计算机系统概论优秀课件.ppt

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1、计算机系统概论第1页，本讲稿共44页什么是计算机？n计算机是一种不需要人的直接干预而能自动完成各种算术和逻辑运算的工具。（1）以电子器件为物质基础：电子数字计算机以电子器件为物质基础：电子数字计算机（2）不）不需要人直接干预：自动化（存储程序为基础）需要人直接干预：自动化（存储程序为基础）（3）数字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑判数字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑判断和处理能力的基础）断和处理能力的基础）（4）算逻运算：基本运算操作是算术和逻辑运算算逻运算：基本运算操作是算术和逻辑运算（5）快速工具：（快速工具：（A）电子器件电子器件B）存储程序存储程序第2页，本讲稿共44页1.11.

2、1计算机的分类和应用计算机的分类和应用n电子模拟计算机电子模拟计算机：用连续变化的量（如：用连续变化的量（如电压、电流等）表示数值的计算机；精电压、电流等）表示数值的计算机；精度低，能力有限，应用范围小。度低，能力有限，应用范围小。n电子数字计算机电子数字计算机：用离散变化的数字表：用离散变化的数字表示数量大小的计算机。其特点是按位运示数量大小的计算机。其特点是按位运算。算。第3页，本讲稿共44页数字计算机与模拟计算计的主要区别数字计算机与模拟计算计的主要区别比较内容比较内容数字计算机数字计算机模拟计算机模拟计算机数据表示方式数据表示方式数字数字0和和1电压、电流等电压、电流等计算方式计算方式

3、数字计算数字计算电量组合和测量值电量组合和测量值控制方式控制方式程序控制程序控制模拟信号组合控制模拟信号组合控制精度、抗干扰性精度、抗干扰性高、好高、好低、差低、差数据存储量数据存储量大大小、几乎无小、几乎无逻辑判断能力逻辑判断能力强强无无第4页，本讲稿共44页数字计算机：数字计算机：专用计算机和通用计算机专用计算机和通用计算机n专专用用和和通通用用是是根根据据计计算算机机的的效效率率、速速度度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。价格、运行的经济性和适应性来划分的。n专专用用计计算算机机是是最最有有效效、最最经经济济和和最最快快速速的的计算机，但是它的适应性很差。计算机，但是它的适应性很差。

4、n通用计算机适应性很大，但牺牲了效率速通用计算机适应性很大，但牺牲了效率速度和经济性度和经济性。第5页，本讲稿共44页通用计算机通用计算机6 6大类大类n通通用用计计算算机机又又可可分分为为巨巨型型机机、大大型型机机、中中型型机机、小小型型机机、微微型型机机、单单片片机机等等，其其区区别别在在于于体体积积、简简易易性性、功功耗耗、性性能能指指标标、数数据据存存储储容容量量、指指令令系系统统规规模和机器价格。模和机器价格。n一一般般来来说说，巨巨型型计计算算机机主主要要用用于于科科学学计计算算，其其运运算算速速度度在在每秒万亿次以上，数据存储量大，结构复杂，价格昂贵。每秒万亿次以上，数据存储量大

5、，结构复杂，价格昂贵。n单片计算机是只用一片集成电路作成的计算机，体单片计算机是只用一片集成电路作成的计算机，体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜。第6页，本讲稿共44页通用计算机类别通用计算机类别第7页，本讲稿共44页计算机分类巨型机大型机中型机小型机微型机单片机通用计算机专用计算机模拟电子计算机数字电子计算机第8页，本讲稿共44页应用领域应用领域 n科学计算科学计算n自动控制自动控制n信息处理信息处理n测量和测试测量和测试n教育和卫生教育和卫生n家用电器家用电器n人工智能人工智能 第9页，本讲稿共44页计算机的主要特性n快速性快速性n通用性：任务通

6、用性：任务-算术逻辑操作算术逻辑操作-指令指令n准确性：数字化准确性：数字化n逻辑性逻辑性第10页，本讲稿共44页1.2计算机硬件的组成计算机硬件的组成 第11页，本讲稿共44页 第一台电子计算机（第一台电子计算机（ENIACENIAC）每秒执行每秒执行5000次加法或次加法或400次乘法次乘法体重体重28吨吨占地占地170M217,468 真空管真空管7,200水晶水晶 二二极管极管,1,500 中转中转,70,000 电电阻器阻器,10,000 电容器，电容器，1500继电器，继电器，6000多个开关多个开关耗电耗电150KW造价造价48万美元万美元十进制十进制计算机发展史计算机发展史第1

