第一章--计算机系统概论课件

第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论主要介绍计算机系统的基本组成、主要介绍计算机系统的基本组成、应用与发展应用与发展1计算机的分类计算机的分类计算机计算机电子模拟计算机电子模拟计算机电子数字计算机电子数字计算机数值由连续量来表示数值由连续量来表示,运运算过程也是连续的算过程也是连续的精度和解题能力有限，应精度和解题能力有限，应用范围较小用范围较小数值由离散的数值信息表示数值由离散的数值信息表示精度高，数据存储量大，逻辑判断能精度高，数据存储量大，逻辑判断能力强，应用广泛力强，应用广泛专用计算机专用计算机针对某针对某一任务设计的计算机，一任务设计的计算机，效率高、速度快、最经效率高、速度快、最经济，但适应性很差济，但适应性很差通用计算机通用计算机巨型机巨型机大型机大型机中型机中型机小型机小型机微型机微型机单片机单片机适应性强，但适应性强，但牺牲了效率、牺牲了效率、速度和经济性速度和经济性2计算机的应用计算机的应用科学计算科学计算 计算量大，数值变化范围大。应计算量大，数值变化范围大。应用计算机，不仅减轻了大量烦琐的计算机工用计算机，不仅减轻了大量烦琐的计算机工作量，而且以往一些无法解决或无法精确解作量，而且以往一些无法解决或无法精确解决的问题得到了圆满的解决。决的问题得到了圆满的解决。3计算机的应用计算机的应用自动控制和测量自动控制和测量 自动控制是将通过各种传感器获得的各自动控制是将通过各种传感器获得的各种物理信号经转换为可测可控的数据信号后，种物理信号经转换为可测可控的数据信号后，再经计算机运算，根据偏差，驱动执行机构来再经计算机运算，根据偏差，驱动执行机构来调整，便可达到控制的目的。调整，便可达到控制的目的。减轻劳动强度，提高生产效率和加工精减轻劳动强度，提高生产效率和加工精度。度。4计算机的应用计算机的应用信息处理信息处理处理文字、表格、图象、声音等各类问题。处理文字、表格、图象、声音等各类问题。电子商务电子商务利用利用InternetInternet网络来完网络来完成机构与客户、供应商、业务伙伴和内部员工成机构与客户、供应商、业务伙伴和内部员工的交流，也可以是消费者、销售商和结算部门的交流，也可以是消费者、销售商和结算部门之间利用之间利用InternetInternet完成商品的采购和支付收款完成商品的采购和支付收款的过程。的过程。管理应用管理应用计算机的引入，使信息计算机的引入，使信息处理系统获得了强有力的存储和处理手段。处理系统获得了强有力的存储和处理手段。5计算机的应用计算机的应用教育和卫生教育和卫生 计算机辅助教学、网络学校、医疗设备、专家系统计算机辅助教学、网络学校、医疗设备、专家系统人工智能人工智能 专门研究如何使用计算机来模拟人的智能的专门研究如何使用计算机来模拟人的智能的技术。技术。重要应用：专家系统、机器人、文字重要应用：专家系统、机器人、文字/语音识别、语言翻译语音识别、语言翻译6计算机的应用计算机的应用虚拟现实虚拟现实 利用计算机生成的一种模拟环境，通过多利用计算机生成的一种模拟环境，通过多种传感设备使用户种传感设备使用户“投入投入”到该环境中，实现到该环境中，实现用户与环境直接交互的目的。用户与环境直接交互的目的。飞行员的仿真虚拟现实系统、汽车驾驶员飞行员的仿真虚拟现实系统、汽车驾驶员的仿真虚拟现实系统的仿真虚拟现实系统7计算机的应用计算机的应用多媒体技术多媒体技术 是计算机技术和视频、音频及通信等技术集是计算机技术和视频、音频及通信等技术集成的产物，是用来实现人和计算机交互地对各种成的产物，是用来实现人和计算机交互地对各种媒体（文字、图形、影象、音频、视频、动画等）媒体（文字、图形、影象、音频、视频、动画等）的采集、传输、转换、编辑、存储、管理，并由的采集、传输、转换、编辑、存储、管理，并由计算机综合处理为文字、图形、动画、音响、影计算机综合处理为文字、图形、动画、音响、影象等视听信息而有机合成的新媒体。象等视听信息而有机合成的新媒体。