第1章计算机系统概述课件.ppt

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1、计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/101 教材：王爱英教材：王爱英 主编主编 计算机组成与结构计算机组成与结构 (第第5版版)清华大学出版社清华大学出版社 计算机组成计算机组成 教师：教师：吴涛吴涛 计算机与软件学院计算机与软件学院 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/102 -课程简介课程简介-本课程从计算机组成原理与系统结构的基本概念出发，本课程从计算机组成原理与系统结构的基本概念出发，系统讲述计算机系统的系统讲述计算机系统的基本组成基本组成、工作原理工作原理和和系统结构系统结

2、构。通过学习本课程，学生应理解计算机各部件内部通过学习本课程，学生应理解计算机各部件内部工作原工作原理理、组成结构组成结构及相互及相互连接方式连接方式，具有完整的，具有完整的计算机系统整体计算机系统整体概念概念，熟悉，熟悉计算机系统层次化概念计算机系统层次化概念，了解计算机体系的新技，了解计算机体系的新技术，能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计术，能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能对算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能对一些基本部件进行简单设计，为学习本专业后继课程和对今一些基本部件进行简单设计，为学习本

3、专业后继课程和对今后从事计算机系统的研究、开发打好基础。后从事计算机系统的研究、开发打好基础。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/103目目 录录第第1章章 计算机系统概述计算机系统概述第第2章章 数据的表示和运算数据的表示和运算第第3章章 存储器层次结构存储器层次结构第第4章章 指令系统指令系统第第5章章 中央处理器中央处理器第第6章章 总线总线第第7章章 输入输出系统输入输出系统第第8章章 流水线处理技术流水线处理技术第第9章章 并行计算机体系结构并行计算机体系结构计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机

4、系统概述2023/9/104第第1章章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机的发展历程计算机的发展历程1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.3 计算机的性能指标计算机的性能指标1.4 计算机的分类和应用计算机的分类和应用计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/1051.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 根根据据制制造造计计算算机机所所使使用用的的元元器器件件的的不不同同，电电子子计计算算机机的的发发展展依依次次经经历历了了电电子子管管时时代代、晶晶体体管管时时代代、中中小小规规模模集集成成电电路路时时代代、大大规规模模

5、和和超超大大规规模模集集成成电路时代电路时代等几个不同的发展阶段。等几个不同的发展阶段。电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/1061.1 计算机的发展历程计算机的发展历程第一代，电子管计算机时代（第一代，电子管计算机时代（19461959）电子管是封装在玻璃外壳内的一种电真空器件。电子管是封装在玻璃外壳内的一种电真空器件。1904年年，世世界界上上第第一一只只电电子子管管在在英英国国物物理理学学家家弗弗莱莱明的手下诞生，标志着世界从此进入了电子时代。明的手下诞生，标志着世界从此进入了电子时代。世世界

6、界上上第第一一台台电电子子数数字字计计算算机机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And calculator），1946年年由由美美国国宾宾夕夕法法尼尼亚亚大大学学研研制制，字字长长12位位，运运算算速速度度5000次次/秒秒，使使用用18800个个电电子子管管、1500个个继继电电器器，功功耗耗150kw，占占地地170m2，重重达达30吨吨，造造价价100万万美美元。一般认为它是现代计算机的始祖。元。一般认为它是现代计算机的始祖。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/107世界上第一台电子计算机

7、世界上第一台电子计算机ENIAC计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/108有争议的第一台计算机：二战中，为破译德国人的有争议的第一台计算机：二战中，为破译德国人的机械式密码，英国情报机关与数学、机械式密码，英国情报机关与数学、电子学专家合电子学专家合作，作，1943年年研制出了一种大型电子运算装置，称其研制出了一种大型电子运算装置，称其为为“巨人巨人”机机。1939年年12月月，美籍保加利亚人、物，美籍保加利亚人、物理学家理学家阿塔纳索夫阿塔纳索夫就造出了世界上第一台电子计算就造出了世界上第一台电子计算机机ABC，但正值二战，他没有申请专

