《计算机系统概论》PPT课件.ppt

1,第一章 计算机系统概论,主要介绍计算机系统的基本组成、应用与发展,2,计算机的分类,计算机,电子模拟计算机,电子数字计算机,数值由连续量来表示,运算过程也是连续的 精度和解题能力有限，应用范围较小,数值由离散的数值信息表示 精度高，数据存储量大，逻辑判断能力强，应用广泛,专用计算机针对某一任务设计的计算机，效率高、速度快、最经济，但适应性很差,通用计算机,巨型机,大型机,中型机,小型机,微型机,单片机,适应性强，但牺牲了效率、速度和经济性,3,计算机的应用,科学计算 计算量大，数值变化范围大。应用计算机，不仅减轻了大量烦琐的计算机工作量，而且以往一些无法解决或无法精确解决的问题得到了圆满的解决。,4,计算机的应用,自动控制和测量 自动控制是将通过各种传感器获得的各种物理信号经转换为可测可控的数据信号后，再经计算机运算，根据偏差，驱动执行机构来调整，便可达到控制的目的。 减轻劳动强度，提高生产效率和加工精度。,5,计算机的应用,信息处理 处理文字、表格、图象、声音等各类问题。 电子商务利用Internet网络来完成机构与客户、供应商、业务伙伴和内部员工的交流，也可以是消费者、销售商和结算部门之间利用Internet完成商品的采购和支付收款的过程。 管理应用计算机的引入，使信息处理系统获得了强有力的存储和处理手段。,6,计算机的应用,教育和卫生 计算机辅助教学、网络学校、医疗设备、专家系统,人工智能 专门研究如何使用计算机来模拟人的智能的技术。 重要应用：专家系统、机器人、文字/语音识别、语言翻译,7,计算机的应用,虚拟现实 利用计算机生成的一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与环境直接交互的目的。 飞行员的仿真虚拟现实系统、汽车驾驶员的仿真虚拟现实系统,8,计算机的应用,多媒体技术 是计算机技术和视频、音频及通信等技术集成的产物，是用来实现人和计算机交互地对各种媒体（文字、图形、影象、音频、视频、动画等）的采集、传输、转换、编辑、存储、管理，并由计算机综合处理为文字、图形、动画、音响、影象等视听信息而有机合成的新媒体。,9,计算机的应用,家用电器,CAD/CAM/CIMS 降低产品设计的成本、缩短产品设计的周期、降低产品设计的风险、提高企业的市场竞争能力和应变能力。 Computer Aided Design computer Aided Manufacturing CIMS是英文Computer Integrated Manufacturing Systems或contemporary的缩写 计算机现代集成制造系统,10,计算机系统的组成,计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成。 硬件计算机的实体部分，由看得见摸得着的各种电子元器件、各类光、电、机设备的实物组成。如主机、外设等。 软件看不见摸不着，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成。 计算机性能的好坏，取决于“软”、“硬”件功能的总和。,11,数字计算机的硬件组成,完成各种算术、逻辑运算,控制器是计算机中发号施令的部件,它控制计算机的整个部件有条不紊地进行工作,用来存放各类信息。所有能在机内运行的程序和所需要的数据都要存放在存储器中。,适配器的作用相当于一个转换器,它可以保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息。,数字计算机的硬件组成,系统总线是构成计算机系统的骨架,是多个系统部件之间进行数据传送 的公共通路。,是把人们编制好的程序和数据送到计算机中去，并将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式,把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式送出计算机,13,以运算器为中心的硬件框图,输入、输出设备与存储器之间的数据传送都需要通过运算器。,14,典型的冯诺依曼计算机是以运算器为中心的，但为何现代的计算机已转化为已存储器为中心呢？主要是因为什么呢？,在微处理器问世之前，运算器和控制器是两个分离的功能部件，加上当时的存储器还是以磁芯存储器为主，计算机存储的信息量较少，因此早期冯诺依曼提出的计算机结构是以运算器为中心的，其他部件通过运算器完成信息的传递。 随着微电子技术的进步，人们成功地研制出了微处理器。微处理器将运算器和控制器两个主要功能部件合二为一，集成到一个芯片里。同时，随着半导体存储器代替磁芯存储器，存储容量成倍的扩大，加上需要计算机处理，加工的信息量与日俱增，以运算器为中心的结构已不能满足计算机发展的需求，甚至会影响计算机的性能。