计算机原理与操作系统.ppt

2013 3 计算机原理与操作系统 教学目的与要求 本课程包括计算机 微机 组成原理和操作系统 UNIX和LINUX 两大部分 通过本课程的学习 使大家了解计算机系统的组成 原理和内部运行机制 准确理解和掌握操作系统如何管理和控制计算机系统软 硬件资源等知识点 熟悉地球物理学中广泛使用的Unix和Linux操作系统 培养良好的程序设计思维和使用计算机的能力 为将来的地球物理软件的研制与应用奠定基础 课程的主要内容 计算机系统概述数制与码制计算机主机的工作原理8086指令系统和汇编语言程序设计计算机外围设备简介操作系统的基本原理 主要参考书 1 周佩玲16位微型计算机原理接口及其应用中国科学技术大学出版社20022 蒋本珊电子计算机组成原理 3版 北京理工大学出版社20043 白中荣计算机组成原理科学出版社20054 汤子瀛计算机操作系统西安电子科技大学出版社20025 程丽芳操作系统原理教程电子工业出版社20046 UNIX LINUX及网络相关教程7 计算机文化基础石油大学出版社2000 课程要求以课件内容为主重视练习授课内容有侧重考查方式闭卷考试卷面成绩70 平时成绩30 作业和上机 计算机 Computer 计算机是一种以电子器件为基础的 不需人的直接干预 能够对各种数字化信息 进行算术和逻辑运算的快速工具 第一章概论 计算机发展中的关键人物 维纳的现代计算机设计五原则 1940年 美国科学家维纳阐述了自己对现代计算机的五点设计原则 数字式而不是模拟式 以电子元件构成并尽量减少机械装置 采用二进制而不是十进制 内部存放计算表 内部存储数据 维纳在1948年完成了著作 控制论 这不仅使维纳成为控制论的创始人 而且对计算机后来的发展和人工智能的研究产生了深刻的影响 现代电子计算机之父 1944 1945年间 美籍匈牙利科学家冯 诺伊曼 VonNeumann 在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点 并提出一个新机型EDVAC的设计方案 其中提到了两个设想 采用 二进制 和 存储程序 的通用电子计算机体系结构原理 确立了计算机的五个基本部件 I O设备 运算器 存储器和控制器 从而奠定了当代电子数字计算机体系结构的基础 也使冯 诺伊曼成为 现代电子计算机之父 现在的微型计算机就是采用这种结构 计算机开关电路1938年 信息论的创始人 美国科学家仙农发表论文 继电器和开关电路的符号分析 首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑电路 奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础 图林机 1936年 24岁的英国数学家图林发表著名论文 论可计算数及其在密码问题的应用 提出了 理想计算机 后人称之为 图林机 图林通过数学证明得出理论上存在 通用图林机 这为可计算性的概念提供了严格的数学定义 图林机成为现代通用数字计算机的数学模型 它证明通用数字计算机是可以制造出来的 1 科学计算在大型的系统工程中 往往需要大量的计算 比如天气预报 全国甚至全世界各个地域的温度 湿度 各个不同高度的大气数据 地域地理数据 反正是惊人的数据量集中到大型计算中心 进行大规模的数据运算 得出今后不同时期的天气概率 2 过程控制这里往往用在生产 军事领域 这样的计算机实时采集外界的数据 并且尽量快的加以处理 用事先定义好的应对方式加以响应和控制相关部件 比如化工生产当中的各个管道的压力 温度 流量必须在一定的范围内 这是各个探头实时采集以上数据 发现不对时立刻控制相关阀门加以处理 计算机的主要应用领域 3 信息处理计算机不仅能处理数值数据和字符信息 还能处理图形 图象 声音 动画等各种信息 在业务处理 情报处理 办公自动化 管理和决策方面 计算机都得到了广泛的应用 如管理信息系统 MIS 决策支持系统 DSS 等 4 