计算机组成原理课件（第三版）第一章 概述

计算机组成原理 主编： 石磊 教授 郑州大学信息工程学院计算机系 教材 石磊 ， 计算机组成原理 第 3版 , 清华大学出版社 ， 2011 参考书 白中英 ， 计算机组成原理 第 4版 ， 科学出版社 ，2010 薛胜军 ,计算机组成与结构 第 3版 ,华中科技大学出版社 ， 2010 王诚 ， 计算机组成与设计 第 3版 , 清华大学出版社 ， 2008 第一章 概述 第二章 计算机中的数据表示 第三章 运算方法和运算器 第四章 存储器及存储系统 第五章 指令系统 第六章 中央处理器 第七章 总线系统 第八章 输入输出系统 第九章 计算机外部设备 第十章 计算机系统及发展 目录 一 、 课程性质与任务 （ 课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标 ） “计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。 计算机组成原理是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要必修的主干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算期、控制器、存储器、输入输出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。 主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器部件、存储器子系统、输入 /输出子系统与输入 /输出系统设备，围绕各自的功能、组成、设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程性、实践性、技术性比较强，还强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。 二 、 课程的基本要求 （ 课程教学应使学生达到的基本要求 ） 计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的组成和工作原理。 通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。 三 、 课程与其他课程的联系与分工 先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计 后续课：计算机系统结构、微型 原理 ，关系密切的还有操作系统等课程。 四 、 课程总学时中各环节的学时分配 （ 讲授 、 实验 、 上机 、 实践等 ） 授课学时 （参考） ： 72，实验学时 （参考） ： 18 教学大纲 第一章 概述 第二章 计算机中的数据表示 第三章 运算方法和运算器 第四章 存储器及存储系统 第五章 指令系统 第六章 中央处理器 第七章 总线系统 第八章 输入输出系统 第九章 计算机外部设备 第十章 计算机系统及发展 目录 1960年： 计算可能有一天将被组织为 公共事业 。 麦卡锡 “be as a “ of 1969 “As of in as up we 1984 “is 2008 U. C. “is of to as a to 2008 “is 系统结构 基本概念 第一章 概述 什么是计算机 ？ 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 。 系统结构 基本概念 算机的发展与应用 计算机从总体上来说分为两大类 : 模拟计算机 和 数字计算机 。 各自主要特点 ： 模拟计算机由模拟运算器件构成 ， 其变量由连续量（ 如：电压 、 电流等 ） 来表示 ， 运算过程也是连续的 数字计算机则是由逻辑电子器件构成 ， 其变量为开关量 （ 离散的数字量 ） ， 采用数字式按位运算 ， 运算模式是离散式的 。 系统结构 基本概念 数字计算机与模拟计算计的主要区别 比较内容 数字计算机 模拟计算机 数据表示方式 数字 0和 1 电压、电流等 计算方式 数字计算 电量组合和测量值 控制方式 程序控制 模拟信号组合控制 精度、抗干扰性 高、好 低、差 数据存储量 大 小、几乎无 逻辑判断能力 强 无 系统结构 基本概念 1、 第一代计算机 （ 1） 1946年第一台计算机 50年代末 （ 2） 主要特征：电子管作为电子器件 （ 3） 软件处于初始阶段 ， 使用机器语言与符号语言编制程序 （ 4） 特点：体积大 ， 运算速度低 ， 存储容量小 ， 主要用于科学计算 。 