計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論2學(xué)時(shí)剖析課件

2023/7/271第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計(jì)算機(jī)的分類1.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史1.3計(jì)算機(jī)的硬件1.4計(jì)算機(jī)的軟件1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2023/7/271第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計(jì)算機(jī)的分2023/7/2721.1計(jì)算機(jī)的分類一、電子計(jì)算機(jī)從總體上來說分為兩大類。電子模擬計(jì)算機(jī)。“模擬”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)量來表示，運(yùn)算過程也是連續(xù)的。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，它是在算盤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是用數(shù)目字來表示數(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)地跳動計(jì)算。2023/7/2721.1計(jì)算機(jī)的分類一、電子計(jì)算機(jī)從總體上2023/7/2731.1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)電壓組合和測量值控制方式程序控制盤上連線精度高低數(shù)據(jù)存儲量大小邏輯判斷能力強(qiáng)無數(shù)字計(jì)算機(jī)與模擬計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別2023/7/2731.1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)2023/7/2741.1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。2023/7/2741.1計(jì)算機(jī)的分類二、數(shù)字計(jì)算機(jī)分類2023/7/2751.1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(jī)器價(jià)格等可以分為：超級計(jì)算機(jī)大型機(jī)服務(wù)器工作站微型機(jī)單片機(jī)2023/7/2751.1計(jì)算機(jī)的分類三、通用計(jì)算機(jī)分類2023/7/2761.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史一、計(jì)算機(jī)的五代變化第一代為1946—1957年，電子管計(jì)算機(jī)：數(shù)據(jù)處理第二代為1958—1964年，晶體管計(jì)算機(jī)：工業(yè)控制第三代為1965—1971年，中小規(guī)模集成電路(SSIC,MSIC)計(jì)算機(jī)：小型計(jì)算機(jī)第四代為1972—1990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路(LSIC,VLSIC)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(GSIC)計(jì)算機(jī)：單片機(jī)2023/7/2761.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史一、計(jì)算機(jī)的五代變化電子管，是一種最早期的電信號放大器件。被封閉在玻璃容器（一般為玻璃管）中的陰極電子發(fā)射部分、控制柵極、加速柵極、陽極（屏極）引線被焊在管坐上。利用電場對真空中的控制柵極注入電子調(diào)制信號，并在陽極獲得對信號放大或反饋振蕩后的不同參數(shù)信號數(shù)據(jù)。早期應(yīng)用于電視機(jī)、收音機(jī)擴(kuò)音機(jī)等電子產(chǎn)品中，近年來逐漸被半導(dǎo)體材料制作的放大器和集成電路取代，但目前在一些高保真的音響器材中，仍然使用低噪聲、穩(wěn)定系數(shù)高的電子管作為音頻功率放大器件。2023/7/277電子管，是一種最早期的電信號放大器件。被封閉在玻璃容器（一般晶體管（transistor）是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關(guān)，基于輸入的電壓，控制流出的電流，因此晶體管可做為電流的開關(guān)，和一般機(jī)械開關(guān)（如Relay、switch）不同處在于晶體管是利用電訊號來控制，而且開關(guān)速度可以非常之快，在實(shí)驗(yàn)室中的切換速度可達(dá)100GHz以上。2023/7/278晶體管（transistor）是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于集成電路（integratedcircuit）是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)；其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。它在電路中用字母“IC”表示。集成電路發(fā)明者為杰克·基爾比（基于鍺的集成電路）和羅伯特·諾伊思（基于硅的集成電路）。當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)大多數(shù)應(yīng)用的是基于硅的集成電路。2023/7/279集成電路（integratedcircuit）是一種微型電2023/7/27101.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史二、半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展20世紀(jì)50～60年代，所有計(jì)算機(jī)存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán)(磁芯)做成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)體存儲器從1970年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了11代：單個(gè)芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。其中1K=210,1M=220,1G=2302023/7/27101.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史二、半導(dǎo)體存儲器的2023/7/27111.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史三、微處理器的發(fā)展1971年Intel公司開發(fā)出Intel4004。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Intel8008，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Intel8080。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)展趨勢中的另一階段是在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Intel80386。到現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器微處理器博物館/CPU/4004.html2023/7/27111.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史三、微處理器的發(fā)展2023/7/27122023/7/27122023/7/27132023/7/27132023/7/27142023/7/27142023/7/27152023/7/27152023/7/27161.3計(jì)算機(jī)的硬件一、硬件組成要素 通過一個(gè)例子我們來了解數(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，請看過程。2023/7/27161.3計(jì)算機(jī)的硬件一、硬件組成要素2023/7/2717手工模仿計(jì)算機(jī)工作（1）2023/7/2717手工模仿計(jì)算機(jī)工作（1）2023/7/27181.3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2023/7/27181.3計(jì)算機(jī)的硬件二、數(shù)字計(jì)算機(jī)基本組2023/7/27191.3計(jì)算機(jī)的硬件三、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)算器的長度一般是8、16、32或64位2023/7/27191.3計(jì)算機(jī)的硬件三、運(yùn)算器2023/7/27201.3計(jì)算機(jī)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：210byte＝1K210K＝1M210M＝1G210G＝1T2023/7/27201.3計(jì)算機(jī)的硬件四、存儲器2023/7/27211.3計(jì)算機(jī)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2023/7/27211.3計(jì)算機(jī)的硬件五、控制器2023/7/27221.3計(jì)算機(jī)的硬件六、馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)

存儲程序按地址自動執(zhí)行五大部件：包括控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以運(yùn)算器為中心2023/7/27221.3計(jì)算機(jī)的硬件六、馮·諾依曼型計(jì)算2023/7/27231.3計(jì)算機(jī)的硬件馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)存儲器輸出輸入運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)信號控制信號地址信號2023/7/27231.3計(jì)算機(jī)的硬件馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)存2023/7/27241.3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(yùn)算器。2023/7/27241.3計(jì)算機(jī)的硬件七、控制器的基本任務(wù)2023/7/27251.3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式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識別的二進(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(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。 總之，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)是由運(yùn)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(jì)算機(jī)硬件。2023/7/27251.3計(jì)算機(jī)的硬件八、適配器與I/O設(shè)2023/7/27261.4計(jì)算機(jī)的軟件一、軟件的組成與分類 計(jì)算機(jī)軟件相對計(jì)算機(jī)硬件來說是看不見，是計(jì)算機(jī)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(jì)，簡化使用方法，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：①各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯程序、練習(xí)程序等②語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等③操作系統(tǒng)④數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件：用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題而編制的程序，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2023/7/27261.4計(jì)算機(jī)的軟件一、軟件的組成與分類2023/7/27271.4計(jì)算機(jī)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(jī)器語言程序，手工編譯二進(jìn)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(jī)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2023/7/27271.4計(jì)算機(jī)的軟件二、軟件的發(fā)展演變2023/7/27281.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一、多級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)不能簡單地認(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)以上不同的級組成，每一級都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，如圖所示。2023/7/27281.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一、多級計(jì)算2023/7/27291.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、五級計(jì)算機(jī)層次系統(tǒng)第一級是微程序設(shè)計(jì)級。這是一個(gè)實(shí)在的硬件級，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編寫，那么可在這一級上運(yùn)行應(yīng)用程序。第二級是一般機(jī)器級，也稱為機(jī)器語言級，它由微程序解釋機(jī)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(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，所以這一級也稱為混合級。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。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫時(shí)，則機(jī)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。2023/7/27291.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、五級計(jì)算2023/7/27301.5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，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韺?shí)現(xiàn)，也可以由硬件來實(shí)現(xiàn)；任何指令