8、利，也没有公，但正值二战，他没有申请专利，也没有公布资料。布资料。1941年，年，约翰约翰莫奇利莫奇利在阿坦那索夫家借住在阿坦那索夫家借住5天，可天，可能看到了研究成果，其后负责制造了能看到了研究成果，其后负责制造了ENIAC，随后，随后迅速申请专利。迅速申请专利。1967年，莫奇利被告上法庭。年，莫奇利被告上法庭。1973年年10月月19日，法庭终审，该审判从法律上认定阿坦日，法庭终审，该审判从法律上认定阿坦那索夫才是真正的现代计算机的发明人，这是一场那索夫才是真正的现代计算机的发明人，这是一场美国历史上耗时最久的知识产权官司。美国历史上耗时最久的知识产权官司。计算机组成与结构计算机组成与结

9、构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/1091.1 计算机的发展历程计算机的发展历程第一代，电子管计算机时代（第一代，电子管计算机时代（19461959）ENIAC计计算算机机存存在在两两个个主主要要缺缺点点，一一是是存存储储容容量量太太小小，只只能能存存20个个字字长长为为10位位的的十十进进制制数数，二二是是用用线线路路连连接接的的方方法法来来编编排排程程序序，每每次次解解题题都都要要依依靠靠人人工工改改接接连连线线，准准备备时时间间大大超过实际计算时间。大大超过实际计算时间。与与ENIAC计计算算机机研研制制的的同同时时，冯冯诺诺依依曼曼(Von Neumann)

10、与与莫莫尔尔小小组组合合作作研研制制EDVAC计计算算机机，采采用用了了存存储储程程序序方方案案，其其后后开开发发的的计计算算机机都都采采用用这这种种方方式式，称称为为冯冯诺诺依依曼曼计计算算机机。ENIAC的总设计师，世界上第一家计算机公司创办者：约翰莫克利计算机之父，博弈论之父：冯诺依曼计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10101.1 计算机的发展历程计算机的发展历程第一代，电子管计算机时代（第一代，电子管计算机时代（19461959）一般认为一般认为冯冯诺依曼机诺依曼机具有如下具有如下基本特点基本特点：(1)(1)计算机由运算器、

11、控制器、存储器、输入设备和输出设计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备备五部分组成五部分组成。(2)(2)采用采用存储程序方式存储程序方式，程序和数据放在同一个存储器中，程序和数据放在同一个存储器中，并以并以二进制二进制码表示。码表示。(3)(3)指令由操作码和地址码组成。指令由操作码和地址码组成。(4)(4)指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器（即程指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器（即程序计数器序计数器 PCPC）指明要执行的指令所在的存储单元地址，一）指明要执行的指令所在的存储单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件改变。般按顺序递增，但可按运算结果或

12、外界条件改变。(5)(5)以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。都通过运算器。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10111.1 计算机的发展历程计算机的发展历程第二代，晶体管计算机时代（第二代，晶体管计算机时代（19591964）晶晶体体管管通通常常指指晶晶体体三三极极管管，是是内内部部含含有有两两个个PN结结、外外部部通通常为三个引出电极的半导体器件。常为三个引出电极的半导体器件。1947年年贝尔实验室贝尔实验室肖克利肖克利发明了晶体管。发明了晶体管。1958年晶

13、体管进入批量生产阶段。年晶体管进入批量生产阶段。用用晶晶体体管管可可设设计计出出实实现现反反相相功功能能的的反反相相器器线线路路，在在此此基基础础上上，再再实实现现出出计计算算机机用用的的全全部部组组合合逻逻辑辑线线路路，和和触触发发器器、计计数数器等各种时序逻辑线路。器等各种时序逻辑线路。“晶体管之父”“硅谷第一人”肖克利W.Shockley 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10121.1 计算机的发展历程计算机的发展历程第二代，晶体管计算机时代（第二代，晶体管计算机时代（19591964）1954年年，美美国国贝贝尔尔实实验验室室

