计算机系统概论课件

目录目录0 预备知知识1 计算机的分算机的分类2 计算机的算机的发展展简史史3 计算机的硬件算机的硬件4 计算机的算机的软件件5 计算机系算机系统的的层次次结构构2024/7/2410 预备知识预备知识l问题1：一台：一台计算机一般有哪几部分算机一般有哪几部分组成？成？显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等；显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等；主机箱中有：主机箱中有：主板主板、CPU、光驱、硬盘、内存、显卡、声卡等；、光驱、硬盘、内存、显卡、声卡等；l问题2：如何：如何对以上以上设备分分类？输入输出设备输入输出设备中央处理设备中央处理设备存储设备存储设备接口转换卡接口转换卡部件连接线部件连接线l问题3：有了以上：有了以上设备，计算机是否能算机是否能发挥其功效？其功效？一个完整的计算机系统应包括一个完整的计算机系统应包括硬件系统硬件系统和和软件系统软件系统两部分。两部分。显示器，键盘，鼠标，音箱显示器，键盘，鼠标，音箱CPU（集处理和控制于一身）（集处理和控制于一身）光驱、硬盘、内存光驱、硬盘、内存显卡、声卡显卡、声卡主板上的印制总线、部件连接总线主板上的印制总线、部件连接总线2024/7/2422024/7/2432024/7/2442024/7/2452024/7/246DDR内存条内存条SDRAM内存条内存条2024/7/24780G硬盘硬盘2024/7/248硬硬盘数据数据线2024/7/249DVD光驱光驱2024/7/2410机内电源插头机内电源插头2024/7/24112024/7/24121 计算机的分类计算机的分类数字计算机数字计算机模拟计算机模拟计算机专用计算机专用计算机通用计算机通用计算机处理数字量信息处理数字量信息按位运算，按位运算，不连续地跳动计算不连续地跳动计算处理模拟量信息处理模拟量信息数值连续、运算过程连续数值连续、运算过程连续是针对某一任务设计的最有效、是针对某一任务设计的最有效、最经济和最快速的计算机，但最经济和最快速的计算机，但适应性很差。适应性很差。适应性很大，但适应性很大，但是牺牲了效率、是牺牲了效率、速度和经济性。速度和经济性。单片机单片机微型机微型机中型机中型机大型机大型机超级计算机超级计算机低低高高体积体积功能功能数据存储量数据存储量指令系统指令系统价格价格低低高高简简易易性性分分类类如如P2 P2 图图1.11.1小型机小型机2024/7/24132 计算机的发展简史计算机的发展简史超大规模集成电路超大规模集成电路中小规模中小规模集成电路集成电路晶体管晶体管电子管电子管19721990年年19461957年，年，第一代计算机第一代计算机19651971年年19581964年年第二代计算机第二代计算机巨大规模巨大规模集成电路集成电路1991年年至今至今摩尔定律摩尔定律2.1 计算机的五代变化计算机的五代变化2024/7/2414第一代计算机第一代计算机l第一代第一代计算机算机(1945年年1958年年)采用电子管。采用电子管。l代表机型：代表机型：ENIAC1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制；年美国宾夕法尼亚大学开始研制；主要是为了解决美陆军提出的弹道计算主要是为了解决美陆军提出的弹道计算问题问题；花费花费40万美元；万美元；1955年年10月月2日最后切断电源。日最后切断电源。2024/7/2415ENIAC2024/7/2416第二代第二代计算机算机(19581964)晶体管晶体管2024/7/24172024/7/2418摩尔定律摩尔定律1964年，英特年，英特尔公司公司创始人戈登始人戈登.摩摩尔（Gordon Moore）在一）在一篇很短的篇很短的论文里断言：文里断言：每每18个月，集成个月，集成电路的性能将提高一倍，路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。而其价格将降低一半。这就是著名的摩就是著名的摩尔定律。定律。作作为迄今迄今为止半止半导体体发展史上意展史上意义最深最深远的定律，摩的定律，摩尔定律被定律被集成集成电路路40多年的多年的发展展历史准确无史准确无误地地验证着。着。摩摩尔定律有另外一种表述方法，即定律有另外一种表述方法，即每每过10年年计算机系算机系统性能将性能将会增加会增加100倍，通倍，通讯带宽也会提高也会提高100倍，而花倍，而花费的的资金不会增金不会增加加。2024/7/24192.2 半导体存储器的发展半导体存储器的发展l20世世纪5060年代，磁芯存年代，磁芯存储器器价格昂贵，体积大，破坏性读出价格昂贵，体积大，破坏性读出l1970年，半年，半导体存体存储器器价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写l1974年之后，半年之后，半导体存体存储器器价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。l有关存有关存储器的介器的介绍详见第第3章章2024/7/24202.3 微处理器的发展微处理器的发展l20世世纪70年代的年代的处理器理器4004 8008 8080 8086 8088l20世世纪80年代的年代的处理器理器80286 386TM DX 386TM SX 486TM DX l20世世纪90年代的年代的处理器理器486TM SX Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium l最近最近10年的年的处理器理器Pentium 4 Itanium Itanium 22024/7/24212024/7/24222024/7/24232024/7/2424双核双核CPUCPU三核三核CPUCPU2024/7/24252.4 计算机的性能指标（计算机的性能指标（1/3）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理的表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量信息量。