7、2页，本讲稿共44页Von Neumann第13页，本讲稿共44页EDVAC计算机nEDVAC(Electronic Discrete variable Automatic Computer)，离散变量自动电子计算机n第一台现代意义的通用计算机n共使用大约6000个电子管和大约12000个二极管，功率为56KW，占地面积45.5平方米，重7850KG，使用时需要三十个技术人员同时操作。第14页，本讲稿共44页冯.诺依曼计算机n1945年冯诺依曼以关于EDVAC的报告草案为题，起草了长达101页的总结报告。报告广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想。这份报告是计算机发展史上一个划时代

8、的文献，它向世界宣告：电子计算机的时代开始了。n设计思想之一是二进制，他根据电子元件双稳工作的特点，建议在电子计算机中采用二进制。报告提到了二进制的优点，并预言，二进制的采用将大简化机器的逻辑线路。nEDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系n这种体系结构一直延续至今，现在使用的计算机，其基本工作原理仍然是存储程序和程序控制，所以现在一般计算机被称为冯诺依曼结构计算机。第15页，本讲稿共44页外围设备HOST存储器输入设备输出设备CPU运算器控制器计算机硬件系统的组成n运算器:完成算术运算，逻辑运算n控制器

9、:控制指令的执行序列，根据指令的功能给出实现指令功能所需的控制信号n主存储器:存放程序及数据n输入设备n输出设备BUS第16页，本讲稿共44页类型类型时期时期主要器件主要器件重重 要要 特特 征征第第1代代 1946-1958电子管电子管机器语言，汇编语言。速度低，体机器语言，汇编语言。速度低，体积大，价格昂贵，可靠性差，用于积大，价格昂贵，可靠性差，用于科学计算。科学计算。速度达几千次到几万次速度达几千次到几万次第第2代代 1958-1964晶体管晶体管算法语言，操作系统。体积缩小，算法语言，操作系统。体积缩小，可靠性提高。从科学计算到数据处可靠性提高。从科学计算到数据处理。理。每秒几万次到

10、几十万次每秒几万次到几十万次第第3代代 1964-1971中小规模集中小规模集成电路成电路体积小，可靠性大大提高，速度达体积小，可靠性大大提高，速度达几百万次，软件技术和外设发展迅几百万次，软件技术和外设发展迅速应用领域不断扩大。速应用领域不断扩大。第第4代代 1971-1986大大/超大规超大规模集成电路模集成电路速度提高至几千万次速度提高至几千万次出现微型计算机出现微型计算机第第5代代 1986-巨大规模集巨大规模集成电路成电路速度提高至几亿次乃至上百亿次。速度提高至几亿次乃至上百亿次。出现单片机出现单片机计算机的发展史第17页，本讲稿共44页摩尔定律v早早在在19641964年年，英英特

11、特尔尔公公司司创创始始人人戈戈登登.摩摩尔尔（Gordon Gordon MooreMoore）在在一一篇篇很很短短的的论论文文里里断断言言：每每1818个个月月，集集成成电电路路的的性性能能将将提提高高一一倍倍，而而其其价价格格将将降降低低一一半半。这这就就是是著著名名的的摩摩尔尔定定律律。作作为为迄迄今今为为止止半半导导体体发发展展史史上上意意义义最最深深远远的的定定律律，摩摩尔尔定定律律被被集集成成电电路路近近4040年年的的发发展展历历史史准准确确无无误误地地验验证证着。着。第18页，本讲稿共44页Top500(2010.11.16)Top500(2010.11.16)中国天河中国天河

12、-1A-1A计算机发展史计算机发展史天河-1A峰值速度2.67 petaflop/s（1petaflop=1千万亿次）第19页，本讲稿共44页Top500(2011.6.21)Top500(2011.6.21)日本日本“京京”(K Computer)(K Computer)计算计算机机计算机发展史计算机发展史实际最大性能为8.162PFlops(8.162千万亿次)，峰值性能8.77363PFlops 系统总功耗为9898.56千瓦 计算效率高达惊人的93.0 第20页，本讲稿共44页运运 算算 器器控控 制制 器器主存储器主存储器输入设备输入设备输出设备输出设备总总线线 和和 输输入入输输出