14、研研制制出出第第一一台台使使用用晶晶体体管管线线路路的的计计算算机机，取取名名“催催迪迪克克”（TRADIC），装装有有800个个晶晶体体管管。1958年年，美美国国IBM公公司司制制成成第第一一台台全全部部使使用用晶晶体体管管的的计计算算机机RCA501型型。1964年年，中中国制成了第一台全晶体管电子计算机国制成了第一台全晶体管电子计算机441-B型型。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10131.1 计算机的发展历程计算机的发展历程第二代，晶体管计算机时代（第二代，晶体管计算机时代（19591964）第第二二代代计计算算机机性性能

15、能和和可可靠靠性性提提高高，体体积积和和价价格格下下降降，外外设设和和软软件件也也越越来来越越多多，并并且且高高级级程程序序设设计计语语言言应应运而生，从而使计算机工业迅速发展。运而生，从而使计算机工业迅速发展。尽尽管管用用晶晶体体管管替替代代电电子子管管使使计计算算机机面面貌貌焕焕然然一一新新，但但随随着着对对计计算算机机性性能能的的追追求求，新新计计算算机机包包含含的的晶晶体体管管数数量量已已从从一一万万个个左左右右骤骤增增到到数数十十万万个个，人人们们需需要要将将这这些些晶晶体体管管、电电阻阻等等元元件件都都焊焊接接到到一一块块电电路路板板上上，再再有有一一块块块块电电路路板板通通过过导

16、导线线连连接接到到一一台台计计算算机机上上。其其复复杂杂工工艺艺严严重重影影响响了了制制造造计计算算机机的的生生产产效效率率，使使计算机可靠性很低。计算机可靠性很低。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10141.1 计算机的发展历程计算机的发展历程第三代，中小规模集成电路计算机时代（第三代，中小规模集成电路计算机时代（19641970）集集成成电电路路（Integrated Circuit，简简称称IC）是是将将各各种种电电子子电电子子元元器器件件以以相相互互联联系系的的状状态态集集成成到到半半导导体体材材料料（主主要要是是硅硅）或或绝

17、绝缘缘体体材材料料薄薄层层片片子子上上，再再用用一一个个管管壳壳将将其其封封装装起起来来，构构成成一一个个完完整整的、具有一定功能的电路或系统。的、具有一定功能的电路或系统。计计算算机机的的数数据据存存储储、运运算算、传传输输及及控控制制功功能能是是由由各各类类门门电电路路实实现现的的，而而门门电电路路又又是是由由晶晶体体管管、电电阻阻、电电容容等等组组成成，集集成成电电路路制制造造技技术术发发展展可可实实现现将将成成百百上上千千个个门门电电路路全全部部制制作作在在一一块块小小硅硅片片上上，这这使使得得计计算算机机体体积积大大大大缩缩小小，功功耗耗降降低低，计计算算机机可可靠靠性性提高。提高。

18、4081,四四2输入与门输入与门计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/1015第第一一个个集集成成电电路路：1958年，美国德克萨斯仪器公司Jack Kilby提出将多个半导体元件放在一片半导体材料上，这个成果就是世界上第一个集成电路。Jack Kilby：集成电路的发明专利拥有者，集成电路之父（争议），奠定了现代微电子学领域的基础。因参与发明集成电路2000年获诺贝尔物理学奖计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/1016Robert Noyce：著名物理学家，集成电路推广者，英特尔创始

