第四章-计算机系统

第四章计算机系统,MIS,本章内容,1.计算机的发展计算机发展史计算机的分类与应用2.计算机的运算基础计算机的系统原理计算机中的数据表示计算机运行方式,MIS,本章内容,1.计算机的发展计算机发展史计算机的分类与应用2.计算机的运算基础计算机的系统原理计算机中的数据表示计算机运行方式,MIS,计算机发展史,原始计数法机械计算机布莱斯.帕斯卡(BlaisePascal)装有手转圆轮的机械加法器英国数学家查尔斯.巴贝奇1833年：计算工具五个独立的部分：输入、存储库、运算室、控制器、输出部分,MIS,第一台电子计算机（ENIAC1946美国）,5000次加法/秒体重28吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KW仅能保存80个字节服役期:1946.2-1955.10人类信息技术发展的里程碑标志着电子计算机时代的到来,计算机发展史,MIS,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过去需要花费12小时使用手摇计算器才能计算完成的弹道运算，ENIAC只需要区区30秒钟便可完成,ENIAC,MIS,电子恐龙的缩骨法晶体管,ENIAC,划时代的实验装置,晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的。,电子管的缺点：体积大；耗能高、散热量大。,晶体管的优点：体积小；耗能低；性能稳定。,计算机发展史,MIS,MIS,MIS,第一代（19461956）电子管5千4万（次/秒）,第二代（19571964）晶体管几十万百万（次/秒）,第三代（19641979）集成电路百万几百万（次/秒）,第四代（1979）大规模/超大规模集成电路几百万几亿(次/秒),计算机发展的几个阶段,计算机发展史,MIS,将电脑浓缩在一颗芯片上,10微米芯片,计算机发展史,MIS,计算机发展史,45纳米技术(芯片上晶体管和晶体管之间导线连线的宽度)1um=10-6,1nm=10-9晶体管数量：8亿,MIS,计算机的性能与发展趋势摩尔定律,Intel公司的创办人之一摩尔发现了一个具有历史意义的现象：“在相等面积(制作成本)的晶片上集成的晶体管数量以每18个月增加一倍的趋势增加，执行性能的提升大体也符合这个趋势。”这就是著名的摩尔定律。,MIS,本章内容,1.计算机的发展计算机发展史计算机的分类与应用2.计算机的运算基础计算机的系统原理计算机中的数据表示计算机运行方式,MIS,计算机类型微型计算机,特点体积桌面化掌上化通用化，满足多种使用要求操作简单化，用户平民化，维护简单化价格低廉化多媒体化网络化,应用：字处理决策支持数据库管理绘图通信应用开发工程娱乐,个人计算机desktop移动计算机laptop网络计算机,MIS,计算机类型微型计算机,网络计算机主机比一般PC小，没有硬盘、光驱等应用程序和数据都存储于服务器上。优点：低成本、免升级、免维护。由服务器统一管理和更新缺点：降低终端工作人员的创造力、服务器一旦发生故障，所有人员都无法工作,MIS,从形体、重量和功能上，介于主干计算机和微型计算机之间微型机的高端可能高于小型机的低端用途：工作站。科学研究、建设系统、工程等。服务器。配置高、稳定、支持网络通讯。价格：介于主干机与微型机之间微型机的高端可能高于小型机的低端,计算机类型小型计算机,MIS,MIS,塔式服务器.例：IBMSystemx3400,价格：11500,MIS,机架式服务器用于：网站服务器，托管便宜；企业服务器，节省空间例：IBMSystemx3950价格：512000,MIS,计算机类型主干计算机(大型机),大型机，主机非常庞大，通常由许多中央处理器协同工作，超大的内存，海量的存储器，大容量的存储系统可能要求磁盘阵列。使用专用的操作系统和应用软件。用途：复杂的科学计算、仿真模拟(飞行器的设计与模拟)、商业(大型国有企业或跨国集团的企业级服务器)要求：要求连续运行不能停机，在要求可靠性很高的场合要有（异地）双（多）主机热备份。定时数据备份。