l响响应时间从从输入有效输入有效到系统到系统产生响应产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。之间的时间度量，用时间单位来表示。l利用率利用率在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。比表示。l处理机字理机字长（机器字（机器字长）处理机运算器中处理机运算器中一次一次能够完成能够完成二进制运算的位数二进制运算的位数，如，如32、64位；位；机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。2024/7/24262.4 计算机的性能指标（计算机的性能指标（2/3）l总线宽度度一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。u注意课本上的表述错误！注意课本上的表述错误！l主存主存储器容量器容量主存储器所能存储二进制数据的位数。主存储器所能存储二进制数据的位数。u或者说或者说“主存储器中所有主存储器中所有存储元存储元的总数目。的总数目。”，而非而非“存储单元存储单元”！l主存主存储器器带宽单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。秒表示。l主主频/时钟周期周期CPU主时钟的频率主时钟的频率主频；其倒数为主频；其倒数为CPU的时钟周期的时钟周期(T周期周期)。2024/7/24272.4 计算机的性能指标（计算机的性能指标（3/3）lCPU的运算速度的运算速度CPU执行时间：执行时间：CPU执行一般程序所占用的执行一般程序所占用的CPU时间；时间；CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期数；：执行一条指令所需的平均时钟周期数；MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；u针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果）针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果）MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。u针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果）针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果）l其他的性能指其他的性能指标主存储器的读写速度、主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性的数据传送率、带宽的均衡性2024/7/24283 计算机的硬件计算机的硬件3.1 硬件的组成要素硬件的组成要素使用计算器计算使用计算器计算y=ax+b-c已知已知a=1，b=2，c=3，x=4解题步骤：解题步骤：获取数据获取数据a和数据和数据x；输入计算器，得出结果；输入计算器，得出结果；继续获取数据继续获取数据b，送入计算器；，送入计算器；得到结果，继续获取数据得到结果，继续获取数据c；送入计算器，获得结果；送入计算器，获得结果；在纸上记录结果；在纸上记录结果；l纸纸相当于相当于 存储器存储器；保存源数据和结果数据；保存源数据和结果数据；l计算器计算器相当于相当于 运算器运算器；运算、暂存中间结果；运算、暂存中间结果；l笔和手笔和手相当于相当于 输入输入/输出设备输出设备；将数据的输入将数据的输入/输出；输出；l人人相当于相当于 控制器控制器；协调整个计算过程；协调整个计算过程；2024/7/2429冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点1.计算机由算机由运算器、存运算器、存储器、控制器、器、控制器、输入入设备和和输出出设备五个部分五个部分组成；成；2.存存储器器以二以二进制形式存制形式存储指令和数据；指令和数据；3.指令指令由操作由操作码和地址和地址码组成；成；4.计算机能算机能够存存储程序并按地址程序并按地址顺序序执行行；冯冯诺依曼体系结构的核心设计思想，机器自动诺依曼体系结构的核心设计思想，机器自动化工作的关键；化工作的关键；5.以以运算器运算器为中心。中心。2024/7/2430冯冯诺依曼机与现代微机诺依曼机与现代微机冯冯诺依曼机结构诺依曼机结构输入设备输入设备存储器存储器输出设备输出设备运算器运算器控制器控制器输入设备输入设备控制器控制器输出设备输出设备存储器存储器运算器运算器现代微机结构现代微机结构2024/7/2431现代计算机的特点现代计算机的特点1.将运算器、控制器和片内高速将运算器、控制器和片内高速缓存，存，统称称为CPU；而将而将CPU、主存、主存储器、器、输入入/输出接口和系出接口和系统总线统称称为主机主机；其余的；其余的设备均均为外外设。主机内仅包含主存储器，即内存；主机内仅包含主存储器，即内存；硬盘、光盘等辅助存储器属于硬盘、光盘等辅助存储器属于I/O设备；设备；2.以存以存储器器为中心。中心。减轻了减轻了CPU的数据传送负担，提高系统的整体性的数据传送负担，提高系统的整体性能；能；2024/7/24323.2 运算器运算器l功能：功能：处理所有的算理所有的算术及及逻辑运算。运算。