13、出接接口口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟存储器(磁盘设备磁盘设备)（第二章第二章）（第五章第五章）（第第三三章章）（第六章第六章）（第第七七、八八章章）中央处理单元中央处理单元CPU第21页，本讲稿共44页1 1、运算器运算器n算术运算算术运算n逻辑运算逻辑运算n采用二进制数（容易实现）采用二进制数（容易实现）n位数越多，计算精度越高位数越多，计算精度越高n计算机的运算器长度：计算机的运算器长度：n8位、位、16位、位、32位或位或64位位第22页，本讲稿共44页2 2、存储器、存储器n功能：保存或功能：保存或“记忆记忆”数据和运算过程数据和运算过程n存储的是存储的是0 0或或1 1表示的二进

14、制代码表示的二进制代码n主存采用半导体器件来作为存储器，一个半导体触发主存采用半导体器件来作为存储器，一个半导体触发器记忆一个二进制位器记忆一个二进制位n存储单元存储单元：在存储器中保存一个在存储器中保存一个n n位二进制数的位二进制数的n n个触发器，个触发器，组成一个存储单元组成一个存储单元n存储器地址存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址元的编号，称为地址n存储容量存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位：存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KBKB、MBMB、GB”GB”等表示等表示第23页，本讲稿共44页三

15、级存储体系n规模较大的存储器往往分为若干级，称为存规模较大的存储器往往分为若干级，称为存储系统。储系统。常见的三级存储系统，常见的三级存储系统，外存外存内存内存高速高速缓存。缓存。n每个的特点？作用？每个的特点？作用？第24页，本讲稿共44页表示参加运算的数据表示参加运算的数据从存储器的哪个单元取从存储器的哪个单元取运算的结果应存到哪个单元运算的结果应存到哪个单元3.控制器n控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作n指令指令有两部分：操作的性质和操作的地址有两部分：操作的性质和操作的地址操作码操作码地址码地址码指出指令所进行的操作指出指令所进行的操作加、减、

16、乘、除、取数、存数等加、减、乘、除、取数、存数等 指令指令操作码操作码加法加法减法减法乘法乘法除法除法取数取数存数存数打印打印停机停机001010011100101110111000第25页，本讲稿共44页控制器基本任务控制器基本任务n计计算算机机进进行行运运算算时时，指指令令必必须须是是按按一一定定的的顺顺序一条一条执行。序一条一条执行。n控制器的基本任务是：控制器的基本任务是：n按按照照计计算算程程序序所所排排的的指指令令序序列列，先先从从存存储储器器取取出出一一条条指指令令放放到到控控制制器器中中，对对该该指指令令的的操操作作码码由译码器进行分析判别，由译码器进行分析判别，n然然后后根根

17、据据指指令令的的性性质质，执执行行指指令令，进进行行相相应应的的操作，操作，n接接着着取取第第二二条条指指令令，再再执执行行第第二二条条指指令令，依依此此类推。类推。第26页，本讲稿共44页指令字和数据字，指令流和数据流 n某字为一条指令，则称为某字为一条指令，则称为指令字指令字n某字代表要处理的数据，称为某字代表要处理的数据，称为数据字数据字n在取指周期中从内存读出的信息是在取指周期中从内存读出的信息是指令流指令流，它流向控制器它流向控制器n而执行周期中从内存读出的信息流是而执行周期中从内存读出的信息流是数据数据流流，它由内存流向运算器，它由内存流向运算器n时间上时间上：在取指周期中，：在取

18、指周期中，CPU从内存读出从内存读出的信息一定是的信息一定是指令指令；而执行周期中从内存；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定是读出或写入的信息一定是数据。数据。n空间上：指令空间上：指令一定流向控制器；而一定流向控制器；而数据数据则则是在内存（或寄存器）与运算器之间流动是在内存（或寄存器）与运算器之间流动第27页，本讲稿共44页n计算机是由运算器、存储器、控制器、适配计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入器、总线和输入/输出设备组成的。都是由输出设备组成的。都是由元件构成的有形物体，因而称为元件构成的有形物体，因而称为硬件硬件或硬设或硬设备。硬件是计算机系统中实际物理装置的总

19、备。硬件是计算机系统中实际物理装置的总称称n计算程序，因为它是无形的东西，称为计算程序，因为它是无形的东西，称为软件软件或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档相关的数据及文档n硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件的结合，构成完整的件与硬件的结合，构成完整的计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统硬件硬件系统系统软件软件系统系统第28页，本讲稿共44页数字技术的三分天下n处理：CPU,DSP,计算机，服务器n传输：总线(