19、人，1958年与Jack Kilby同时宣布制成第一块集成电路，法庭将集成电路发明专利授予基尔比，而将关键的内部连接技术（制作工艺）专利授予诺伊斯。诺伊斯共同创办了两家硅谷最伟大的公司之一：第一家是半导体工业的摇篮-仙童(Fairchild)公司，已成为历史；第二家则仍跻身美国最大的公司之列，这就是英特尔公司。他的外号叫“硅谷市长”。硅谷唯一一位集财富、威望和成就于一体的圣人计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10171.1 计算机的发展历程计算机的发展历程第三代，中小规模集成电路计算机时代（第三代，中小规模集成电路计算机时代（19641

20、970）第第三三代代计计算算机机的的代代表表是是IBM公公司司花花了了50亿亿美美元元开开发发的的IBM 360系列。系列。20世纪60年代初，IBM公司提出研制由集成电路组成的系列电脑，淘汰晶体管机器。1961年12月28日，“IBM360系统电子计算机”方案出台。新电脑系统用360为名，表示一圈360度。代表360电脑从工商业到科学界的全方位应用。所需费用：研制经费5亿，生产设备10亿，推销和租赁35亿共需投资50亿！而美国研制第一颗原子弹的“曼哈顿工程”才用了20亿美元。360系列率先提出“兼容性”概念，1964年IBM360系列面世，共有6个型号大、中、小型电脑和44种配套设备。5年之

21、内，IBM360共售出32300台，创造了电子计算机销售中的奇迹。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10181.1 计算机的发展历程计算机的发展历程第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代（1970至今）至今）目目前前计计算算机机使使用用的的元元件件依依然然是是集集成成电电路路，不不过过，这这种种集集成成电电路路已已经经大大大大改改善善，它它包包含含着着几几十十万万到到上上百百万万个个晶晶体体管管，人人们们称称之之为为大大规规模模集集成成电电路路（LargeScale lntegrated C

22、ircuit，简简称称LSI）和和超超大大规规模模集集成成电电路路（Very Large Scale lntegrated Circuit，简称，简称VLSI）1975年年，美美国国IBM公公司司推推出出了了个个人人计计算算机机PC（PersonaI Computer），计算机开始深入到人类生活的各个方面。），计算机开始深入到人类生活的各个方面。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10191.1 计算机的发展历程计算机的发展历程第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代（1970至今）至今）表表1

23、.1概括了概括了计算机发展历程中各个阶段计算机发展历程中各个阶段的特点。的特点。当当前前计计算算机机发发展展的的趋趋势势是是由由大大到到巨巨(追追求求高高速速度度、高高容容量量、高高性性能能)，由由小小到到微微(追追求求微微型型化化,包包括括台台式式、便便携携式式、笔笔记记本式乃至掌上型本式乃至掌上型,使用方便使用方便,价格低廉价格低廉)，网络化，智能化。，网络化，智能化。现现代代计计算算机机在在许许多多技技术术领领域域取取得得了了极极大大进进步步。如如多多媒媒体体技技术术、计计算算机机网网络络、面面向向对对象象技技术术、并并行行处处理理技技术术、人人工工智智能能、不不污污染染环环境境并并节节

24、约约能能源源的的“绿绿色色计计算算机机”等等。许许多多新新技技术术和和材材料料开开始始应应用用于于计计算算机机,如如量量子子计计算算机机、光光子子计计算算机、分子计算机和纳米计算机等机、分子计算机和纳米计算机等。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/1020表表1.1计算机发展历程中各个阶段的特点计算机发展历程中各个阶段的特点 年代年代第一代第一代1946-1959第二代第二代1959-1964第三代第三代1964-1970第四代第四代1970-现在现在电子器件电子器件电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路大规模、超大大规模、超大规模集成

25、电规模集成电路路存储器存储器延迟线延迟线磁芯、磁鼓磁磁芯、磁鼓磁带、纸带带、纸带磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁带、磁盘磁带、磁盘半导体存储器半导体存储器磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁带、磁盘磁带、磁盘半导体存储器半导体存储器磁带、磁盘磁带、磁盘光盘光盘处理方式处理方式机器语言机器语言汇编语言汇编语言监控程序监控程序高级语言高级语言实时处理实时处理操作系统操作系统实时实时/分时处理分时处理网络操作系网络操作系统统应用领域应用领域科学计算科学计算科学计算科学计算数据处理数据处理过程控制过程控制科学计算科学计算系统设计等系统设计等 科技工程领域科技工程领域各行各业各行各业运行速度运行速度5000至至3万次万次/秒秒

