第01章计算机系统概述

1、 大连理工大学软件学院大连理工大学软件学院赖晓晨赖晓晨计算机组成与结构计算机组成与结构课程说明课程说明v学时：学时：上课：上课：48学时，学时，118周周v成绩：成绩：期末闭卷考试期末闭卷考试 80平时成绩（课堂提问题与回答问题、作业完成情况）平时成绩（课堂提问题与回答问题、作业完成情况）20v资源与答疑：资源与答疑：网站网站: /public/laixiaochen_public邮箱：邮箱： 学习的思路学习的思路1.宏观的视角宏观的视角知道自己在学什么、做什么知道自己在学什么、做什么2.注重内容而非形式注重内容而非形式叫什么、是什么、为什么叫什么、是什么、为什

2、么3.勤于思考勤于思考,透过现象看本质透过现象看本质4.培养独立解决问题的能力、树立学习的信心培养独立解决问题的能力、树立学习的信心5.google是最好的老师（是最好的老师（）几点要求几点要求v按时上课，认真听讲，笔记、复习。按时上课，认真听讲，笔记、复习。v课上随时可以提问，课上随时可以提问，鼓励大家提问，欢迎大鼓励大家提问，欢迎大家和我一起讨论问题！家和我一起讨论问题！v请大家按时请大家按时独立独立完成课后作业。完成课后作业。v课上请大家关掉手机课上请大家关掉手机。参考书目参考书目v王爱英王爱英计算机组成与结构计算机组成与结构 第第4 4版，清华版，清华大学出版社大学出版社v王爱英王爱英

3、 计算机组成与结构习题集，清华大计算机组成与结构习题集，清华大学出版社学出版社v戴梅萼戴梅萼 微机原理微机原理清华大学出版社清华大学出版社v郑纬民郑纬民计算机体系结构计算机体系结构清华大学出版社清华大学出版社目 录第第1 1章章 概论概论第第2 2章章 逻辑部件逻辑部件第第3 3章章 运算方法和运算方法和 运算部件运算部件第第4 4章章 主存储器主存储器第第5 5章章 指令系统指令系统第第6 6章章 中央处理部件中央处理部件第第7 7章章 存储系统存储系统第第8 8章章 辅助存储器辅助存储器第第9 9章章 输入输出设备输入输出设备第第1010章章 输入输出系统输入输出系统第第1111章章 计算

4、机系统计算机系统第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论v计算机的语言计算机的语言v计算机的硬件计算机的硬件v计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构v计算机发展简史和用途计算机发展简史和用途v计算机网络计算机网络第一节第一节 计算机的语言计算机的语言计算机的概念、自然语计算机的概念、自然语言、高级语言、机器语言、高级语言、机器语言、指令、助记符言、指令、助记符一、什么是计算机一、什么是计算机 计算机是一种计算机是一种能够接受输入、处能够接受输入、处理数据、存储数据、理数据、存储数据、产生输出的设备产生输出的设备二、计算机语言的概念二、计算机语言的概念v自然语言自然语言v高级语言高级语言v机

5、器语言机器语言v指令、指令集指令、指令集v助记符、汇编语言助记符、汇编语言指令的组成指令的组成v一条指令通常由两部分组成一条指令通常由两部分组成操作码：规定该指令执行的运行类型操作码：规定该指令执行的运行类型操作数：规定对哪些数据进行运算操作数：规定对哪些数据进行运算001 1001汇编语言汇编语言v一条指令通常由两部分组成一条指令通常由两部分组成操作码：规定该指令执行的运行类型操作码：规定该指令执行的运行类型地址码（操作数）：规定对哪些数据进行运算地址码（操作数）：规定对哪些数据进行运算v助记符助记符001 1001addax , 9源操作数源操作数目的操作数目的操作数计算机指令举例计算机指