通常称为通常称为ALU(算术逻辑单元算术逻辑单元)l特点：特点：采用二进制数据进行运算；采用二进制数据进行运算；运算器一次可以处理的数据运算器一次可以处理的数据位数称为位数称为机器字长机器字长；机器字长一般为机器字长一般为8、16、32、64位，机器字长直接决定着运算的精度和能力；位，机器字长直接决定着运算的精度和能力；运算器主要由运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成。和各类通用寄存器构成。l运算器运算器结构示意构示意图演示演示2024/7/24333.3 存储器（存储器（1/2）l功能：保存所有的程序和数据。功能：保存所有的程序和数据。l特点：特点：二进制形式保存程序和数据；二进制形式保存程序和数据；存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址；存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址；l相关的概念相关的概念存储元：用于保存一位存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件；二进制数据的物理器件；存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号；开始编号；存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。l注意：不同系注意：不同系统中的存中的存储器器组织方式并不一定相同；方式并不一定相同；2024/7/24343.3 存储器（存储器（2/2）l存存储器的分器的分类：外存（辅助存储器）外存（辅助存储器）u磁盘存储器、光盘存储器；磁盘存储器、光盘存储器；uCPU不可直接访问；不可直接访问；内存（主存储器）内存（主存储器）u半导体存储器；半导体存储器；uCPU直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。l两个与主存相关的寄存器两个与主存相关的寄存器MAR(存储器地址寄存器存储器地址寄存器)：接收由：接收由CPU送来的地址信息；送来的地址信息；MDR(存储器数据寄存器存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。：作为外界与存储器之间的数据通路。存储器地址寄存器存储器地址寄存器MARMAR主存储器主存储器存储器数据寄存器存储器数据寄存器MDRMDR2024/7/24353.4 控制器控制器l功能功能根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算协调计算机各个部件的工作机各个部件的工作。l主要任主要任务：解释并执行指令；解释并执行指令；控制指令的执行顺序；控制指令的执行顺序；负责指令执行过程中，操作数的寻址；负责指令执行过程中，操作数的寻址；根据指令的执行，协调相关部件的工作根据指令的执行，协调相关部件的工作u如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。l指令的形式指令的形式操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。2024/7/24363.4 控制器（续）控制器（续）l控制器工作的周期控制器工作的周期取指周期：取指令的一段时间取指周期：取指令的一段时间执行周期：执行指令的一段时间执行周期：执行指令的一段时间l指令按指令按顺序序执行的控制部件：行的控制部件：指令指令计数器数器每取出一条指令，指令计数器就加每取出一条指令，指令计数器就加1；遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；l相关概念相关概念数据字：该字代表要处理的数据；数据字：该字代表要处理的数据；指令字：该字为一条指令；指令字：该字为一条指令；指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。控制器功能示意图演示控制器功能示意图演示2024/7/24373.5 适配器与输入输出设备适配器与输入输出设备l输入入设备将人们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将人们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的设备。进制信息形式的设备。l输出出设备把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备。息形式的设备。l适配器适配器保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。l系系统总线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。2024/7/2438假定机器字假定机器字长8位，主存容量位，主存容量248 bit；使用使用计算机的工作算机的工作过程程 （1）提出）提出问题：计算算 y=axy=ax2 2+bx+c+bx+c （2）按照指令系）按照指令系统编制程序制程序 （3）将指令）将指令变为机器代机器代码，送入主存，送入主存储器器 （4）控制器控制）控制器控制执行程序行程序用用简化模型简化模型描述使用计算机工作过程描述使用计算机工作过程2024/7/2439程序计数器程序计数器PC指令寄存器指令寄存器IR控制单元控制单元CUMARMMMDRALU暂存器暂存器X累加器累加器ACC乘商寄存器乘商寄存器MQ高高4位位低低4位位运运算算器器存存储储器器控制命令控制命令控控制制器器注意图中的以下内容：注意图中的以下内容：1 1、各部件的作用、构成及其关系；、各部件的作用、构成及其关系；2 2、每一部分的位数及数据流动方向；、每一部分的位数及数据流动方向；3 3、总线宽度及不同时刻的数据位数；、总线宽度及不同时刻的数据位数；2024/7/2440（1 1）指令系统，设有）指令系统，设有6 6条指令条指令汇编语言助记符汇编语言助记符 操作码操作码 地址码地址码 功能功能LMA nLMA n 0001 n0001 n MACC MACCSAM nSAM n 0010 n0010 n ACCM ACCMADD nADD n 0011 n0011 n ACC+MACC ACC+MACCMUL nMUL n 0100 n0100 n ACC*MACC ACC*MACCOUT nOUT n 0101 n0101 n 输出输出MMHLT HLT 0110 0110 停机停机 *假定该简化模型乘法运算中的乘积位数与乘数相同。