第 1 章 计算机系统概论-计算机组成原理

1、2022-4-19 修订第修订第1版版 2016.92016.91第第 1 1 章章 计算机系统概论计算机系统概论 2022-4-192本章学习内容 计算机的发展历史计算机的发展历史 计算机系统的硬件组成计算机系统的硬件组成 计算机的软件系统计算机的软件系统 计算机系统的组织结构计算机系统的组织结构 计算机的特点和性能指标计算机的特点和性能指标 计算机的分类与应用计算机的分类与应用 2022-4-1931.1 1.1 计算机的发展历史计算机的发展历史 1.1.1 更新换代的计算机硬件更新换代的计算机硬件 通常将计算机的发展按通常将计算机的发展按“代代”划分为五个发划分为五个发展阶段。展阶段。

2、1. 电子管时代电子管时代（20世纪世纪40年代中期年代中期 50年代中期）年代中期） 2. 晶体管时代晶体管时代（20世纪世纪50年代末期年代末期 60年代中期）年代中期） 3. 中、小规模集成电路时代中、小规模集成电路时代（20世纪世纪60年代中期年代中期 70年代中期）年代中期） 4. 超大规模集成电路时代超大规模集成电路时代（20世纪世纪70年代中期年代中期 90年代初期）年代初期） 5. 超级规模集成电路时代超级规模集成电路时代（20世纪世纪90年代初期年代初期 目目前）前）2022-4-194电子管时代（电子管时代（19461959）运算速度：运算速度：5千千4万（次万（次/秒秒）

3、在电子管时代，计算机以在电子管时代，计算机以电子管作为基本逻辑单元电子管作为基本逻辑单元，主存储器采用汞延迟线，主存储器采用汞延迟线、磁鼓等材料，数据用定、磁鼓等材料，数据用定点表示。点表示。2022-4-195USA ENIAC2022-4-196晶体管时代晶体管时代（19571964）运算速度：运算速度：几十万百万（次几十万百万（次/ /秒）秒）2022-4-197 晶体管时代的计算机主要以晶体管代替晶体管时代的计算机主要以晶体管代替电子管作为基本逻辑元件，主存储器由电子管作为基本逻辑元件，主存储器由磁芯构成，引入了浮点运算硬件加强科磁芯构成，引入了浮点运算硬件加强科学计算能力。学计算能力

4、。2022-4-198第一台小型计算机第一台小型计算机 PDP-8 2022-4-199中小规模集成电路时代中小规模集成电路时代（19651975）运算速度：百万几百万（次运算速度：百万几百万（次/秒）秒）2022-4-1910 在中小规模集成电路（在中小规模集成电路（MSI、SSI）时代，）时代，集成电路器件成为了计算机的主要逻辑集成电路器件成为了计算机的主要逻辑元件，由半导体存储器替代磁芯存储器元件，由半导体存储器替代磁芯存储器作为主存储器。此阶段采用多处理器并作为主存储器。此阶段采用多处理器并行结构的大型、巨型机和物美价廉的小行结构的大型、巨型机和物美价廉的小型机得到快速发展。型机得到快

5、速发展。2022-4-1911采用了采用了Intel8080的个人电脑的个人电脑Altair88002022-4-1912超大规模集成电路时代（超大规模集成电路时代（19751990）运算速度：几百万几千万亿（次运算速度：几百万几千万亿（次/秒）秒）2022-4-1913 这一阶段集成电路的集成度进一步提高，这一阶段集成电路的集成度进一步提高，超规模、大规模电路（超规模、大规模电路（VLSI、LSI）被）被广泛应用于计算机。采用并行技术、多广泛应用于计算机。采用并行技术、多机系统和分布式计算技术、机系统和分布式计算技术、RISC指令集指令集等极大地提高了计算机系统的性能等极大地提高了计算机系统

6、的性能。 此此时按照计算机性能和规模，划分出了巨时按照计算机性能和规模，划分出了巨型机、型机、 大型机、小型机、微型机和便携大型机、小型机、微型机和便携机等不同的类型。机等不同的类型。2022-4-1914超级规模集成电路时代超级规模集成电路时代（ 1990 ）运算速度：几千万亿几万万亿（次运算速度：几千万亿几万万亿（次/ /秒）秒） 采用采用超大、甚大规模集成电路（超大、甚大规模集成电路（ULSI，ELSI） 2022-4-19152016全球超级计算机全球超级计算机500强强/ 2016年年6月月20日，在德国法兰克福召开的日，在德国法兰克福召开的“

7、2016国际超级计算大会国际超级计算大会”上，由上，由国家并行计算机工程国家并行计算机工程技术研究中心技术研究中心研制的研制的“神威神威太湖之光太湖之光”超级计超级计算机系统最新一届世界超级计算机算机系统最新一届世界超级计算机500强排行榜强排行榜上击败占居榜首上击败占居榜首 3 年的年的“天河天河 2 号号”位居第一。位居第一。在这之前天河二号自在这之前天河二号自2013年年6月以来，已连续月以来，已连续6次次位居世界超算位居世界超算500强榜首。强榜首。 2022-4-1916神威神威太湖之光太湖之光超级计算机超级计算机2022-4-1917神威神威太湖之光太湖之光技术参数技术参数 运算速