,MIS,IBMSystemz10开发：5年，15亿美元，5000名技术人员64颗特定用途的四核心处理器，每一个四核处理器有9.91亿个晶体管，二级缓存是3MB，主频超过4.4GHz可以支持数百至数十亿用户价格：起步价100万美元IBMSystemZ系列大型主机成功案例：德国Allianz人寿保险、Fedex、深圳发展银行、苏黎世金融服务公司,计算机类型主干计算机(大型机),MIS,MIS,MIS,计算机类型巨型计算机(超级计算机),超高速度，目前的水平是每秒上百万亿次浮点运算(FLOPS：FloatingpointnumberOperationsPerSecond)结构上为多处理器结构：单指令多数据流(SIMD)机，并行向量处理机(PVP)，对称多处理机(SMP)，大规模并行处理机(MPP)，工作站群(COW)，以及分布共享存储器(DSM)多处理机。主要应用领域是仿真（如气象预测、核试验模拟）、实时控制（如飞行器控制）、模式识别、密码运算、基因工程等。,MIS,计算机类型巨型计算机(超级计算机),目前世界上最快的巨型计算机：IBM的蓝色基因/L，每秒367万亿次，65536个PowerPC处理器,MIS,本章内容,1.计算机的发展计算机发展史计算机的分类与应用2.计算机的运算基础计算机的系统原理计算机中的数据表示计算机运行方式,MIS,计算机的基本结构冯诺依曼模型,什么是计算机？以美籍匈牙利数学家约翰冯诺依曼（1903-1957，电子计算机之父）为首的研制小组提出了“存储程序控制”的计算机结构(即诺依曼机)，奠定了现代计算机的体系结构。冯诺依曼模型的主要思想计算机（指硬件）由五大基本部件组成运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备；计算机内部采用二进制来表示指令和数据；将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再执行程序。,MIS,计算机的硬件组成冯诺依曼体系结构,计算机的组成部分运算器进行运算的部件；存储器记忆原始数据、运算程序及运算结果的部件；控制器发出各种控制信息，以便使计算机各部件协调工作的部件；输入、输出设备将原始数据及运算程序输入计算机，并将结果及其它信息输出的部件。,MIS,计算机的基本结构,输入：键盘、鼠标、触摸屏、光笔、扫描仪等数据处理与控制：CPU（运算器和控制器）输出：显示器、打印机、音箱等存储：一级存储单元。cache，内存二级存储单元。硬盘、光盘等通信接口。网卡,MIS,计算机的模块结构,MIS,PC机的模块结构,MIS,本章内容,1.计算机的发展计算机发展史计算机的分类与应用2.计算机的运算基础计算机的系统原理计算机中的数据表示计算机运行方式,MIS,二进制数与信息表示关于二进制,在计算机内一切信息必须进行数字化编码（即用二进制代码形式），才能在机内传送、存储和处理。二进制：只有0和1，按“逢二进一”规律，第k位权是2k。二进制十进制bn-1bn-2b0=dn-1dn-2.d0=1011=1X23+0X22+1X21+1X20305=3X102+0X101+5X100=1X8+0X4+1X2+1X1=3X100+0X10+5X1,MIS,二进制数与信息表示二进制变换,二进制整数：第n位的权是2n。二进制：b7b6b5b4b3b2b1b02726252423222120权值：1286432168421二进制小数：小数点后第n位权值位2-n=1/2n。二进制：0.b-1b-2b-3b-42-12-22-32-4权值：1/21/41/81/160.50.250.1250.06251101.1001(二进制)=1X8+1X4+0X2+1X1+1X0.5+0X0.25+0X0.125+1X0.0625=13.5625(十进制)以上规律可以推广到K进制，整数部分第n位的权值是Kn，小数部分第n位的权是K-n。,MIS,二进制数与信息表示二进制变换,十进制二进制整数部分连续除2取余数，小数部分连续乘2取整数。123.456(十进制)1111011.01110100101(二进制)2|1230.456X2=0.9122|611.912X2=1.8242|301.824X2=1.6482|150.648X2=1.2962|71.296X2=0.5922|31.592X2=1.1842|11.184X2=0.36801.368X2=0.736123=64+32+16+8.736X2=1.472+2+1.472X2=0.994.994X2=1.988,MIS,二进制数与信息表示二进制变换,十六进制与二进制相互转换法则：以小数点为界，每个八进制数对应三位二进制数，每个十六进制数对应四位二进制数。