計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(第4版)chp1課件

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(第4版)chp1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(第4版)chp11.1計(jì)算機(jī)的分類一、電子計(jì)算機(jī)從總體上來(lái)說(shuō)分為兩大類。電子模擬計(jì)算機(jī)?！澳M”就是相似的意思。模擬計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是數(shù)值由連續(xù)量來(lái)表示，運(yùn)算過(guò)程也是連續(xù)的。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，它是在算盤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是用數(shù)目字來(lái)表示數(shù)量的大小。數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是按位運(yùn)算，并且不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算。9/10/202221.1計(jì)算機(jī)的分類一、電子計(jì)算機(jī)從總體上來(lái)說(shuō)分為兩大類。9/1.1計(jì)算機(jī)的分類數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0/1電壓計(jì)算方式數(shù)字計(jì)數(shù)電壓組合和測(cè)量值控制方式程序控制盤上連線精度高低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大小邏輯判斷能力強(qiáng)無(wú)數(shù)字計(jì)算機(jī)與模擬計(jì)算機(jī)的

2、主要區(qū)別9/10/202231.1計(jì)算機(jī)的分類數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0/11.1計(jì)算機(jī)的分類二、數(shù)字計(jì)算機(jī)分類 數(shù)字計(jì)算機(jī)根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來(lái)劃分，可以劃分為兩類：專用計(jì)算機(jī)：專用機(jī)是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，但是它的適應(yīng)性很差。通用計(jì)算機(jī)：通用計(jì)算機(jī)適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。9/10/202241.1計(jì)算機(jī)的分類二、數(shù)字計(jì)算機(jī)分類 9/31.1計(jì)算機(jī)的分類三、通用計(jì)算機(jī)分類 通用計(jì)算機(jī)根據(jù)體積、簡(jiǎn)易性、功率損耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機(jī)器價(jià)格等可以分為：超級(jí)計(jì)算機(jī)大型機(jī)服務(wù)器工作站微型機(jī)單片機(jī)9/10/202

3、251.1計(jì)算機(jī)的分類三、通用計(jì)算機(jī)分類 9/1.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史一、計(jì)算機(jī)的五代變化第一代為19461957年，電子管計(jì)算機(jī)：數(shù)據(jù)處理第二代為19581964年，晶體管計(jì)算機(jī)：工業(yè)控制第三代為19651971年，中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：小型計(jì)算機(jī)第四代為19721990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：微型計(jì)算機(jī)第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)9/10/202261.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史一、計(jì)算機(jī)的五代變化9/3/20228計(jì)算機(jī)的發(fā)展是伴隨著微電子器件的發(fā)展而發(fā)展的。集成電路芯片 (Integrated Circuits) （1959年）按晶體管集成度SSI(小規(guī)模集成

4、電路) 100個(gè)以下MSI(中規(guī)模集成電路) 1003000LSI(大規(guī)模集成電路) 30003萬(wàn)VLSI(超大規(guī)模集成電路) 10萬(wàn)1億ULSI(甚大規(guī)模集成電路) 1億以上9/10/20227計(jì)算機(jī)的發(fā)展是伴隨著微電子器件的發(fā)展而發(fā)展的。9/3/2021.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史二、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展20世紀(jì)5060年代，所有計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器都是由微小的鐵磁體環(huán)1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個(gè)較大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器從1970年起，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器經(jīng)歷了11代：?jiǎn)蝹€(gè)芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。其中1K=210,1M=220,

5、1G=2309/10/202281.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史二、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展9/3/202211.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)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(gè)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(gè)主要進(jìn)步是1972年出現(xiàn)的Intel 8008，這是第一個(gè)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(gè)通用微處理器，而4004和8008是為特殊用途而設(shè)計(jì)的。8080是為通用微機(jī)而設(shè)計(jì)的中央處理器。20世紀(jì)70年代末才出現(xiàn)強(qiáng)大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。這一發(fā)展

6、趨勢(shì)中的另一階段是在1981年，貝爾實(shí)驗(yàn)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9/10/202291.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史三、微處理器的發(fā)展9/3/2022112.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)吞吐量表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）。響應(yīng)時(shí)間表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間度量，用時(shí)間單位來(lái)度量，例如微秒（10-6S）、納秒（10-9S）。利用率表示在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占的比率，一般用百分比表示。處理機(jī)字長(zhǎng)指處理機(jī)運(yùn)算器中一次能夠完成二進(jìn)制數(shù)

