第一章计算机系统概论.ppt

1、计算机学院（许先斌） ,计算机组成与结构 本科生课程教学,计算机组成与结构,本课程主要讲授计算机系统的硬件和软件构成方法，包括硬件系统中运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备和总线系统的构成原理等；并与当代先进的计算机技术相结合。是计算机科学与技术本科专业核心课程。 本课程着重计算机系统组成与结构方面的教学和研究。 计算机结构定义为系统程序员所能见到的计算机硬件特性； 计算机组成是指计算机硬件的具体实现。,第一章 计算机系统概论,计算机的语言 计算机的硬件 计算机系统的层次结构 计算机的发展 计算机的应用,1.1 计算机的语言,计算机的语言一般可分为三类：机器语言、 汇编语言和高级语言。

2、一、机器语言 从计算机的发展历史来看，最初在计算机中使用的语言不是高级语言，而是机器语言。 用二进制代码表示的计算机语言称为机器语言， 机器语言可以直接在计算机硬件中执行。,1.1 计算机的语言,二、汇编语言 用助记符编写的语言称为汇编语言，汇编语言需要通过汇编程序翻译成目标程序后才可执行。 例如，实现简单加运算的汇编程序如下： MOV A, 3 MOV B, 5 ADD A, B HALT,1.1 计算机的语言,三、高级语言 用高级语言编写的程序称为源程序。 不同语言的源程序，对应有不同的语言处理程序。 语言处理方式有汇编程序、编译程序、解释程序三种。,1.1 计算机的语言,汇编程序的功能是

3、把汇编语言编写的源程序翻译成机器语言的目标程序，其翻译过程称为汇编。 高级语言的处理程序，按其翻译的方法不同，可分为解释程序与编译程序两大类。 解释程序对源程序的翻译采用边解释、边执行的方法，并不生成目标程序； 编译程序必须先将源程序翻译成目标程序后，才能开始执行。,1.1 计算机的语言,因此，计算机与语言有着密切的联系。 可以将计算机解题的过程归结为： 程序员编写源程序 将程序输入计算机，并由编译程序编译成目标代码 由硬件装置运行程序，并输出结果,1.2 计算机的硬件,实际应用的计算机系统是由计算机硬件系统、计算机软件系统及通讯网络系统组成的一个整体系统。 一台完整的计算机系统包括硬件系统和

4、软件系统，如下图所示。,1.2 计算机的硬件,1.2 计算机的硬件,计算机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合。 一、计算机硬件结构 1、冯.诺伊曼（Von.Neumann）结构 我们先从怎样用算盘算题研究，如用纸、笔、和算盘来计算93155？，完成这一套运算必须具有： 运算装置算盘 存题目、计算步骤、中间结果和最后结果的装置纸张 进行控制的装置脑、手,1.2 计算机的硬件,那么计算机要能自动计算，也必须具备与其相似的几个装置：运算器、存储器、控制器；除此之外，还有输入设备、输出设备，它与人机之间起着桥梁作用。 所以，计算机可由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等五个部分组成，这

5、就是著名的Von.Neumann结构。如下图所示。,1.2 计算机的硬件,I/O,MEM,ALU,CU,I/O,1.2 计算机的硬件,在Von.Neumann结构中，存在着两股信息流：控制信息流和数据信息流。 控制信息流：把操作者的意图和命令及时地传给执行部件，使之有节奏地启动机器工作或完成后停机。 数据信息流：把待运算的内容传送到指定的处所加工，并把结果送到指定的存储地点。 两股信息流都来源于内存储器，出来后工控制信息流送到控制器并受控制器的调度，数据信息流则进入运算器，并在运算器按控制器发来的命令进行加工运算。,1.2 计算机的硬件,为适应信息流在各部件的顺畅流通，Von.Neumann结

6、构中设计了三种类型的信息流通通路（即三种类型的总线）：地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB。 CPU发出的控制命令经控制总线CB送I/O、MEM，控制其指定的操作；同时CPU经地址总线AB向MEM、I/O设备发送地址，并经数据总线DB传送数据，使之协调控工作。 总线是计算机内部信息流通的一个通路，物理上的一组并行的导线，其数目与计算机字长有关。,1.2 计算机的硬件,2、以CPU为中心的双总线结构 特点：具有I/O总线和存储总线，以CPU为中心，处理效率高。因存取数据时必须通过运算器，从而影响了运算器的工作效率。,1.2 计算机的硬件,3、以MEM为中心的双总线结构 特点：具有I/O总线和