计算机辅助设计 辅助制造和辅助教学计算机辅助设计 CAD 计算机辅助制造 CAM 计算机辅助教学 CAI 这些都是新兴的行业 利用计算机在这些传统领域的拓展 大大缩短了制造业的设计制造周期 5 人工智能 AI 用计算机代替人类的某些脑力劳动 1 1计算机的发展简史 一 第一代电子管计算机 1946 1957 1946年2月15日 世界上第一台通用数字电子计算机ENIAC研制成功 计算机ENIAC ElectronicNumericalIntegratorAndComputer 重达30吨 占地170m2 耗电140KW 用了18800多个电子管 据传ENIAC每次一开机 整个费城西区的电灯都为之黯然失色 另外 真空管的损耗率相当高 几乎每15分钟就可能烧掉一支真空管 操作人员须花15分钟以上的时间才能找出坏掉的管子 使用上极不方便 曾有人调侃道 只要那部机器可以连续运转五天 而没有一只真空管烧掉 发明人就要额手称庆了 ENIAC的开发经费几经追加 达到48万美元 相当于现在的1000万美元以上 埃克特 右 和莫克利 左 因共同研制成功ENIAC而名垂青史 总工程师埃克特当时年仅24岁 二 第二代晶体管计算机 1958 1964 这一时期主要采用晶体管作为基本器件 因而缩小了体积 降低了功耗 提高了速度和可靠性 晶体管与电子管的比较 1959 1964 晶体管造就第二代计算机 晶体管 肖克莱 左 巴丁 中 布拉顿 右 于1956年共同获得诺贝尔物理学奖 第二代计算机TRADIC 美国贝尔实验室于1954年研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机TRADIC 装有800只晶体管 仅100瓦功率 占地也只有3立方英尺 相比采用定点运算的第一代计算机 第二代计算机普遍增加了浮点运算 计算能力实现了一次飞跃 IBM7090晶体管电脑 第二代电子计算机的典型代表 三 集成电路计算机 1964 1972 1958年 美国物理学家基尔比和诺伊斯同时发明集成电路 1969年 法庭判决基尔比 左 和诺伊斯 右 为集成电路的共同发明人 他们都因此成为微电子学创始人并获得巴伦坦奖章 IBMS 360 S 360极强的通用性适用于各方面的用户 它具有 360度 全方位的特点 并因此得名 开发S 360被称为 世纪豪赌 IBM为此投入了50亿美元的研发费用 远远超过制造原子弹的 曼哈顿计划 的20亿美元 四 大规模或超大规模集成电路计算机 1972 出现集成电路后 唯一的发展方向是扩大规模 大规模集成电路 LSI 可以在一个芯片上容纳几百个元件 到了80年代 超大规模集成电路 VLSI 在芯片上容纳了几十万个元件 后来的ULSI将数字扩充到百万级 台式PC微机 笔记本电脑 格鲁夫 诺依斯和摩尔 Intel公司成立于1968年 Intel这个字是由 集成 电子 IntegratedElectronics 两个英文单词组合成的 象征新公司将在集成电路市场上飞黄腾达 1 2微处理器和微型计算机的发展 冯 诺依曼结构计算机的五大部件中 存储器又分为内存储器和外存储器 外存储器和输入设备 输出设备统称为外围设备 运算器和控制器合称主机 这两部分又称中央处理器 CPU CentralProcessingUnit 将主机集成为一块芯片就是微处理器 p Microprocessor 又称微处理机 一 微处理器 微型计算机和微型计算机系统 一 定义微处理器 p Microprocessor 是指由一片或几片大规模集成电路组成的中央处理器 微型计算机 c Microcomputer 是指以微处理器为基础 配以内存储器以及输入 输出 I O 接口和相应的辅助电路而构成的裸机 微型计算机系统 cs MicrocomputerSystem 是指由微型计算机配以相应的外围设备及其它专用电路 电源 面板 机架及足够的软件而构成的系统 三者间的关系如下 1 第一代4位和低档8位微处理器 1972 1974 Intel4004 