8、率：运算速率：125.4 PFLOPS （理论峰值）（理论峰值） 93 PFLOPS（实际峰值）（实际峰值） （每秒运算一千万亿次）（每秒运算一千万亿次） 整台整台“神威神威太湖之光太湖之光”由由 40 个运算机柜和个运算机柜和 8 个网络机柜组成个网络机柜组成 。共使用了。共使用了 40960 块块“申威申威 26010”处理器，采用众核处理器，采用众核+CPU架构，计算核架构，计算核心总数达心总数达1065 万个。万个。 主内存主内存 ：1.31 PB（约（约1300万亿字节）万亿字节）2022-4-1918神威神威太湖之光太湖之光的能力的能力 “神威神威太湖之光太湖之光”一分钟的计算能力

9、相一分钟的计算能力相当于全球当于全球 72 亿人口用计算器不间断计算亿人口用计算器不间断计算 32 年。年。 2022-4-19191.1.2 1.1.2 日臻完善的计算机软件日臻完善的计算机软件 1. 汇编语言阶段汇编语言阶段 （20世纪世纪50年代）年代） 2. 程序批处理阶段（程序批处理阶段（20世纪世纪60年代）年代） 3. 分时多用户阶段（分时多用户阶段（20世纪世纪70年代）年代） 4. 分布式管理阶段（分布式管理阶段（20世纪世纪80年代）年代） 5. 软件重用阶段软件重用阶段 （20世纪世纪90年代）年代） 6. Web服务阶段服务阶段 （21世纪前世纪前10年）年） 7. 云

10、计算阶段云计算阶段 （现今全球热点）（现今全球热点）2022-4-19201.2 1.2 计算机硬件系统计算机硬件系统 个完整的计算机系统由硬件和软件两大个完整的计算机系统由硬件和软件两大系统组成。系统组成。计算机系统计算机系统硬件系统硬件系统组成一台计算机的各种组成一台计算机的各种物理装置以及它们的设物理装置以及它们的设计与实现技术计与实现技术软件系统软件系统泛指计算机系统中使用泛指计算机系统中使用的各种程序和文件的各种程序和文件2022-4-1921计算机的抽象观察计算机的抽象观察2022-4-19221.2.1 1.2.1 计算机计算机硬件硬件系统的功能部件系统的功能部件 计算机的基本功

11、能主要包括计算机的基本功能主要包括: 数据加工、数据保存、数据传送和操作数据加工、数据保存、数据传送和操作控制等。控制等。 为了实现这些基本功能，计算机必须要为了实现这些基本功能，计算机必须要有相应的功能部件（硬件）承担有关工有相应的功能部件（硬件）承担有关工作。作。2022-4-1923 运算器 控制器 输入设备 输出设备 CPU 主机系统 存储器 I/O 系统 图1-1 计算机硬件系统功能部件 2022-4-1924 计算机硬件系统主要包括计算机硬件系统主要包括计算机计算机的五大部件的五大部件以及将它们组织成计以及将它们组织成计算机系统的算机系统的体系结构体系结构。2022-4-19251

12、. 1. 输入设备输入设备 输入设备的主要功能：将程序和数据以输入设备的主要功能：将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入到机器所能识别和接受的信息形式输入到计算机内。计算机内。 常见的输入设备有：键盘、扫描仪、语常见的输入设备有：键盘、扫描仪、语音输入设备、手写笔、触摸屏、音输入设备、手写笔、触摸屏、鼠标、鼠标、数码摄像设备等。数码摄像设备等。2022-4-19262. 2. 输出设备输出设备 输出设备的主要功能：输出设备的主要功能： 将计算机处理的结果以人们所能接受的将计算机处理的结果以人们所能接受的信息形式或其它系统所要求的信息形式信息形式或其它系统所要求的信息形式输出。输出。 最

13、常见的输出设备有：显示器、打印机、最常见的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪绘图仪 、音箱等。、音箱等。 计算机的输入、输出设备简称为计算机的输入、输出设备简称为I/O设备设备。2022-4-1927 存储器是计算机的存储部件，用于存放程序和数据，存储器是计算机的存储部件，用于存放程序和数据，是计算机存储信息的核心。是计算机存储信息的核心。 存储器可分为：存储器可分为： 主存储器主存储器(也称内存储器，简称内存、主存也称内存储器，简称内存、主存) CPU能够直接访问的存储器能够直接访问的存储器 辅助存储器辅助存储器(也称外存储器，简称外存、辅存也称外存储器，简称外存、辅存) CPU不能直接访问

14、的大容量、速度较慢的存储器。不能直接访问的大容量、速度较慢的存储器。 辅助存储器帮助主存记忆更多的信息，辅助存储辅助存储器帮助主存记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能为器中的信息必须调入主存后，才能为CPU所使用。所使用。 3. 3. 存储器存储器2022-4-1928 主存分为若干个存储单元。每个单元都有自己唯主存分为若干个存储单元。每个单元都有自己唯一的地址编码。一的地址编码。 每个主存单元的长度依机器而定。通常是一个字每个主存单元的长度依机器而定。通常是一个字节或字节的若干倍。节或字节的若干倍。 存储器的访问方式存储器的访问方式 按地址进行访问按地址进行访问 如果需要对

15、存储器某个单元进行读如果需要对存储器某个单元进行读/ /写操作，必须写操作，必须首先给出被访问的存储单元的地址码。首先给出被访问的存储单元的地址码。 按内容进行访问按内容进行访问 按所需内容对存储器的多个单元同时进行访问。按所需内容对存储器的多个单元同时进行访问。能够进行按内容访问的存储器称为能够进行按内容访问的存储器称为相联存储器相联存储器。2022-4-1929主存的基本的组成主存的基本的组成 图 1-2 主 存 储 器 结 构 简 图 时 序 控 制 逻 辑 存储体 数据寄存器 地址寄存器 2022-4-1930 存储体存储体：存放二进制信息的主体：存放二进制信息的主体 地址寄存器地址寄