算机的发展简史 （ 1/5） 系统结构 基本概念 2、 第二代计算机 （ 1） 50年代末 60年代初 （ 2） 主要特征：晶体管作为电子器件 （ 3） 软件开始使用计算机高级语言 （ 4） 特点：体积减小 ， 重量轻 、 寿命长 、 耗电少 、 运 算 速 度 快 、 存 储 容 量 比 较 大 等 优 点 。 不仅 用于科学计算 ， 还用于数据处理和事务处理 ， 并逐渐用于工业控制 。 算机的发展简史 （ 2/5） 系统结构 基本概念 算机的发展简史 （ 3/5） 3、 第三代计算机 （ 1） 60年代中期 70年代初期 （ 2） 主要特征：中 、 小规模集成电路作为电子器件 （ 3） 操作系统出现 （ 4） 特点：体积与功耗都得到进一步减小 ， 可靠性和运算速度进一步提高 。 不仅用于科学计算 ，还用于文字处理 、 企业管理 、 自动控制等领域 ， 出现了管理信息系统 ， 可用于生产管理 、交通管理 、 情报检索等领域 。 系统结构 基本概念 4、 第四代计算机 （ 1） 1971年到 1990年 。 （ 2） 主要特征：用大规模与超大规模集成电路（ 作为电子器件 （ 3） 特点：软件越来越丰富 ， 并且功能强大 （ 4 ） 代 表 产 品 ： 8028680386 80486 计算机的发展简史 （ 4/5） 系统结构 基本概念 算机的发展简史 （ 5/5） 5、 第五代计算机 （ 1） 1990至今 （ 2） 主要特征：用甚大规模集成电路 （ 作为电子器件 （ 3） 主要标志：一个是单片集成电路规模达 100万晶体管以上；另一个是超标量技术的成熟和广泛应用 。 未来的计算机 以超大规模集成电路为基础 ， 未来的计算机将向巨型化 、 微型化 、 网络化与智能化的方向发展 。 系统结构 基本概念 算机的特点 计算机是由硬件和软件组成的复杂设备 计算机以电子器件为物质基础 计算机由程序控制其操作过程 计算机以离散的数字量形式进行工作 计算机的基本运算操作是算术和逻辑运算 ， 运算速度和计算精度极高 系统结构 基本概念 算机的应用领域 1、 科学计算 2、 过程检测与控制 计算机检测系统：利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测 ， 把检测到的数据存入计算机 ， 再根据需要对这些数据进行处理 。 3、 信息管理 是指利用计算机来加工 、 管理与操作任何形式的数据资料 ， 如企业管理 、 物资管理 、 报表统计 、 信息情报检索等 。 4、 计算机辅助系统 计算机用于辅助设计 、 辅助制造 、 辅助教学等方面 ， 统称为计算机辅助系统 。 系统结构 基本概念 算机系统的组成 计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成 。 计算机硬件 （ 是指构成计算机的所有实体部件的集合 ， 通常这些部件由电路 （ 电子元件 ） 、 机械等物理部件组成 。 计算机软件 （ 主要是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合 。 1983年 ， 件是计算机程序 、方法 、 规范及其相应的文档以及在计算机上运行是所必须的数据 。 软件是相对于机器硬件而言的 。 系统结构 基本概念 算机的硬件系统 1、 存储器：存储器是用来存放数据和程序的部件 。 2、 运算器：对信息进行运算处理的部件 。 主要功能是对二进制数码进行算术 （ 加减乘除 ） 和逻辑 （ 与或非 ） 运算 。 3、 控制器：整个计算机的控制核心 。 主要功能是读取指令 、 翻译指令 、 并向计算机各部分发出控制信号 ， 以便执行指令 。 4、 输入设备：将数据和程序转换成计算机能够识别和接受的信息 ， 并顺序地把它们送入存储器中 。 输入设备有许多种 ， 例如键盘 、 鼠标 、 扫描仪 、 光电输入机等 。 5、 输出设备：输出设备将计算机处理的结果以人们能接受的或其它机器能接受的形式送出 。 输出设备有许多种类 ， 例如显示器 、 打印机 、 绘图仪等 。 系统结构 基本概念 算机的硬件系统 存储器 数据流 控制流 运算器 外存储器 输 出 设 备 内存储器 输 入 设 备 控制器 系统结构 基本概念 1. 运算器 算术运算 逻辑运算 采用二进制数 （ 容易实现 ） 位数越多 ， 计算精度越高 计算机的运算器长度： 8位 、 16位 、 32位或 64位 系统结构 基本概念 2. 