8计算机的应用计算机的应用家用电器家用电器CAD/CAM/CIMSCAD/CAM/CIMS 降低产品设计的成本、缩短产品设计的周期、降低产品设计的成本、缩短产品设计的周期、降低产品设计的风险、提高企业的市场竞争能力降低产品设计的风险、提高企业的市场竞争能力和应变能力。和应变能力。9计算机系统的组成计算机系统的组成计算机系统由计算机系统由“硬件硬件”和和“软件软件”两大部分组成。两大部分组成。硬件硬件计算机的实体部分，由看得见摸得着的计算机的实体部分，由看得见摸得着的各种电子元器件、各类光、电、机设备的实物组各种电子元器件、各类光、电、机设备的实物组成。如主机、外设等。成。如主机、外设等。软件软件看不见摸不着，由人们事先编制成具有看不见摸不着，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成。各类特殊功能的信息组成。计算机性能的好坏，取决于计算机性能的好坏，取决于“软软”、“硬硬”件功能的件功能的总和。总和。10数字计算机的硬件组成数字计算机的硬件组成 完成各种算术、完成各种算术、逻辑运算逻辑运算控制器是计算机中发号施令控制器是计算机中发号施令的部件的部件,它控制计算机的整它控制计算机的整个部件有条不紊地进行工作个部件有条不紊地进行工作用来存放各类信息。所有用来存放各类信息。所有能在机内运行的程序和所能在机内运行的程序和所需要的数据都要存放在存需要的数据都要存放在存储器中。储器中。适配器的作用相当适配器的作用相当于一个转换器于一个转换器,它可它可以保证外围设备用以保证外围设备用计算机所要求的形计算机所要求的形式发送或接受信息。式发送或接受信息。11数字计算机的硬件组成数字计算机的硬件组成系统总线是系统总线是构成计算机构成计算机系统的骨架系统的骨架,是多个系统是多个系统部件之间进部件之间进行数据传送行数据传送的公共通路。的公共通路。是把人们编制好的程序和数据送到计算机中去，并将它们是把人们编制好的程序和数据送到计算机中去，并将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式把计算机处理把计算机处理的结果变换为的结果变换为人或其他机器人或其他机器所能接收和识所能接收和识别的信息形式别的信息形式送出计算机送出计算机12以运算器为中心的硬件框图以运算器为中心的硬件框图控制器控制器主存储器主存储器运算器运算器输入设备输入设备输出设备输出设备CPU数数据据流流指指令令流流程序或数程序或数据据程序或结程序或结果果输入、输出设备与存储器之间的数据传送都需要通过输入、输出设备与存储器之间的数据传送都需要通过运算器。运算器。13以存储器为中心的硬件框图以存储器为中心的硬件框图控制器控制器主存储器主存储器运算器运算器输入设备输入设备输出设备输出设备数据流数据流指令流指令流14计算机系统的组成计算机系统的组成计算机系统计算机系统计算机软件计算机软件计算机硬件计算机硬件外设外设主机主机CPUI/O设备设备辅存辅存主存主存控制器控制器运算器运算器内部寄存器内部寄存器暂时存放操作数，暂时存放操作数，并存放运算结果并存放运算结果15计算机的软件计算机的软件软件组成软件组成系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统或管理程序操作系统或管理程序汇编程序汇编程序高级语言的编译或解释程序高级语言的编译或解释程序系统调试程序系统调试程序数据库管理程序数据库管理程序使用者根据需要采用各种语使用者根据需要采用各种语言编写的各种应用程序，包言编写的各种应用程序，包括各种应用软件包括各种应用软件包用来管理整个计算机系统，用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到监视服务，使系统资源得到合理调度，确保高效运行。合理调度，确保高效运行。*应用软件在系统软件支持下工作，系统软件在硬件支持应用软件在系统软件支持下工作，系统软件在硬件支持下工作。机器语言级是软、硬件的接口下工作。