Intel80082 第二代中档8位微处理 1974 1978 Intel8080 MotorolaM6800 Zilogz803 第三代16位微处理器 1978 1981 Intel8086 8088 MotorolaM68000 Zilogz80004 第四代32位微处理器 1981 2001 Intel80486PentiumI IV6 第五代64位微处理器 2001 微处理器发展历史 微处理器飞速发展 80386 80486 奔腾 奔腾2代 奔腾4代 80286 8086 奔腾3代 IA 64 安腾 4004 1971年 1978年 1983年 1985年 1989年 1993年 1997年 1999年 2000年 Moore 摩尔 定律 微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番 双核 2006年 2001年 摩尔定律 摩尔预言 晶体管的密度每过18个月就会翻一番 这就是著名的摩尔定律 这个趋势一直延续至今 在26年的时间里 芯片上的晶体管数量增加了3200多倍 从1971年推出的第一款4004的2300个增加到奔腾 II处理器的750万个 1971 微处理器时代的开端 1971年1月 Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel4004 标志着第一代微处理器问世 微处理器和微机时代从此开始 因发明微处理器 霍夫被英国 经济学家 杂志列为 二战以来最有影响力的7位科学家 之一 4004的样子很像小虫子 4004的集成度只有2300个晶体管 功能其实比较弱 且计算速度较慢 以致只能用在Busicom计算器上 更不用说进行复杂的数学计算了 不过比起第一台电子计算机ENIAC来说 它已经轻巧太多太多了 而且最大的历史意义是 它是第一个通用型处理器 1972年4月 霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel8008 I 1973年8月 霍夫等人研制出8位微处理器Intel8080 主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍 可存取64KB存储器 使用了基于6微米技术的6000个晶体管 处理速度为0 64MIPS 8086 1978年6月 Intel推出4 77MHz的8086微处理器 标志着第三代微处理器问世 它采用16位寄存器 16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管 售价360美元 8088 IBMPC的御用之选 1979年 Intel推出4 77MHz的准16位微处理器8088 它在内部以16位运行 但支持8位数据总线 采用现有的8位设备控制芯片 包含29000个3微米技术的晶体管 可访问1MB内存地址 速度为0 33MIPS 第一台IBMPC 早在1980年7月 一个负责 跳棋计划 的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心 开始开发后来被称为IBMPC的产品 一年后的8月12日 IBM公司在纽约宣布第一台IBMPC诞生 第一台IBMPC采用了主频为4 77MHz的Intel8088 操作系统是Microsoft提供的MS DOS IBM将其命名为 个人电脑 PersonalComputer 不久 个人电脑 的缩写 PC 成为所有个人电脑的代名词 PC之父 IBM微电脑技术总设计师埃斯特利奇 DonEstridge 负责整个跳棋计划的执行 他的天才和辛勤工作直接导致了IBMPC的成功 并被后人尊称为 PC之父 不幸的是 4年后 PC之父 因乘坐的班机遭台风袭击而英年早逝 没能够亲眼目睹他所开创的巨大辉煌 Intel80286 1983年 Intel推出6MHz的Intel80286微处理器 采用16位数据总线 