计算机系统新版第一二节.ppt

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1、同济大学同济大学 第二章第二章 计算机系统计算机系统同济大学同济大学 肖杨肖杨1同济大学同济大学 内容2.1 引言：计算环境的发展引言：计算环境的发展2.2 计算机系统计算机系统2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统2.4 计算机网络基础计算机网络基础2.5 自主学习自主学习2同济大学同济大学 2.1 2.1 引言：计算环境的发展引言：计算环境的发展3（1 1）集中计算）集中计算电子计算机时代开始电子计算机时代开始标志物：标志物：ENIACENIAC和深蓝和深蓝目的：计算速度的提升和计算能力的提高。目的：计算速度的提升和计算能力的提高。（2 2）个人计算机）个人计算机独立性高，可靠性强独

2、立性高，可靠性强（3 3）互联网）互联网多台计算机通过网络连接起来，实现数据和资源的共享及协同工作多台计算机通过网络连接起来，实现数据和资源的共享及协同工作（4 4）云计算）云计算信息增长具无限性的趋势，摩尔定律的终结；如何解决无限增长信息的存储和计算信息增长具无限性的趋势，摩尔定律的终结；如何解决无限增长信息的存储和计算基于互联网的超级计算模式，基于互联网的超级计算模式，集中信息和处理器资源集中信息和处理器资源独立或联网工作的通用计独立或联网工作的通用计算机所形成的工作环境算机所形成的工作环境通过终端连接和使用主机，所有的软件、数据和控制都在大型机的主机通过终端连接和使用主机，所有的软件、数

3、据和控制都在大型机的主机同济大学同济大学 2.2 计算机系统计算机系统4计算机系统的组成部分？计算机系统的组成部分？什什么么是是冯诺依曼体系结构？冯诺依曼体系结构？软件如何分类？软件如何分类？计算机基本工作原理是什么？计算机基本工作原理是什么？同济大学同济大学 2.2 2.2 计算机系统计算机系统5计计算算机机系系统统=硬硬件件系系统统+软软件件系系统统硬硬 件件软软 件件同济大学同济大学 2.2.1 2.2.1 计算机系统的组成计算机系统的组成 6 操作系统：操作系统：DOSDOS、WindowsWindows、Mac OSMac OS、UNIXUNIX、LinuxLinux等等 硬件系统硬

4、件系统 主主 机机 运算器运算器(ALU)(ALU)控制器控制器(CU)(CU)输入设备：输入设备：键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、麦克风等键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、麦克风等 中央处理器中央处理器 (CPUCPU)内内 存存 软件系统软件系统 系统软件系统软件 通用应用软件：通用应用软件：办公软件包、数办公软件包、数据库管理系统、计算机辅助设计等据库管理系统、计算机辅助设计等 计算机计算机系统系统 只读存储器只读存储器(ROMROM)随机存取存储器随机存取存储器(RAMRAM)高速缓冲存储器高速缓冲存储器(CacheCache)外外 设设 输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音响等输出设备：显示器

5、、打印机、绘图仪、音响等 外外 存：存：硬盘、光盘、硬盘、光盘、U U盘盘、移动硬盘、移动硬盘等等 实用程序：诊断程序、排错程序等实用程序：诊断程序、排错程序等 语言处理程序：语言处理程序：C C、C+C+、JavaJava等等 专用应用软件：专用应用软件：各企业的管理信息系统等各企业的管理信息系统等 应用软件应用软件 同济大学同济大学 CPUCPU7冯冯.诺依曼思想：诺依曼思想：五大模块五大模块程序和数据以二进制的形式程序和数据以二进制的形式存放在存储器存放在存储器控制器根据存放在存储器中控制器根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工的指令序列（程序）进行工作作存储器存储器数据流数据流控制

6、流控制流运算器运算器外存储器外存储器输输出出设设备备内存储器内存储器输输入入设设备备控制器控制器冯冯 诺依曼体系结构诺依曼体系结构 特点：特点：程序存储，按程序顺序执行程序存储，按程序顺序执行 同济大学同济大学 8程序控制方式编写程序编写程序可执行程序可执行程序指令指令操作码操作码地址码地址码指令译码器指令译码器操作控制线路操作控制线路程序计数器程序计数器控制信号控制信号控制器（CU）功能：指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作。功能：指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作。组成包括：指令寄存器组成包括：指令寄存器IRIR、程序计数器、程序计数器PCPC、指令译码器、指令译码器

