第1章 計算機系統(tǒng)概論.doc

第1章 計算機系統(tǒng)概論本章系統(tǒng)地介紹計算機系統(tǒng)的基本知識，要求學生了解計算機的分類與應用，掌握計算機的硬件組成，軟件與硬件的關系以及計算機系統(tǒng)的層次結構。重點提示：l 計算機系統(tǒng)的工作原理l 計算機硬件系統(tǒng)的幾大部件及其功能l 計算機軟件系統(tǒng)1-1重點難點指導1-1-1計算機系統(tǒng)簡介ENIAC（電子數(shù)字積分計算機，Electronic Numerical Integrator And Computer）是第一臺正式運轉的通用電子計算機。自從這臺計算機問世以來，從使用的元器件角度來看，計算機的發(fā)展大致經(jīng)歷了4代的變化。l 第一代（19461954）電子管計算機；l 第二代（19551964）晶體管計算機；l 第三代（19651973）集成電路計算機；l 第四代（1974現(xiàn)在）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機。在計算機系統(tǒng)發(fā)展歷史中，摩爾定律（Moores Law）是一個很重要的概念。Intel的創(chuàng)始人之一高登摩爾（Gordon Moore）于1965年提出了著名的摩爾定律，預言單位平方英寸芯片的晶體管數(shù)目每過18到24個月就將增加一倍。計算機的分類方法有很多種，主要的分類方式有：按所處理的信號分類：模擬計算機；數(shù)字計算機。按硬件的組合及用途分類：專用計算機；通用計算機。按計算機的規(guī)模分類：微型計算機；工作站；小型計算機；主機；小巨型計算機；巨型計算機?，F(xiàn)實中的分類：服務器；工作站；臺式機；便攜機；手持機。計算機系統(tǒng)就是按人的要求接收和存儲信息，自動地進行數(shù)據(jù)處理和計算，并輸出結果信息的系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)由硬件（子）系統(tǒng)和軟件（子）系統(tǒng)組成。前者是借助電、磁、光、機械等原理構成的各種物理部件的有機組合，是系統(tǒng)賴以工作的實體。后者是各種程序和文件，用于指揮全系統(tǒng)按指定的要求進行工作。在學習計算機組成時，應當注意如何區(qū)別計算機體系結構（Computer Architecture）與計算機組成（Computer Organization）、計算機實現(xiàn)（Computer Implementation）這些基本概念。計算機體系結構（Computer Architecture）：計算機體系結構是指那些能夠被程序員所看見的計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性的結構與功能特性。計算機組成（Computer Organization）：計算機組成是指如何實現(xiàn)計算機體系結構所體現(xiàn)的屬性，它包含了許多對程序員來說是透明的（即程序員不知道的）硬件細節(jié)。計算機實現(xiàn)（Computer Implementation）：指計算機組成的物理實現(xiàn)。它包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的集成度和速度，信號傳輸，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接，專用器件的設計，電源、冷卻、裝配等技術以及有關的制造工藝和技術等。1-1-2 現(xiàn)代計算機的體系結構現(xiàn)代計算機絕大部分都是采用馮諾依曼體系結構，馮諾依曼計算機的特點是：l 采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令；l 采用存儲程序方式（指令流驅動）；l 由運算器、存儲器、控制器、輸入裝置和輸出裝置5大部件組成計算機系統(tǒng)。現(xiàn)代的計算機的基本結構如圖1-1-1所示。圖中實線為數(shù)據(jù)線，虛線為控制線和反饋線。結 果程 序輸入設備輸出設備運算器存儲器控制器圖1-1-1 以存儲器為中心的計算機結構框圖馮諾依曼計算機各個部件的功能：l 運算器用來完成算術運算和邏輯運算，并將運算的中間結果暫存在運算器內(nèi)。l 存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序。