存储器 功能：保存或 “ 记忆 ” 数据和运算过程 存储的是 0或 1表示的二进制代码 主存采用半导体器件来作为存储器 一个半导体触发器记忆一个二进制位 存储单元 ： 在存储器中保存一个 组成一个存储单元 存储器 地址 ： 存储器是由许多存储单元组成 ， 每个存储单元的编号 ， 称为地址 存储容量 ： 存储器所有存储单元的总数 。 通常用单位“ 等表示 内存储器 （ 主存 ） 和 外存储器 (辅存 ） 系统结构 基本概念 表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元取 运算的结果应存到哪个单元 3. 控制器 控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作 指令 有两部分：操作的性质和操作的地址 操作码 地址码 指出指令所进行的操作 加 、 减 、 乘 、 除 、 取数 、 存数等 指令 操作码 加法 减法 乘法 除法 取数 存数 打印 停机 001 010 011 100 101 110 111 000 系统结构 基本概念 电子计算机的设计思想 存储程序，程序控制 “存储程序”，是把 指令 以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同 一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成 程序 “程序控制”，是当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务 冯 诺依曼型计算机的设计思想 存储程序并按地址顺序执行 系统结构 基本概念 冯 诺依曼计算机的基本思想 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； 将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是“存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的概念； 指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。 计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成，规定了 5部分的基本功能 系统结构 基本概念 控制器的基本任务 按照计算程序所排的指令序列 ， 先从存储器取出一条指令放到控制器中 ， 对该指令的操作码由译码器进行分析判别 ， 然后根据指令性质 ， 执行这条指令 ， 进行相应的操作 。 接着从存储器取出第二条指令 ， 再执行第二条指令 ， 依次类推 取指令的一段时间叫做 取指周期 执行指令的一段时间叫做 执行周期 执行完成指令的时间 ， 称为 指令周期 系统结构 基本概念 指令字和数据字，指令流和数据流 某字为一条指令 ， 则称为 指令字 某字代表要处理的数据 ， 称为 数据字 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 时间上 ：在取指周期中 ， 令 ；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定是 数据 。 空间上 ： 指令 一定流向控制器；而 数据 则是在内存（ 或寄存器 ） 与运算器之间流动 系统结构 基本概念 算机的硬件系统 总线 （ ：是计算机中用于传送信息的公用通道 ， 是为多个部件服务的一组信息传送连接线 。 总线的分类： （ 1） 按传送信息的属性分： 数据总线 （ 在各部件之间传送数据信息 地址总线 （ 传送各部件相互访问的地址信息 控制总线 （ 传送控制各部件操作的控制信息 （ 2） 按信息传送的方向分： 单向总线 双向总线 （ 3） 按连接对象和完成的功能分： I/O 用于外设与主机的信息交换 。 用于 系统结构 基本概念 按总线连接方式 ， 计算机组成结构分为三类 1、 单总线结构 ：把各功能部件连接在单总线上 ， 所有部件间的信息交换都经由单总线进行 。 （ 1） 元化总线： 2） 总线： 、 双总线结构 （ 1） 两种总线：存储总线和 I/（ 2） 三种形式： （ A） 以 （ B） 以存储器为中心的双总线结构 （ C） 采用通道或输入输出处理机处理输入输出 3、 多总线结构： 在高速外设与主存储器之间可以增设直接存储器访问方式的高速 I/ 。 