7、IDID。如何利用计算如何利用计算机解决问题？机解决问题？同济大学同济大学 运算器9控制控制信号信号功能：进行算术运算和逻辑运算。功能：进行算术运算和逻辑运算。包括：算术逻辑部件包括：算术逻辑部件ALUALU、累加器、通用寄存器、状态寄存器。、累加器、通用寄存器、状态寄存器。数数据据内存内存算术逻辑部件算术逻辑部件ALU累加器累加器状态状态寄存器寄存器通用通用寄存器寄存器控制器控制器的控制的控制线路线路同济大学同济大学 10存储体存储体地址译码器地址译码器数据寄数据寄存器存器数据总线数据总线读写读写电路电路地址总线地址总线存储器功能：用来存储数据和程序，能按照指定位置读写二进制信息。功能：用来

8、存储数据和程序，能按照指定位置读写二进制信息。包括：内存储器、外存储器（又称内存和外存）。包括：内存储器、外存储器（又称内存和外存）。外存储器：外存储器：长期存放大量信息。长期存放大量信息。一般只与内存进行数据交换一般只与内存进行数据交换内存储器：内存储器：信息交流中心。信息交流中心。计算机直接从内存中存取信息计算机直接从内存中存取信息内存内存RAM随机存取随机存取存储器存储器ROM只读存储器只读存储器同济大学同济大学 多级存储器体系结构11CPU寄寄存存器器组组Cache主主存存外外存存主机主机存取速度快，但存取速度快，但容量小价格贵容量小价格贵容量大、价格低，容量大、价格低，但存取速度慢但

9、存取速度慢高速存取，高速存取，但存储容量小但存储容量小实现高速存取实现高速存取存放当前使用最频存放当前使用最频繁的指令和数据繁的指令和数据同济大学同济大学 存储单元存储单元12每个记忆单元由每个记忆单元由8 8位二进制位组成。位二进制位组成。常用：常用：KB，MB，GB，TB等等字节字节ByteByte7 6 5 4 3 2 1 0位位bitbit位位(bit)(bit)：二进制的最小单位，代表一二进制的最小单位，代表一个个0 0或或1 1。字节字节(Byte)(Byte)：8 8位二进制，数据存储基位二进制，数据存储基本单位。本单位。字字(Word)(Word)：计算机中作为一个整体被存计算

10、机中作为一个整体被存取、传送、处理的二进制数取、传送、处理的二进制数.存储器中，存储器中，通常每个单元存储一个字。通常每个单元存储一个字。字长字长(WordLength)(WordLength)：每个字中二进制位每个字中二进制位数数同济大学同济大学 输入、输出设备13内存内存输入设备输入设备接受用户输入的原始信息接受用户输入的原始信息转换成计算机可识别的信息转换成计算机可识别的信息形式（二进制）形式（二进制）存放到内存中存放到内存中输出设备输出设备将内存中的处理结果信息转将内存中的处理结果信息转变为用户可接受的形式输出变为用户可接受的形式输出或成为其它机器所能接受的或成为其它机器所能接受的形式

11、输出形式输出同济大学同济大学 计算机软件系统14软件是指程序、程序运行所需要的数据以及开发、使用软件是指程序、程序运行所需要的数据以及开发、使用和维护这些程序所需要的文档的集合。和维护这些程序所需要的文档的集合。裸机裸机操作系统操作系统UnixLinuxWindows其他系统软件其他系统软件语言处理程序语言处理程序诊断程序诊断程序系统设置和优化系统设置和优化备份程序备份程序反病毒反病毒程序程序压缩程序压缩程序应用软件应用软件办公软件包办公软件包多媒体软件多媒体软件数据管理数据管理游戏软件游戏软件学习软件学习软件互联软件互联软件系统软件系统软件面向计算机管理面向计算机管理支持应用软件开支持应用软

12、件开发和运行发和运行具有专门的具有专门的应用目的应用目的同济大学同济大学 系统软件15操作系统操作系统语言处理程序语言处理程序实用程序实用程序使软硬件资源协调一致有条不紊地工使软硬件资源协调一致有条不紊地工作，对软硬件实行统一的管理和调度。作，对软硬件实行统一的管理和调度。管理计算机硬件资源管理计算机硬件资源控制其他程序运行控制其他程序运行为用户提供交互操作界面为用户提供交互操作界面目前典型的操作系统有：目前典型的操作系统有：Windows、UNIX、Mac OS X、Linux等。等。同济大学同济大学 系统软件16操作系统操作系统语言处理程序语言处理程序实用程序实用程序翻译工具翻译工具作用：