l 控制器用來控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入，運行以及處理運算結果。l 輸入設備用來將人們熟悉的信息形式轉換為機器能識別的信息形式，主要有鍵盤、鼠標等。l 輸出設備可將機器運算結果轉換為人們熟悉的信息形式，主要有打印機、顯示器等。其中，運算器與控制器往往合成在同一芯片上，通常將它們合起來統(tǒng)稱為中央處理器，簡稱為CPU。將CPU與存儲器合在一起稱為主機，輸入與輸出設備統(tǒng)稱為外設。1-1-3 計算機的層次結構虛擬機（Virtual Machine）是一個抽象的計算機，它由軟件實現(xiàn)，并與實際機器一樣，都具有一個指令集并可以使用不同的存儲區(qū)域。通過虛擬機的概念，將計算機的軟件和硬件聯(lián)系在一起。虛擬機可分為：操作系統(tǒng)虛擬機、匯編語言虛擬機、高級語言虛擬機和應用語言虛擬機等幾個層次。如圖1-1-2所示。微程序機器 M0 （微指令）由硬件直接執(zhí)行傳統(tǒng)機器 M1 （機器語言）由微程序解釋機器指令操作系統(tǒng)虛擬機 M2 （作業(yè)控制語言）由機器語言程序解釋操作系統(tǒng)命令匯編語言虛擬機M3 （匯編語言）匯編語言程序經(jīng)匯編程序翻譯成機器語言程應用語言虛擬機M5 （應用語言）用應用語言編寫的應用語言程序經(jīng)應用程序包翻譯成高級語言高級語言虛擬機 M4 （高級語言）高級語言程序經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語言（或某種中間語言程序或機器語言程序）圖 1-1-2 計算機系統(tǒng)的層次結構圖本課程主要討論傳統(tǒng)機器M1和微程序機器M0的組成原理和設計思想。某些特定的功能可以由軟件來完成，也可以由硬件來完成，即硬件和軟件在邏輯上是等價的。在具體應用中，要根據(jù)當時的成本、速度、可靠性等因素來決定由軟件還是由硬件來實現(xiàn)。1-1-4 計算機的性能指標機器字長：指CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)，它標志著計算機的計算精度。存儲容量包含主存和外存的容量。主存儲器：CPU可以直接訪問的存儲器，需要執(zhí)行的程序與需要處理的數(shù)據(jù)就放在主存之中。主存容量大則可以運行比較復雜的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的軟件支持環(huán)境。所以，計算機處理能力的大小在很大程度上取決于主存容量的大小。外存容量：外存容量一般是指計算機系統(tǒng)中聯(lián)機運行的外存儲器容量。由于操作系統(tǒng)、編譯程序及眾多的軟件資源往往存放在外存之中，需用時再調入主存運行。在批處理、多道程序方式中，也常將各用戶待執(zhí)行的程序、數(shù)據(jù)以作業(yè)形式先放在外存中，再陸續(xù)調入主存運行。所以，聯(lián)機外存容量也是一項重要指標，一般以字節(jié)數(shù)表示。描述計算運算速度的指標一般有如下幾個：MIPS（Million Instructions Per Second）：它表示每秒百萬條指令數(shù)。MFLOPS（Million Floating Point Operations Per Second）：每秒百萬次浮點操作次數(shù)。CPI（Cycle Per Instruction）：表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。吞吐量：一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量。響應時間：從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應之間間隔的時間。主頻/時鐘周期：CPU的工作節(jié)拍受一個主時鐘的控制，主時鐘的頻率叫做CPU的主頻；主頻的倒數(shù)叫做CPU的時鐘周期。CPU執(zhí)行時間：表示CPU執(zhí)行程序所占用的CPU時間。注意：各個指標都不能完全表征出一臺計算機的性能。1-2 典型例題解析1、一個完整的計算機系統(tǒng)應該包括（ ）兩大部分。A.主機和外設B.硬件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)C.硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)D.