数的基本位数,决定了寄存器、运算决定了寄存器、运算器和数据总线的位数，通常计算机有器和数据总线的位数，通常计算机有1 1、4 4、8 8、1616、3232、6464位等不同的字长位等不同的字长.字长越长字长越长,包含的信包含的信息量越多息量越多,精度越高精度越高,但硬件成本也越高但硬件成本也越高三、运算速度三、运算速度:单位时间执行基本指令条数。单位时间执行基本指令条数。单位为单位为MIPSMI

24、PS（Million Instructions Per SecondMillion Instructions Per Second），即每秒百万条指令。目前），即每秒百万条指令。目前586586以上以上CPUCPU一般可达一般可达几百几百MIPSMIPS。而九十年代初超小型机尚以。而九十年代初超小型机尚以1MIPS1MIPS为设为设计目标。计目标。第27页，本讲稿共30页1.4 1.4 计算机系统的性能指标计算机系统的性能指标四、兼容性（四、兼容性（CompatibilityCompatibility）n定义：设备或程序可以用于多种系统中的性能。定义：设备或程序可以用于多种系统中的性能。n两个

25、相关概念：两个相关概念：1 1、兼容硬件：经少许调整或不需调整就能用、兼容硬件：经少许调整或不需调整就能用于多种系统中的部件、外设等。于多种系统中的部件、外设等。2 2、兼容软件：可用于多种计算机的软件系统。、兼容软件：可用于多种计算机的软件系统。第28页，本讲稿共30页1.4 1.4 计算机系统的性能指标计算机系统的性能指标五、存储容量五、存储容量 有内存容量和外存容量两种指标有内存容量和外存容量两种指标.存储容量存储容量越大越大,能存储的信息就越多能存储的信息就越多.常用字数或字节常用字数或字节数数(B)(B)来表示。来表示。n1KB=1024B=210Bn1MB=1024KB=220Bn

26、1GB=1024MB=230Bn1TB=1024GB=240B第29页，本讲稿共30页六、可靠性（六、可靠性（ReliabilityReliability）用平均无故障时间衡量（用平均无故障时间衡量（MTBF-Mean Time MTBF-Mean Time Between FailureBetween Failure），反映系统的内在质量。），反映系统的内在质量。七、可维护性（七、可维护性（MaintainabilityMaintainability）用平均修复时间描述。即系统发生一次失效用平均修复时间描述。即系统发生一次失效后使之返回到正常状态所需时间。后使之返回到正常状态所需时间。八、性能八、性能/价格比（价格比（Cost PerformanceCost Performance）第30页，本讲稿共30页