假定该简化模型乘法运算中的乘积位数与乘数相同。举例：举例：假设简化计算机模型的指令格式如下：假设简化计算机模型的指令格式如下：操作码操作码地址码地址码4位位4位位2024/7/2441序号序号 指令指令 注注释 0 LMA x ;MACC 1 MUL x ;ACC*MACC 2 MUL a ;ACC*MACC 3 SAM y ;ACCM 4 LMA x 5 MUL b 6 ADD y 7 ADD c 8 SAM y 9 HLT10 X db?11 A db?12 B db?13 C db?14 Y db?0 0001 10101 0100 10102 0100 10113 0010 11104 0001 10105 0100 11006 0011 11107 0011 11018 0010 11109 0110 000010 x11 a12 b13 c14 y(2)(2)试编制程序，试编制程序，计算计算 y=axy=ax2 2+bx+c+bx+c汇编后内存分配情况汇编后内存分配情况指令系统指令系统LMA n 0001 n SAM n0010 nADD n 0011 nMUL n 0100 nOUT n 0101 nHLT n 0110 n2024/7/2442PCIRCUMARM.MMDRALUXACCMQ高高4位位低低4位位控制字控制字0 00001 10100001 101000010001101010101 1 x x 计算机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据？计算机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据？计算机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据？计算机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据？运运算算器器存存储储器器控控制制器器2024/7/2443简化模型化模型几位？几位？几位？几位？几位？几位？几位？几位？几位？几位？几位？几位？程序计数器程序计数器PC指令寄存器指令寄存器IR累加器累加器A寄存器寄存器B算逻部件算逻部件ALU乘商寄存器乘商寄存器MQ存储器地址寄存器存储器地址寄存器MAR16X8 RAMM.M控制单元控制单元存储器数据寄存器存储器数据寄存器MDR简化模型演示简化模型演示2024/7/2444 4 计算机的软件计算机的软件l系系统程序程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。包括挥和扩大计算机的功能及用途。包括:u服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；u语言类程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；语言类程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；u操作系统；操作系统；u数据库管理系统；数据库管理系统；l应用程序用程序用户利用计算机来解决某些实际问题所编制的程序；用户利用计算机来解决某些实际问题所编制的程序；u工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等等。报检索程序、科学计算程序等等。2024/7/24455 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构l从不同角度看到的从不同角度看到的计算机的构成；算机的构成；微程序设计级微程序设计级u硬件级，硬件信号作用于计算机；硬件级，硬件信号作用于计算机；一般机器级一般机器级u硬件级，使用微程序解释机器语言；硬件级，使用微程序解释机器语言；操作系统级操作系统级u混合级，使用机器指令和广义指令；混合级，使用机器指令和广义指令；汇编语言级汇编语言级u软件级，使用汇编语言；软件级，使用汇编语言；高级语言级高级语言级u软件级，使用高级语言；软件级，使用高级语言；2024/7/24465.2 软件与硬件的逻辑等价性软件与硬件的逻辑等价性l硬件硬件指计算机系统中使用的电子线路和物理装置；指计算机系统中使用的电子线路和物理装置；l软件件指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合；指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合；由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成；由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成；l固件固件具有某软件功能的硬件，一般用具有某软件功能的硬件，一般用ROM实现。实现。u如计算机主板上的如计算机主板上的BIOS 功能上是软件，形态上是硬件。功能上是软件，形态上是硬件。2024/7/2447