6、令举例v指令举例：指令举例：y=ax+bmov ax, 08mul ax, 10add ax, 9mov 11,axcall prthalt800101a900011b1001100 x11y指令地址指令操作码 地址码指令操作1 101 1000（8） ax2 011 1010(ax)* (10) ax3 001 1001(ax) + (9) ax4 110 1011ax (11)5 111print6 000halt数据地址800101a900011b1001100 x11y指令操作码加法001减法010乘法011除法100取数取数101存数110打印111停机000指令的操作码定义指令的操

7、作码定义 v计算计算 y = ax+b 的实例的实例mov ax, 08mul ax, 10add ax, 9mov 11,axcall prthalt指令地址指令操作码 地址码指令操作1 101 1000（8） ax2 011 1010(ax)* (10) ax3 001 1001(ax) + (9) ax4 110 1011ax (11)5 111print6 000halt数据地址800101a900011b1001100 x11y指令操作码加法001减法010乘法乘法011除法100取数101存数110打印111停机000指令的操作码定义指令的操作码定义 v计算计算 y = ax+b

8、的实例的实例mov ax, 08mul ax, 10add ax, 9mov 11,axcall prthalt指令地址指令操作码 地址码指令操作1 101 1000（8） ax2 011 1010(ax)* (10) ax3 001 1001(ax) + (9) ax4 110 1011ax (11)5 111print6 000halt数据地址800101a900011b1001100 x11y指令操作码加法加法001减法010乘法011除法100取数101存数110打印111停机000指令的操作码定义指令的操作码定义 v计算计算 y = ax+b 的实例的实例mov ax, 08mul

9、ax, 10add ax, 9mov 11,axcall prthalt指令地址指令操作码 地址码指令操作1 101 1000（8） ax2 011 1010(ax)* (10) ax3 001 1001(ax) + (9) ax4 110 1011ax (11)5 111print6 000halt数据地址800101a900011b1001100 x11y指令操作码加法001减法010乘法011除法100取数101存数存数110打印111停机000指令的操作码定义指令的操作码定义 v计算计算 y = ax+b 的实例的实例mov ax, 08mul ax, 10add ax, 9mov 1

10、1,axcall prthalt指令地址指令操作码 地址码指令操作1 101 1000（8） ax2 011 1010(ax)* (10) ax3 001 1001(ax) + (9) ax4 110 1011ax (11)5 111print6 000halt数据地址800101a900011b1001100 x11y指令操作码加法001减法010乘法011除法100取数101存数110打印打印111停机000指令的操作码定义指令的操作码定义 v计算计算 y = ax+b 的实例的实例mov ax, 08mul ax, 10add ax, 9mov 11,axcall prthalt指令地址

11、指令操作码 地址码指令操作1 101 1000（8） ax2 011 1010(ax)* (10) ax3 001 1001(ax) + (9) ax4 110 1011ax (11)5 111print6 000halt数据地址800101a900011b1001100 x11y指令操作码加法001减法010乘法011除法100取数101存数110打印111停机停机000指令的操作码定义指令的操作码定义 v计算计算 y = ax+b 的实例的实例mov ax, 08mul ax, 10add ax, 9mov 11,axcall prthalt1 101 10002 011 10103 00

12、1 10014 110 10115 1116 00078 001019 0001110 0110011v计算机语言比较计算机语言比较mov ax, 08mul ax, 10add ax, 9mov 11,axcall prthalty=ax+b高级语言 汇编语言 机器码计算机语言计算机语言v机器语言：机器码机器语言：机器码01110010v低级语言：汇编语言低级语言：汇编语言mov ax，01hv高级语言：高级语言：c、pascal、fortun、basic for（i=0;i100;i+）;v应用语言：数据库语言应用语言：数据库语言select计算机程序的执行方式计算机程序的执行方式v编译执

13、行编译执行v解释执行解释执行第二节第二节 计算机硬件计算机硬件计算机硬件组成部分、计算机硬件组成部分、总线总线计算机硬件组成计算机硬件组成v硬件是由电子的、磁性的、机械的器件组成硬件是由电子的、磁性的、机械的器件组成的物理实体，包括运算器、控制器（中央处的物理实体，包括运算器、控制器（中央处理器）、存储器、输入设备和输出设备等理器）、存储器、输入设备和输出设备等5 5个基本组成部分。个基本组成部分。cpu： central processing unit硬件结构框图硬件结构框图运算器运算器 控制器控制器 存储器存储器 输入设备输入设备 输出设备输出设备内存储器内存储器外存储器外存储器cpucp