7、存储总线，以MEM为中心，数据处理效率高。,1.2 计算机的硬件,4、单总线结构 特点：所有的设备都联接同一总线上，结构简单，增减设备容易。大多数微机都采用这种结构。,1.2 计算机的硬件,1.2 计算机的硬件,二、计算机硬件部件,ALU,1.2 计算机的硬件,1、运算器 组成：由累加器A，通用寄存器B和算术逻辑单元ALU组成。 功能：完成算术运算和逻辑运算。 累加器A(Accumulator):存放历次累加和的一个寄存器。（即首先在A里存放一个二进制数，当它接受另一二进制数时，在接受过程中相加，最后A里存放和，通常用触发器来实现这一功能。） 通用寄存器B:用于存放参加运算的另一个操作数。 算

8、术逻辑单元ALU：一种执行算术运算和逻辑运算的装置，由加法器和控制门组成。,1.2 计算机的硬件,2、存储器 定义：计算机中用于完成记忆功能的设备叫做存储器MEM。 功能：存储器具有按给定地址进行写入/读出信息，并能长期保存信息的功能。 字的概念：存入存储器的信息（一串二进制代码）叫做字。 字的分类：存储器中的字基本上可分为两类：一类时指令（即指令字）；另一类是操作数（即数据字）。,1.2 计算机的硬件,3、控制器 控制器由三大部件组成：指令部件、时序部件和控制部件 指令部件： 程序计数器PC(Procedure Count)：存放现行指令地址，通常还决定下一条指令地址，其方法是将现行指令地址

9、加1。 指令寄存器IR(Instruction Register):存放正在执行的指令。 指令译码器ID(Instruction Decoder):将指令的操作码译成相应的控制信号去控制相应的电路。,1.2 计算机的硬件,时序部件：包括时钟源、节拍发生器及微操作电路。 控制部件：由各控制电路组成。 4、I/O设备 输入设备的任务：能将计算程序、原始数据及某些字符以计算机能识别的形式送到机器中，供机器自动计算用。 输出设备的任务：能将计算机的工作结果或回答信号以人能识别的各种形式表达出来。 复合I/O设备：既能作为输入又能作为输出的设备。,1.2 计算机的硬件,三、计算机的性能指标 要了解一台计

10、算机的综合性能可以从以下几方面来衡量： 1.CPU: 主频：主频是一个主要性能指标，很大程度上决定了计算机的运算速度，单位是MHZ。 字长：字长标志着机器的计算精度。 运算速度：用“每秒钟计算次数”来衡量，也可以用“每秒钟执行指令的数量”来衡量。,1.2 计算机的硬件,运算方式：串行运算，并行运算。 指令系统：根据指令功能齐全程度来衡量。 中断系统：单重中断，多重中断。 2.MEM 存储周期：用存储器从接收到读写命令开始，到完成读写操作需要的时间来衡量；它反映了存储器的速度，也直接决定CPU的运算速度。 存储容量：存储器所能存放的最大信息量，一般以字节为单位。如，1024B即1KB、MB、GB

11、、TB等。,1.2 计算机的硬件,3.I/O 基本外设：机器能配套工作的必须设备。 允许配置的最大外设量：能够配置的最大外设数量。 4.Software 能够配备软件功能齐全程度，如操作系统的数量，在各种操作系统下可支持的语言，应用软件的兼容性。,1.3 计算机系统的层次结构,现代计算机不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计，如下图所示。,1.3 计算机系统的层次结构,1.3 计算机系统的层次结构,第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微令。 第二级是操作系统级，它由操作系统程序实现

12、。 第三级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。 第四级是高级语言级，这是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的 。,1.3 计算机系统的层次结构,在多级层次结构中,将除硬件系统(第一层和二级层)之外的上面三级层次称为虚拟机。所谓虚拟计算机是指这个计算机只对该级的观察者存在。对某一层次的观察者来说，他只能是通过该层次的语言来了解和使用计算机，至于下层是如何工作和实现的就不必关心了。简而言之，虚拟计算机即是由软件实现的机器。 层次之间的关系紧密，上层是下层功能的扩展，下层是上层的基础，层次划分不是绝对的。,1.4 计算机的发展,基

13、本定义：电子计算机是一种自动、高速、精确地完成各式各样信息存储、数字逻辑（模拟）计算和控制功能地电子机器。 基本功能：数字计算、逻辑运算、模拟运算等功能。 物质基础：电子器件。,1.4 计算机的发展,一、计算机硬件的发展 1. 1642年Bascale(Pascal)创造了第一台加减运算器，用于法国税收控制，取得了很大的成绩。为纪念他，有一种编译语言就是以Pascal命名的。 1694年Leibuliz创造了完整的四则运算器。 这以阶段共同特点是：机器的每一步运算都要人工控制。 19世纪20年代Babbage提出了自动计算机的设想。 1889年Halleritn提出了用卡片来存储指令和数据的原

14、理，研制了卡片机。,1.4 计算机的发展,2. 20世纪初IBM和Bell公司研制了许多继电器式的计算机。 3. 1946年美国宾夕法尼亚大学研制了第一台由程序控制的电子数字计算机ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator，它采用了18800个电子管，7000个电阻，10000个电容，1500个继电器；重36吨，长30米，宽1米，高3米；加法运算速度5000次/秒,乘法运算速度500次/秒） 主要缺点:(1)存储容量小，只能存储20个字长为10位的十进制数；（2）用线路连接编程，每次解题都要人工改接线，准备时间超出运算时间。,1.

