計算機系統(tǒng)概論講義課件

1、第一章 計算機系統(tǒng)概論1.1 計算機的分類和應(yīng)用1.2 計算機發(fā)展簡史1.3 計算機的硬件1.4 計算機的軟件1.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.6 計算機的性能指標(biāo)計算機系統(tǒng)簡介由具有各類特殊功能的信息（程序）組成計算機系統(tǒng)計算機的實體如主機、外設(shè)等硬件軟件1.1計算機的分類和應(yīng)用一、電子計算機從總體上來說分為兩大類。電子模擬計算機?！澳M”就是相似的意思。模擬計算機的特點是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算過程也是連續(xù)的。電子數(shù)字計算機，它是在算盤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是用數(shù)目字來表示數(shù)量的大小。數(shù)字計算機的主要特點是按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算。1.1計算機的分類和應(yīng)用1.1計算機的分類和應(yīng)用二、數(shù)字

2、計算機分類 數(shù)字計算機根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應(yīng)性來劃分，可以劃分為兩類：專用計算機：專用機是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但是它的適應(yīng)性很差。通用計算機：通用計算機適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。1.1計算機的分類和應(yīng)用三、通用計算機分類 通用計算機根據(jù)體積、簡易性、功率損耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機器價格等可以分為：超級計算機大型機服務(wù)器工作站微型機單片機雙核2022/7/29程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計算機體系結(jié)構(gòu)計算機組成實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性有無乘法指令如何實現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、

3、I/O機理）（具體指令的實現(xiàn)）計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成四、計算機的應(yīng)用科學(xué)計算自動控制測量和測試信息處理教育和衛(wèi)生家用電器人工智能1.1計算機的分類和應(yīng)用1.2計算機發(fā)展簡史一、計算機的五代變化第一代為19461957年，電子管計算機：數(shù)據(jù)處理第二代為19581964年，晶體管計算機：工業(yè)控制第三代為19651971年，中小規(guī)模集成電路計算機：小型計算機第四代為19721990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機：微型計算機第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計算機：單片機1.2計算機發(fā)展簡史二、半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展20世紀(jì)5060年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán)1970年，仙童半

4、導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半導(dǎo)體存儲器從1970年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。其中1K=210,1M=220,1G=2301.2計算機發(fā)展簡史三、微處理器的發(fā)展1971年Intel公司開發(fā)出Intel 4004。這是第一個將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品，于是，微處理器誕生了。微處理器演變中的另一個主要進步是1972年出現(xiàn)的Intel 8008，這是第一個8位微處理器，它比4004復(fù)雜一倍。 1974年出現(xiàn)了Intel 8080。這是第一個通用微處理器，而4004和80

5、08是為特殊用途而設(shè)計的。8080是為通用微機而設(shè)計的中央處理器。20世紀(jì)70年代末才出現(xiàn)強大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。這一發(fā)展趨勢中的另一階段是在1981年，貝爾實驗室和HP公司開發(fā)出了32位單片微處理器。Intel于1985年推出了32位微處理器Intel 80386。到現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器1.3計算機的硬件一、數(shù)字計算機基本組成控制器：人的大腦的操作控制功能運算器：人的大腦的計算功能存儲器：人的大腦記憶功能輸入設(shè)備：交互接口，筆輸出設(shè)備：交互接口，紙1.3計算機的硬件二、馮諾依曼型計算機 存儲程序按地址自動執(zhí)行 五大部件：包括控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備、

6、輸出設(shè)備以運算器為中心2022/7/29141.3計算機的硬件馮諾依曼型計算機存儲器輸出輸入運算器控制器數(shù)據(jù)信號控制信號地址信號算術(shù)運算邏輯運算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機器能識別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運行馮諾依曼計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備馮諾依曼計算機的特點1. 計算機由五大部件組成3. 指令和數(shù)據(jù)用二進制表示4. 指令由操作碼和地址碼組成6. 以運算器為中心2. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器 可按地址尋訪5. 存儲程序5. 存儲程序以存儲器為中心的計算機硬件框圖程序存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計算ALU主存輔存CPU主機I/O硬件CU