16、存器：存放所要访问的存储单元的地址：存放所要访问的存储单元的地址码，由它经地址译码找到被选的存储单元。码，由它经地址译码找到被选的存储单元。 数据寄存器数据寄存器：主存与其它部件的接口。用于暂：主存与其它部件的接口。用于暂存从存储器读出存从存储器读出( (取出取出) )或向存储器中写入或向存储器中写入( (存存入入) )的信息。的信息。 控制逻辑控制逻辑：用于产生存储器操作所需各种时序：用于产生存储器操作所需各种时序信号。信号。2022-4-1931 运算器是计算机的执行部件，用于完成算术逻运算器是计算机的执行部件，用于完成算术逻辑运算以及对数据的加工处理。辑运算以及对数据的加工处理。 运算器

17、的核心是算术逻辑部件运算器的核心是算术逻辑部件 ALU (Arithmetic and Logical Unit) 。 运算器中设有若干寄存器，用于暂存操作数据运算器中设有若干寄存器，用于暂存操作数据和中间结果。和中间结果。 由于寄存器往往兼备多种用途，如用作累加器、由于寄存器往往兼备多种用途，如用作累加器、变址寄存器、基址寄存器等，所以通常称为变址寄存器、基址寄存器等，所以通常称为通通用寄存器用寄存器。4 4运算器运算器2022-4-1932运算器的简单框图运算器的简单框图 图 1-3 运算器的简单框图 输入选择 1 R0 通用寄存器组 Rn ALU 输入选择 2 输出选择 +1 至 DBU

18、S 自 DBUS 2022-4-1933 控制器是整个计算机的指挥中心。用于控制整个控制器是整个计算机的指挥中心。用于控制整个计算机系统中的各部件有条不紊地进行工作。计算机系统中的各部件有条不紊地进行工作。 计算机控制器是根据事先编好的程序进行指挥的。计算机控制器是根据事先编好的程序进行指挥的。 程序：程序：就是解题步骤，控制器按着事先安排好的就是解题步骤，控制器按着事先安排好的解题步骤，控制计算机各个部件有条不紊地自动解题步骤，控制计算机各个部件有条不紊地自动工作。工作。 程序按指令序列的形式存放在存储器中，控制器程序按指令序列的形式存放在存储器中，控制器依次读出存储器中存放的程序指令实施控

19、制。依次读出存储器中存放的程序指令实施控制。 这种工作方式称为这种工作方式称为存储程序方式存储程序方式。5 5控制器控制器( (CU) )重点重点2022-4-19341.2.2 1.2.2 冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机 存储程序概念是美国数学家冯存储程序概念是美国数学家冯诺依曼（诺依曼（John von Neumann）于）于1946年首先提出来的，它奠年首先提出来的，它奠定了现代计算机的结构基础。定了现代计算机的结构基础。 尽管几十年来，计算机体系结构发生许多重大尽管几十年来，计算机体系结构发生许多重大变革，但存储程序的概念仍是普遍采用的结构变革，但存储程序的概念仍是普遍采用的结构原则，现

20、在广泛应用的计算机仍属于冯原则，现在广泛应用的计算机仍属于冯诺依诺依曼的结构格式。曼的结构格式。2022-4-1935John von Neumann2022-4-19361. 存储程序思想存储程序思想 冯冯诺依曼思想的基本要点：诺依曼思想的基本要点： (1)(1)计算机由输入设备、输出设备、计算机由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五大部件运算器、存储器和控制器五大部件组成。组成。 CPU：运算器和控制器的统称。运算器和控制器的统称。 计算机主机：计算机主机：CPU与主存储器与主存储器(内存内存)的统称。的统称。 I/O设备设备：输入设备、输出设备、外存储器的：输入设备、输出设备、外

21、存储器的统称为计算机的外部设备，简称为统称为计算机的外部设备，简称为I/O设备。设备。2022-4-1937 (2)(2)采用二进制形式表示数据和指令采用二进制形式表示数据和指令 指令是程序的基本单位，程序是若干指令的有指令是程序的基本单位，程序是若干指令的有序集合序集合。冯。冯诺依曼结构计算机中，指令与数诺依曼结构计算机中，指令与数据均以二进制代码的形式同存于存储器中。两据均以二进制代码的形式同存于存储器中。两者在存储器中的地位相同，均可按地址访问。者在存储器中的地位相同，均可按地址访问。 指令由操作码和地址码两部分组成指令由操作码和地址码两部分组成。操作码表操作码表示示指令的指令的操作性质

22、，地址码表示操作数在存储操作性质，地址码表示操作数在存储器中的位置器中的位置。2022-4-1938 (3)(3)采用存储程序方式采用存储程序方式 存储程序方式存储程序方式：在用计算机解题之前，事先编：在用计算机解题之前，事先编制好程序，并连同所需的数据预先存入主存储制好程序，并连同所需的数据预先存入主存储器中。在解题过程器中。在解题过程( (运行程序运行程序) )中，由控制器按中，由控制器按照事先编好并存入存储器中的程序自动地、连照事先编好并存入存储器中的程序自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行，直到获续地从存储器中依次取出指令并执行，直到获得所要求的结果为止。得所要求的结果为止。 存