算机的硬件系统 系统结构 基本概念 第一台电子计算机（ 5000次加法 /秒 体重 28吨 占地 1708,800只电子管 1500个继电器 耗电 150统结构 基本概念 2004) 曙光 4000A 系统结构 基本概念 2006) 统结构 基本概念 2008) 统结构 基本概念 2008) 曙光 5000A 系统结构 基本概念 2009) 统结构 基本概念 2010) 天河一号 系统结构 基本概念 摩尔定律 早在 1964年 ， 英特尔公司创始人戈登 在一篇很短的论文里断言：每 18个月 ， 集成电路的性能将提高一倍 ， 而其价格将降低一半 。 这就是著名的 摩尔定律 。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律 ， 摩尔定律被集成电路近 40年的发展历史准确无误地验证着 。 计算机组成原理 38 什么是微型计算机 微型计算机 （ 采用微处理器为核心构造的计算机 微处理器 （ 一块大规模集成电路芯片 微型机的运算和控制核心 中央处理单元 （ 相对来说 ， 微机性能 、 价格 、 体积较小 工作学习中使用的个人微机 生产生活中运用的各种智能化电子设备 计算机组成原理 39 微处理器的基本性能指标 字长 微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数 例如一次进行运算 、 传输的位数 时钟频率 微处理器的处理速度 反映微处理器的基本时间单位 集成度 表明微处理器的生产工艺水平 常用芯片上集成的晶体管数量来表达 计算机组成原理 40 通用微处理器 4位微处理器 1971年 ， 004， 第一个微处理器 8位微处理器 080/8085 16位微处理器 086/8088 16位个人计算机 （ 32位微处理器 80386， 80486， 32位 64位微处理器 计算机组成原理 41 专用微处理器 单片机 （ 微控制器 ， 嵌入式控制器 ， 8系列 爱特梅尔 （ 公司的 与 ， 基于 数字信号处理器 （ 专注于数字信号的高速处理 美国德州仪器 主要应用于通信 、 消费类电子产品和计算机 主要应用形式：嵌入式系统 芯片级结构 ， 模块级结构 计算机组成原理 42 8086 16位结构的微处理器：数据总线为 16位 主存容量 1址总线为 20位 时钟频率 5 准 16位微处理器 8088：外部数据总线为 8位 C/088 处理器总线 （ 微处理器的对外引脚 （ 数据 、 地址和控制三组信号 电源和地线 计算机组成原理 43 处理器总线 数据总线 （ 处理器与存储器或外设交换信息的通道 个数 （ 条数 ） 是一次能够传送数据的二进制位数 地址总线 （ 指定存储器或外设的具体单元 个数反映访问的主存储器容量或外设范围 控制总线 （ 控制处理器数据传送等操作 一个信号两种状态（高或低）两种编码（ 1或 0） N： 2N 计算机组成原理 44 80286 16位数据总线 ， 24位地址总线 （ 16 实方式 （ 与 8086工作方式一样 保护方式 （ 提供存储管理 、 保护机制和多任务管理的硬件支持 C/0286 210 B 1024 B 1220 B 1024 230 B 1024 0： 220 24： 224 32： 232 计算机组成原理 45 80386 32位结构 数据总线 32位 ， 地址总线 32位 ， 可寻址 4 虚拟 8086方式 （ 086 保护方式下的 8086工作方式 系统管理方式 （ 低功耗节能状态 英特尔 32位结构： 80386， 80486， 计算机组成原理 46 80486 80486 80386 80387 8 浮点处理单元 8086/8088： 8087， 80286： 80287， 80386： 80387 高速缓冲存储器 微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器 用于提高整个存储器系统的存取速度 复杂指令集计算机 例如：指令流水线 指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行 多条指令可以在不同的执行阶段同时进行 计算机组成原理 47 俗称的 80586微处理器 ， 奔腾微处理器 32位结构 ， 连接主存的外部数据总线却是 64位 超标量 （ 技术 具有可以并行工作的 2条整数处理流水线 ， 可以达到每个时钟周期执行 2条指令 双路高速缓冲结构 88计算机组成原理 48 原称 中文名称为 “ 高能奔腾 ” 两个芯片组成 级 （ 8 二级 （ 25612 扩展的超标量技术 12级指令流水线 能同时执行 3条指令 动态执行技术 分支预测 、 数据流分析和推测执行 计算机组成原理 