它提供了保护模式操作功能 最初的批发价为360美元 80386进入了32位元的世代 1985年10月 Intel推出16MHz80386DX微处理器 Intel486 1988 Pentium 586 Intel于1993年3月推出奔腾 Pentium 处理器 PentiumMMX 支持多媒体技术的奔腾 PentiumMMX是英特尔在Pentium内核基础上改进 最大的特点是增加了57条MMX指令 这些指令专门用来处理音视频相关的计算 目的是提高CPU处理多媒体数据的效率 PentiumPro 面向工作站的处理器 1995年11月1日 Intel推出PentiumPro微处理器 采用了一种新的总线接口Socket8 新的处理器对多媒体功能提供了很好的支持 PentiumII 芯片封装有着巨大的改变 PentiumII首次引入了S E C封装 SingleEdgeContact 技术 将高速缓存与处理器整合在一块PCB板上 1999年1月 Intel推出奔腾III处理器 其身份代码可通过Internet读取 2000年英特尔发布了Pentium4处理器 用户使用基于Pentium4处理器的个人电脑 可以创建专业品质的影片 透过因特网传递电视品质的影像 实时进行语音 影像通讯 实时3D渲染 快速进行MP3编码解码运算 在连接因特网时运行多个多媒体软件 这是目前空前强大的个人电脑处理器产品 仍然在继续销售中 微处理机时代 Intel公司和HP公司在2001年共同开发的64位处理器Itanium 安腾 处理器2003年4月AMD公司推出首款64位处理器 这是一款采用x86兼容架构的64位CPU 它最大的特点就是在支持64位数据寻址的同时 向下兼容32位数据寻址 妥善解决了CPU从32位到64位的过渡和兼容问题 从而掀起了桌面处理器从32位向64位过渡的技术革命 微处理机时代 2004年3月 Intel也发布了其首款64位Xeon处理器 它采用EM64T IntelExtendedMemory64Technology 技术 同时支持32位和64位运算 在运行64位程序时采用64位工作方式 而在处理32位运算时依然是IA32 即x86 工作结构 这实际上也一起被称为x86 64架构 微处理机时代 2006年5月 英特尔 酷睿 2双核处理器品牌隆重推出全新处理器可实现高达40 的性能提升 其能效比最出色的英特尔 奔腾 处理器高出40 英特尔 酷睿 2双核处理器包含2 91亿个晶体管 微处理机时代 在2007年的9月6日 Intel发布代号为 Tigerton 的7300系列四核心处理器 Tigerton是一款面向4路及以上服务器的四核服务器处理器 构成拥有16个核心的服务器 Tigerton将意味着双独立总线架构的终结 它将使用专用连接 连接内核和芯片组 INTEL宣布 在2008年9月14日推出业界首款六核心服务器处理器Dunnington 型号分别是XeonX7450 2 40GHz和XeonX7460 2 66GHz 以及2 13GHz低压版XeonL7455 热设计功耗分别为130W 90W以及65W 前端总线均为1066MHz DunningtonXeon基于45nmPenryn核心 兼容TigertonXeon7300系列 这三款服务器处理器均采用45nm制程工艺 其中XeonX7460内建16MBL3共享缓存 XeonL7455和XeonE7450内建12MBL3共享缓存 龙芯处理器 通用微处理器 RISCCPU 兼容MIPS指令龙芯系列微处理器介绍 1 2001年5月 在中科院计算所知识创新工程的支持下 龙芯课题组正式成立 2 2001年8月19日 龙芯1号设计与验证系统成功启动Linux操作系统 10月10日通过由中国科学院组织的鉴定 3 2002年8月10日 首片龙芯1号芯片X1A50流片成功 4 2002年9月22日龙芯1号通过由中国科学院组织的鉴定 9月28日举行龙芯1号发布会 人大常委会副委员长路甬祥 