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第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.1计算机的计算机的分类分类1.2计算机算机发展展简史史1.3计算机的硬件计算机的硬件1.4计算机的软件计算机的软件1.5计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构6/18/202411.1计算机的计算机的分类分类一、一、电子计算机从总体上分为两大类。电子计算机从总体上分为两大类。l电子模拟计算机。电子模拟计算机。l“模拟模拟”就是相似的意思。模拟计算机的特点是数值就是相似的意思。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。由连续量来表示，运算过程也是连续的。l电子数字计算机。电子数字计算机。l它是在算盘的基础上发展起来的，是用数字来表示数它是在算盘的基础上发展起来的，是用数字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。不连续地跳动计算。6/18/202421.1计算机的计算机的分类分类数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0/1电压计算方式数字计数电压组合和测量值控制方式程序控制盘上连线精度高低数据存储量大小逻辑判断能力强无数字计算机与模拟计算机的主要区别数字计算机与模拟计算机的主要区别6/18/202431.1计算机的计算机的分类分类二、数字计算机分类二、数字计算机分类 数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类：运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类：l专用计算机专用计算机l专用机是最有效、最经济和最快速的计算机；针对专用机是最有效、最经济和最快速的计算机；针对某一任务设计（测试、控制），适应性差。某一任务设计（测试、控制），适应性差。l通用计算机通用计算机l通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度（服务器、（服务器、PC机）。机）。6/18/202441.1计算机的计算机的分类分类三、通用计算机分类三、通用计算机分类 通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为：价格等可以分为：l超级计算机超级计算机l大型机大型机l服务器服务器l工作站工作站l微型机微型机l单片机单片机6/18/202451.1计算机的计算机的分类分类四、计算机的应用四、计算机的应用 计算机之所以迅速发展计算机之所以迅速发展,其生命力在于它的广其生命力在于它的广泛应用并协助人类取得了辉煌的成就。计算机的泛应用并协助人类取得了辉煌的成就。计算机的应用范围几乎涉及人类社会的所有领域。应用范围几乎涉及人类社会的所有领域。l科学计算科学计算l自动控制和测量自动控制和测量 l信息处理信息处理l教育和卫生教育和卫生 l家用电器家用电器 l人工智能人工智能6/18/202461.2计算机算机发展展简史史一、计算机的五代变化一、计算机的五代变化l第一代为第一代为19461957年，电子管计算机：年，电子管计算机：数据处数据处理理l第二代为第二代为19581964年，晶体管计算机：年，晶体管计算机：工业控工业控制制l第三代为第三代为19651971年，中小规模集成电路计算年，中小规模集成电路计算机：机：小型计算机小型计算机l第四代为第四代为19721990年，大规模和超大规模集成年，大规模和超大规模集成电路计算机：电路计算机：微型计算机微型计算机l第五代为第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机单片机6/18/20247 第一台电子计算机（ENIAC）5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170M218,800只电子管只电子管1500个继电器个继电器耗电耗电150KW6/18/202481.2计算机算机发展展简史史二、半导体存储器的发展二、半导体存储器的发展l2020世纪世纪50506060年代，所有计算机存储器都是由微年代，所有计算机存储器都是由微小的小的铁磁体环做成铁磁体环做成l19701970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量量半导体存储器半导体存储器l从从19701970年起，半导体存储器经历了年起，半导体存储器经历了1212代：单个芯代：单个芯片片1KB1KB、4KB4KB、16KB16KB、64KB64KB、256KB256KB、1MB1MB、4MB4MB、16MB16MB、64MB64MB、256MB256MB、GBGB、TBTB。l其中其中1K=21K=21010,1M=2,1M=22020,1G=2,1G=23030,1T=2T=240406/18/202491.2计算机算机发展展简史史三、微处理器的发展l第第1代：代：4位和低档位和低档8位微机位微机l400480088080l第第2代：代：中高档中高档8位微机位微机lZ80、I8085、M6800，Apple-II微机微机l第第3代代：16位微机位微机l8086808880286，IBM PC系列机系列机6/18/2024101.2计算机算机发展展简史史三、微处理器的发展三、微处理器的发展l第第4代代：32位微机位微机l8038680486PentiumPentium II Pentium III Pentium 4l32位位PC机、机、Macintosh机、机、PS/2机机l第第5代代：64位微机位微机lItanium、64位位RISC微处理器芯片微处理器芯片l微机服务器、工程工作站、图形工作站微机服务器、工程工作站、图形工作站6/18/202411IBM PCIBM PC系列机系列机8088CPUIBM PC机机IBM PC/AT机机IBM PC/XT机机6/18/2024121.2计算机算机发展展简史史四、四、计算机的性能指标计算机的性能指标 l吞吐量：吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节理的信息量，单位是字节/秒（秒（B/S）l响应时间：响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微秒（时间度量，用时间单位来度量，例如微秒（10-6S）、纳秒（）、纳秒（10-9S）。）