计算机科学导论 课件 第3章 计算机系统

第三章

计算机系统目录3.2计算机软件系统3.3计算机性能指标3.4国产计算机与自主可控3.1计算机硬件系统3.1计算机硬件系统冯·诺依曼结构

在计算机发展初期，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼最先提出存储程序的设计思想，并成功将其运用到计算机的设计之中，根据这一原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机。由于对现代计算机技术的发展做出了突出贡献，冯·诺依曼被称为“现代计算机之父”。

冯·诺依曼提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念（StoredProgramConcept），这种结构是所有现代电子计算机的模板，被称为“冯·诺依曼结构”，按这一结构制造的计算机称为存储程序计算机（StoredProgramComputer），又称为通用计算机。3.1计算机硬件系统冯·诺依曼结构运算器：数据加工控制器：指令执行存储器：存储数据输入输出设备：人机交互以运算器为中心的冯·诺依曼结构在计算机的扩展方面有一定的局限性，目前的计算机采用的是面向总线的结构。尽管如此，现代的计算机的组成部件以及基本的计算机工作原理仍然遵从冯·诺依曼结构的设计思想。3.1计算机硬件系统物理部件-CPU

CPU主要包括控制器和运算器两部分，负责计算机系统中的运算、控制和判断等工作，是计算机的核心部件。现代的计算机中加入了一块高速小容量存储器Cache，能够高速的为运算器提供数据，为控制器提供指令。（a）CPU的正面（b）CPU的背面3.1计算机硬件系统物理部件-主存储器又称为内存储器，简称内存，是计算机中的主要部件。内存储器与CPU相连，主要用来存储当前正在使用或随时要使用的程序和数据，是计算机中主要的工作存储器。为了方便安装和使用，目前内存芯片被安装在一个电路板上。内存条3.1计算机硬件系统物理部件-辅助存储器又称外存储器，简称外存，是存放数据的“仓库”。外存储器主要用于存储暂时不用的程序和数据。与主存储器相比，外存储器的特点一是价格便宜、存储信息量大、掉电信息不丢失，但是其存取信息的速度较慢。常用的外存储器3.1计算机硬件系统物理部件-输入设备和输出设备

输入设备和输出设备统称为外部设备，简称I/O设备。输入设备主要功能是向计算机输入各种原始数据和指令；输出设备是把计算机加工处理的结果变换为人或其他设备所能接受或识别的信息形式进行展示。常用的输入设备常用的输出设备3.1计算机硬件系统物理部件-主板

又称为主机板，它是主机中最大的一块电路板，在它上面安装了各种电子零件并且布满了大量的电子线路，其主要作用是为CPU、内存、显卡、声卡、硬盘及光驱等设备提供接入接口，并为各个设备交换数据提供信息传送的通路，是微型计算机硬件系统的灵魂。主板3.1计算机硬件系统物理部件-主板输入/输出接口计算机的外围设备种类非常多，有键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪等，为了这些设备能够方便的接入计算机系统，一般在主板上都有丰富的输入/输出接口，这些接口都位于主板的顶部。主板接口3.1计算机硬件系统物理部件-电源和主机箱

电源又称为开关电源，是一种安装在计算机机箱内的封闭式部件，它的作用是将220V的交流电转换成为计算机部件需要的工作需要的电压。

主机箱用来安装和固定计算机的各个部件，同时也起到电磁屏蔽的作用。电源主机箱3.1计算机硬件系统

配置了中央处理器、存储器、主板、机箱、电源和必要的输入输出设备等物理硬件并经过组装后，就构成了一台完整的计算机硬件系统计算机3.1计算机硬件系统内部结构-存储器

存储器的最小存储单位都是“位”，对应1位二进制数，记做b；为了方便存储和计算，存储器的基本单位是“字节”，对应8位二进制数，记做B。

存储容量是指存储器可以容纳的二进制信息量，是衡量计算机存储能力的重要指标。存储容量通常用字节计量和表示，常用的存储单位有B、KB、MB、GB等。单位对应关系数量级b（bit：位）1b=0或11b=20（100）B（Byte：字节）1B=8b1B=23KB（千字节）1KB=1024B1K=210（103）MB（兆字节）1MB=1024KB1M=220（106）GB（吉字节）1GB=1024MB1G=230（109）TB（太字节）1TB=1024GB1T=240（1012）PB（拍字节）1PB=1024TB1P=250（1015）………………3.1计算机硬件系统内部结构-存储器每个存储器都是由一系列的存储单元构成的，为了对存储设备中的存储单元进行有效的管理，就需要对每个存储单元进行编号，对存储单元进行编号的过程称为“编址”，而存储单元的编号称为存储单元的“地址”。3.1计算机硬件系统内部结构-运算器运算器主要完成数据加工，从内部结构看，主要包含算术逻辑运算单元ALU，暂存器、通用寄存器和条件状态寄存器四个部件。运算器3.1计算机硬件系统内部结构-运算器（1）算术逻辑运算单元：简称为ALU，是运算器的核心部件，其主要功能是对数据进行各种运算。（2）暂存器：在ALU运算时，直接为ALU提供被操作数和操作数的两个存储数据的部件。（3）通用寄存器：是ALU的工作区。运算器进行运算之前，需要将需要参加运算的数据提前调入到运算器中；在运算过程中，运算的中间结果需要暂存。（4）条件状态寄存器：简称PSW，每一次ALU完成算术运算或者逻辑运算后，将本次运算结果的状态记录下来。3.1计算机硬件系统内部结构-控制器