机器语言级是软、硬件的接口泛指各类程序和文件泛指各类程序和文件16硬件与软件的关系硬件与软件的关系硬件是计算机系统的物质基础，正是在硬件高度硬件是计算机系统的物质基础，正是在硬件高度发展的基础上，才有软件赖以生存的空间和活动发展的基础上，才有软件赖以生存的空间和活动场所，没有硬件对软件的支持，软件的功能就无场所，没有硬件对软件的支持，软件的功能就无从谈起从谈起同样，软件是计算机系统的灵魂，没有软件的硬同样，软件是计算机系统的灵魂，没有软件的硬件件“裸机裸机”将不能提供给用户使用，犹如一堆废铁将不能提供给用户使用，犹如一堆废铁因此，硬件和软件是相辅相成的，不可分割的整因此，硬件和软件是相辅相成的，不可分割的整体体*硬、软件功能的分配不是一固定不变的硬、软件功能的分配不是一固定不变的17硬件与软件的关系硬件与软件的关系当前，计算机的硬件和软件正朝着互相渗透，互相融合当前，计算机的硬件和软件正朝着互相渗透，互相融合的方向发展，在计算机系统中没有一条明确的硬件与软的方向发展，在计算机系统中没有一条明确的硬件与软件的分界线件的分界线原来一些由硬件实现的功能可以改由软件模拟来实现。原来一些由硬件实现的功能可以改由软件模拟来实现。称为称为硬件软化硬件软化，它可以增强系统的功能和适应性，它可以增强系统的功能和适应性原来由软件实现的功能可以改由硬件实现，称为原来由软件实现的功能可以改由硬件实现，称为软件硬软件硬化化，它可以显著降低软件在时间上的开销，它可以显著降低软件在时间上的开销对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素等因素18计算机系统的分级结构计算机系统的分级结构 现代计算机系统是一个硬件与软件组现代计算机系统是一个硬件与软件组成的综合体，可以把它看成是按功能划分的多成的综合体，可以把它看成是按功能划分的多级层次结构级层次结构把计算机按功能划分成多级层次结构，有利于把计算机按功能划分成多级层次结构，有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件、正确理解计算机系统的工作过程，明确软件、硬件在计算机系统中的地位和作用硬件在计算机系统中的地位和作用19多级计算机多级计算机级级0 0硬件直接执行硬件直接执行微程序级微程序级级级1 1解释解释传统机器级传统机器级级级2 2部分解释（操作系统）部分解释（操作系统）操作系统级操作系统级级级3 3翻译（汇编程序）翻译（汇编程序）汇编语言级汇编语言级级级4 4高级语言级高级语言级机器语言是各种高级语言，用编机器语言是各种高级语言，用编译程序翻译译程序翻译机器语言是微指令集，程序员用机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序直接由硬件微指令编写的微程序直接由硬件执行执行用机器语言解释操作系统，管理传用机器语言解释操作系统，管理传统机器中的软硬件统机器中的软硬件机器语言是汇编语言，用汇编程机器语言是汇编语言，用汇编程序翻译成机器语言程序序翻译成机器语言程序级级5 5硬操作时序硬操作时序硬件组成的实体硬件组成的实体机器语言是该机的指令集，程序机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序由微程员用机器指令编写的程序由微程序解释执行序解释执行翻译（编译程序）翻译（编译程序）应用语言级应用语言级面向问题的应用语言，使机器满面向问题的应用语言，使机器满足某种用途而专门设计足某种用途而专门设计级级6 6翻译（应用软件包）翻译（应用软件包）20多级计算机多级计算机虚拟机器：以软件或虚拟机器：以软件或以软件为主实现的机以软件为主实现的机器器用户只需要通过该级的语言用户只需要通过该级的语言来了解和使用计算机，至于来了解和使用计算机，至于下级是如何工作和实现就不下级是如何工作和实现就不必关心了。可以不了解机器必关心了。