全国政协副主席周光召参加了龙芯1号发布会 5 2003年10月17日 龙芯2号首片MZD110流片成功 6 2004年1月 龙芯技术服务中心前身龙芯实验室成立 7 2004年9月28日 经过多次改进后的龙芯2C芯片DXP100流片成功 8 2004年11月 国务院总理温家宝视察中科院计算所听取龙芯研发情况汇报 9 2005年2月 国家主席胡锦涛等党和国家领导人在参观中科院建院55周年展览时参观了龙芯处理器展览 国产通用处理器 龙芯处理器系列 10 2005年1月31日举行了由中国科学院组织的龙芯2号鉴定会 2005年4月18日在人民大会堂召开了由科技部 中科院和信息产业部联合举办的龙芯2号发布会 人大常委会副委员长顾秀莲参加了龙芯2号发布会 11 2005年5月 龙芯课题组派出骨干成员赴江苏参与组建龙芯产业化基地 龙梦科技前身 12 2006年3月18日 龙芯2号增强型处理器CZ70流片成功 9月13日通过科技部组织的鉴定 徐冠华部长亲临鉴定会现场 13 2006年10月 中法两国在北京签署了关于中国科学院与意法半导体公司合作研发龙芯多核处理器的框架协议 中国国家主席胡锦涛与法国总统希拉克共同出席了协议的签字仪式 14 2007年3月28日 中国科学院计算所与意法半导体公司 ST 在北京人民大会堂召开龙芯处理器技术合作及产品发布会 全国人大常委会副委员长许嘉璐 信息产业部副部长娄勤俭 中国科学院秘书长李志刚参加了会议 龙芯系列微处理器介 1 龙芯处理器主要包括三个系列 2 龙芯1号处理器及其IP系列主要面向嵌入式应用 龙芯2号超标量处理器及其IP系列主要面向桌面应用 龙芯3号多核处理器系列主要面向服务器和高性能机应用 3 根据应用的需要 其中部分龙芯2号也可以面向部分高端嵌入式应用 部分低端龙芯3号也可以面向部分桌面应用 以后上述三个系列将并行发展 4 龙芯系列处理器通过充分开发指令级并行性 数据级并行性 以及线程级并行性来提高性能 其中龙芯1号系列微处理器实现了带有静态分支预测和阻塞Cache的单发射的乱序执行流水线 龙芯2号系列微处理器实现了带有动态分支预测和非阻塞Cache的超标量四发射乱序执行流水线 龙芯2号系列微处理器还使用浮点数据通路复用技术实现了定点的单指令流多数据流指令 下一代的龙芯3号系列微处理器将实现片内多核技术 龙芯1号处理器 龙芯一号CPU采用0 18umCMOS工艺制造 具有良好的低功耗性 平均功耗0 5瓦特 在片内提供了一种特别设计的硬件机制 可以抗御缓冲区溢出类攻击 在硬件上根本抵制了缓冲溢出类攻击危险 从而大大增加了服务器的安全性 基于龙芯CPU的网络安全设备可以满足国家政府部门 企业机关对于网络与信息系统安全的需求 龙芯一号32位微处理器性能参数 龙芯2号处理器芯片 龙芯2号采用180nm的CMOS工艺制造 片上集成了1350万个晶体管 硅片面积6 2毫米 6 7毫米 最高频率为500MHz 功耗为3 5瓦 龙芯2号实现了先进的四发射超标量超流水结构 片内一级指令和数据高速缓存各64KB 片外二级高速缓存最多可达8MB 龙芯2号的SPECCPU2000标准测试程序的实测性能是龙芯1号的8 10倍 是1 3GHz的威盛处理器的2倍 已达到相当于Pentium3的水平 基于龙芯2号的Linux PC系统可以满足绝大多数的桌面应用 龙芯2号增强型处理器芯片 龙芯2E 龙芯2E是一款实现64位MIPS 指令集的通用RISC处理器 采用90nm的CMOS工艺 布线层为七层铜金属 芯片晶体管数目为4700万 芯片面积6 8mm 5 2mm 最高工作频率为1GHz 典型工作频率为800MHz 实测功耗5 7瓦 龙芯2E具有片上128KB一级缓存 512KB二级缓存 单精度峰值浮点运算速度为80亿次 秒 双精度浮点运算速度为40亿次 秒 在1GHz主频下SPECCPU2000的实测分值达到500分 综合性能已经达到高端Pentium 以及中低端Pentium4处理器的水平 龙芯2F 龙芯2F是基于龙芯2E处理器的改进版本 