控制器的主要任务就是通过预先编写好的程序指挥整个计算机系统有条不紊地工作，完成程序的执行。控制器3.1计算机硬件系统内部结构-控制器（1）程序计数器PC：保存待执行指令在内存中地址值，在每条指令执行完毕后，PC的值会自动加1操作。（2）地址寄存器AR：在指令执行过程，保存操作数在内存中地址值。（3）指令寄存器IR：保存当前正在执行指令的专用寄存器。（4）指令译码器：对指令寄存器IR中存放的指令译码分析，识别该指令。（5）操作控制器：根据指令译码器识别指令的结果，向计算机中的执行部件发送控制信号，启动部件完成指令要求的动作。3.1计算机硬件系统内部结构-总线（1）内部总线：是指在同一部件内部进行连接的总线，例如运算器内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线。（2）系统总线通常是指在计算机内部不同部件之间进行连接的总线。系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息，因此，系统总线包含三种不同功能的总线，即数据总线、地址总线和控制总线。（3）I/O总线也称为外部总线，是指在I/O接口和I/O设备之间进行连接的总线。3.1计算机硬件系统内部结构-主机主机内部结构图3.2计算机软件系统指令系统计算机能够识别并执行的操作命令称为机器指令，每一条机器指令都能完成一个的独立的基本操作，如算数运算、逻辑运算、存数或取数，一台计算机能够完成的所有指令的集合称为这台计算机的指令系统或指令集。

计算机的指令系统主要有以下几类指令：数据传送指令、算术指令、逻辑指令、移位指令、转移指令、I/O指令、其他指令。计算机的指令系统是硬件和软件之间的接口，是表征一台计算机性能的重要因素。3.2计算机软件系统指令格式

计算执行z=x+y解题步骤和数据如下所示：编号解题步骤和数据说明0取数R0，5将编号5单元的数送到运算器的通用寄存器R01取数R1，6将编号6单元的数送到运算器的通用寄存器R12

加法R0，R1R0的数加R1的数，和送到R03存数7，R0将R0的数（和）送到编号为7的单元4结束

5x被加数6y加数7z相加的和3.2计算机软件系统指令格式每一条指令的的基本格式由两部分构成，即操作码部分和地址码部分。操作码指明计算机需要执行的某种操作，如取数加法、减法、存数等。地址码指出完成操作需要的数据从哪里来，结果送到哪里去，地址码可以是内存单元的地址编号、也可以是通用寄存器的编号。操作码OP地址码A3.2计算机软件系统指令格式

由于计算机中需要采用二进制，需要对操作码进行二进制编码，由于二进制不便于阅读和书写程序，通常用英文单词缩写的两到三个英文字母来表示操作码，称为操作码的指令助记符。编号解题步骤和数据二进制形式指令助记符形式0取数R0，500000101LADR0，51取数R1，600001110LADR1，62

加法R0，R10010001*ADDR0，R13存数7，R001011100STO7，R04结束011*****END5xx（二进制）x6yy（二进制）y7zz（二进制）z指令的二进制和指令助记符3.2计算机软件系统指令周期指令转换成二进制后，还需要由控制器从内存取出指令逐条执行才能完成对应程序的功能，指令周期包括取指周期和执行周期。3.2计算机软件系统指令周期-LAD指令取指周期（1）将程序计数器第一条指令的地址0送到地址总线，选中内存的0单元。（2）从内存0单元的读取LAD指令经过数据总线传送到指令寄存器IR。（3）程序计数器PC的值自加1，为取下一条指令做准备。（4）指令寄存器将LAD指令送指令译码器识别指令。

3.2计算机软件系统指令周期-LAD指令执行周期（1）将指令寄存器IR中的地址码5送到地址寄存器AR。（2）地址寄存器AR将地址码5送地址总线，选中内存的5单元。（3）从内存5单元读取被加数10通过数据总线送到寄存器R0。3.2计算机软件系统指令周期-ADD指令取指周期（1）将程序计数器第一条指令的地址2送到地址总线，选中内存的2单元。（2）从内存2单元的读取ADD指令经过数据总线传送到指令寄存器IR。（3）程序计数器PC的值自加1变为3，为取下一条指令做准备。（4）指令寄存器将ADD指令送指令译码器识别指令。

3.2计算机软件系统指令周期-ADD指令执行周期（1）将寄存器R0的数据10送暂存器X。（2）将寄存器R1的数据20送暂存器Y。（3）ALU完成暂存器X和Y数据的相加，将运算结果状态打入PSW。（4）将和30通过数据总线送寄存器R0。3.2计算机软件系统指令周期-STO指令执行周期3.2计算机软件系统软件分类（1）系统软件：系统软件是指用于控制与协调计算机本身及其I/O设备的一类软件，它相当于构建了一个平台，在这个平台上，可以通过调动硬件资源的方式，满足平台本身及其他应用软件的工作需求。（2）应用软件：应用软件的作用是满足用户针对不同领域、不同问题的应用需求。常见的应用软件有：办公软件、媒体处理软件、统计软件、网络通信软件、即时通信软件等等。3.2计算机软件系统计算机硬件和软件的关系

硬件是计算机完成各项任务的物质基础，具有原子特性；软件是指计算机所需的各种程序及有关资料，是计算机的灵魂。计算机的硬件和软件是计算机系统中互相依存的两大部分：

-硬件和软件互相依存。

-硬件和软件无严格界限。

-硬件和软件协同发展。3.3计算机性能指标运算速度（1）主频：主频又称CPU的工作频率，是指计算机的时钟频率。（2）字长：字长是计算机一次可以处理的二进制数的位数。（3）指令系统的合理性。（4）核心数：核心数就是在一块CPU芯片内封装的物理内核的数量，核心数越高，CPU能够同时并行处理的