可以不了解机器的具体组成，不必熟悉指令的具体组成，不必熟悉指令系统，直接用所指定的语言系统，直接用所指定的语言描述所要解决的问题描述所要解决的问题实际机器：由硬实际机器：由硬件实现的机器件实现的机器级级0 0硬件直接执行硬件直接执行微程序级微程序级级级1 1解释解释传统机器级传统机器级级级2 2机器语言机器语言操作系统级操作系统级级级3 3翻译（汇编程序）翻译（汇编程序）汇编语言级汇编语言级级级4 4高级语言级高级语言级级级5 5硬操作时序硬操作时序翻译（编译程序）翻译（编译程序）应用语言级应用语言级级级6 6翻译（应用软件包）翻译（应用软件包）21计算机语言的发展计算机语言的发展机器语言机器语言-硬件执行硬件执行发发展展汇编语言汇编语言高级语言高级语言不依赖于指令系统不依赖于指令系统汇编语言汇编语言机器指令助记符机器指令助记符22计算机的工作过程计算机的工作过程计算机的工作过程是计算机的工作过程是程序执行的过程程序执行的过程程序由一系列机器指令构成，它是事先由程序员根据程序由一系列机器指令构成，它是事先由程序员根据需要编写的需要编写的将编写好的程序经过输入设备顺序存放到主存储器中，并将其将编写好的程序经过输入设备顺序存放到主存储器中，并将其程序存放的首地址告诉控制器，于是控制器将从首地址开始从程序存放的首地址告诉控制器，于是控制器将从首地址开始从主存储器中取出一条指令，执行这条指令，再取出下条指令，主存储器中取出一条指令，执行这条指令，再取出下条指令，执行下条指令。如此周而复始地工作一直到程序执行完毕，计执行下条指令。如此周而复始地工作一直到程序执行完毕，计算机便完成了该程序要求它完成的全部功能算机便完成了该程序要求它完成的全部功能-将编好的程将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作工作“存储程序存储程序”概念。以此概念为基础的各类计算概念。以此概念为基础的各类计算机统称为冯机统称为冯 诺依曼机诺依曼机23计算机的工作过程计算机的工作过程ALUAC20ARIRDR主存储器主存储器CLAADD 30STA 31JMP 21HLT 6655202021212222232324242525303031316666+1+1212130303131666666666666666666660 0Z”0Z”0”PCPC指令和数据统指令和数据统统放在内存中统放在内存中,从形式上看从形式上看,它它们都是二进制们都是二进制数码。一般来数码。一般来讲，在取指周讲，在取指周期中从内存读期中从内存读出的信息是出的信息是指指令流令流,它流向控它流向控制器；而执行制器；而执行周期中从内存周期中从内存读出的信息流读出的信息流是是数据流数据流,它由它由内存流向运算内存流向运算器器24冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点 1.1.计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。设备五大部件组成。2.2.指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。寻访。3.3.指令和数据均用二进制数表示。指令和数据均用二进制数表示。4.4.指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用于表示操作数在存储器中的位置。性质，地址码用于表示操作数在存储器中的位置。5.5.指令在存储器中按顺序存放。通常，指令是顺序执行指令在存储器中按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，特定情况下，可根据运算结果或根据设定的条件改的，特定情况下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。变执行顺序。6.6.机器以运算器为核心，输入输出设备与存储器间的数机器以运算器为核心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。据传送通过运算器完成。25计算机系统结构的过去和未来计算机系统结构的过去和未来按采用的电子器件的发展，计算机的发展大致经历按采用的电子器件的发展，计算机的发展大致经历了五代的变化：了五代的变化：1.19461.1946年开始的第一代电子管计算机年开始的第一代电子管计算机:计算机运算速度一般为每秒几千次至几万次计算机运算速度一般为每秒几千次至几万次,体体积庞大积庞大,成本很高成本很高,可靠性较低可靠性较低,在此期间在此期间,形成了计形成了计算机的基本体系算机的基本体系,确定了程序设计的基本方法确定了程序设计的基本方法,数据数据处理机开始得到应用。