23、储程序方式是冯存储程序方式是冯诺依曼思想的核心，是计诺依曼思想的核心，是计算机能高速自动运行的基础。算机能高速自动运行的基础。2022-4-19392. 2. 早期的冯早期的冯诺依曼计算机诺依曼计算机 在微处理器问世之前，运算器和控制器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，加上当时存储是两个分离的功能部件，加上当时存储器还是以磁芯存储器为主，计算机存储器还是以磁芯存储器为主，计算机存储的信息量较少，因此早期冯的信息量较少，因此早期冯诺依曼提出诺依曼提出的计算机结构是的计算机结构是以运算器为中心以运算器为中心的，其的，其它部件都通过运算器完成信息的传递。它部件都通过运算器完成信

24、息的传递。 2022-4-1940早期的冯早期的冯诺依曼计算机组织结构图诺依曼计算机组织结构图 图 1-4 典型的冯诺依曼机结构图 运算器 控制器 输入设备 输出设备 存储器 程序 数据 结果 结果 数据 指令 命令 命令 命令 请求 命令 请求 状态 2022-4-19413. 3. 现代计算机组织结构现代计算机组织结构 随着微电子技术的进步，人们成功地研制出了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，

25、存储容时随着半导体存储器代替磁芯存储器，存储容量成倍地扩大，加上需要计算机处理、加工的量成倍地扩大，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，甚至会影响计算机能满足计算机发展的需求，甚至会影响计算机的性能。的性能。 为适应发展的需要，现代计算机组织结构逐步为适应发展的需要，现代计算机组织结构逐步转变为转变为以存储器为中心以存储器为中心。 2022-4-1942 CPU 存储器 图 1-5 现代计算机结构图 主主存存储储器器 控控制制器器 输输入入设设备备 输输出出设设备备 运运算算器器 程序/ 数据 结果

26、数据 结果 指令 命令 命令 请求 请求 状态 辅辅存存储储器器 地址 命令 命令 命令 程序/ 数据 外设 主机 2022-4-1943 现代计算机的基本结构仍然遵循现代计算机的基本结构仍然遵循冯冯诺依曼思想诺依曼思想2022-4-19441.3 1.3 计算机软件系统计算机软件系统 软件的作用软件的作用 软件在计算机系统中起着指挥和管理的作用。软件在计算机系统中起着指挥和管理的作用。 软件是计算机用户和硬件的接口界面。软件是计算机用户和硬件的接口界面。 软件是计算机系统结构设计的主要依据。软件是计算机系统结构设计的主要依据。 在计算机系统中，各种软件的有机组合构成了在计算机系统中，各种软件

27、的有机组合构成了软软件系统件系统。基本的软件系统应包括。基本的软件系统应包括系统软件系统软件与与应用应用软件软件两大类。两大类。2022-4-19451.3.1 1.3.1 系统软件系统软件 系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用。系统软件主要包括：使用。系统软件主要包括： 操作系统操作系统 语言处理系统语言处理系统 数据库管理系统数据库管理系统 分布式软件系统分布式软件系统 网络软件系统网络软件系统 各种服务程序各种服务程序2022-4-19461.3.2 1.3.2

28、 应用软件应用软件 应用软件是指用户为解决某个应用领域中的各应用软件是指用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序。类问题而编制的程序。 应用软件包括各种科学计算类程序、工程设计应用软件包括各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序、情报检索程序、类程序、数据统计与处理程序、情报检索程序、企业管理程序、生产过程控制程序等。企业管理程序、生产过程控制程序等。 由于计算机已应用到各种领域，因而应用程序由于计算机已应用到各种领域，因而应用程序是多种多样，极其丰富的。目前应用软件正向是多种多样，极其丰富的。目前应用软件正向标准化、集成化方向发展，许多通用的应用程标准化、集成化方向发展，

29、许多通用的应用程序可以根据其功能组成不同的应用软件包供用序可以根据其功能组成不同的应用软件包供用户选择使用。户选择使用。2022-4-19471.4 1.4 计算机系统的组织结构计算机系统的组织结构 1.4.1 1.4.1 硬件与软件的关系硬件与软件的关系 计算机系统由硬件、软件两大部分组成。硬件计算机系统由硬件、软件两大部分组成。硬件和软件是紧密相关、缺一不可的整体。和软件是紧密相关、缺一不可的整体。 硬件是计算机系统的物质基础硬件是计算机系统的物质基础。 没有硬件，再好的软件也无法运行；没有强有没有硬件，再好的软件也无法运行；没有强有力的硬件支持，就不可能编制出高质量、高效力的硬件支持，就

30、不可能编制出高质量、高效率的软件；没有好的硬件环境，一些先进的软率的软件；没有好的硬件环境，一些先进的软件也无法运行。件也无法运行。 软件是计算机系统的灵魂软件是计算机系统的灵魂。 没有软件，再好的硬件也毫无用途；没有高质没有软件，再好的硬件也毫无用途；没有高质量的软件，硬件也不可能充分发挥它的效率。量的软件，硬件也不可能充分发挥它的效率。2022-4-1948 虽然在一个具体的计算机系统中，硬件、虽然在一个具体的计算机系统中，硬件、软件是紧密相关、缺一不可的，但是对软件是紧密相关、缺一不可的，但是对某一具体功能来说，可以用硬件实现，某一具体功能来说，可以用硬件实现，也可以用软件实现，这就是也