20、CPU内部、系统总线,I/O总线),网络（机器内部网，LAN，WAN，INTERNET,无线网）n存储：RAM，ROM，FLASH，硬盘，光盘，存储系统（RAID，NAS，SAN）第29页，本讲稿共44页n计算机硬件是载体，软件是灵魂。n系统软件n应用软件n一切程序的集合n固件：具有软件功能，具有硬件形态的部件1.3计算机软件的组成及分类计算机软件的组成及分类 第30页，本讲稿共44页软件新定义n可运行的思想和内容的数字化n思想：算法、规律、办法-程序表达n内容：图形、图像、数据、声音、文字等n归结为程序和数据n软件的核心:算法n好的算法可以大大减少占用的硬件资源:FFT,MPEG第31页，本

21、讲稿共44页所有的硬件都是相似的，软件则各有各不同n各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏（处理、传输、存储）n软件是思想和内容的数字化，各个领域都有自己的软件，所以是各不相同的n真正的价值体现在软件n硬件与软件可以互相转化，软件固化成为固件第32页，本讲稿共44页计算机软件系统分类软件系统应用软件系统软件数据处理程序情报检索程序科学计算程序自动控制程序工业设计程序语言处理程序操作系统服务性程序系统第33页，本讲稿共44页系统软件na.a.操作系统：操作系统：n核心，接口，管理工作。核心，接口，管理工作。nb.b.语言程序处理程序：语言程序处理程序：n源程序与目标程序之间的转换源程序与目标程序之

22、间的转换n编译程序、解释程序、汇编程序和反汇编程序编译程序、解释程序、汇编程序和反汇编程序nc.c.数据库管理系统数据库管理系统DBMSDBMS：n负责数据的装配，内容更新、查询检索等负责数据的装配，内容更新、查询检索等nd.d.各种服务性支撑软件：各种服务性支撑软件：n如诊断程序，排错程序等如诊断程序，排错程序等第34页，本讲稿共44页应用程序应用程序应用程序是用户利用计算机来解决某些问题而应用程序是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设计程序、数据处理程编制的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、科学计序、自动控制程序、企业管理程序、科学计算程序等。算

23、程序等。第35页，本讲稿共44页计算机软件的发展演变计算机软件的发展演变n早期的计算机中，人们直接用机器语言（机早期的计算机中，人们直接用机器语言（机器指令代码）编写程序。器指令代码）编写程序。n后来出现了汇编语言，用来编写汇编程序。后来出现了汇编语言，用来编写汇编程序。n再后来出现了算法语言，它比较接近数学语再后来出现了算法语言，它比较接近数学语言，只直观通用，与具体机器无关。如言，只直观通用，与具体机器无关。如BASICBASIC，FORTRANFORTRAN，PASCALPASCAL，C C，C+C+，JAVAJAVA等。等。第36页，本讲稿共44页1.4计算机层次结构计算机层次结构 n

24、计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 多级层次结构多级层次结构：是从使用语言的角度，基：是从使用语言的角度，基于程序员与计算机系统对话中所采用的于程序员与计算机系统对话中所采用的语言结构和语义划分。语言结构和语义划分。n硬件软化及软件硬化的概念硬件软化及软件硬化的概念 第37页，本讲稿共44页第38页，本讲稿共44页第39页，本讲稿共44页从设计人员看到的层次第40页，本讲稿共44页分层的优点n有利于人们正确理解计算机系统的工作，有利于人们正确理解计算机系统的工作，明确软硬件和固件在计算机系统的地位明确软硬件和固件在计算机系统的地位和作用和作用n理解各种语言的实质及其实现理解各种语言的实质

25、及其实现n有助于理解计算机体系结构的含义，从有助于理解计算机体系结构的含义，从而合理地进行计算机系统的开发和设计而合理地进行计算机系统的开发和设计。第41页，本讲稿共44页软件固化和硬件软化全硬件、软硬件结合、全软件全硬件、软硬件结合、全软件n逻辑上等价逻辑上等价硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少少软件实现：速度慢、复制费用低；灵活性好、占用软件实现：速度慢、复制费用低；灵活性好、占用内存多、易设计、可改性强、适应性强、设计周内存多、易设计、可改性强、适应性强、设计周期短；期短；n发展趋势发展趋势硬件实现的比例越来越高硬件实现的比例越来越高硬件所占的成本越来越低硬件所占的成本越来越低第42页，本讲稿共44页Summaryn1、计算机的组成，各部分功能、计算机的组成，各部分功能n2、冯、冯.诺依曼思想诺依曼思想n3、计算机层次结构、计算机层次结构第43页，本讲稿共44页第44页，本讲稿共44页