于2007年研制成功 龙芯2F在龙芯2E的基础上提高了I O性能和内存访问带宽 增加了通过软件调节工作频率的机制 并且兼容MIPS64标准 龙芯2F集成了高性能龙芯2号CPU核 DDR2内存控制器 PCI PCI X接口 Localbus 中断控制器以及视频加速部件 龙芯2F采用CMOS90纳米标准工艺生产 龙芯2F的具体特性如下 64位MIPSIII及扩展指令集兼容 64位字长 四发射动态超标量结构 支持2个定点部件 2个浮点部件和一个访存部件 9 10级超流水线 支持寄存器重命名 动态调度 转移预测等乱序执行技术IEEE754兼容的浮点部件 每个浮点部件都支持全流水浮点乘加运算 硬件实现浮点除法和开方运算 并支持多媒体加速 64项全相联TLB 每项映射两页 页大小4KB 4MB可变 独立的16 32项指令TLB 支持可执行位以防止缓冲区溢出攻击 分离的片上一级指令Cache和数据Cache 4路组相联 大小各为64KB 每块32字节 512KB片上4路组相连二级Cache 每块32字节 能够由软件控制打开或关闭 集成64位DDR2内存控制器 最高333MHz频率 集成133MHzPCIX总线控制器 支持PCIX和PCI总线兼容 1 GHz主频 支持动态频率调节以及关闭内核时钟等动态功耗管理功能 低功耗 1GHz频率下功耗小于5瓦集成视频加速模块 该模块位于PCI PCI X控制器的写数据通路中 利用软件驱动 视频加速模块能够进行YUV格式到RGB格式的视频数据转换和自动缩放运算 龙芯3号 3A 4核 已经流片成功 性能在测试中 龙芯3A处理器是第一款集高性能 低成本 低功耗于一体的多核处理器 内部集成4个主频为1GHz的64位超标量通用处理器核 采用65nm工艺设计 芯片晶体管数目为4 7亿 龙芯3A处理器集成了2个16位的HyperTransport接口 2个64位DDR2 3MemoryController接口 1个32位的PCI PCI X接口 和1个LPC接口 其内部结构模块如图1示是龙芯3A处理器的芯片布局图 采用STMicro公司的65nm工艺制成 硅片尺寸约为12mmx14mm 面积大约174mm2 最高频率为1 0GHz 功耗约为15 20W 3B 8核 3C 16核 1 3微型计算机的基本结构和组成 一 按数据总线划分 位微机以 单片微机 形式出现 数据总线为 位 可方便地组成 码 可组成各种控制器 用于控制微波炉 烘箱 洗衣机 电视机 录音机 冷冻机 缝纫机 高档照相机 各种仪表和办公设备等 位微机 以 位 为核心组成的微机 用 位二进制代码表示信息 数字 文字字母及符号等 基本指令执行时间2 s左右 有完整的配套接口电路 如可编程的并行接口电路 串行接口电路 定时 计数接口电路以及直接存储器接口电路等 位微机 以 位 构成的微机 运算速度高 指令量短执行时间为300ns以下 软件方面可以使用多种语言 有常驻的汇编程序 完善的操作系统 大型的数据库 并且可以构成多处理机系统 位微机 以 年Intel公司推出的32位 p 80386为代表 它的寻址能力为4千兆字节 虚存空间达64兆兆字节 最短指令执行时间为125ns 在32位处理机中 具有支持高级调度 调试以及系统开发的专用指令 并且 操作系统已经固化 32位字长能有效地处理各种信息 数据 图形 文字和声音 可以创建专业品质的影片 透过因特网传递电视品质的影像 实时进行语音 影像通讯 实时3D渲染 快速进行MP3编码解码运算 在连接因特网时运行多个多媒体软件 由32位 p构成的32位微机在实时控制 事务管理 数据处理 工程预算 CAD CAM以及人工智能方面等方面都得到了广泛的应用 5 64位微机 微处理机时代 Intel公司和HP公司在2001年共同开发的64位处理器Itanium 安腾 处理器2003年4月AMD公司推出首款64位处理器 2004年3月 Intel也发布了其首款64位Xeon处理器 2006年5月 英特尔 酷睿 2双核处理器在2007年的9月6日 