7、現(xiàn)代計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器輸出設(shè)備控制器ALUCPU主機I/OCU主存1.3計算機的硬件三、運算器算術(shù)運算和邏輯運算在計算機中參與運算的數(shù)是二進制的運算器的長度一般是8、16、32或64位2022/7/29 ACC MQ X運算器的基本組成及操作過程運算器MQACCALUX被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位運算器MQACCALUXACC 被加數(shù)ACC初態(tài) 加法操作過程ACC+XALUM XXACCACC指令 加M 減法操作過程運算器MQACCALUX指令 減MACC 被減數(shù)ACC初態(tài) M XXACC-XALUACCACC運算器MQAC

8、CALUXACCACC 被乘數(shù)初態(tài) ACCMQMMQ指令 乘M 乘法操作過程XACCX00ACCALUXMQACCMQACCMQ運算器MQACCALUXACC 被除數(shù)ACC初態(tài) ACCXALUMQACCMQ余數(shù)在ACC中指令 除MM XX 除法操作過程1.3計算機的硬件四、存儲器存儲數(shù)據(jù)和程序（指令）容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存存儲器單位：210 byte1K210 K1M210 M1G210 G1T存儲體大樓存儲單元 存放一串二進制代碼存儲字 存儲單元中二進制代碼的組合存儲字長 存儲單元中二進制代碼的位數(shù)每個存儲單元賦予一個地址號按地址尋訪 存儲單

9、元 存儲元件（0/1） 房間 座位（無人/ 有人）存儲器的基本組成主存儲器存儲體MARMDRMARMDR 存儲單元個數(shù) 16存儲字長 8 設(shè) MAR = 4 位 MDR = 8 位1.2存儲器地址寄存器反映存儲單元的個數(shù)存儲器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲字長存儲器的基本組成主存儲器存儲體MARMDR1.3計算機的硬件五、控制器指令和程序:指令的形式（操作和地址碼、存儲程序的概念、指令中程序和數(shù)據(jù)的存放、指令系統(tǒng)）指令和數(shù)據(jù)存儲取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCUPCIRCU取指執(zhí)行PC 存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址 具有計數(shù)功能（PC）+ 1 PCIR 存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存完成一條指令控制器的基本組成

10、1.3計算機的硬件六、控制器的基本任務(wù)控制器的基本任務(wù)：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。取指周期和執(zhí)行周期控制器完全可以區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字。一般來講，取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；而在執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器。1.3計算機的硬件七、適配器與I/O設(shè)備輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器設(shè)備所能接收和識別的信息形式適配器：它使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機進行聯(lián)系，以便使主機和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作總線：構(gòu)成計

11、算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路?？傊F(xiàn)代電子計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。這也是人們常說的計算機硬件。 建立數(shù)學(xué)模型 -+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin 編制解題程序 確定計算方法程序 運算的 全部步驟0, 1, 2,)()(21nyn xynx=+=指令 每 一個步驟計算機的解題步驟取x 至運算器中乘以x 在運算器中乘以a 在運算器中存ax2 在存儲器中取b 至運算器中乘以x 在運算器中加ax2 在運算器中加c 在運算器中= (ax + b)x + c 取x 至運算器中乘以a 在運算器中加b 在運算器中乘

12、以x 在運算器中加c 在運算器中計算 ax2 + bx + c編程舉例000001 0000001000打印 停機取數(shù) ACC存數(shù) ACC 加 ACC+ ACC乘 ACC ACC指令格式舉例操作碼地址碼 打印機指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址 指令 注釋操作碼 地址碼 00000010000001000取數(shù)x至ACC 10001000000001001乘a得ax存于ACC中 20000110000001010加b得ax+b,存于ACC中 30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中 40000110000001011加c得ax2 + bx + c,存于ACC 5000010

