计算机组成 2

1、1计算机基础计算机基础 计算机的产生（现代史）计算机的产生（现代史） 1945年年, 美国数学家冯美国数学家冯.诺依曼博士发表诺依曼博士发表电子计算工电子计算工具逻辑设计具逻辑设计论文，提出二进制表达方式和存储程序论文，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。控制计算机构想。 1946年年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC。重。重28吨，耗电吨，耗电150kW，占地，占地170平米，用电平米，用电子管子管18800个，每秒个，每秒5000次加法。次加法。ENIAC (1946)掌上电脑掌上电脑(2000)2计算机基础计算机基础

2、电子计算机的发展简史电子计算机的发展简史 第一代第一代 电子管时代电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 第二代第二代 晶体管时代晶体管时代(1959-1963) 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 第三代第三代 中小规模集成电路时代中小规模集成电路时代(1964-1979) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒秒 第四代第四代 大规模集成电路时代大规模集成电路时代(1979至今至今) 向大型机和微型机两个方向发展向大型机

3、和微型机两个方向发展 现代计算机发展方向现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 根据摩尔定律集成电路大体上每根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番，今后可再个月翻一番，今后可再用用10年。年。3 计算机基础计算机基础 计算机的六大分类（计算机的六大分类（1） 巨型机巨型机 世界几家公司生产，最快世界几家公司生产，最快1.4万亿次，万亿次，9千个千个CPU组组成。成。Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河国产银河I, 银河银河II, 银河银河III。 小巨型机小巨型机 功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速。功能

4、同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速。美国美国Convex公司的公司的C系列机为其代表产品。系列机为其代表产品。 大型机大型机 大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调度主机资源。代表产品有调度主机资源。代表产品有IBM360，370，4300等。等。4 计算机基础计算机基础 计算机的六大分类（2） 小型机小型机 可以满足部门性的需求，供小型企事业单位可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用，典型产品有使用，典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列系列 工作站工作站 用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助用于特殊的专业领域，例如

5、图象处理和辅助设计等。设计等。 典型产品有典型产品有HP-APOLLO，SUN工工作站等。作站等。 微型机微型机 个人或家庭使用，个人或家庭使用，PC机机/个人计算机，价格个人计算机，价格低廉低廉5 计算机基础计算机基础 计算机的应用领域 科学研究计算科学研究计算 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算 过程控制过程控制 机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制 辅助设计辅助设计/分析分析/制造制造/教学教学 机械机械CAD，建筑，建筑CAD，CAE，CAM，CAI 数据处理数据处理 数据库管理，企业

6、信息管理，统计汇总、办公自动数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化化 智能模拟智能模拟 人工智能、专家系统、自学习人工智能、专家系统、自学习6 计算机基础计算机基础 冯冯.诺依曼机具有如下基本特点诺依曼机具有如下基本特点 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。设备五部分组成。 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改。由指令组成的程序可以修改。 数据以二进制码表示。数据以二进制码表示。 指令由操作码和地址码组成。指令由操作码和地址码组成。

7、 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序替增。要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序替增。 机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器7 计算机基础计算机基础 冯冯.诺依曼计算机的工作原理可概述为：诺依曼计算机的工作原理可概述为： “存储程序存储程序” + “程序控制程序控制” 要点：要点： 1以二进制表示数据和指令以二进制表示数据和指令(程序程序) 2. 先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行 CPU8总线结构

8、的冯总线结构的冯.诺依曼计算机结构框图诺依曼计算机结构框图系统总线：包括地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）9二、计算机硬件系统（五大部件）二、计算机硬件系统（五大部件）1、存储器 （内存）功能：存放指令和数据。操作： 存储器读操作：从存储器取出数据，又称为读出。 存储器写操作：向存储器存放数据，又称为写入；概念： 存储单元：存储二进制信息的部件，每个单元可以存放一个字或字节的信息，存储器就是存储单元的集合。 单元地址：存储单元的编号，是区分存储器中不同存储单元的唯一标志。种类：RAM和ROM辅助存储器：10计算机硬件系统计算机硬件系统 2、运算器 功能：在控制器控制下，进行算

9、术运算和逻辑运算。 运算器的技术性能高低直接影响着计算机的运算速度和整机性能。 3、控制器 功能：对当前指令进行译码分析其所需要完成的操作，产生并发送各部件所需要的控制信号，从而使整个计算机自动、协调地工作。 控制器是计算机的控制指挥部件，也是整个计算机的控制中心。11计算机硬件系统计算机硬件系统 4、输入设备 功能：将外界的信息转换为计算机能识别的二进制代码。输入设备是给计算机输入信息的设备。 5、输出设备 功能：将计算机处理结果转换成人们或其他设备所能接收的形式。12计算机程序计算机程序 计算机程序的运行计算机程序的运行 一个一个CPU能执行什么操作，是工程人员设计和能执行什么操作，是工程