26、几十万至几十万至百万次百万次/秒秒百万至百万至几百万次几百万次/秒秒几百万至几百万至千亿次千亿次/秒秒典型机型典型机型ENIACEDVACIBM705UNIVACIBM7094CDC6600IBM360PDP 11NOVA1200ILLIAC-VAX 11IBM PC计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10211.1 计算机的发展历程计算机的发展历程IT行行业业第第一一定定律律摩摩尔尔定定律律：集集成成电电路路上上可可容容纳纳的的晶晶体体管数目，约每隔管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能将提升一倍。个月便会增加一倍，性能将提升一倍。1

27、965年年4月月，当当时时还还是是仙仙童童公公司司电电子子工工程程师师的的摩摩尔尔在在电电子学子学杂志上发文提出。四十多年来，该定律基本有效。杂志上发文提出。四十多年来，该定律基本有效。专专家家预预言言，随随着着半半导导体体晶晶体体管管的的尺尺寸寸接接近近纳纳米米级级，芯芯片片发发热热等等副副作作用用逐逐渐渐显显现现，电电子子的的运运行行也也难难以以控控制制，“摩摩尔尔定定律律”将逐步失效。将逐步失效。戈登戈登.摩尔摩尔IntelIntel公司联合创世人公司联合创世人现任现任IntelIntel公司名誉董事长公司名誉董事长计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系

28、统概述2023/9/1022计算机发展历史上几次飞跃计算机发展历史上几次飞跃(应用应用)1发展阶段发展阶段代表性成果代表性成果标志性标志性成就成就硬硬件件软软件件应应用用说说 明明第一次飞跃电子计算机1919，电子触发器 1946，ENIAC 冯诺依曼结构的确立1969，贝尔实验室Unix 1957,IBM,Fortran 1960,结构化程序设计语言ALGOL 60 1970,Pascal 1964,日本，铁路售票系统 1967，IBM,应用卫星实现数据通讯 1970，斯坦福大学,专家系统DENDRAL 计算机进入社会计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统

29、概述2023/9/1023计算机发展历史上几次飞跃计算机发展历史上几次飞跃(应用应用)2发展阶段发展阶段代表性成果代表性成果标志性标志性成就成就硬硬件件软软件件应应用用说说 明明第二次飞跃微型计算机1971，日本与Intel,4004 1975,美国,Altair 8800/Tandy,TRS80等 Apple机(motorola 68000)与 IBM PC机 1987 IBM PS/2(MCA结构)单片机Microsoft公司:DOS/WINDOWS工业控制 /自动化仪器与家电 OA /商业 /机电与宇航出现了许多技术与产品：工作站 /并行计算机 /精简指令系统（RISC）面向对象技术（O

30、OP）客户机/服务器模型 数据库技术 /数据仓库的理论（80年代IBM提出）计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/1024计算机发展历史上几次飞跃计算机发展历史上几次飞跃(应用应用)3发展阶段发展阶段代表性成果代表性成果标志性标志性成就成就硬硬件件软软件件应应用用说说 明明第三次飞跃网络与多媒体DECnet /IBM LAN /Ethernet（网络）1984,Macintosh机(多媒体)1986.Philip与Sony,CD-ROM 1987.,RCA公司，DVI（Digital Video Interactive）系统VR（虚拟现实）

31、OODB（面向对象数据库）多种图像格式与压缩算法Internet 多媒体Internet与多媒体的结合与无限发展计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10251.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构为了描述计算机系统的结构，首先要清楚地区分计算机结构和为了描述计算机系统的结构，首先要清楚地区分计算机结构和计算机组织两个概念。计算机组织两个概念。计算机结构计算机结构:对涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所对涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所见到的计算机系统的属性，更多的情况下是指计算机的外特性。见到的计算机系统的属性，更多的