13、将源程序翻译成计算作用：将源程序翻译成计算机能识别的机器语言程序。机能识别的机器语言程序。程序设计语言：程序设计语言：机器语言机器语言汇编语言汇编语言高级语言高级语言典型的程序设计语言有：典型的程序设计语言有：FORTRAN、Pascal、C与与C+、BASIC、Java、C#等。等。汇汇编编程程序序编编译译程程序序解解释释程程序序同济大学同济大学 17（1 1）机器语言）机器语言由由“0”、“1”二进制代码按一定规则组成的、能被机器直接二进制代码按一定规则组成的、能被机器直接理解、执行的指令集合。理解、执行的指令集合。缺点：缺点：编编程工作量大，程工作量大，难难学、学、难记难记、难难修改；修

14、改；不同不同计算机的计算机的指令系指令系统统不同，机器不同，机器语语言通用性差言通用性差优优点点：代代码码不需要翻不需要翻译译，所占空，所占空间间少，少，执执行速度快。行速度快。例如，计算例如，计算A=15+10 A=15+10 的机器语言程序如下：的机器语言程序如下：10110000 0000111110110000 00001111：把把1515放入累加器放入累加器A A中中00101100 0000101000101100 00001010：1010与累加器与累加器A A的值相加，结的值相加，结果仍放入果仍放入A A中中1111010011110100：结束，停机结束，停机同济大学同济大

15、学 18（2 2）汇编语言）汇编语言使用反映机器指令功能的助记符代替机器语言的符号语言。使用反映机器指令功能的助记符代替机器语言的符号语言。例如用例如用ADDADD表示加、表示加、SUBSUB表示减、表示减、JMPJMP表示程序跳转等等。表示程序跳转等等。优优点点：克克服服了了机机器器语语言言难难读读等等缺缺点点，保保持持了了其其编编程程质质量量高高、占占存储空间少，执行速度快的优点。存储空间少，执行速度快的优点。缺点：缺点：仍然依赖于机器，通用性差。仍然依赖于机器，通用性差。特特点点：源源程程序序必必须须通通过过汇汇编编程程序序翻翻译译成成机机器器语语言言。常常用用于于过过程程控制等编程。控

16、制等编程。例如，计算例如，计算 A=15+10 A=15+10 的汇编语言程序：的汇编语言程序：MOVMOV A A，1515：把：把1515放入累加器放入累加器A A中中ADDADD A A，1010：1010与累加器与累加器A A相加，结果存入相加，结果存入A A中中HLTHLT：结束，停机：结束，停机类比：类比：IP地址地址202.120.189.146机器语言机器语言域名域名汇编语言汇编语言同济大学同济大学 19（3 3）高级语言）高级语言接近于自然语言和数学公式的程序设计语言。接近于自然语言和数学公式的程序设计语言。优点：优点：接近算法语言，易学、易掌握，接近算法语言，易学、易掌握，

17、可读性好，可维护性强，可靠性高；可读性好，可维护性强，可靠性高；可移植性好，重用率高可移植性好，重用率高自动化程度自动化程度高，编程效率高。高，编程效率高。缺缺点点：源源程程序序要要通通过过翻翻译译程程序序翻翻译译成成机机器器语语言言，代代码码不不最优。最优。例如，计算例如，计算 A=15+10 A=15+10 的的BASICBASIC语言程序如下：语言程序如下：A=15+10A=15+10 15 15与与1010相加的结果放入相加的结果放入A A中中PRINT APRINT A 输出输出A AENDEND 程序结束程序结束同济大学同济大学 20常用高级语言常用高级语言Fortran：1954

18、年推出，适用于科学和工程计算。年推出，适用于科学和工程计算。C、C+：1972年年推推出出C语语言言，1983年年加加入入面面向向对对象象的的概概念念，改名为改名为C+。语言简练、功能强，适用面广。语言简练、功能强，适用面广。BASIC：初初学学者者语语言言，1964年年推推出出；1991年年微微软软推推出出可可视视化化的的、基基于于对对象象的的VisualBasic开开发发环环境境，发发展展到到现现在在的的VB.NET开发环境，则是完全面向对象、功能更强大。开发环境，则是完全面向对象、功能更强大。Java：1995年年推推出出，是是一一种种新新型型的的跨跨平平台台的的面面向向对对象象设设计计

19、语语言，言，具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。C#：以以其其简简单单的的可可视视化化操操作作，高高运运行行效效率率，强强大大的的操操作作能能力力，面向组件编程的支持成为面向组件编程的支持成为.NET开发的首选语言。开发的首选语言。2013年年4月月TIOBE编程语言排行榜编程语言排行榜同济大学同济大学 语言处理程序 for 低级语言 21机器语言机器语言源程序源程序汇编语言汇编语言源程序源程序机器语言程序机器语言程序（目标程序）（目标程序）汇编程序汇编程序翻译翻译同济大学同济大学 高级语言翻译程序22高级语言高级语言源程序源程序计算结果