49 I 多媒体扩展指令 （ 整数运算多媒体指令 对图像 、 音频 、 视频和通信方面的程序进行优化 提升微机对多媒体的处理能力 多能奔腾 ） ： I： 算机组成原理 50 数据流 浮点单精度多媒体运算指令 提高浮点 3 D 令 I 单指令多数据 表示一条指令具有同时处理多组数据的能力 计算机组成原理 51 指令级并行 进一步发掘指令之间可以同时执行的能力 超线程 线程级并行 发掘程序中的并行性 一个物理处理器形成两个逻辑处理器 增强浮点双精度多媒体运算能力 增强和完善 计算机组成原理 52 0 赛扬 ） 微处理器 面向低端 （ 低价位 ） 至强 ） 微处理器 面向高端服务器 、 工作站 双核微处理器 单芯片多处理器 ：单芯片双 核心 64位微处理器 8核心：兼容 4位微处理器 扩展 64位技术 ） ： 4位扩展 计算机组成原理 53 微型计算机结构 1. 微处理器 2. 存储器 3. I/ 微机的核心 、 控制中心 ， 中央处理器 大规模集成电路 集成 控制器 运算器 （ 整数运算器 ） 寄存器 （ 高速存储单元 ） 高性能微处理器内部还有 浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元 存储管理单元 、 代码保护机制 计算机组成原理 55 存储器 存储器 （ 是存放程序和数据的部件 高性能微机的存储系统 微处理器内部的寄存器 （ 高速缓冲存储器 （ 主板上的主存储器 以外设形式出现的辅助存储器 主存储器 （ 主存 、 内存 ） 半导体存储器芯片组成 相对造价高 、 速度快 、 但容量小 辅助存储器 （ 简称辅存或外存 ） 磁盘 、 光盘存储器等构成 相对造价低 、 容量大 、 信息可长期保存 ， 但速度慢 算机组成原理 56 I/ I/ ：用户与微机交互 输入 （ 设备 ， 如标准输入设备：键盘 输出 （ 设备 ， 如标准输出设备：显示器 I/ ：外设和主机间的桥梁 完成信号变换 、 数据缓冲 、 联络控制等工作 较简单的 I/较复杂的 I/ 接口卡 计算机组成原理 57 系统总线 总线 （ ：传递信息的一组公用导线 、 信息通道 系统总线 （ ：微机系统中信息交换的主要公共通道 地址总线：单向输出主存单元或 I/ 数据总线：读 （ 操作数据输入微处理器；写（ 操作数据输出到外界 （ 主存或外设 ） 控制总线：有些控制信号或状态信号输出；有些请求或联络信号输入 微机系统采用总线结构 ， 总线连接使得微机组合灵活 、扩展方便 计算机组成原理 58 个人微机 8位时代： 中华学习机 16位时代： 1981年 ， 088， 1982年 ， C/ 1984年 ， C/ C/ 32位时代： 32位 64位时代： 系统结构 基本概念 计算机是由运算器 、 存储器 、 控制器 、 适配器 、总线和输入 /输出设备组成的 。 都是由元件构成的有形物体 ， 因而称为 硬件 或硬设备 。 硬件是计算机系统中实际物理装置的总称 计算程序 ， 因为它是无形的东西 ， 称为 软件 或软设备 。 软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档 硬件是软件的工作基础 ， 软件是硬件功能的扩充和完善 。 两者相互依存 ， 相互促进 。 软件与硬件的结合 ， 构成完整的 计算机系统 计算机系统 硬件 系统 软件 系统 系统结构 基本概念 软件 （ ：指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据 ， 以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料 ， 其中文字说明和图表资料又称为文档 。 软件的分类： （ 1） 系统软件：指管理 、 监控和维护计算机资源的软件 。 操作系统： 语言处理程序：机器语言 、 汇编语言和高级语言 数据库管理系统：数据库和管理数据库的软件 服务程序：例如编辑程序 、 诊断程序 、 排错程序等 （ 2） 应用软件：除了系统软件以外的所有软件 ， 是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序 。 