32、情况下是指计算机的外特性。这些属性直接影响到程序的逻辑执行，主要包括指令集、表示这些属性直接影响到程序的逻辑执行，主要包括指令集、表示各种数据类型的比特数、各种数据类型的比特数、I/OI/O机制以及内存访问技术等。机制以及内存访问技术等。计算机组成计算机组成:计算机各部件的具体组成以及它们之间的连接关计算机各部件的具体组成以及它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。从这一点上，计算机系，实现机器指令级的各种功能和特性。从这一点上，计算机组成是计算机结构的逻辑实现组成是计算机结构的逻辑实现计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10

33、261.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构计算机系统通常包括计算机系统通常包括硬件硬件和和软件软件两大部分，仅有硬件或者仅有两大部分，仅有硬件或者仅有软件，计算机系统都不能正常工作，只有两者互相配合才能实软件，计算机系统都不能正常工作，只有两者互相配合才能实现特定功能。现特定功能。计算机的层次结构计算机的层次结构既是分配软硬件功能的一种模式描述，也是既是分配软硬件功能的一种模式描述，也是分析计算机系统的较好方法分析计算机系统的较好方法。一般将计算机系统层次结构分为六层。一般将计算机系统层次结构分为六层。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述20

34、23/9/10271.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构第三级计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10281.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构微指令系统微指令系统在采用微程序控制方式的计算机系统中用来解释微在采用微程序控制方式的计算机系统中用来解释微程序指令。每条机器指令的功能均由微程序实现，指令的执行程序指令。每条机器指令的功能均由微程序实现，指令的执行过程就是微程序的执行过程。过程就是微程序的执行过程。传统机器传统机器只能识别只能识别机器语言机器语言，不能立刻运行程序指令。，不能立刻运行程序指令。操作系统语言机器

35、操作系统语言机器由管理计算机内部资源的各种系统软件组成。由管理计算机内部资源的各种系统软件组成。操作系统随着计算机的发展正逐渐成为系统软件的核心。操作系统随着计算机的发展正逐渐成为系统软件的核心。汇编语言机器汇编语言机器使用汇编程序翻译成机器语言，用户用汇编编写使用汇编程序翻译成机器语言，用户用汇编编写的程序可以在计算机上运行。的程序可以在计算机上运行。高级语言机器高级语言机器采用编译程序或解释程序将高级语言翻译成汇编采用编译程序或解释程序将高级语言翻译成汇编语言，所以用户用高级语言编写的程序也以在计算机上运行。语言，所以用户用高级语言编写的程序也以在计算机上运行。应用语言机器应用语言机器将面

36、向各种不同应用的专用程序翻译成高级语言。将面向各种不同应用的专用程序翻译成高级语言。从上面可以看出，在计算机层次结构的六层结构中，最下面的从上面可以看出，在计算机层次结构的六层结构中，最下面的两层属于硬件，其余四层为软件。两层属于硬件，其余四层为软件。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10291.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.1 计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成。从外观上看从外观上看，计算机系统的硬件部分主要由主机、键盘、鼠标，计算机系统的硬件部分主要由主机、键盘、鼠标和显示器等组成；和显示器等组成；从逻辑

37、功能上看从逻辑功能上看，可以分为控制器、运算器、，可以分为控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五个部分，一般地又把运算器和存储器、输入设备、输出设备五个部分，一般地又把运算器和控制器合称为中央处理器控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit,CPU)。运算器运算器是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能是执行算是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能是执行算术逻辑运算并暂时存放中间结果；术逻辑运算并暂时存放中间结果；控制器控制器是计算机中控制指令执行的部件，向计算机各功能部件是计算机中控制指令执行的部件，向计算机各功能部件提供每一时刻运行所需控制信号，主要功能