Intel发布代号为 Tigerton 的7300系列四核心处理器 INTEL宣布 在2008年9月14日推出业界首款六核心服务器处理器Dunnington 二 按组装形式和系统规模划分 1 单片机又称 微控制器 Microcontroller 和 嵌入式计算机 Embcdded Computer 这是一种把构成一个微型计算机的一些功能部件集成在一块芯片之中的计算机 这些功能部件包括 p RAM ROM 有的单片机中不含ROM I O接口电路 计时器 计数器等 甚至还将模 数转换器和数 模转换器集成在内 如Intel公司的MCS 51 91系列单片机 Motolora公司的MC6805等都是常用的单片机 2 单板机 将 p RAM ROM及一些I O接口电路 加上相应的外设 键盘 发光二极管显示器 以及监控程序固件等安装在一块印刷电路板上所构成的计算机系统 如TP 801 TP 806等 3 个人计算机 PersonalComputer 是指 由微处理器芯片装成的 便于搬动而且不需要维护的计算机系统 市售的第一台个人计算机是美国MITS公司1975年推出的Altair8080 1 3微型计算机的基本结构和组成 冯 诺依曼计算机基本结构 冯 诺依曼原理的基本思想 采用二进制形式表示数据和指令 指令由操作码和地址码组成 程序存储 和 程序控制 计算机由存储器 运算器 控制器 输入设备和输出设备五大基本部件组成 计算机的工作过程 如果想叫计算机工作 就得先把程序编出来 然后通过输入设备送到存储器保存起来 即程序存储 下面就是执行程序的问题 通过控制器读取程序指令进行相应的操作 即程序控制 程序存储和程序控制原理 冯 诺依曼原理 微型计算机的系统组成 微处理器 微型计算机 微型计算机系统之间的关系 微型计算机组成结构 主板的结构 中央处理单元CPU 主存MEMORY 主板 接口卡 总线插槽 存储子系统 输入输出子系统 主板 总线 主板 接口 非冯 诺依曼 传统的冯 诺依曼型计算机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制 即使有关数据巳经准备好 也必须逐条执行指令序列 而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理 因此 近年来人们谋求突破传统冯 诺依曼体制的束缚 这种努力被称为非诺依曼化 一般认为它表现在以下三个方面的努力 1 在冯 诺依曼体制范畴内 对传统冯 诺依曼机进行改造 如采用多个处理部件形成流水处理 依靠时间上的重叠提高处理效率 又如组成阵列机结构 形成单指令流多数据流 提高处理速度 2 用多个冯 诺依曼机组成多机系统 支持并行算法结构 3 从根本上改变冯 诺依曼机的控制流驱动方式 二 微型计算机的系统结构 CPU MEM I O 数据总线DB 控制总线CB 地址总线AB 注 CPU在某一时刻仅能访问总线上的一个部件 微处理器 CPU 的基本结构 算术逻辑单元 运算器 指令处理单元 控制器 寄存器组 8086 8088内部结构 存储器 存储器是用来存储信息的部件 存储器的性能指标 存储容量存取速度计算机的存储器分为2大类 内部存储器 简称内存或主存 又分为 RAM随机存取存储器 SRAM DRAMROM只读存储器 ROM PROM EPROM EEPROM外部存储器 简称外存 硬盘 软盘 磁带 光盘另外 还有CACHERAM 扩展内存XMS 系统区384KB TPA640KB CPU PC系统的存储器映象 Cache 主存 辅存 海存 内存 外存 程序暂驻区 常规内存 1MB 奇地址 8位8MB FFFFFF 微处理器的物理存储系统 一 偶地址 8位8MB FFFFFE D7 D0 D15 D8 000000 000001 16位机 8086 8088 1MB 16位机 80286 16MB 存储体4 8位1GB FFFFFFFF 微处理器的物理存储系统 二 存储体3 8位1GB