为适应发展的需要，现代计算机组织结构逐步转化为以存储器为中心的组织结构。但是现代计算机基本结构仍然遵循冯诺依曼思想,15,以存储器为中心的硬件框图,数据流,指令流,但是仍然以冯.洛伊曼结构为基本思想,16,计算机系统的组成,暂时存放操作数，并存放运算结果,17,计算机的软件,软件组成,系统软件,应用软件,操作系统或管理程序 汇编程序 高级语言的编译或解释程序 系统调试程序 数据库管理程序,使用者根据需要采用各种语言编写的各种应用程序，包括各种应用软件包,用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确保高效运行。,应用软件在系统软件支持下工作，系统软件在硬件支持下工作。机器语言级是软、硬件的接口,泛指各类程序和文件,18,硬件与软件的关系,硬件是计算机系统的物质基础，正是在硬件高度发展的基础上，才有软件赖以生存的空间和活动场所，没有硬件对软件的支持，软件的功能就无从谈起 同样，软件是计算机系统的灵魂，没有软件的硬件“裸机”将不能提供给用户使用，犹如一堆废铁 因此，硬件和软件是相辅相成的，不可分割的整体,硬、软件功能的分配不是一固定不变的,19,硬件与软件的关系,当前，计算机的硬件和软件正朝着互相渗透，互相融合的方向发展，在计算机系统中没有一条明确的硬件与软件的分界线 原来一些由硬件实现的功能可以改由软件模拟来实现。称为硬件软化，它可以增强系统的功能和适应性 原来由软件实现的功能可以改由硬件实现，称为软件硬化，它可以显著降低软件在时间上的开销 对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素,20,计算机系统的分级结构,现代计算机系统是一个硬件与软件组成的综合体，可以把它看成是按功能划分的多级层次结构 把计算机按功能划分成多级层次结构，有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件、硬件在计算机系统中的地位和作用,21,多级计算机,级0,硬件直接执行,微程序级,级1,解释,传统机器级,级2,部分解释（操作系统）,操作系统级,级3,翻译（汇编程序）,汇编语言级,级4,高级语言级,机器语言是各种高级语言，用编译程序翻译,机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序直接由硬件执行,用机器语言解释操作系统，管理传统机器中的软硬件,机器语言是汇编语言，用汇编程序翻译成机器语言程序,级5,硬操作时序,硬件组成的实体,机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序由微程序解释执行,翻译（编译程序）,应用语言级,面向问题的应用语言，使机器满足某种用途而专门设计,级6,翻译（应用软件包）,22,多级计算机,虚拟机器：以软件或以软件为主实现的机器 用户只需要通过该级的语言来了解和使用计算机，至于下级是如何工作和实现就不必关心了。可以不了解机器的具体组成，不必熟悉指令系统，直接用所指定的语言描述所要解决的问题,实际机器：由硬件实现的机器,级0,硬件直接执行,微程序级,级1,解释,传统机器级,级2,机器语言,操作系统级,级3,翻译（汇编程序）,汇编语言级,级4,高级语言级,级5,硬操作时序,翻译（编译程序）,应用语言级,级6,翻译（应用软件包）,23,计算机语言的发展,机器语言-硬件执行,发展,汇编语言,高级语言不依赖于指令系统,汇编语言机器指令助记符,24,计算机的工作过程,计算机的工作过程是程序执行的过程 程序由一系列机器指令构成，它是事先由程序员根据需要编写的 将编写好的程序经过输入设备顺序存放到主存储器中，并将其程序存放的首地址告诉控制器，于是控制器将从首地址开始从主存储器中取出一条指令，执行这条指令，再取出下条指令，执行下条指令。如此周而复始地工作一直到程序执行完毕，计算机便完成了该程序要求它完成的全部功能-将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作 “存储程序”概念。以此概念为基础的各类计算机统称为冯诺依曼机,25,计算机的工作过程,ALU,AC,20,AR,IR,DR,20,21,22,23,24,25,30,31,66,+1,21,30,31,66,66,66,66,66,0,Z”0”,PC,指令和数据统统放在内存中,从形式上看,它们都是二进制数码。一般来讲，在取指周期中从内存读出的信息是指令流,它流向控制器；而执行周期中从内存读出的信息流是数据流,它由内存流向运算器,26,冯诺依曼计算机的特点,1.