31、可以用软件实现，这就是硬件、软件硬件、软件在逻辑功能上的等效在逻辑功能上的等效。硬件、软件在逻辑功能上等效硬件、软件在逻辑功能上等效2022-4-1949硬件、软件在逻辑功能上的等效硬件、软件在逻辑功能上的等效 任何由硬件实现的操作，在原理上，均任何由硬件实现的操作，在原理上，均可用软件来实现；同样，任何由软件实可用软件来实现；同样，任何由软件实现的操作，在原理上都可硬化由硬件来现的操作，在原理上都可硬化由硬件来实现实现。 例：乘除运算早期均由软件编程实现。例：乘除运算早期均由软件编程实现。现已由硬件乘、除法器实现。现已由硬件乘、除法器实现。 例：在微小型机中，为了降低系统复杂例：在微小型机中

32、，为了降低系统复杂程度和成本，将一些在巨型、大型机中程度和成本，将一些在巨型、大型机中由硬件实现的功能由软件编程实现。由硬件实现的功能由软件编程实现。2022-4-1950 硬件的软化硬件的软化： 将由硬件实现的功能用软件实现。将由硬件实现的功能用软件实现。 软件的硬化软件的硬化： 将由软件实现的功能用硬件实现。将由软件实现的功能用硬件实现。 固件：固件： 载有在用户环境中不能加以改变的程序及数据的载有在用户环境中不能加以改变的程序及数据的器件。器件。 将复杂且常用的程序写入只读存储器就构成了固将复杂且常用的程序写入只读存储器就构成了固件。件。 固件从功能上看是软件，但从形态上看是硬件。固件从

33、功能上看是软件，但从形态上看是硬件。 例如，例如，PC机中的主板机中的主板BIOS、显卡、显卡BIOS，网卡，网卡BOOT ROM等都属于固件。等都属于固件。2022-4-1951硬件软件的功能分配硬件软件的功能分配 在设计一个计算机系统时，必须根据设在设计一个计算机系统时，必须根据设计要求、现实技术与器件条件，首先确计要求、现实技术与器件条件，首先确定哪些功能直接由硬件实现，哪些功能定哪些功能直接由硬件实现，哪些功能通过软件实现。这就是硬件、软件的功通过软件实现。这就是硬件、软件的功能分配。能分配。 随着电子技术的发展，可以使软件逐渐随着电子技术的发展，可以使软件逐渐“固化固化”乃至乃至“硬

34、化硬化” 。所以设计计算。所以设计计算机系统时必须首先解决机系统时必须首先解决硬、软件的功能硬、软件的功能分配问题。分配问题。2022-4-19521.4.2 1.4.2 计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构 现代的计算机是一个硬件与软件组成的综合体。现代的计算机是一个硬件与软件组成的综合体。由于面对的应用范围越来越广，所以必须有复由于面对的应用范围越来越广，所以必须有复杂的系统软件和硬件的支持。杂的系统软件和硬件的支持。 由于软件、硬件的设计者和使用者是从不同的由于软件、硬件的设计者和使用者是从不同的角度，以各种不同的语言来对待同一个计算机角度，以各种不同的语言来对待同一个计算机

35、系统。因此，他们各自看到的计算机系统的属系统。因此，他们各自看到的计算机系统的属性及对计算机系统提出的要求也就不一样。性及对计算机系统提出的要求也就不一样。 如硬件设计人员要求机器能够高速有效地执行如硬件设计人员要求机器能够高速有效地执行机器指令所规定的各种操作。而高级语言使用机器指令所规定的各种操作。而高级语言使用者则关心机器能否提供高效方便的编程环境。者则关心机器能否提供高效方便的编程环境。2022-4-1953 对不同的对象而言，一个计算机系统就对不同的对象而言，一个计算机系统就成为成为实现不同语言的、具有不同属性实现不同语言的、具有不同属性的的机器。机器。 假如在软件、硬件之间，系统设

36、计者和假如在软件、硬件之间，系统设计者和使用者之间不能很好地协调、配合，就使用者之间不能很好地协调、配合，就会大大影响系统的性能与效率。会大大影响系统的性能与效率。2022-4-1954计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构 根据从各种角度所看到的机器之间的有根据从各种角度所看到的机器之间的有机关系，可以将计算机系统分为机关系，可以将计算机系统分为多级层多级层次结构次结构。 目的目的：分清各级层次结构彼此之间的界：分清各级层次结构彼此之间的界面，明确各自的功能，以便构成合理、面，明确各自的功能，以便构成合理、高效的计算机系统。高效的计算机系统。2022-4-1955 硬 件 操 作

37、时 序 （ 实 机 器 ） 微 程 序 机 器 层 （ 实 机 器 ） 传 统 机 器 语 言 层 （ 实 机 器 ） 操 作 系 统 层 （ 虚 机 器 ） 汇 编 语 言 层 （ 虚 机 器 ） 高 级 语 言 层 （ 虚 机 器 ） 应 用 语 言 层 （ 虚 机 器 ） 翻 译 （ 应 用 软 件 包 ） 翻 译 （ 编 译 程 序 ） 翻 译 （ 汇 编 程 序 ） 部 分 解 释 （ 操 作 系 统 ） 解 释 硬 件 直 接 执 行 硬 件 、 软 件 交 界 面 第 0 级 第 1 级 第 2 级 第 3 级 第 4 级 第 5 级 第 6 级 图 1-6 计 算 机 系 统

38、的 多 级 层 次 结 构 2022-4-1956 第第 0 级级 硬件操作时序硬件操作时序 实际的硬件层，是硬件组成的实体。实际的硬件层，是硬件组成的实体。 第第 1 级级 微程序机器层微程序机器层实际的硬件层，它由机器硬件直接执行微指令。实际的硬件层，它由机器硬件直接执行微指令。 第第 2 级级 传统机器语言层传统机器语言层实际的硬件层，由微程序解释机器指令系统。实际的硬件层，由微程序解释机器指令系统。 第第 3 级级 操作系统层操作系统层由操作系统程序实现。操作系统程序是由机器由操作系统程序实现。操作系统程序是由机器指令和广义指令组成的。其中广义指令是为扩指令和广义指令组成的。其中广义指