38、是从内存中取出一提供每一时刻运行所需控制信号，主要功能是从内存中取出一条指令，指出下一条指令在内存中位置，对指令进行译码，产条指令，指出下一条指令在内存中位置，对指令进行译码，产生相应操作控制信号；指挥并控制生相应操作控制信号；指挥并控制CPU、内存和输入、内存和输入/输出设备输出设备之间数据流动的方向。之间数据流动的方向。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10301.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.1 计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成。存储器存储器是计算机中用于存储程序和数据的部件。计算机中的全是计算机中用

39、于存储程序和数据的部件。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。入和取出信息。存储器作为存储程序和数据的部件，使得计算机有了存储器作为存储程序和数据的部件，使得计算机有了记忆记忆功能，功能，并能保证计算机正常工作。并能保证计算机正常工作。按用途按用途存储器可分为主存储器存储器可分为主存储器(内存内存)和辅助存储器和辅助存储器(外存外存)。内存。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和

40、程序，指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，仅用于暂时存放程序和数据，断电后数据会丢失；外存是大容仅用于暂时存放程序和数据，断电后数据会丢失；外存是大容量、永久性存储器，以弥补内存的不足，如磁带、磁盘、光盘量、永久性存储器，以弥补内存的不足，如磁带、磁盘、光盘等。等。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10311.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.1 计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成。计算机的计算机的外部设备外部设备包括输入设备、输出设备和辅助存储器等。包括输入设备、输出设备和辅助存储器等。输入设

41、备输入设备(Input Device):向计算机输入数据和信息的设备。是向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。计算机能够接收各种各计算机与用户或其他设备通信的桥梁。计算机能够接收各种各样的数据，如数值、符号、图形、图像、声音等。样的数据，如数值、符号、图形、图像、声音等。输出设备输出设备(Output Device):人与计算机交互的部件，用于数据人与计算机交互的部件，用于数据的输出。把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声的输出。把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。常见的有显示器、打印机、绘图仪、影像音等形式表示出来。常见的有显示

42、器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10321.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.1 计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成。计算机内各部件间来往的计算机内各部件间来往的信号信号可分成三种类型，即可分成三种类型，即地址、数据地址、数据和控制信号和控制信号。通常这些信号是通过。通常这些信号是通过总线总线传送的传送的。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10331.2 计

43、算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.2 计算机软件的分类计算机软件的分类。计算机软件计算机软件是指计算机系统中的是指计算机系统中的程序程序和和文档文档。程序程序是对计算任务的处理对象和处理规则的描述；是对计算任务的处理对象和处理规则的描述；文档文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料。是为了便于了解程序所需的阐明性资料。计算机软件按面向对象不同可计算机软件按面向对象不同可分为两类分为两类：(1)系统软件系统软件：用于实现系统功能、管理系统的软件，为了便：用于实现系统功能、管理系统的软件，为了便于人们使用计算机而设计。系统软件管理整个计算机系统，合于人们使用计算机而设计。系统软件管理整个

44、计算机系统，合理分配系统资源，确保计算机正确高效地运行。常用的系统软理分配系统资源，确保计算机正确高效地运行。常用的系统软件有：操作系统、编译器、解释器、汇编器等。件有：操作系统、编译器、解释器、汇编器等。(2)应用软件应用软件：面向用户的、针对某种特定应用而开发的软件。：面向用户的、针对某种特定应用而开发的软件。这类软件通常是实现用户的某类需求。如安装在操作系统下的这类软件通常是实现用户的某类需求。如安装在操作系统下的各类应用软件，用于企业的各类资源管理软件各类应用软件，用于企业的各类资源管理软件。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/1