20、计算结果解释程序解释程序数据数据高级语言高级语言源程序源程序计算结果计算结果连接程序连接程序数据数据目标目标程序程序可执行可执行程序程序编译程序编译程序解释方式解释方式编译方式编译方式BasicC+程序库程序库可脱离编译程序和源程可脱离编译程序和源程序独立存在并反复使用序独立存在并反复使用同济大学同济大学 23实用程序u系系统设置软件：对系统进行全面设置、优化和保统设置软件：对系统进行全面设置、优化和保护护Windows优化大优化大师：师：系统检测、系统优化、系统清理、系统维系统检测、系统优化、系统清理、系统维护护u诊断程序：识别并且改正计算机系统存在的问题诊断程序：识别并且改正计算机系统存在

21、的问题 “管管理理|设备管理器设备管理器”：所有设备的详细情况：所有设备的详细情况u备份程备份程序：把序：把硬盘上的文件复制到其他存储设备硬盘上的文件复制到其他存储设备上上 “控制面板控制面板|系系统和安全统和安全|备份和恢复备份和恢复”u反病毒程序反病毒程序：消消除或防御电除或防御电脑病脑病毒毒和和恶恶意软意软件件Microsoft Security Essentialsu文件压缩程文件压缩程序：序：压压缩较缩较大的文大的文件，件，产产生另一较生另一较小容量的文件小容量的文件WinRAR，7-Zip完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务同济大

22、学同济大学 应用软件为某一专门的应用目的而开发的软件。1.办公软件包2.图形和图象处理软件3.数据管理4.Ineternet服务软件5.娱乐与学习软件24同济大学同济大学 2.2.2 计算机基本工作原理指令和程序指令和程序 计算机的一般工作过程计算机的一般工作过程 程序的执行方式程序的执行方式25同济大学同济大学 1.指令系统26操作码操作码 地址码地址码 数据传送指令数据传送指令数据处理指令数据处理指令程序控制指令程序控制指令输入输出指令输入输出指令 其它指令其它指令 If Goto And OrCPU内存I/O设备主机对计算机的硬件进行管理等对计算机的硬件进行管理等指令指令 结构结构分分类

23、类指令系统指令系统:一台计算机的所有指令的集合一台计算机的所有指令的集合指指令令：能能被被计计算算机机识识别别并并执执行行的的二二进进制制代代码码，规规定了某一种操作。定了某一种操作。要完成的操作要完成的操作类型及功能类型及功能操作数或操作数或操作数的地址操作数的地址同济大学同济大学 27计算机的工作过程就是执行程序的过程计算机的工作过程就是执行程序的过程开始开始指令指令n n结束结束程序程序指令指令2 2指令指令1 1程程序序：计计算算机机指指令令的的有有序序集集合合，即完成一定功能的即完成一定功能的指令指令序列序列结束指令？结束指令？取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令开始开始结束

24、结束程序的执行过程：程序的执行过程：按按照照程程序序设设定定的的次次序序依依次次执执行行指令，直到遇到结束指令指令，直到遇到结束指令什么是程序什么是程序？程序如何执行程序如何执行？同济大学同济大学 指令的执行过程图例 取取指指令令 按按照照程程序序计计数数器器中中的的地地址址，从从内内存存储储器器中中取取出出指指令令，并并送送往往指指令令寄寄存存器。器。分分析析指指令令 对对指指令令寄寄存存器器中中存存放放的的指指令令进进行行分分析析，由由译译码码器器对对操操作作码码进进行行译译码码，将将指指令令的的操操作作码码转转换换成成相相应应的控制电位信号的控制电位信号由由地地址址码码确确定定操操作数地

25、址。作数地址。执执行行指指令令 由由操操作作控控制制线线路路发发出出完完成成该该操操作作所所需需要要的的一一系系列列控控制制信信息息，去去完完成成该该指指令令所所要要求求的操作。的操作。如：加法指令如：加法指令一一条条指指令令执执行行完完成成，程程序序计计数数器器加加1 或或将将转转移移地地址址码码送送入入程程序序计计数数器器，然然后后回回到到。28同济大学同济大学 29取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令222111时时间间完成完成指令的串行执行同济大学同济大学 30取指令部件取指令部件分析指令部件分析指令部件执行指令部件执行指令部件66555444333222111时时间间6完成完成指令流水线技术 多部件重叠操作多部件重叠操作多指令并行处理多指令并行处理同济大学同济大学 2.2 总结计算机系统的组成冯诺依曼体系结构软件的分类计算机基本工作原理31