39、令是为扩展机器功能而设置的，是由操作系统定义和解展机器功能而设置的，是由操作系统定义和解释的软件指令。这一层也称为混合层。释的软件指令。这一层也称为混合层。2022-4-1957 第第 4 级级 汇编语言层汇编语言层汇编语言是一种符号形式语言，用户借此可编汇编语言是一种符号形式语言，用户借此可编写汇编语言源程序。这一层由汇编程序支持和写汇编语言源程序。这一层由汇编程序支持和执行。执行。 第第 5 级级 高级语言层高级语言层高级语言层为方便用户编写各类应用程序而设高级语言层为方便用户编写各类应用程序而设置的。它是面向用户的。该层由各种高级语言置的。它是面向用户的。该层由各种高级语言编译程序支持和

40、执行。编译程序支持和执行。 第第 6 级级 应用语言层应用语言层应用语言层是直接面向某个应用领域，为方便应用语言层是直接面向某个应用领域，为方便用户编写该应用领域的应用程序而设置的。由用户编写该应用领域的应用程序而设置的。由相应的应用软件包支持和执行。相应的应用软件包支持和执行。 2022-4-1958 高级语言程序高级语言程序CAB 汇编语言程序汇编语言程序MOV AL，AADD AL，BMOV C，AL 机器语言程序机器语言程序1000H000000011001H000000101002H000000000000H101000000001H000000000002H000100000003

41、H000000100004H000000010005H000100000006H100010000007H000001100008H000000100009H000100002022-4-1959 在多级层次结构中，第在多级层次结构中，第0、1、2级是级是实机实机器器，上面几层均为，上面几层均为虚机器（虚拟机）虚机器（虚拟机）。 虚机器虚机器：是指用软件技术构成的机器。：是指用软件技术构成的机器。 虚机器建立在实机器的基础上，利用软件虚机器建立在实机器的基础上，利用软件技术扩充实机器的功能。从整体看就好像技术扩充实机器的功能。从整体看就好像有了一台更强功能的机器，所以称它为虚有了一台更强功能的

42、机器，所以称它为虚机器。机器。 机器语言层和操作系统层是虚、实机器的机器语言层和操作系统层是虚、实机器的分界面。分界面。 软、硬件功能的分配，决定了虚、实机器软、硬件功能的分配，决定了虚、实机器的界面。的界面。2022-4-1960 利用多级层次结构观点，可以在设计计利用多级层次结构观点，可以在设计计算机系统时，明确哪些功能由硬件完成，算机系统时，明确哪些功能由硬件完成，哪些功能由软件完成。同样还可以明确哪些功能由软件完成。同样还可以明确在虚机器中各层次应完成的功能，上级在虚机器中各层次应完成的功能，上级应得到下级的哪些支持。应得到下级的哪些支持。 多级层次结构观点，对于了解掌握计算多级层次结

43、构观点，对于了解掌握计算机的组成，设计一个良好的计算机系统机的组成，设计一个良好的计算机系统结构有很大的帮助。结构有很大的帮助。2022-4-19611.4.3 1.4.3 计算机硬件系统的组织计算机硬件系统的组织 如何把五大基本部件互连起来构成计算如何把五大基本部件互连起来构成计算机的硬件系统，是机的硬件系统，是计算机硬件系统的组计算机硬件系统的组织问题织问题。 在计算机的五大部件之间，有大量的信在计算机的五大部件之间，有大量的信息需要传送，息需要传送，如何实现信息的传送，取如何实现信息的传送，取决于数据通路的逻辑结构决于数据通路的逻辑结构。 早期的计算机往往在各部件之间直接连早期的计算机往

44、往在各部件之间直接连接传送线路，数据通路复杂、零乱，控接传送线路，数据通路复杂、零乱，控制不便，而且没有多少扩展余地。制不便，而且没有多少扩展余地。2022-4-1962点对点连线的计算机组织点对点连线的计算机组织2022-4-1963总线结构总线结构 现在的计算机普遍采用总线结构。现在的计算机普遍采用总线结构。 1.1. 总线总线： 一组可为多个功能部件共享的公共信息传送线一组可为多个功能部件共享的公共信息传送线路。路。 总线规定了计算机组件间规范化的交换数据总线规定了计算机组件间规范化的交换数据（datadata）的方式，以一种通用的方式为各组件）的方式，以一种通用的方式为各组件提供数据传

45、送和控制逻辑。提供数据传送和控制逻辑。 2022-4-19642022-4-19652.2. 总线的使用规定总线的使用规定 共享总线的各个部件必须分时使用总线发送共享总线的各个部件必须分时使用总线发送信息，保证总线上的信息在任何时候都是唯一的。信息，保证总线上的信息在任何时候都是唯一的。 总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。 总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲突，总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲突，且总线上的各部件可以共享总线信息。且总线上的各部件可以共享总线信息。2022-4-1966 按总线的任务分按总线的任务分 (1) CPU内部总线