14、u主机主机外设外设硬件硬件计算机的硬件组成计算机的硬件组成运算器运算器控制器控制器输入输入输出输出系统总线系统总线存储器存储器算术运算、逻辑运算。加算术运算、逻辑运算。加法、移位法、移位决定指令执行顺序、译码、决定指令执行顺序、译码、发出控制指令发出控制指令地址选通、多级存储地址选通、多级存储接受原始数据，给出运算接受原始数据，给出运算结果结果总线总线 bus三总线结构计算机原理图三总线结构计算机原理图控制器控制器mov ax, 08mul ax, 10add ax, 9mov 11,axcall prthalt计算机的基本组成计算机的基本组成第三节第三节 计算机系统层次结构计算机系统层次结构

15、虚拟机器、计算机语言虚拟机器、计算机语言的演变、编程语言类型的演变、编程语言类型计算机硬件系统层次计算机硬件系统层次计算机控制器晶体管1门1寄存器1晶体管2外设存储器alu寄存器2寄存器n门k门2晶体管t. . . . . . .系统级寄存器级门级晶体管级物理级计算机控制器半导体、电阻、电容晶体管1门1寄存器1晶体管2存储器alu寄存器2寄存器n门k门2晶体管t系统级寄存器级门级晶体管级物理级操作系统计算机软件系统层次计算机软件系统层次 虚拟计算机的层次结构计算机系统与用户的关系计算机系统与用户的关系计算机硬件计算机硬件系统软件系统软件应用软件应用软件计算机用户计算机用户第四节第四节 计算机发

16、展简史计算机发展简史计算机阶段、计算机分计算机阶段、计算机分类、计算机用途类、计算机用途一一 、计算机发展历史、计算机发展历史1642 blaise pascal1822 1822 差分机差分机电子计算机时代电子计算机时代人类追求的计算工具人类追求的计算工具巴贝奇分析机巴贝奇分析机部件巴贝奇分析机部件 charles babbage 1792-1871后人复制的差分机后人复制的差分机人类历史上第一台计算机：eniacelectronic numerical integrator and calculator电子数字积分计算机电子数字积分计算机eniac计算机发展历史计算机发展历史v第一代（第一

17、代（1946194619571957）：电子管）：电子管 eniaceniac、abcabc、ibm701ibm701机器语言、汇编语言机器语言、汇编语言科学计算科学计算计算机发展历史计算机发展历史v第二代（第二代（1958195819641964）：晶体管）：晶体管 ibm7094ibm7094、cdc1640cdc1640高级语言高级语言数据处理、事物管理、工业控制数据处理、事物管理、工业控制计算机发展历史计算机发展历史v第三代（第三代（1965196519711971）：集成电路）：集成电路 ibm360ibm360、ibm370ibm370、dec pdp-xdec pdp-x操作系统

18、操作系统文字处理、图形处理文字处理、图形处理计算机发展历史计算机发展历史v第四代（第四代（19721972至今）大规模集成电路至今）大规模集成电路lsilsi和超和超大规模集成电路大规模集成电路vlsi vlsi 微型机微型机 数据库、网络等社会的各个领域数据库、网络等社会的各个领域1975：牵牛星：牵牛星88001977：苹果：苹果 apple-21981：ibmpc计算机的分类计算机的分类v按处理对象分类按处理对象分类1. 1. 模拟计算机：模拟计算机： 速度快、精度低速度快、精度低2.2. 数字计算机：数字计算机：精度高、便于存储精度高、便于存储3. 3. 数字模拟混和计算机：造价高数字