计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。 2.指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。 3.指令和数据均用二进制数表示。 4.指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用于表示操作数在存储器中的位置。 5.指令在存储器中按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，特定情况下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。 6.机器以运算器为核心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。,27,计算机系统结构的过去和未来,按采用的电子器件的发展，计算机的发展大致经历了五代的变化：,1. 1946年开始的第一代电子管计算机: 计算机运算速度一般为每秒几千次至几万次,体积庞大,成本很高,可靠性较低,在此期间,形成了计算机的基本体系,确定了程序设计的基本方法,数据处理机开始得到应用。 2. 1958年开始的第二代晶体管计算机: 运算速度提高到几万次至几十万次,可靠性提高,体积缩小,成本降低，工业控制机开始得到应用。,28,计算机系统结构的过去和未来,3. 1965年开始的第三代中小规模集成电路计算机: 可靠性进一步提高,体积进一步缩小,成本进一步下降,运算速度提高到几十万次至几百万次。在此期间,形成机种多样化,生产系列化,使用系统化,小型计算机开始出现。,4. 1971年开始的第四代大规模集成电路计算机: 可靠性更进一步提高,体积更进一步缩小,成本更进一步降低,速度提高到每秒几百万次至几千万次。有几片大规模集成电路组成的微型机开始出现。,29,计算机系统结构的过去和未来,5. 1986年开始的第五代超大规模集成电路计算机: 运算速度提高到每妙几亿次至上百亿次。由一片巨大规模集成电路实现的单片机开始出现。,目前，计算机的发展正向着“两极”分化。 一极是微型计算机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展。 另一极是巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展，它是一个国家科技水平、经济实力、军事实力的象征。,30,计算机系统结构的发展趋势,将进入以通信为中心的体系结构。 计算机智能化将进一步发展,进入知识处理阶段。-从以数值计算为主过渡到知识推理为主 不仅用多处理机技术来实现并行计算机,而且会出现计算机的动态结构。-即所谓的模块化计算机系统结构 多媒体技术将有重大突破和发展。,随着社会需求的不断增长和微电子技术的不断发展，计算机系统结构仍在继续发展，其发展趋势为：,31,计算机系统的主要技术指标,机器字长,机器字长是指计算机能进行多少位二进制数的并行运算 实际上是指该计算机中的运算器有多少位，例如，某机器字长16位，表示该机中，每次能完成两个16位二进制数的运算 机器字长越长，运算精度越高，数的表示范围也越大 衡量机器字长的单位可用“位”（bit），一般用字节（Byte）,32,计算机系统的主要技术指标,数据通路宽度,数据总线一次所能并行传送信息的位数。即外部总线的宽度 它影响信息的传送能力，从而影响计算机的有效处理速度 外部数据总线的宽度与CPU内部的数据总统宽度有可能不同。有些CPU的内、外数据总线宽度相等，有些CPU的外部总线宽度小于内部，有些CPU的外部总线宽度大于内部,33,计算机系统的主要技术指标,运算速度,严格地讲，一台计算机的运算速度是每秒执行多少条指令 由于计算机内各类指令的执行时间是不同的，各类指令的使用频度也各不相同，于是采用“等效指令速度描述法” 等效指令执行时间 T=fiTi,各类指令的执行时间,各类指令的使用频度,等效运算速度V=1/T,计算机的运算速度与许多因素有关，如机器的主频、执行什么样的操作以及主存本身的速度等。对运算速度的衡量有不同的方法。,34,计算机系统的主要技术指标,V=1/(0.3200+0.2400+ 0.12500+0.2 300+0.2 250) 10-9 =2 106条/s=2MIPS 每秒钟能执行200万条指令,35,CPI、MIPS和MFLOPS,MIPS表示每秒执行多少百万条指令。对于一个给定的程序，MIPS定义为：,MFLOPS表示每秒执行多少百万次浮点运算。对于一个给定的程序，MFLOPS定义为：,CPI、MIPS、MFLOPS都用于衡量机器的运算速度,CPI表示每条指令执行所需的时钟数,3