【注意】小数部分不足之处应补零,【例】(2C1.D)16=(001011000001.1101)22C1D,【例】(71.23)8=(111001.010011)27123,【例】(1101101110.110101)2=(36E.D4)1636ED4,MIS,二进制数与信息表示ASCII码,编码：用一串二进制数码代表一个十位数或一个字符，编码工作由计算机在输入、输出时自动进行ASCII码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美国标准信息交换码），它已被国际标准化组织（ISO）定为国际标准，称为ISO646标准。7个二进制字符，表示128种基本字符和功能符内容包括：控制码：00H1FH数字：30H39H大写字母：41H5AH小写字母：61H7AH其他代码为符号,MIS,ASCII码,MIS,二进制数与信息表示汉字编码的概念,输入编码：通过西文键盘进行汉字输入的编码规则，如拼音、双拼、五笔字型等。汉字内码：汉字文本信息在计算机中进行存储和处理的二进制编码规则，如GB码（国标码）、GBK码（扩展国标码）、Big5（台湾、香港的繁体字编码）等。汉字字库：描述汉字字形的二进制编码规则，有点阵字库和矢量字库两类。,MIS,本章内容,1.计算机的发展计算机发展史计算机的分类与应用2.计算机的运算基础计算机的系统原理计算机中的数据表示计算机运行方式,MIS,计算机的硬件组成CPU,ALU(ArithmeticandLogicUnit)：主要完成对二进制数据的算术运算、逻辑运算和各种移位操作。,PC(ProgramCounter)：取指令的地址，存放下面要执行的指令的地址，取指令后自动加1。,用来保存参加运算的操作数和运算的中间结果。,根据二进制的机器指令产生完成指令功能的微操作。,根据译码器产生的微操作，产生控制各个部件的信号，控制各个部件完成指令的功能。,产生时基信号为各功能部件提供定时基准。,MIS,计算机的硬件组成指令系统,指令系统：是一个CPU所能够处理的全部指令的集合，是一个CPU的根本属性。指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序。指令的构成：指令由操作码字段(OP，指明操作功能)和地址码字段(A,或称操作数字段，指明操作数)两部分构成。,OP,A,操作码：指令的操作码字段表明了所执行的操作。指令系统中的每一条指令都有一个唯一确定的操作码。地址码结构：运算的操作数或操作数存放的地址。根据指令功能的不同，地址码字段可以含有单地址、双地址或三地址结构，少量指令无地址码字段。,MIS,计算机的硬件组成8086指令举例,例如：Intel8086CPU加法指令ADDAX,BX将寄存器AX和BX相加，和送到AX寄存器。(AX)+(BX)(AX)该指令由两个字节构成：01D8H。(机器指令，内存中的指令存放形式)01D8H=0000000111011000其中000000=ADD，指令操作码0=源为寄存器，指明源操作数1=字(16位)运算，区分字节、字运算11=寄存器方式，指明操作数类型011=BX，寄存器编号000=AX，寄存器编号,MIS,计算机的硬件组成指令分类,CPU指令分为以下几类数据传送类指令实现寄存器与寄存器之间、寄存器与存储器之间的数据传送。算术、逻辑运算类指令实现加、减、乘、除等基本算术运算，与、或、非、异或等基本逻辑运算。带有浮点部件的CPU还具有浮点运算指令。程序控制类指令转移控制指令、循环控制指令、子程序指令、中断控制指令等。输入/输出类指令实现主机与外部设备之间的信息交换。,MIS,MIS,计算机的硬件组成CPU的工作过程举例,作为一个例子，说明Intelx86CPU指令ADDAX,3000H的执行过程。指令的机器指令(03060030H)存放在存储器的指定单元，执行该指令前，CPU的程序计数器PC存放着该存储器单元的地址。机器指令中0306为操作码及其寻