。l利用率：利用率：表示在给定的时间间隔内，系统被实际使表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。用的时间所占的比率，一般用百分比表示。l处理机字长：处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有制数运算的位数。当前处理机的字长有8位、位、16位、位、32位、位、64位。字长越长，表示计算的精度越高。位。字长越长，表示计算的精度越高。l总线宽度：总线宽度：一般指一般指CPU中运算器与存储器之间进行中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。互连的内部总线二进制位数。6/18/2024141.2计算机算机发展展简史史四、四、计算机的性能指标计算机的性能指标 l存储器容量：存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常存储器中所有存储单元的总数目，通常用用KB、MB、GB、TB来表示。来表示。l存储器带宽：存储器带宽：存储器的速度指标，单位时间内从存储存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示秒表示l主频：主频：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫）叫CPU的主的主频。度量单位是频。度量单位是MHz（兆赫兹）、（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。（吉赫兹）。例如例如Pentium系列机为系列机为60MHz266MHz，而，而Pentium 4升至升至3.6GHz。l时钟周期：时钟周期：主频的倒数称为主频的倒数称为CPU时钟周期（时钟周期（T），即），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。，度量单位是微秒、纳秒。6/18/202415运运 算算 器器控控 制制 器器主存储器主存储器输入设备输入设备输出设备输出设备总总线线 和和 输输入入输输出出接接口口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟存储器(磁盘设备磁盘设备)（第二章第二章）（第五章第五章）（第第三三章章）（第六章第六章）（第第七七、八八章章）中央处理单元中央处理单元CPU1.3计算机的硬件计算机的硬件6/18/2024161.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.11.3.1硬件组成要素硬件组成要素一、硬件组成要素一、硬件组成要素通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理。成和工作原理。l假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算要求我们计算y=y=ax+b-cax+b-c这样一个题目。这样一个题目。l解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。6/18/202417手工模仿计算机工作（手工模仿计算机工作（1）6/18/2024181.3计算机的硬件计算机的硬件二、数字计算机基本组成二、数字计算机基本组成l控制器控制器：操作控制功能，人的大脑：操作控制功能，人的大脑l运算器运算器：计算功能，算盘：计算功能，算盘l存储器存储器：保存或记忆功能，纸：保存或记忆功能，纸l输入设备输入设备：交互接口，笔：交互接口，笔l输出设备输出设备：交互接口，纸：交互接口，纸6/18/2024191.3计算机的硬件计算机的硬件三、冯三、冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机 l存储程序存储程序l按地址自动执行按地址自动执行 l五大部件：包括五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备入设备、输出设备l以运算器为中心以运算器为中心6/18/2024201.3计算机的硬件计算机的硬件冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机6/18/2024211.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.2 运算器运算器l算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算l在计算机中参与运算的在计算机中参与运算的数是二进制的数是二进制的l运算器的长度一般是运算器的长度一般是8 8、1616、3232或或6464位位6/18/2024221.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.3 存储器存储器l存储数据和程序（指令）存储数据和程序（指令）l容量（存储单元、存储单元地址、存储容量）容量（存储单元、存储单元地址、存储容量）l分类内存（分类内存（ROMROM、RAMRAM）、外存）、外存l存储器单位：存储器单位：l210 byte1Kl210 K1Ml210 M1Gl210 G1T6/18/2024231.