15、4 计算机的发展,1.4 计算机的发展,4. 1949年Von.neumann与莫尔小组研制了EDVAC系统。 主要特点：（1）由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成；（2）采用存储程序方式；（3）采用二进制；（4）指令由操作码和地址组成，按顺序存放在存储器中，由PC指明所在单元的地址；（5）机器以运算器为中心，I/O设备及MEM间的数据都通过运算器。 5. 电子器件的发展：,1.4 计算机的发展,第一代计算机(19461957)-电子管时代。 主要特点:电子管作为开关元件；使用机器语言；可以存储信息；输入输出慢。 第二代计算机(19581964)-晶体管时代。 主要特点:晶体

16、管代替电子管；采用磁心存储器；汇编语言取代机器语言。 第三代计算机(19651971)-中小规模集成电路时代。 主要特点:集成电路取代晶体管；采用半导体存储器；使用了操作系统等。,1.4 计算机的发展,第四代计算机(1972至今)-超大规模集成电路时代 主要特点:采用集成度很高的电路；出现了微处理器等。 第五代计算机（目前）-新一代计算机 总之，计算机硬件的发展包括两个方面： 硬设备：看得见的硬件和设备，如板、卡、盘、打印机等 硬结构：联系各硬件的方案，如Von.Neumann结构。,1.4 计算机的发展,二、计算机软件的发展 1. 裸机：没有软件的机器，早期的计算机属于这种。 2. 软件及发

17、展 软件（程序系统）：把能按人的思维进行操作的各种程序称为软件系统或程序系统。 软件发展： 机器语言：由0、1各种不同的代码排列而成，且机器内部有相应电路执行其代码的各种操作。 手编程序：由人工直接用机器语言按照指令表编写的目的程序。,1.4 计算机的发展,汇编语言：用约定的文字符合、数字按规定的格式来表示不同的指令以编制程序。 汇编程序：把汇编语言变成机器能懂的语言的一种“翻译程序”。 编译语言：高级语言有很多种，如ALGOL、FORTRAN、COBOL、BASIC、PASCAL、C、ADA等。 编译程序：把编译语言变成机器能够识别的一种“翻译程序” 总之，软件的发展包括： 机器语言（手编程

18、序）、汇编语言（汇编程序）、编译语言（编译程序）三个阶段以及函数型语言、逻辑型语言等新的分支。,1.4 计算机的发展,三、计算机的发展趋向 1. 研制高速度、强功能的巨型机； 2. 发展微型机及微处理器； 3. 发展计算机网络工程； 4. 发展软件应用工程。,1.4 计算机的发展,四、国外计算机发展 1938年Konrad Zuse建成了第一台二进制的机电式通用计算机Z-1; 1943年Alan Turing等建成了一台真空管计算机; 1945年J.W.Mauchley教授等建成了ENIAC; 1947年由IBM公司和哈佛大学共同研制成自动机电式哈佛Mark-I计算机; 1948年曼彻斯特Ma

19、rk-I成为第一台存储程序的数字计算机; 1952年EDVAC研制成功; 1952年IBM研制成第一台军用的存储程序电子计算机IBM701; 1954年Univac1103A成为第一台商用计算机开发成功;,1.4 计算机的发展,1956年采用晶体管的Univac商用计算机开发成功; 1960年DEC公司11月研制成PDP-1,第一台具有显示器和键盘的商用计算机; 1961年IBM研制成7030,号称超级计算机; 1962年英国研制成Atlas计算机,首次采用了虚拟存储器和流水操作; 1964年IBM宣布研制成System/360; 1964年CDC6600研制成功,第一台商用超级计算机; 19

20、65年DEC推出PDP-8,采用晶体管线路; 1968年Seymour Cray设计成功CDC7600超级计算机,40MFLOPS; 1971年Intel推出第一个微处理器芯片4004;,1.4 计算机的发展,1972年DEC推出PDP-11; 1975年第一台微型机Altair8800研制成功; 1976年Cray-1研制成功,第一台向量结构超级计算机; 1977年Tony和Commodore推出商品微机; 1980年Apollo公司研制出第一台工程工作站; 1981年IBM推出PC机; 1982年Cray X-MP推出,将两台Cray-1链接在一起; 1982年日本强调“第五代”计算机项目; 1985年Cray-2和Connection Machine 研制成功,性能均达每秒十亿次运算; 1989