处理机开始得到应用。2.19582.1958年开始的第二代晶体管计算机年开始的第二代晶体管计算机:运算速度提高到几万次至几十万次运算速度提高到几万次至几十万次,可靠性提高可靠性提高,体积缩小体积缩小,成本降低，工业控制机开始得到应用。成本降低，工业控制机开始得到应用。26计算机系统结构的过去和未来计算机系统结构的过去和未来3.19653.1965年开始的第三代中小规模集成电路计算机年开始的第三代中小规模集成电路计算机:可靠性进一步提高可靠性进一步提高,体积进一步缩小体积进一步缩小,成本进成本进一步下降一步下降,运算速度提高到几十万次至几百万次。运算速度提高到几十万次至几百万次。在此期间在此期间,形成机种多样化形成机种多样化,生产系列化生产系列化,使用系统使用系统化化,小型计算机开始出现。小型计算机开始出现。4.19714.1971年开始的第四代大规模集成电路计算机年开始的第四代大规模集成电路计算机:可靠性更进一步提高可靠性更进一步提高,体积更进一步缩小体积更进一步缩小,成本成本更进一步降低更进一步降低,速度提高到每秒几百万次至几千万次。速度提高到每秒几百万次至几千万次。有几片大规模集成电路组成的微型机开始出现。有几片大规模集成电路组成的微型机开始出现。27计算机系统结构的过去和未来计算机系统结构的过去和未来5.19865.1986年开始的第五代超大规模集成电路计算机年开始的第五代超大规模集成电路计算机:运算速度提高到每妙几亿次至上百亿次。由一运算速度提高到每妙几亿次至上百亿次。由一片巨大规模集成电路实现的单片机开始出现。片巨大规模集成电路实现的单片机开始出现。目前，计算机的发展正向着目前，计算机的发展正向着“两极两极”分化。分化。一极是微型计算机向更微型化、网络化、高性能、一极是微型计算机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展。多用途方向发展。另一极是巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、另一极是巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展，它是一个国家科技水平、经济实智能化方向发展，它是一个国家科技水平、经济实力、军事实力的象征。力、军事实力的象征。28计算机系统结构的发展趋势计算机系统结构的发展趋势将进入以通信为中心的体系结构。将进入以通信为中心的体系结构。计算机智能化将进一步发展计算机智能化将进一步发展,进入知识处理阶段。进入知识处理阶段。-从以数值计算为主过渡到知识推理为主从以数值计算为主过渡到知识推理为主 不仅用多处理机技术来实现并行计算机不仅用多处理机技术来实现并行计算机,而且会而且会出现计算机的动态结构。出现计算机的动态结构。-即所谓的模块化计即所谓的模块化计算机系统结构算机系统结构 多媒体技术将有重大突破和发展。多媒体技术将有重大突破和发展。随着社会需求的不断增长和微电子技术的不断发展，随着社会需求的不断增长和微电子技术的不断发展，计算机系统结构仍在继续发展，其发展趋势为：计算机系统结构仍在继续发展，其发展趋势为：29计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标机器字长机器字长机器字长是指计算机能进行多少位二进制数的并行机器字长是指计算机能进行多少位二进制数的并行运算运算实际上是指该计算机中的运算器有多少位，例如，实际上是指该计算机中的运算器有多少位，例如，某机器字长某机器字长1616位，表示该机中，每次能完成两个位，表示该机中，每次能完成两个1616位二进制数的运算位二进制数的运算机器字长越长，运算精度越高，数的表示范围也越机器字长越长，运算精度越高，数的表示范围也越大大衡量机器字长的单位可用衡量机器字长的单位可用“位位”（bitbit），一般用），一般用字节（字节（ByteByte）30计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标数据通路宽度数据通路宽度数据总线一次所能并行传送信息的位数。