硬件系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件參考答案：選項C解析：選項A：現(xiàn)代計算機通常把運算器和控制器合起來做在一個芯片上，稱為中央處理器（CPU）。然后把CPU和內(nèi)存儲器合起來稱為主機。主機和外設構成硬件系統(tǒng)。所以選項A不全面。選項B：一個完整的計算機系統(tǒng)應該包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、計算機語言處理程序（各種程序翻譯軟件，包括編譯程序、解釋程序、匯編程序）、服務性程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡軟件等。操作系統(tǒng)只是系統(tǒng)軟件的一種，所以不全面。選項D：系統(tǒng)軟件只是軟件系統(tǒng)中的一類軟件，因而，也不全面。2、下列是有關程序、指令和數(shù)據(jù)關系的敘述，其中錯誤的是（ ）。A.一個程序由若干條指令和所處理的數(shù)據(jù)組成B.指令和數(shù)據(jù)形式上沒有差別，都是一串0/1序列C.指令和數(shù)據(jù)不能放在同一個存儲器中，必須分別存放在指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器中D.啟動程序前指令和數(shù)據(jù)都存放在外存中，啟動后才被裝入內(nèi)存參考答案：選項C解析：選項A：在計算機上完成的所有任務都必須先編好程序，通過計算機執(zhí)行程序來完成。所以執(zhí)行程序的過程就是周而復始執(zhí)行指令的過程。一個程序由一條條指令以及指令所處理的數(shù)據(jù)組成。指令規(guī)定程序的動作和步驟，數(shù)據(jù)是動作作用的對象。選項B：指令和數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)部都是用二進制表示的，因而都是0、1序列，在形式上沒有差別。選項C和D：程序編好后，先放到外存（如，磁盤）上保存。當需要執(zhí)行程序時，通過操作系統(tǒng)提供的人-機接口（在命令行符下輸入命令，或鼠標雙擊等）啟動程序，程序被啟動后，程序中的指令和數(shù)據(jù)被操作系統(tǒng)裝入主存，一般是裝入到同一個主存儲器（DRAM）中，而不區(qū)分是數(shù)據(jù)存儲器還是指令存儲器。CPU通過指令執(zhí)行的不同階段來區(qū)分取出的是數(shù)據(jù)還是指令，而不是靠分開存放數(shù)據(jù)和指令來區(qū)分的。所以，選項C是錯誤的。3、以下關于馮.諾依曼計算機工作方式的敘述中，錯誤的是（ ）。A.計算機完成的所有任務都必須執(zhí)行相應的程序來完成B.某任務用某語言（如C+）編好程序后，一旦被啟動，則馬上可調至主存直接執(zhí)行C.程序執(zhí)行時，CPU按指令地址自動按序到內(nèi)存讀取指令并執(zhí)行D.馮.諾依曼計算機工作方式稱為“存儲程序”控制方式參考答案：選項B解析：馮.諾依曼計算機的工作方式被稱為“存儲程序”控制方式。其主要內(nèi)容是：計算機的工作由程序控制，程序是一個指令序列，指令是能被計算機理解和執(zhí)行的操作命令； 程序(指令)和數(shù)據(jù)均以二進制編碼表示，均存放在存儲器中；存儲器中存放的指令和數(shù)據(jù)按地址進行存?。恢噶钍怯蒀PU一條一條順序執(zhí)行的。用一句話來說，就是：一旦要計算機完成某個特定的任務，則計算機會將事先編好的程序，按指令的順序自動一條一條從主存中讀出并執(zhí)行，整個過程不需要人的干預。這里，事先編好的程序是指機器可執(zhí)行的目標程序。用C+這種高級語言編寫的源程序，不能直接裝入內(nèi)存后由CPU執(zhí)行，而是需要先用編譯程序將其轉換為機器可直接執(zhí)行的目標程序。4、下面是有關反映計算機中存儲器容量的計量單位的敘述，其中錯誤的是（ ）。A.最小的計量單位為位（bit），表示一位“0”或“1”，一個字節(jié)為8位B.最基本的計量單位是字節(jié)（Byte），因而指令、數(shù)據(jù)和地址的長度都是8的倍數(shù)C.主存儲器的編址單位一般是字節(jié)的倍數(shù)D.主存容量為1KB，其含義是主存儲器中能存放1000個字節(jié)的二進制信息參考答案：選項D解析：選項A：馮偌依曼結構計算機規(guī)定，計算機內(nèi)部信息的表示采用二進制，所以，所有信息都是由0或1構成的0/1序列，用位（bit）來表示一個二進制位“0”或“1”，它是最小的計量單位，一個字節(jié)為8位。