算机的软件系统 软件程序 +数据 +文档 系统结构 基本概念 计算机软件程序数据文档 软件分类 操作系统 语言处理程序 服务性程序 应用软件 办公软件包 数据库管理系统 浏览器 实时控制软件 诊断、排错程序 反病毒程序 备份程序 文件压缩程序 卸载程序 图形图像处理软件 其它应用软件 系统软件 系统结构 基本概念 目的程序 早期计算机中 ， 人们直接用 机器语言 编写程序 ，计算机完全可以 “ 识别 ” 并能执行 ， 所以又叫做目的程序 用机器语言编写程序很繁琐 ， 又耗费大量的人力和时间 ， 容易出错 ， 出错后寻找错误也相当费事 ， 大大限制了计算机的使用 系统结构 基本概念 汇编程序 为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率 ， 人们发明了 汇编语言 借助于汇编程序 ， 计算机本身自动地把符号语言表示的程序 （ 称为 汇编源程序 ） 翻译成用机器语言表示的目的程序 用约定的文字、符号和数字（ 助记符 ） 按规定 的格式来表示各种不同的指令 系统结构 基本概念 高级语言 为了进一步实现程序自动化和便于程序交流 ， 使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机 ， 人们又创造了各种接近于数学语言的 算法语言 （ 高级程序设计语言 ） 算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则 。 比较接近数学语言 ， 直观通用 ， 与具体机器无关 ， 只要稍加学习就能掌握 ， 便于推广使用计算机 系统结构 基本概念 编译程序 用程序设计语言编写的程序称为 源程序 ， 这种源程序不能由机器直接识别和执行 ， 必须给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的 “ 翻译 ” ，才能把源程序翻译为机器语言 通常采用下面两种方法： 编译系统： 用 编译程序 将源程序编译成机器语言形式的目的程序 ， 然后在目标系统运行 解释系统 ： 逐个解释并立即执行源程序的语句 ，它不是编出目的程序后再执行 ， 而是直接逐一解释语句并得出计算结果 系统结构 基本概念 软件与硬件的逻辑等价性 随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势 ，计算机系统软 、 硬件界限已经变得模糊了 任何操作可以由软件来实现 ， 也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成 ， 也可以由软件来完成 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 软件的特点 易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约； 硬件的特点 可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。 系统结构 基本概念 计算机系统的层次结构 （ 1/3） 硬件和软件的逻辑等价 1、 含义： （ 1） 任何一个由软件完成的操作可以由硬件实现 （ 2） 任何一条由硬件执行的指令能用软件完成 2、 固件 （ ： 是一种界于传统的软件和硬件之间的实体 ， 功能上类似软件 ， 但形态上又是硬件 。 微程序是计算机硬件和软件相结合的重要形式 。 系统结构 基本概念 计算机系统的层次结构 第 5层 编译程序 高级语言层 第 4层 汇编程序 汇编语言层 第 3层 操作系统 操作系统层 第 2层 微程序 机器语言层 第 1层 微指令直接由硬件执行 微程序设计层 计算机系统的层次结构（ 2/3） 系统结构 基本概念 1、 系列机： 一组同属一个系统结构 ， 在性能上由低档到高档形成一个系列的计算机 ， 组成一个计算机系列 （ 。 系列机中的每个机型都具有：相同的基本指令系统 ， 相同的数据结构 ， 相同的基本输入输出操作 ， 支持相同的基本系统软件等 。 2、 兼容性：包括软件兼容 、 硬件兼容 、 系统兼容等 。 （ 1） 软件兼容是指一个软件不经修改就能在不同机型上正确运行 。 （ 2） 软件兼容存在以下两种情况： 软件的向上兼容性 指某档机原开发的软件可以不加修改便能在它的高档机上正确运行使用 。 软件的向下兼容性 指某档机的软件可以不加修改便能在它的低档机上正确运行使用 。 计算机系统的层次结构（ 3/3） 系统结构 基本概念 系列机和兼容机 系列机描述 在一个厂家内生产的具有相同的体系结构 ， 具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器 兼容机描述 不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机 C/系统结构 基本概念 软件兼容 软件兼容： 同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器 ， 结果一样 ，运行时间不同 。 