即外部总数据总线一次所能并行传送信息的位数。即外部总线的宽度线的宽度它影响信息的传送能力，从而影响计算机的有效处它影响信息的传送能力，从而影响计算机的有效处理速度理速度外部数据总线的宽度与外部数据总线的宽度与CPUCPU内部的数据总统宽度有可内部的数据总统宽度有可能不同。有些能不同。有些CPUCPU的内、外数据总线宽度相等，有些的内、外数据总线宽度相等，有些CPUCPU的外部总线宽度小于内部，有些的外部总线宽度小于内部，有些CPUCPU的外部总线的外部总线宽度大于内部宽度大于内部31计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标运算速度运算速度严格地讲，严格地讲，一台计算机的运算速度是每秒执行多少条一台计算机的运算速度是每秒执行多少条指令指令由于计算机内各类指令的执行时间是不同的，各类指由于计算机内各类指令的执行时间是不同的，各类指令的使用频度也各不相同，于是采用令的使用频度也各不相同，于是采用“等效指令速度等效指令速度描述法描述法”等效指令执行时间等效指令执行时间 T=fT=fi iTTi i各类指令的执各类指令的执行时间行时间各类指令的使用频度各类指令的使用频度等效运算速度等效运算速度V=1/TV=1/T计算机的运算速度与许多因素有关，如机器的主频、执计算机的运算速度与许多因素有关，如机器的主频、执行什么样的操作以及主存本身的速度等。对运算速度的行什么样的操作以及主存本身的速度等。对运算速度的衡量有不同的方法。衡量有不同的方法。32计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标传送传送指令指令加减法加减法指令指令乘除法乘除法指令指令逻辑运算逻辑运算指令指令其他指其他指令令使用频度使用频度（%）30302020101020202020执行时间执行时间（nsns）20020040040025002500300300250250V=1/(0.3200+0.2400+0.12500+0.2 V=1/(0.3200+0.2400+0.12500+0.2 300+0.2 250)10300+0.2 250)10-9-9=2 10=2 106 6条条/s=2MIPS /s=2MIPS 每秒钟能执行每秒钟能执行200200万条指令万条指令33CPICPI、MIPSMIPS和和MFLOPSMFLOPSMIPS表示每秒执行多少百万条指令表示每秒执行多少百万条指令。对于一个给定的。对于一个给定的程序，程序，MIPS定义为：定义为：MFLOPS表示每秒执行多少百万次浮点运算表示每秒执行多少百万次浮点运算。对于一。对于一个给定的程序，个给定的程序，MFLOPS定义为：定义为：CPI、MIPS、MFLOPS都用于衡量机器的运算速度都用于衡量机器的运算速度CPI表示每条指令执行所需的时钟数表示每条指令执行所需的时钟数34计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标机器容量机器容量计算机的容量实际上是指机器内部主存储器的容量计算机的容量实际上是指机器内部主存储器的容量主存储器由许多存储字构成，每个存储字可存放许主存储器由许多存储字构成，每个存储字可存放许多二进制信息，因此可用位或字节来描述存储器的多二进制信息，因此可用位或字节来描述存储器的字长字长 S=WL S=WL（位（位/字节）字节）字数字数字字长长35计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标除此之外，系统的除此之外，系统的可靠性、可靠性、硬件和软件的可维护性、硬件和软件的可维护性、可配备的外部设备的数量可配备的外部设备的数量以及系统使用是否方便以及系统使用是否方便等都可用来描述计算机系统的性能等都可用来描述计算机系统的性能36p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日