46、内部总线 这是一级数据线，用于连接这是一级数据线，用于连接CPU内部各寄内部各寄存器和算术逻辑部件。在微型计算机系统中，存器和算术逻辑部件。在微型计算机系统中，CPU内部总线也就是芯片内的总线。内部总线也就是芯片内的总线。 (2) 部件内总线部件内总线 在计算机中各功能模块插件上芯片之间的在计算机中各功能模块插件上芯片之间的总线。属于芯片间的总线。如内存条、声卡总线。属于芯片间的总线。如内存条、声卡等插件上的总线。等插件上的总线。3. 3. 总线的分类总线的分类2022-4-1967 (3)(3)系统总线系统总线 连接系统内各大部件如连接系统内各大部件如CPU、主存、主存、I/O设备等设备等的

47、总线，是连接整机系统的基础。系统总线包的总线，是连接整机系统的基础。系统总线包括地址总线、数据总线、控制括地址总线、数据总线、控制/状态总线。状态总线。 在微机系统中总线常见的系统总线有：在微机系统中总线常见的系统总线有：PC总线、总线、AT总线（总线（ISA总线）、总线）、PCI总线等总线等 (4) 外总线外总线 计算机系统之间或计算机系统与其它系统之间计算机系统之间或计算机系统与其它系统之间的通信总线。外总线往往借用电子工业领域已的通信总线。外总线往往借用电子工业领域已有的标准。如有的标准。如RS232串行总线标准。串行总线标准。2022-4-1968 按总线上信息传送的方向分按总线上信息

48、传送的方向分 (1) (1) 单向总线单向总线 连接在总线上的部件只能有选择地将连接在总线上的部件只能有选择地将信息进行单向传送。如地址总线。信息进行单向传送。如地址总线。 (2) (2) 双向总线双向总线 连接在总线上的任何部件既能通过总连接在总线上的任何部件既能通过总线发送信息，也能通过总线接受信息。如线发送信息，也能通过总线接受信息。如数据总线。数据总线。2022-4-1969 按总线上信息传送的位数分按总线上信息传送的位数分 (1) (1) 并行总线并行总线 一次可以传送多位二进制信息的总线一次可以传送多位二进制信息的总线。 如如CPUCPU内部的数据总线、地址总线。内部的数据总线、地

49、址总线。 (2) (2) 串行总线串行总线 一次只能传送一位二进制信息的总线一次只能传送一位二进制信息的总线。如如USBUSB总线。总线。2022-4-1970采用总线结构的好处采用总线结构的好处 可以大大减少系统中的信息传输线数，可以大大减少系统中的信息传输线数，减轻发送部件的负载。减轻发送部件的负载。可以简化硬件结构，灵活地修改与扩充可以简化硬件结构，灵活地修改与扩充系统。系统。2022-4-19714.4. 总线的连接方式总线的连接方式 单机系统中采用的总线类型单机系统中采用的总线类型 (1) (1) 单总线结构单总线结构 用一组系统总线把用一组系统总线把CPU、主存及各种、主存及各种I

50、/O接口接口连接起来。连接起来。 图 1-7 计算机的单总线结构 接口 CPU 存储器 接口 I/O 设备 I/O 设备 单总线 2022-4-1972 总线上各设备之间（总线上各设备之间（CPU与与MEM、MEM与与I/O、CPU与与I/O、I/O与与I/O）都）都通过单总线交换信息。通过单总线交换信息。 可将可将I/O与存储器同等对待，统一进行编与存储器同等对待，统一进行编址。址。 控制简单，易于扩充。控制简单，易于扩充。单总线结构的单总线结构的优点优点2022-4-1973单总线结构的单总线结构的缺点缺点 同一时刻只能在一对设备之间或部件之同一时刻只能在一对设备之间或部件之间传送信息，因

51、此系统速度受到限制。间传送信息，因此系统速度受到限制。 把主存与把主存与I/O设备同等对待，降低了主存设备同等对待，降低了主存的地位。因为主存与的地位。因为主存与CPU间的信息传送间的信息传送要比要比CPU与与I/O设备间的信息传送频繁很设备间的信息传送频繁很多。多。2022-4-1974 (2) (2) 双总线结构双总线结构 以以CPU为中心的双总线结构为中心的双总线结构 采用以采用以CPU为中心的存储器总线和为中心的存储器总线和I/O总线，分总线，分别进行数据传送。别进行数据传送。 以以CPU为中心的双总线，结构简单，控制容易。为中心的双总线，结构简单，控制容易。但由于但由于I/O设备与主

52、存间的信息传送都必须通过设备与主存间的信息传送都必须通过CPU进行，使进行，使CPU要花费大量时间进行信息的要花费大量时间进行信息的输入输出处理，从而降低了输入输出处理，从而降低了CPU的工作效率。的工作效率。所以只在早期的机器中使用。所以只在早期的机器中使用。2022-4-1975以以CPU为中心的双总线结构为中心的双总线结构 图1-9 以CPU为中心的双总线结构 接口 CPU 存储器 接口 I/O设备 I/O设备 I/O总线 存储总线 接口 I/O设备 2022-4-1976 面向主存的双总线结构面向主存的双总线结构 在单总线的基础上，在在单总线的基础上，在CPU与主存之间增加了与主存之间

53、增加了一组存储器总线，一组存储器总线，CPU访存直接通过存储器总访存直接通过存储器总线实现，线实现， 面向主存的双总线结构保持了单总线结构的优面向主存的双总线结构保持了单总线结构的优点，同时由于通过存储器总线访存，提高了点，同时由于通过存储器总线访存，提高了CPU的访存速度，也减轻了系统总线的负担。的访存速度，也减轻了系统总线的负担。2022-4-1977面向存储器的双总线结构 图1-8 面向存储器的双总线结构 接口 CPU 存储器 接口 I/O设备 I/O设备 系统总线 存储总线 2022-4-1978 (3) (3) 三总线结构三总线结构 在面向主存的双总线结构的基础上，增在面向主存的双总