19、模拟混和计算机：造价高计算机的分类计算机的分类v按用途分类按用途分类专用计算机：专用计算机： 功能单一、结构简单、功能单一、结构简单、可靠性高、适应性差，特定可靠性高、适应性差，特定情况下最有效、最经济、最情况下最有效、最经济、最快速快速通用计算机：通用计算机： 功能齐全、适应功能齐全、适应性强，在某些具体性强，在某些具体环境下运行效率低环境下运行效率低计算机的分类计算机的分类v按规模分类按规模分类巨型：速度最快巨型：速度最快, ,处理能力最强处理能力最强大中型：通用大中型：通用, ,较快较快, ,较强较强小型：规模小小型：规模小, ,结构简单结构简单, ,设计试制周期短设计试制周期短微型：小

20、微型：小, ,巧巧, ,轻轻, ,使用方便使用方便, ,价格便宜价格便宜巨型机巨型机例如：曙光例如：曙光4000l 644gb内存，浮点运内存，浮点运 算达每秒算达每秒3万亿次万亿次.目前多用于战略武器目前多用于战略武器(如如核武器和反导弹武器核武器和反导弹武器)的设计，空间技术，的设计，空间技术，石油勘探，中、长期天气预报等领域。石油勘探，中、长期天气预报等领域。v巨型机：巨型机： 速度最快、处理速度最快、处理能力最强。能力最强。大型机大型机v大型机：这覆盖国内常大型机：这覆盖国内常说的大、中型机。特点说的大、中型机。特点是通用是通用, ,具有很强的综具有很强的综合处理能力和管理能力。合处理

21、能力和管理能力。主要用于大银行、大公主要用于大银行、大公司、规模较大的高校和司、规模较大的高校和科研院所。科研院所。zseries 800 zseries 800 大型机大型机小型机小型机v小型机：结构简单，维护小型机：结构简单，维护方便，成本较低，易于推方便，成本较低，易于推广。不需要经长期培训即广。不需要经长期培训即可维护和使用，主要用于可维护和使用，主要用于企业管理、数据采集与分企业管理、数据采集与分析。析。pdp-11小型机小型机微型机微型机v微型机：微型机：以小、巧、轻、以小、巧、轻、使用方便、价格便使用方便、价格便宜、软件丰富、功宜、软件丰富、功能齐全、等优势而能齐全、等优势而拥有

22、广大的用户拥有广大的用户三、计算机的用途三、计算机的用途科学计算科学计算信息处理信息处理家用电器家用电器cad/camcat/cai自动控制自动控制人工人工智能智能测量测测量测试试教育教育卫生卫生四、计算机的发展趋势四、计算机的发展趋势v巨型化巨型化v微型化微型化v多媒体多媒体v网络化网络化v智能化智能化摩尔定律摩尔定律晶晶体体管管数数单单位位时时间间执执行行的的指指令令数数百万条百万条/每秒每秒每三年芯片集成度翻每三年芯片集成度翻2翻。翻。巨型化巨型化v运算速度可达每秒几运算速度可达每秒几百亿次运算。百亿次运算。19751975年年世界上第一台超级计世界上第一台超级计算机算机“cray-ic

23、ray-i”超级计超级计算机应用：天气预报、算机应用：天气预报、地震机理研究、石油地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计像处理等大量科学计算的高科技领域。算的高科技领域。 ibm的最新军用超级计算机“roadrunner”已经完成，每秒计算能力终于超过了一千万亿次，达到了1.026petaflops，是目前最强的ibm bluegene/l的两倍还多，roadrunner一共拥有116640颗计算核心，由三种不同的处理器组成，包括12960颗改进版的ibm cell，以及少量的amd opteron，roadrunner超级计算机的布线总长达到了57公里，功率

24、为3.9兆瓦，占地约6000平方英尺，总重超过500000磅。 ibm roadrunner标志着美国超级计算机领域在11年内完成了一千倍的跨越，从tflops进入pflops时代，而接下来将是eflops、zflops、yflops和xflops10的27次方。 http:/www.stor- 1号号”、 “银河银河2 2号号”和和“银河银河3 3号号”中国超级计算机中国超级计算机曙光曙光国家职能计算机中心推出的：国家职能计算机中心推出的：“曙光曙光10001000” 、“曙光曙光2000i2000i”和和“曙光曙光30003000”微型化微型化emac苹果苹果 imac多媒体多媒体v多媒体