7、運(yùn)算的位數(shù)。當(dāng)前處理機(jī)的字長(zhǎng)有8位、16位、32位、64位。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，表示計(jì)算的精度越高。9/10/2022102.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)吞吐量表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)在某一2.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)總線寬度一般指CPU中運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行互連的內(nèi)部總線二進(jìn)制位數(shù)。存儲(chǔ)器容量存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來(lái)表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1個(gè)字節(jié)）。存儲(chǔ)器容量越大，記憶的二進(jìn)制數(shù)越多。存儲(chǔ)器帶寬存儲(chǔ)器的速度指標(biāo)，單位時(shí)間內(nèi)從存儲(chǔ)器讀出的二進(jìn)制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。主頻/時(shí)鐘周期CPU的工作節(jié)拍受主時(shí)鐘控制，主時(shí)鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的

8、時(shí)鐘，主時(shí)鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz、GHz。例如Pentium系列機(jī)為60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。主頻的倒數(shù)稱為CPU時(shí)鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。 9/10/2022112.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)總線寬度一般指CPU中運(yùn)算器與存2.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)CPU執(zhí)行時(shí)間表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時(shí)間，可用下式計(jì)算：CPU執(zhí)行時(shí)間 CPU時(shí)鐘周期數(shù) CPU時(shí)鐘周期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(shí)鐘周期數(shù)。用下式計(jì)算：CPI 執(zhí)行某段程序所需的CPU時(shí)鐘周期數(shù)該程序包含的指令條數(shù) MIPS表示每

9、秒百萬(wàn)條指令數(shù)。MFLOPS表示每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作次數(shù)，用下式計(jì)算：MIPS是單位時(shí)間內(nèi)的執(zhí)行指令數(shù)，所以MIPS值越高說(shuō)明機(jī)器速度越快。MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用來(lái)衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能，而不能體現(xiàn)機(jī)器的整體性能。9/10/2022122.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)CPU執(zhí)行時(shí)間表示CPU執(zhí)行一段1.3計(jì)算機(jī)的硬件一、硬件組成要素通過(guò)一個(gè)例子我們來(lái)了解數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要組成和工作原理。假設(shè)給一個(gè)算盤、一張帶有橫格的紙和一支筆，要求我們計(jì)算y=ax+b-c這樣一個(gè)題目。解題步驟和數(shù)據(jù)記錄在橫格紙上，請(qǐng)看過(guò)程。9/10/2022131.3計(jì)算機(jī)的硬件一、硬件組成要素9/3/202215手工

10、模仿計(jì)算機(jī)工作（1）9/10/202214手工模仿計(jì)算機(jī)工作（1）9/3/2022161.3計(jì)算機(jī)的硬件二、數(shù)字計(jì)算機(jī)基本組成控制器：人的大腦的操作控制功能運(yùn)算器：人的大腦的計(jì)算功能存儲(chǔ)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9/10/2022151.3計(jì)算機(jī)的硬件二、數(shù)字計(jì)算機(jī)基本組成9/3/202217計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的重要里程碑存儲(chǔ)程序概念的提出 1945，馮諾依曼（John Von Naumann）“存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)”(即諾依曼機(jī)）五大部件采用二進(jìn)制程序和原始數(shù)據(jù)先存入存儲(chǔ)器，然后再啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作。奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)9/10/202216計(jì)算機(jī)發(fā)展史

11、上的重要里程碑存儲(chǔ)程序概念的提出9/3/2022計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的重要里程碑18000個(gè)電子管總體積約90立方米重達(dá)30噸占地170平方米每秒5000次加法無(wú)程序存儲(chǔ)器第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)1946， ENIAC，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)，設(shè)計(jì)與制造人：莫契利、?？?。 設(shè)計(jì)目的：陸軍試炮場(chǎng)的彈道計(jì)算。9/10/202217計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的重要里程碑18000個(gè)電子管第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)1.3計(jì)算機(jī)的硬件馮諾依曼型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器輸出輸入運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)信號(hào)控制信號(hào)地址信號(hào)9/10/2022181.3計(jì)算機(jī)的硬件馮諾依曼型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器輸出輸入運(yùn)算器控制1.3 計(jì)算機(jī)的硬件19計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)9/10/202219

12、1.3 計(jì)算機(jī)的硬件21計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)9/3/202221.3計(jì)算機(jī)的硬件四、運(yùn)算器算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中參與運(yùn)算的數(shù)是二進(jìn)制的運(yùn)算器的長(zhǎng)度一般是8、16、32或64位運(yùn)算單元電路寄存器B累加器A9/10/2022201.3計(jì)算機(jī)的硬件四、運(yùn)算器運(yùn)算單元電路寄存器B累加器A9/1.3計(jì)算機(jī)的硬件五、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序（指令）容量（存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)單元地址、容量單位）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存存儲(chǔ)器單位：210 byte1K210 K1M210 M1G210 G1T9/10/2022211.3計(jì)算機(jī)的硬件五、存儲(chǔ)器9/3/202223完成y= ax+b-c的過(guò)程1、取數(shù)；1012、