54、线结构的基础上，增加加I/O总线，使得总线，使得CPU与主存、主存与与主存、主存与I/O之间均具备独立的信息传输通路。之间均具备独立的信息传输通路。2022-4-1979常见的三总线结构2022-4-1980多总线结构2022-4-1981 总线结构主要用于微、小型计算机中。对于中总线结构主要用于微、小型计算机中。对于中型、大型计算机系统的构成，主要着重于系统型、大型计算机系统的构成，主要着重于系统功能的扩充和效率的提高。为了增强系统功能，功能的扩充和效率的提高。为了增强系统功能，必然要配置更多的硬件资源和软件资源。必然要配置更多的硬件资源和软件资源。 由于由于I/O设备的增多使设备的增多使I

55、/O处理成为又一个十分突处理成为又一个十分突出的问题。出的问题。 许多许多I/O设备由于具有机械动作，其工作速度远设备由于具有机械动作，其工作速度远比比CPU的速度低，因此，如何解决速度匹配问题，的速度低，因此，如何解决速度匹配问题，使使CPU与与I/O操作尽可能并行地工作以提高操作尽可能并行地工作以提高CPU的工作效率，成为系统结构中的一个关键问题，的工作效率，成为系统结构中的一个关键问题，为此提出了为此提出了“通道通道”的概念。的概念。2022-4-19825. 5. 通道通道 通道是一种具有处理机功能的专门用来管理通道是一种具有处理机功能的专门用来管理I/O操作的控制部件。操作的控制部件

56、。 具有通道的计算机系统通常采用主机、通道、具有通道的计算机系统通常采用主机、通道、I/O设备控制器、设备控制器、I/O设备四级连接方式。设备四级连接方式。 通道结构具有较大的变化和扩展余地，通道结构具有较大的变化和扩展余地， 对较小的系统，可将设备控制器与对较小的系统，可将设备控制器与I/O设备合设备合并在一起，将通道与并在一起，将通道与CPU合并在一起。合并在一起。 对较大的系统，则可单独设置通道。对较大的系统，则可单独设置通道。 对更大的系统，可将通道发展为专门的对更大的系统，可将通道发展为专门的I/O处处理机，甚至更强功能的前端机。理机，甚至更强功能的前端机。2022-4-1983 外

57、设 。 I/O控制器 CPU 主 机 图1-10 大型、中型计算机系统的典型结构 存储器 通道 通道 I/O控制器 I/O控制器 I/O控制器 外设 外设 外设 外设 外设 外设 外设 。 2022-4-19841.51.5 计算机的特点和性能指标计算机的特点和性能指标 1.5.1 1.5.1 计算机的工作特点计算机的工作特点 1. 1. 能自动连续地工作能自动连续地工作 由于计算机采用存储程序工作方式，一旦由于计算机采用存储程序工作方式，一旦输入了编制好的程序，启动计算机后，它就能输入了编制好的程序，启动计算机后，它就能按程序自动地执行下去，直到完成预定的任务按程序自动地执行下去，直到完成预

58、定的任务为止。除非工作本身要求采用人机对话方式，为止。除非工作本身要求采用人机对话方式，一般在运算处理过程中不需要人的直接干预。一般在运算处理过程中不需要人的直接干预。 能自动连续地工作是数字计算机的一个突出特能自动连续地工作是数字计算机的一个突出特点。点。2022-4-1985 2. 2. 运算速度快运算速度快 由于计算机采用高速的电子器件组成硬件，由于计算机采用高速的电子器件组成硬件，能以极高的速度工作。现在普通的微机每秒可能以极高的速度工作。现在普通的微机每秒可执行数十万甚至上亿次加减运算，而巨型机每执行数十万甚至上亿次加减运算，而巨型机每秒可完成数亿、数十亿甚至数万亿次基本运算。秒可完

59、成数亿、数十亿甚至数万亿次基本运算。随着计算机体系结构的发展，更新的技术和更随着计算机体系结构的发展，更新的技术和更高速器件的诞生，计算机将达到更高的速度。高速器件的诞生，计算机将达到更高的速度。2022-4-1986 3. 3. 运算精度高运算精度高 由于计算机采用二进制数字表示数据，因由于计算机采用二进制数字表示数据，因此它的精度主要取决于表示数据的二进制位数，此它的精度主要取决于表示数据的二进制位数，位数越多，精度越高。所以在计算机中不仅有位数越多，精度越高。所以在计算机中不仅有单字长运算，为了获得更高的精度，还可以进单字长运算，为了获得更高的精度，还可以进行双倍字长、多倍字长的运算。行

60、双倍字长、多倍字长的运算。2022-4-1987 4. 4. 具有很强的存储能力和逻辑判断能力具有很强的存储能力和逻辑判断能力 计算机的存储器具有存储大量信息的功能，计算机的存储器具有存储大量信息的功能，这是数字计算机的又一主要特点。计算机的许这是数字计算机的又一主要特点。计算机的许多功能和特点也是由此派生的。由于存储程序，多功能和特点也是由此派生的。由于存储程序，所以能自动连续地工作。存储容量大，可存储所以能自动连续地工作。存储容量大，可存储的信息多，计算机功能就越强，使许多信息处的信息多，计算机功能就越强，使许多信息处理得以实现。理得以实现。 2022-4-1988 5. 5. 通用性强通