45、0341.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.3 计算机的工作过程计算机的工作过程。简单地说，简单地说，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。程序是由。程序是由一系列的机器指令构成，是一个特定的指令序列，指令则就是一系列的机器指令构成，是一个特定的指令序列，指令则就是一组二进制信息的代码。一组二进制信息的代码。计算机的工作过程就是将编制好的程序经过输入设备存放到主计算机的工作过程就是将编制好的程序经过输入设备存放到主存储器中，并将程序存放的首地址传送到控制器中，它首先将存储器中，并将程序存放的首地址传送到控制器中，它首先将指令从存储器读到指令寄存

46、器，称为指令从存储器读到指令寄存器，称为取指阶段取指阶段。接着，它分析。接着，它分析这条指令，指出指令要完成的操作，并指明操作数的地址，这这条指令，指出指令要完成的操作，并指明操作数的地址，这个阶段成为个阶段成为分析阶段分析阶段。最后根据指令分析的结果完成某种操作，。最后根据指令分析的结果完成某种操作，称为称为执行阶段执行阶段。计算机的工作过程就是。计算机的工作过程就是取指令、分析指令、执取指令、分析指令、执行指令行指令，如此周而复始的过程，如此周而复始的过程。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10351.3 计算机的性能指标计算机的性

47、能指标计算机性能指标由其体系结构、采用的器件、外围设备配置以计算机性能指标由其体系结构、采用的器件、外围设备配置以及系统软件资源等多方面因素决定。及系统软件资源等多方面因素决定。衡量一台计算机性能的好坏，要综合多项指标。衡量一台计算机性能的好坏，要综合多项指标。本节主要讨论计算机硬件的性能指标。本节主要讨论计算机硬件的性能指标。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10361.3 计算机的性能指标计算机的性能指标1.3.1 机器字长机器字长机器字长是指机器字长是指CPU一次能处理二进制数据的位数，实际上指该一次能处理二进制数据的位数，实际上

48、指该计算机中的计算机中的运算器的位数运算器的位数。如某机器字长。如某机器字长32位，表示该机器中，位，表示该机器中，每次能完成两个每次能完成两个32位二进制数的运算。位二进制数的运算。通常，机器字长越长，计算机的运算能力越强，其运算精度也通常，机器字长越长，计算机的运算能力越强，其运算精度也越高。例如，酷睿越高。例如，酷睿i系列系列CPU的机器字长为的机器字长为64位位。通常称处理字长为通常称处理字长为8位数据的位数据的CPU叫叫8位位CPU，32位位CPU就是在就是在同一时间内处理字长为同一时间内处理字长为32位的二进制数据。字长总是位的二进制数据。字长总是8的整数的整数倍，早期的微机字长一

49、般是倍，早期的微机字长一般是8位和位和16位，位，386以及更高的处理器以及更高的处理器大多是大多是32位。目前市面上计算机的处理器大部分已达到位。目前市面上计算机的处理器大部分已达到64位，位，但目前操作系统大多是但目前操作系统大多是32位的，很多时候，在位的，很多时候，在32位软件系统中位软件系统中64位字长的位字长的CPU只能当只能当32位用。位用。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述2023/9/10371.3 计算机的性能指标计算机的性能指标1.3.2 运算速度运算速度CPU的的主频主频(f)，即，即CPU内部的工作频率，表示在内部的工作频率

50、，表示在CPU内内数数字脉冲信号震荡的速度，与字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没有直接实际的运算能力并没有直接关系，但与关系，但与CPU实际的运算速度存在一定的关系。主频仅是实际的运算速度存在一定的关系。主频仅是CPU性能表现的一个方面，不能代表性能表现的一个方面，不能代表CPU整体性能。整体性能。除了除了CPU主频之外，还有一种工作频率，称为外部工作频率，主频之外，还有一种工作频率，称为外部工作频率，简称简称外频外频。它是由。它是由主板为主板为CPU提供的提供的基准时钟频率，它表示基准时钟频率，它表示的是系统总线的工作频率；而倍频则是指的是系统总线的工作频率；而倍频则是指CPU