10、人员设计和制造时安排好的制造时安排好的,是固定的，用户不能改变。是固定的，用户不能改变。 程序程序 是用户在使用计算机时，为要解决的问题，是用户在使用计算机时，为要解决的问题，用一条条指令编写的指令序列。用一条条指令编写的指令序列。 构成程序的指令在存储器中一般都是顺序存构成程序的指令在存储器中一般都是顺序存放，放， 要破坏这种顺序性，必须由转移指令操作。要破坏这种顺序性，必须由转移指令操作。 13计算机程序计算机程序 计算机程序的运行计算机程序的运行 指令指令 是是CPU能执行的一个基本操作。能执行的一个基本操作。 如：取数、加、减、乘、除、存数如：取数、加、减、乘、除、存数 等等 计算机能

11、够执行的各种不同类型指令的总和称为该机计算机能够执行的各种不同类型指令的总和称为该机的指令系统。的指令系统。 指令系统决定了计算机的功能。指令越多，计算机功能越强，指令系统决定了计算机的功能。指令越多，计算机功能越强，线路也就越复杂。以下是几类基本指令：线路也就越复杂。以下是几类基本指令： 数据传送指令数据传送指令 算术运算指令算术运算指令 逻辑运算指令逻辑运算指令 程序控制指令程序控制指令 输入输入/输出指令输出指令 其他指令其他指令14计算机程序计算机程序 计算机指令的执行计算机指令的执行一条指令的执行分两个阶段：指令周期和执行周期一条指令的执行分两个阶段：指令周期和执行周期 指令周期由从

12、主存取指令和控制单元解释指令组成。指令周期由从主存取指令和控制单元解释指令组成。（1）从主存单元取指令，并暂时存入控制单元的寄存器）从主存单元取指令，并暂时存入控制单元的寄存器（2）指令由控制单元的线路解释，这包括用专门的译码）指令由控制单元的线路解释，这包括用专门的译码线路对指令的操作码和操作数进行译码线路对指令的操作码和操作数进行译码（3）控制单元在）控制单元在CPU内准备电子线路，以执行所需要的内准备电子线路，以执行所需要的操作。操作。 执行周期执行经解释后的指令指定的操作。执行周期执行经解释后的指令指定的操作。（1）将要处理的数据从内存单元中取到，并暂时存入算）将要处理的数据从内存单元

13、中取到，并暂时存入算术术-逻辑单元的存储寄存器内。逻辑单元的存储寄存器内。（2）由指令指定的操作执行）由指令指定的操作执行（3）将指令执行的结果存入主存储器。）将指令执行的结果存入主存储器。15计算机程序计算机程序计算机中的数据处理过程：机器指令和机器周期计算机中的数据处理过程：机器指令和机器周期 机器指令：1、取机器指令、取机器指令2、指令翻译、指令翻译3、把指令放到寄存器中、把指令放到寄存器中4、把地址放到寄存器中、把地址放到寄存器中5、把数据从内存、把数据从内存中取到寄存器中中取到寄存器中6、命令、命令ALU执行相应的操作执行相应的操作7、ALU执行操作执行操作8、把结果送到累加器中、把

14、结果送到累加器中指令周期指令周期执行周期执行周期16计算机软件计算机软件 软件分为两类：软件分为两类： 系统软件：管理与支持计算机系统资源及操作的程序，系统软件：管理与支持计算机系统资源及操作的程序，是计算机硬件和应用程序之间重要的软件接口。是计算机硬件和应用程序之间重要的软件接口。 应用软件：综合用户信息处理需求的、直接处理特定应用软件：综合用户信息处理需求的、直接处理特定应用的程序。应用的程序。 软件发展趋势：软件发展趋势： 程序设计语言向对话式、自然语言方向发展程序设计语言向对话式、自然语言方向发展 向更容易使用的多目标应用软件包发展向更容易使用的多目标应用软件包发展17 计算机软件计算

15、机软件 分类：分类： 系统管理程序：系统管理程序： 用于管理计算机系统的硬件、软件和数据资源。包括操作系统、用于管理计算机系统的硬件、软件和数据资源。包括操作系统、数据库管理程序、通信管理程序。数据库管理程序、通信管理程序。 系统支持程序：系统支持程序： 通过提供各种支持服务，以支持计算机系统的操作和管理。包通过提供各种支持服务，以支持计算机系统的操作和管理。包括系统实用程序、安全管理器等。括系统实用程序、安全管理器等。 系统开发程序：系统开发程序： 帮助用户开发信息系统的应用程序。包括各种语言编译器、开帮助用户开发信息系统的应用程序。包括各种语言编译器、开发工具、辅助软件工程包等。发工具、辅