13、0000001100將ax2 + bx + c存于主存單元 60001010000001100打印 7000110停機 8 x原始數(shù)據(jù)x 9 a原始數(shù)據(jù)a 10 b原始數(shù)據(jù)b 11 c原始數(shù)據(jù)c 12存放結(jié)果1.2計算 ax2 + bx + c 程序清單ax2 + bx + c 程序的運行過程 將程序通過輸入設(shè)備送至計算機 程序首地址 打印結(jié)果 分析指令 取指令 停機 啟動程序運行,(PC )+ 1 PC 執(zhí)行指令 MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC12356789以取數(shù)指令為例4主機完成一條指令的過程CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制

14、器IR運算器MQACCALUXI/O12356798以存數(shù)指令為例4CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR運算器MQACCALUXI/O主機完成一條指令的過程1.4計算機的軟件一、軟件的組成與分類計算機軟件相對計算機硬件來說是看不見，是計算機系統(tǒng)中不可少的無形部件。主要有兩大類：系統(tǒng)軟件：用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途。它包括以下四類：各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯程序、練習(xí)程序等語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序，如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程

15、序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學(xué)計算程序等1.4計算機的軟件二、軟件的發(fā)展演變編程語言的發(fā)展手編程序：機器語言程序，手工編譯二進制碼匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編高級程序：算法語言/高級語言，機器編譯程序/解釋程序系統(tǒng)軟件的發(fā)展操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)軟件按任務(wù)需要編制成的各種程序用來管理整個計算機系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件語言處理程序操作系統(tǒng)服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件軟件1.1應(yīng)用程序用層次的觀點看到的計算機軟件開發(fā)工具用戶操作系統(tǒng)硬件1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一、多級計算機系統(tǒng) 計算機不能簡單地認(rèn)為是一種電子設(shè)備，而是一個十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體。它通常由五個以

16、上不同的級組成，每一級都能進行程序設(shè)計，如圖所示。1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、五級計算機層次系統(tǒng)第一級是微程序設(shè)計級。這是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級上運行應(yīng)用程序。第二級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。這一級也是硬件級。第三級是操作系統(tǒng)級，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第四級是匯編語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。如

17、果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫時，則機器必須要有這一級的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。第五級是高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)三、軟件與硬件邏輯等價性隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)的軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因為任何操作可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。任何操作可以由軟件來實現(xiàn)也可以有硬件來實現(xiàn)（設(shè)計計算機系統(tǒng)時，應(yīng)考慮各個方面的因素：價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期）實體硬件機功能的擴大固件

18、的概念（功能上是軟件，形態(tài)上是硬件）1.6 計算機的性能指標(biāo)1.6 .1計算機的性能指標(biāo): 1、吞吐量表征一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）。2、響應(yīng)時間表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時間度量，用時間單位來度量，例如微秒（10-6S）、納秒（10-9S）。3、利用率表示在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，一般用百分比表示。4、處理機字長指處理機運算器中一次能夠完成二進制數(shù)運算的位數(shù)。當(dāng)前處理機的字長有8位、16位、32位、64位。字長越長，表示計算的精度越高。1.6 計算機的性能指標(biāo)5、總線寬度一般指CPU中運算器與存儲器之間進行互連的內(nèi)部

19、總線二進制位數(shù)。6、存儲器容量存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1個字節(jié)）。存儲器容量越大，記憶的二進制數(shù)越多。7、存儲器帶寬存儲器的速度指標(biāo)，單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。8、主頻/時鐘周期CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機為60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz 1.6 計算機的性能指標(biāo)主頻的倒數(shù)稱為CPU時鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。9、CPU執(zhí)行時間表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間，可用下式計算： CPU執(zhí)行時間 CPU時鐘周期數(shù) CPU時鐘周期長 10、CPI表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。用下式計算：C