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.4 控制器控制器l1、计算程序、计算程序l指令：一个基本操作指令：一个基本操作l计算程序：整个解题步骤计算程序：整个解题步骤6/18/202424表示参加运算的数据从存储器的哪个单元取运算的结果应存到哪个单元2、指令的格式、指令的格式指令指令有两部分：操作的性质和操作的地址有两部分：操作的性质和操作的地址操作码操作码地址码地址码指出指令所进行的操作加、减、乘、除、取数、存数等 1.3计算机的硬件计算机的硬件6/18/2024251.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.4 控制器控制器l3、控制器的基本任务：、控制器的基本任务：l按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。l取指周期，执行周期取指周期，执行周期6/18/2024261.3计算机的硬件计算机的硬件4、指令流和数据流、指令流和数据流l指令字，数据字指令字，数据字l控制器完全如何区分开控制器完全如何区分开哪些是指令字，哪些是数哪些是指令字，哪些是数据字据字?l时间上和空间上时间上和空间上：取指周期中从内存读出的信息流是取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读指令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。6/18/2024271.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.5 1.3.5 适配器与适配器与I/OI/O设备设备l输入设备输入设备：l把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式二进制信息形式l输出设备输出设备：l把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式信息形式l适配器适配器：l它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作主机和外围设备并行协调地工作l总线总线：l构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。共通路。6/18/2024281.4计算机的软件计算机的软件软件分类软件分类操作系统操作系统 语言处理程序语言处理程序服务性程序服务性程序应用软件应用软件办公软件包办公软件包数据库管理系统数据库管理系统工程设计工程设计自动控制软件自动控制软件诊断、排错程序诊断、排错程序反病毒程序反病毒程序备份程序备份程序文件压缩程序文件压缩程序卸载程序卸载程序图形图像处理软件图形图像处理软件其它应用软件其它应用软件系统软件系统软件l1.4.1 软件的组成和分类软件的组成和分类l系统软件，应用软件系统软件，应用软件6/18/2024291.4计算机的软件计算机的软件1.4.2 软件的发展演变软件的发展演变l编程语言的发展编程语言的发展手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编高级程序：算法语言高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序高级语言，机器编译程序/解释程解释程序序l系统软件的发展系统软件的发展操作系统：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作操作系统：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统系统、网络操作系统数据库管理系统：数据库管理系统：FOXPRO、SQL、ORACLE6/18/2024301.5计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.5.1 多级计算机系统多级计算机系统 计算机是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。计算机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，如图所示。计，如图所示。6/18/2024311.5计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.5.2 软件与硬件逻辑等价性软件与硬件逻辑等价性l任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现l任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。l设计计算机系统时，应考虑各个方面的因素：价格、速度、设计计算机系统时，应考虑各个方面的因素：价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期可靠性、存储容量、变更周期l固件的概念（功能上是软件，形态上是硬件）固件的概念（功能上是软件，形态上是硬件）返回6/18/202432第一章小结第一章小结l计算机系统的计算机系统的 基本概念基本概念l构成：硬件和软件构成：硬件和软件l层次结构层次结构l计算机系统的基本工作原理计算机系统的基本工作原理l计算机的基本组成部分计算机的基本组成部分l五大部件五大部件l冯冯诺依曼型计算机特点诺依曼型计算机特点l计算机发展特点计算机发展特点返回6/18/202433习题（习题（P15）4 4、冯、冯诺依曼计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些诺依曼计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些组成部分？组成部分？5 5、什么是存储容量、单元地址、数据字、指令字？、什么是存储容量、单元地址、数据字、指令字？7 7、指令和数据均放在内存中，计算机如何区分指令还是数、指令和数据均放在内存中，计算机如何区分指令还是数据？据？返回6/18/202434
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