選項B：計算機中的存儲部件、傳送部件、運算部件等的寬度（串行傳送部件例外）基本上都是字節(jié)的倍數(shù)，因而最基本的計量單位是字節(jié)（Byte）。為了數(shù)據(jù)、地址和指令信息的存儲、傳輸和運算方便，一般把指令、數(shù)據(jù)和地址的長度都規(guī)定為8的倍數(shù)。選項C：對于現(xiàn)代計算機的主存儲器，其存儲單元的編號采用字節(jié)編址方式，也就是說，每8位構成一個存儲單元，所以其編址單位為一個字節(jié)。早期的機器也有用16位、24位、32位進行編址的。所以一般應該是8的倍數(shù)。選項D：主存容量的單位有KB、MB、GB等，分別表示210字節(jié)、220字節(jié)和230字節(jié)。而輔存容量中的kB、MB、GB分別表示103字節(jié)、106字節(jié)和109字節(jié)。所以，選項D是錯誤的。5、計算機系統(tǒng)就是硬件系統(tǒng)嗎？解析：說計算機系統(tǒng)就是硬件系統(tǒng)是不完整的。一個完整的計算機系統(tǒng)應該包括硬件和軟件系統(tǒng)兩部分。硬件系統(tǒng)包括：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大基本部件。軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、計算機語言處理程序（各種程序翻譯軟件，包括編譯程序、解釋程序、匯編程序）、服務性程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡軟件等；應用軟件包括各種特定領域的處理程序。計算機系統(tǒng)中的硬件和軟件是相輔相成的，缺一不可。軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂，沒有軟件的硬件不能被用戶使用，猶如一堆廢鐵。6、翻譯程序就是編譯程序嗎？解釋程序和編譯程序有什么差別？什么是匯編程序？解析：翻譯程序是指把高級語言源程序翻譯成機器語言程序（目標代碼）的軟件。翻譯程序有兩種：一種是編譯程序，另一種是解釋程序。它們是兩種不同的翻譯程序。不同在于編譯程序將高級語言源程序一次全部翻譯成目標程序，每次執(zhí)行程序時，只要執(zhí)行目標程序，因此，只要源程序不變，就無需重新翻譯；解釋程序是將源程序的一條語句，翻譯成對應的機器目標代碼，并立即執(zhí)行，然后翻譯下一條源程序語句并執(zhí)行，直至所有源程序中的語句全部被翻譯并執(zhí)行完。所以解釋程序的執(zhí)行過程是翻譯一句，執(zhí)行一句。解釋的結果是源程序執(zhí)行的結果，而不會生成目標程序。匯編程序也是一種語言翻譯程序，它是把匯編語言寫的源程序翻譯為機器語言程序（目標代碼）的軟件。匯編語言是一種面向機器的低級語言，是機器語言的符號表示，與機器語言一一對應。7、要計算機做的任何工作都要先編寫成程序才能完成嗎？解析：是的。要計算機完成的任何事情，都必須先編制程序，程序是由指令構成的。不管是用哪種語言編寫的程序，最終都要翻譯成機器語言程序才能讓機器理解，機器語言程序是由一條一條指令組成的程序。CPU的主要功能就是周而復始地執(zhí)行指令，因此，要計算機完成的所有功能都是通過執(zhí)行一條一條指令來實現(xiàn)的，也就是由一個程序來完成的。有時我們說某個特定的功能是由硬件實現(xiàn)的，但并不是說不要編寫程序，如乘法功能可由乘法器這個硬件實現(xiàn)，但要啟動這個硬件（乘法器）工作，必須先執(zhí)行程序中的乘法指令。8、指令和數(shù)據(jù)形式上沒有差別，且都存于存儲器中，計算機如何區(qū)分它們呢？解析：指令和數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)部都是用二進制表示的，因而都是0、1序列，在形式上沒有差別。在指令和數(shù)據(jù)取到CPU之前，它們都存放在存儲器中，CPU必須能夠區(qū)分讀出的是指令還是數(shù)據(jù)，如果是指令，CPU會把指令的操作碼送到指令譯碼器進行譯碼，而把指令的地址碼送到相應的地方進行處理；如果是數(shù)據(jù)，則送到寄存器，或運算器。那么，CPU如何識別讀出的是指令還是數(shù)據(jù)呢？實際上，CPU并不是把信息從主存讀出后，靠某種判斷方法來識別信息是數(shù)據(jù)還是指令的。