当前机器 时间 机 器 档 次 向上兼容 向下兼容 向前兼容 向后兼容 系统结构 基本概念 模拟和仿真 模拟 （ 用一台机器的指令系统 ， 去解释另一台系统结构不同的机器的指令系统 ， 以实现软件的移植 实现容易 、 速度较慢 仿真 （ 直接用微程序去解释另一台系统结构不同的机器的指令系统 ， 以实现软件的移植 微程序编写困难 、 实现速度较快 模拟与仿真可实现不同系统结构机器之间的软件移植 对于使用频率较高的指令，尽可能用仿真方法以提高运算速度，而对使用频率低且难于用仿真实现的指令则用模拟方法加以实现 系统结构 基本概念 微程序机器级 高级语言级 汇编语言级 操作系统级 传统机器级 高级语言级 操作系统级 传统机器级 模拟和仿真 模拟 仿真 宿主机 虚拟机 目标机 系统结构 基本概念 系统结构、组成与实现 计算机系统结构 ( 计算机系统的软件与硬件的界面指令系统 程序员所看到的计算机属性外特性 计算机组成 (组织 计算机系统结构的逻辑实现 计算机实现 ( 计算机组成的物理实现 计算机系统的结构 ， 组成 ， 实现是三个完全不同的概念 ， 相互间有着十分密切的依赖关系和相互的影响 。 广义的计算机系统结构即包括经典的指令集结构 ， 也包括计算机组成和实现技术的研究 系统结构 基本概念 结构、组成和实现 一种体系结构可以有多种组成 一种组成可以有多种物理实现 是否设置 乘方 /开方指令 逻辑设计 1 (硬联电路 ) 实现方案 1 (1,逻辑设计 3 (微程序 ) 逻辑设计 2 ( 实现方案 2 (2,实现方案 3 (3,计算机系统结构 计算机组成 计算机实现 是 否 系统结构 基本概念 算机的工作特点和性能指标 算机的工作特点 运算速度快 计算精度高 存储容量大 具有逻辑判断功能 自动化程度高 ， 通用性强 系统结构 基本概念 主频 很大程度上决定计算机的运行速度 ， 单位兆赫兹 。 字长 决定了计算机的运算精度 、 指令字长度 、 存储单元长度等 ， 可以是 8/16/32/64位 。 运算速度 早期方法是每秒执行加法指令的次数 用等效速度衡量 。 等效速度由各种指令平均执行时间以及对应的执令运行比例计算得出 。 单位是每秒百万指令 利用 “ 标准程序 ” 在不同的机器上运行得到的实测速度 。 存储容量 字数 字长 1K： 1024B（ 210） 1M： 1024K（ 220） 1G： 1024M（ 230） 1T： 1024G（ 240） 1P： 1024T（ 250） 算机的性能指标 系统结构 基本概念 可靠性 常用平均无故障时间 （ 衡量 。 平均无故障时间 (是指两次故障之间能正常工作时间的平均值 。 假设 表示单位时间内失效的元件数与元件总数的比例即失效率 ， 则 。 例如 =h ， 则 可维护性 可用平均修复时间 （ 表示 ， 指从故障发生到机器修复平均所需要的时间 。 字典缩略 ） o 微软计算机辞典 ） 可用性 是指计算机的使用效率 。 A=可靠性 R、 可维护性 ， 称为 兼容性 指设备或程序可以用于多种系统中的性能 。 系统结构 基本概念 根据计算机的应用范围 ， 将计算机分为 专用计算机：为特定应用问题而设计的计算机 ， 具有经济 、 有效和快速等特点 ， 但它的使用面较窄 通用计算机：使用面广 ， 通用性强 ， 操作相对简单 ， 是我们经常使用的计算机系统 。 根据计算机的规模 ， 将计算机分为 巨型机：主要用于科学计算 ， 运算速度最快 、 性能极高 ，结构复杂 、 体积庞大 、 价格昂贵 。 大型机 中型机 小型机 微型机：体积小 、 功耗低 、 价格低 、 结构简单 、 易操作 系统结构 基本概念 媒体技术 媒体也称为信息的表现形式或传播形式 ， 是信息的载体 。 信息化社会中 ， 信息的表现形式是多种多样的 ， 信息可以用文字 、 声音 、 图形和图像等媒体表示 ， 它包含信息的存储和信息的传递两个方面 。 信息可以以多种媒体传输 ， 多媒体技术是指能够同时获取 、 处理 、 编辑 、 存储和展示两个以上不同信息类型媒体的技术 。 在 20世纪 50年代 ， 计算机用于处理数字 ， 应用领域限制在解决复杂的数学问题 。 到了 20世纪 60年代 ， 计算机与字符处理 、文本处理相结合 ， 产生 计算机与照相和图片相结合 ，产生了静态图像处理 。 计算机与声音 ， 活动图像相结合 ， 形成了多媒体技术应用新领域 。 系统结构 基本概念 媒体技术 多媒体技术