FFFFFFFE D23 D16 D31 D24 80386DX 4GB 80486SX 4GB 80486DX 4GB 00000002 00000003 存储体2 8位1GB FFFFFFFD D15 D8 00000001 存储体1 8位1GB FFFFFFFC D7 D0 00000000 32位机 I O设备 输入设备串行通信设备软盘 硬盘鼠标CD ROM键盘扫描仪DVD 输出设备打印机 针打 激光 喷墨 软盘 硬盘绘图仪显示器 元件级总线 地址总线AB AddressBus 由CPU输出的一组地址通信线 用于确定存储器单元地址或I O端口地址 CPU与存储器 I O接口间的数据通信线 用于CPU与存储器单元或I O端口间读写数据 CPU与存储器 I O接口间多种且独立的控制通信线 完成CPU与存储器 I O接口间的特定操作控制 数据总线DB DataBus 控制总线CB ControlBus 三 计算机系统的基本组成 硬件系统 软件系统 微机主板图 硬件 hardware 是指那些组成计算机的物件 其基本功能是接受计算机程序的控制来实现数据输入 运算 数据输出等一系列根本性的操作 由五大部件组成 1 控制器 Controller 控制器是计算机的指挥系统 计算机的工作就是在控制器控制下有条不紊 协调地工作的 控制器通过地址访问存储器 逐条取出选中单元的指令 分析指令 根据指令产生相应的控制 信号作用于其他各个部件 控制其他部件完成指令要求的操作 上述过程周而复始 保证了计算机能自动 连续地工作 2 运算器 ALU ArithmeticLogicUnit 运算器又称算术逻辑部件 简称ALU 是计算机用来进行数据运算的部件 数据运算包括算术运算和逻辑运算 3 存储器 Memory 存储器是计算机中具有记忆能力的部件 用来存放程序 指令 或数据 指令总是送到控制器 而数据则总是送到运算器 存储器就是一种能根据地址接收或提供指令或数据的装置 存储器又分为主存 内存 和辅存 外存 4 输入设备 Inputdevice 输入设备是用来输入程序和数据的部件 常用的输入设备有 键盘 鼠标器 光笔 图像扫描仪 数字化仪等 5 输出设备 Outputdevice 输出设备正好与输入设备相反 是用来输出结果的部件 要求输出设备能以人们所能接受的形式输出信息 如以文字 图形的形式在显示器上输出 除显示器外 常用的输出设备还打印机 绘图仪等 软件 software 是相对硬件而言的 它包括计算机运行所需的各种程序及其有关资料 计算机软件系统 系统软件 系统软件是指那些为了方便计算机资源的使用和管理 为软件开发提供良好手段的软件 其中最重要的系统软件是操作系统 OperatingSystem 现在微型计算机上常用的操作系统有DOS Windows Unix等 此外 语言处理软件 数据库管理系统以及很多工具软件都属于系统软件 应用软件 应用软件是指用户或者第三方软件公司开发的软件 这类软件是为解决某一具体问题而编制的 例如常用的文字处理 人事管理 工资管理 设备管理 辅助教学等软件 计算机系统的层次结构 1 4计算机的主要性能指标 一 主频即时钟频率 计算机CPU在单位时间内发出的脉冲数 主频很大程度上决定了计算机的运行速度 主频越高 微机的运算速度就越快 它的单位是兆赫兹 MHz 二 字长计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数 字长越长 微机的运算速度就越快 运算精度就越高 内存容量就越大 微机的功能就越强 因支持的指令多 按微机的字长可分为8位机 16位机 32位机 如386 486奔腾机 和64位机 高档微机 等 三 存储容量存储容量是指微机内存储器的容量 它表示内存储器所能容纳信息的字节数 内存容量越大 它所能存储的数据和运行的程序就越多 程序运行的速度就越高 微机的信息处理能力就越强 1Byte 8bit1KB 1024B 210 B1MB 1024KB 220