25、就是计算机集图多媒体就是计算机集图形、图像、声音、文字形、图像、声音、文字处理为一体。多媒体技处理为一体。多媒体技术的目标是：无论在什术的目标是：无论在什么地方，么地方， 只需要简单的只需要简单的设备就能自由自在地以设备就能自由自在地以交互和对话方式收发所交互和对话方式收发所需要的信息。需要的信息。 多媒体技多媒体技术的实质就是让人们利术的实质就是让人们利用计算机以更接近自然用计算机以更接近自然方式交换信息。方式交换信息。网络化网络化v计算机网络：计算机网络：计算机技术与通信技计算机技术与通信技术结合的产物。术结合的产物。v计算机网络的发展动计算机网络的发展动力：力：使用远程资源，使用远程资源

26、，共享程序、数据和信共享程序、数据和信息资源。息资源。智能化智能化v 使计算机具有视觉、听觉、语言、行为、思使计算机具有视觉、听觉、语言、行为、思维、逻辑推理等能力。维、逻辑推理等能力。智能化智能化v 智能化机器人、机器狗、机器昆虫等智能化机器人、机器狗、机器昆虫等智能化智能化v 智能化机器人、机器昆虫、机器狗等智能化机器人、机器昆虫、机器狗等第五节第五节 计算机网络计算机网络网络基础、网络拓扑、网络基础、网络拓扑、网络协议、网络设备网络协议、网络设备一、网络基础一、网络基础v计算机网络的概念计算机网络的概念计算机技术和通信技术相结合，产生了计计算机技术和通信技术相结合，产生了计算机网络。算机

27、网络。地理位置不同，并具有独立功能的多个计地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线路互相连接起算机系统，通过通信设备和线路互相连接起来，并配以完善的网络软件，实现资源共享来，并配以完善的网络软件，实现资源共享的系统，称为计算机网络。的系统，称为计算机网络。传输介质传输介质v双绞线双绞线v同轴电缆同轴电缆v光纤光纤v微波微波v红外线红外线v激光激光网络连接媒介网络连接媒介v双绞线双绞线v同轴电缆同轴电缆v光缆光缆v无线无线类别类别1类类2类类3类类4类类5类类最大的数据传最大的数据传输速度输速度56kbps1mbps16mbps20mbps100mbps网络连接媒介网络连接

28、媒介v双绞线双绞线v同轴电缆同轴电缆v光缆光缆v无线无线网络连接媒介网络连接媒介v双绞线双绞线v同轴电缆同轴电缆v光缆光缆v无线无线网络分类网络分类v按照网络内连接的计算机的地域覆盖范围，按照网络内连接的计算机的地域覆盖范围，可将计算机网络分为：可将计算机网络分为：局域网局域网（校园网）（校园网）城域网城域网广域网广域网通信模式通信模式v按照信息传送方向，有三种通信模式：按照信息传送方向，有三种通信模式：单工单工半双工半双工全双工全双工调制与解调调制与解调v基带信号基带信号v调制调制v解调解调v调制解调器调制解调器modem二、网络拓扑二、网络拓扑v总线型总线型v星型星型v环形环形v网格型网格

29、型总线结构总线结构星形结构星形结构环形结构环形结构网格形结构网格形结构三、网络协议三、网络协议viso/osi网络模型网络模型tcp/ip网络协议网络协议两种协议对比两种协议对比osi tcp/ip 物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层传输层传输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层网络接口层网络接口层网际层网际层传输层传输层应用层应用层internetvip地址：地址：6v域名：域名：典型顶级域名典型顶级域名代码代码机构名称机构名称代码代码国家名称国家名称com商业机构商业机构cn中国中国edu教育机构教育机构jp日本日本gov政府机构政府机构hk香港香港int国际组织国际组织uk英国英国mil军事机构军事机构ca加拿大加拿大net网络服务机网络服务机构构de德国德国org