13、乘法；0113、加法；0014、減法；0105、存數(shù)；1106、打??；1117、停止；000第一步：取數(shù)9單元中的a送入累加器A；第二步：完成ax第三步：完成ax+b9/10/202222完成y= ax+b-c的過(guò)程9/3/2022241.3計(jì)算機(jī)的硬件六、控制器指令和程序:指令的形式（操作和地址碼、存儲(chǔ)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(chǔ)演示計(jì)算機(jī)執(zhí)行模擬過(guò)程9/10/2022231.3計(jì)算機(jī)的硬件六、控制器演示計(jì)算機(jī)執(zhí)行模擬過(guò)程9/3/21.3計(jì)算機(jī)的硬件七、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

14、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(lái)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(yùn)算器。9/10/2022241.3計(jì)算機(jī)的硬件七、控制器的基本任務(wù)9/3/202226控制器的基本任務(wù)開始取指令執(zhí)行指令分析指令取指周期執(zhí)行周期控制器如何區(qū)分從內(nèi)存取出的是指令還是數(shù)據(jù)？從時(shí)間上看取指發(fā)生在取指周期，取數(shù)發(fā)生在執(zhí)行周期。從空間上看取指送向控制器，取數(shù)送向運(yùn)算器。9/10/202225控制器的基本任務(wù)開始取指令執(zhí)行指令分析指令取指周期執(zhí)行周期控1.3計(jì)算機(jī)的硬件八、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

15、式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式輸出設(shè)備：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器設(shè)備所能接收和識(shí)別的信息形式適配器：它使得被連接的外圍設(shè)備通過(guò)系統(tǒng)總線與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，以便使主機(jī)和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作總線：構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路?？傊?，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器、存儲(chǔ)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(shuō)的計(jì)算機(jī)硬件。9/10/2022261.3計(jì)算機(jī)的硬件八、適配器與I/O設(shè)備9/3/2022281.4計(jì)算機(jī)的軟件一、軟件的組成與分類計(jì)算機(jī)軟件相對(duì)計(jì)算機(jī)硬件來(lái)說(shuō)是看不見(jiàn)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可少的無(wú)形部件。主要有兩大類：系

16、統(tǒng)軟件：用來(lái)簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化使用方法，提高計(jì)算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)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(cuò)程序、練習(xí)程序等語(yǔ)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(kù)管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件：用戶利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決某些問(wèn)題而編制的程序，如工程設(shè)計(jì)程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動(dòng)控制程序、企業(yè)管理程序、情報(bào)檢索程序、科學(xué)計(jì)算程序等9/10/2022271.4計(jì)算機(jī)的軟件一、軟件的組成與分類9/3/2022291.4計(jì)算機(jī)的軟件二、軟件的發(fā)展演變編程語(yǔ)言的發(fā)展手編程序：機(jī)器語(yǔ)言程序，手工編譯二進(jìn)制碼匯編程序：符號(hào)語(yǔ)言程序，匯編程序匯編高級(jí)程序：算法語(yǔ)言/高級(jí)語(yǔ)言，機(jī)器編

17、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9/10/2022281.4計(jì)算機(jī)的軟件二、軟件的發(fā)展演變9/3/2022301.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一、多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是一種電子設(shè)備，而是一個(gè)十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體。它通常由五個(gè)以上不同的級(jí)組成，每一級(jí)都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。第3級(jí)（操作系統(tǒng)級(jí)）：由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。第4級(jí)（匯編語(yǔ)言級(jí)）：由匯編程序支持和執(zhí)行第5級(jí)（高級(jí)語(yǔ)言級(jí)）：由高級(jí)語(yǔ)言的翻譯程序支持和執(zhí)行。9/10/2022291.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一、多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)第3級(jí)（操作系統(tǒng)1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、五級(jí)計(jì)算機(jī)層次系統(tǒng)第一級(jí)是微程序設(shè)計(jì)級(jí)。這

18、是一個(gè)實(shí)在的硬件級(jí)，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個(gè)應(yīng)用程序直接用微指令來(lái)編寫，那么可在這一級(jí)上運(yùn)行應(yīng)用程序。第二級(jí)是一般機(jī)器級(jí)，也稱為機(jī)器語(yǔ)言級(jí)，它由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)。這一級(jí)也是硬件級(jí)。第三級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機(jī)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(jí)也稱為混合級(jí)。第四級(jí)是匯編語(yǔ)言級(jí)，它給程序人員提供一種符號(hào)形式語(yǔ)言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語(yǔ)言編寫時(shí)，則機(jī)器必須要有這一級(jí)的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語(yǔ)言編寫，則這一級(jí)可以不要。第五級(jí)是高級(jí)語(yǔ)言級(jí)，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(jí)由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序支持和執(zhí)行。9/10/2022301.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、五級(jí)計(jì)算機(jī)層次系統(tǒng)9/3/201.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)三、軟件與硬件邏輯等價(jià)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(shì)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因?yàn)槿魏尾僮骺梢杂绍浖?lái)實(shí)