而是在讀出之前就知道將要讀的信息是數(shù)據(jù)還是指令了。執(zhí)行指令的過程分為：取指令、指令譯碼、取操作數(shù)、運算、送結果等。所以，在取指令階段，總是根據(jù)程序計數(shù)器PC的值去取指令，所以取來的一定是指令；取操作數(shù)階段取的一定是數(shù)據(jù)。1-3 練習題一、選擇題1、至今為止，計算機中的所有信息仍以二進制方式表示的理由是_。 A. 節(jié)約元件 B. 運算速度快 C. 物理期間性能所至 D. 信息處理方便2、馮諾依曼機工作方式的基本特點是_。 A. 多指令流單數(shù)據(jù)流 B. 按地址訪問并順序執(zhí)行命令 C. 堆棧操作 D. 存儲器按內(nèi)部選擇地址3、寄存器中的值有時是地址，因此只有計算機的_才能識別它。 A. 譯碼器 B. 判斷程序 C. 指令 D. 時序信號4、沒有硬盤存儲器的計算機監(jiān)控程序可以存放在_。 A. RAM B. FLASH C.RAM 或ROM D. CPU5、目前大多數(shù)集成電路生產(chǎn)中，所采用的基本材料為_。 A.單晶硅 B. 非晶硅 C. 銻化鉬 D. 硫化鎘6、從器件角度看，計算機經(jīng)歷了四代變化。但從系統(tǒng)結構看，至今絕大多數(shù)計算機仍屬于_計算機。A 并行 B 馮諾依曼 C 智能 D 串行7、運算器的核心功能部件是_。A 數(shù)據(jù)總線 B ALU C 狀態(tài)條件寄存器 D 通用寄存器二、填空題1、在計算機術語中，將運算器和控制器和在一起稱為_，而將_和存儲器和在一起稱為_。2、計算機存儲器的最小單位為_。1KB容量的存儲器能夠存儲_個這樣的基本單位。3、在計算機系統(tǒng)中，多個系統(tǒng)部件之間信息傳送的公共通路稱為_。就其所傳送的信息的性質而言，在公共通路上傳送的信息包括_、_ 和_信息。4、計算機系統(tǒng)的層次結構從下至上可分為五級，即微程序設計級（或邏輯電路級）、一般機器級、操作系統(tǒng)級、_級、_級。三、綜合應用題1、同一個功能可以由軟件完成也可以由硬件完成嗎？2、什么叫透明性？透明是指什么都能看見嗎？3、數(shù)據(jù)通路寬度、機器字長、“字”寬、存儲單元寬度、編址單位、總線寬度、指令字長各指什么？它們之間有何關系?1-4 參考答案一、選擇題1、C 2、B 3、C 4、B 5、A 6、B 7、B 二、填空題1、CPU CPU 主機2、比特 81923、總線 數(shù)據(jù) 地址 控制4、匯編語言 高級語言三、綜合應用題1、解：軟件和硬件是兩種完全不同的形態(tài)，硬件是實體，是物質基礎；軟件是一種信息，看不見、摸不到。但是它們都可以用來實現(xiàn)邏輯功能，所以在邏輯功能上，軟件和硬件是等價的。因此，在計算機系統(tǒng)中，許多功能既可以直接由硬件實現(xiàn)，也可以在硬件的配合下由軟件來實現(xiàn)。例如：乘法運算既可以用專門的乘法器（主要由加法器和移位器組成）實現(xiàn)，也可以用乘法子程序（主要由加法指令和移位指令等組成）來實現(xiàn)。2、解：在計算機領域中，站在某一類用戶的角度，如果感覺不到某個事物或屬性的存在，即“看”不到某個事物或屬性，則稱為“對xxxx用戶而言，某個事物或屬性是透明的”。這與日常生活中的“透明”概念（公開、看得見）正好相反。例如：對于高級語言程序員來說，浮點數(shù)格式、乘法指令等這些指令的格式、數(shù)據(jù)如何在運算器中運算，等等，是透明的；而對于機器語言程序員和匯編語言程序員來說，指令的格式、機器結構、數(shù)據(jù)格式等則不是透明的。3、解：在計算機內(nèi)部，有指令和數(shù)據(jù)兩大類信息。指令和數(shù)據(jù)都以二進制形式存放在存儲器中，運行程序時，需要把指令和數(shù)據(jù)從存儲器讀出，通過總線傳輸?shù)紺PU，然后，CPU再通過執(zhí)行指令來對操作數(shù)進行相應的運算，最后把結果數(shù)據(jù)送到寄存器或存儲器中。所以，在設計或使用計算機過程中，要涉及到：指令和數(shù)據(jù)在存儲器中按什么長度存放；寫入或讀出時按什么長度存?。辉诳偩€上傳輸時同時傳送多少位；數(shù)據(jù)和指令送到CPU后，在CPU的寄存器中按多少位存放；在運算器中按多少位運算；等等問題。因而出現(xiàn)了以下一些概念，它們的定義和關系如下： “數(shù)據(jù)通路”是指數(shù)據(jù)在CPU中所經(jīng)過的路徑，連同路徑上的部件，包括：通用寄存器、多路選擇器、符號擴展器、零擴展器、ALU、移