16、助软件工程包等。18计算机软件计算机软件 操作系统操作系统 是一台计算机最基本、最重要的软件包，它控制是一台计算机最基本、最重要的软件包，它控制CPU的操作，控制计算机系统的输入的操作，控制计算机系统的输入/输出，资源的分配，输出，资源的分配，为应用程序提供各种服务与接口。为应用程序提供各种服务与接口。 五大功能：五大功能： 用户界面用户界面 资源管理资源管理 任务管理任务管理 文件管理文件管理 实用程序与支持服务实用程序与支持服务 操作系统分类：操作系统分类： 批处理批处理OS、分时、分时OS、实时、实时OS。19操作系统操作系统 Operating System用户接口用户接口 User

17、Interface资源管理资源管理支持服务支持服务文件管理文件管理任务管理任务管理 Resources Task Document Support Management Management Management service计算机软件计算机软件20计算机软件计算机软件 DOS 曾经是曾经是PC机上最常用的操作系统，以简单、可靠赢得机上最常用的操作系统，以简单、可靠赢得了广大用户的青睐。但由于未能紧跟计算机硬件技术了广大用户的青睐。但由于未能紧跟计算机硬件技术的发展，最终退出了历史舞台。的发展，最终退出了历史舞台。 Windows3X 是是PC机上最为成功的机上最为成功的DOS扩展器，它在扩

18、展器，它在DOS的基础上的基础上改进了用户接口、内存管理和设备管理，增加了对多改进了用户接口、内存管理和设备管理，增加了对多媒体的支持，实现了图形用户界面，为媒体的支持，实现了图形用户界面，为PC机操作系统机操作系统的进一步发展打下了基础。的进一步发展打下了基础。21 计算机软件计算机软件 Windows98 是一个全新的是一个全新的32位位PC机操作系统，它充分利用了机操作系统，它充分利用了PC硬件技术发展的新成果，在支持原有硬件技术发展的新成果，在支持原有16位应用的基础位应用的基础上，把上，把PC操作系统技术向前推进了一大步。操作系统技术向前推进了一大步。 UNIX系统系统 经过经过20

19、多年的锤炼，以高可靠性、高效率和强大的多年的锤炼，以高可靠性、高效率和强大的TCP/IP支持、支持并行处理和多处理器和独有的支持、支持并行处理和多处理器和独有的64位位计算使其成为企业级应用的首选。计算使其成为企业级应用的首选。 作为作为UNIX风格的操风格的操作系统。作系统。22计算机软件计算机软件 LINUX 秉承了秉承了UNIX系统的优秀特性，以可靠、高效和近乎为系统的优秀特性，以可靠、高效和近乎为零的使用成本而成为一种重要的操作系统。零的使用成本而成为一种重要的操作系统。 MacOS 麦金塔电脑专用之操作系统，支持网络与多工操作，麦金塔电脑专用之操作系统，支持网络与多工操作，特长为多媒

20、体资料处理，支持特长为多媒体资料处理，支持Internet网络的连接与在网络的连接与在线出版。线出版。23计算机软件计算机软件 Windows NT（Windows 2000） 继承了微软公司继承了微软公司Windows系列操作系统的优良特性，系列操作系统的优良特性，是一种可移植性好，支持多种硬件平台，功能强大，是一种可移植性好，支持多种硬件平台，功能强大，可靠性好、灵活性高的企业级操作系统。它采用了先可靠性好、灵活性高的企业级操作系统。它采用了先进的操作系统技术，如虚存管理、优先权多任务、结进的操作系统技术，如虚存管理、优先权多任务、结构化异常处理和操作系统对象等，支持对称式多处理构化异常处

21、理和操作系统对象等，支持对称式多处理器，提供了器，提供了Windows图形用户界面，兼容图形用户界面，兼容WIN32程序、程序、16 Windows程序、程序、MS-DOS程序、程序、POSIX程序和程序和OS/2程序等。程序等。Windows NT以其灵活、强大的功能和以其灵活、强大的功能和稳定可靠的性能成为了目前最为重要的操作系统之一稳定可靠的性能成为了目前最为重要的操作系统之一24 计算机软件计算机软件 其他系统管理软件其他系统管理软件 数据库管理系统（数据库管理系统（DBMS） Oracle Sybase MS SQL server 通信管理器通信管理器 系统支持程序系统支持程序25计算机软件计算机软件 程序设计语言程序设计语言: 机器语言。特点：机器语言。特点： 采用二进制代码采用二进制代码 指令随机器而异指令随机器而异 效率高，执行速度快效率高，执行速度快 编程繁琐，工作量大，不直观编程繁琐，工作量大，不直观 汇编语言汇编语言 高级语言。优点：高级语言。优点： 更接近自然语言，一般采用英语表达，便于理解、记更接近自然语言，一般采用英语表达，便于理解、记忆、掌握。忆、掌握。 高级语言编写的程序短小，易于编写、调试。高级语言编写的程序短小，易于编写、调试。 可移植性强。可移植性强。26计算机软