第1章計算機(jī)系統(tǒng)概論

1、計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 上海交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院陳澤宇 博士 副教授網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六22009年第1學(xué)期（2009.22009.5） 對象：上海交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2008秋（業(yè)余制專升本）計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)（軟件、網(wǎng)絡(luò)） 總學(xué)分/總學(xué)時：4/60 時間：周四晚上18:30-21:30（2.12-5.21） 主教室：江蘇路504教室 國家精品課程網(wǎng)站：http:/ 教材：計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，陳澤宇主編，清華大學(xué)出版社，2009 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六3本課程與計算機(jī)專業(yè)其他課程的關(guān)系 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課 離散數(shù)學(xué) 計算機(jī)基礎(chǔ)課 計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)（國家統(tǒng)考）

2、計算機(jī)專業(yè)課 硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六4計算機(jī)專業(yè)課 軟件類 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（學(xué)位課） 操作系統(tǒng)（學(xué)位課） 程序設(shè)計： 程序設(shè)計（C） 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計（Java） Windows程序設(shè)計（C#） 基于Web的程序設(shè)計 數(shù)據(jù)庫： 數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理與維護(hù) 硬件類 計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)類 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)與信息安全 其它 信息技術(shù)前沿專題講座 畢業(yè)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六5第1章 計算機(jī)系統(tǒng)概論第2章 運算方法和運算器第3章 存儲系統(tǒng)第4章 指令系統(tǒng)第5章 中央處理器（CPU）第6章 總線系統(tǒng)第7章 輸入輸出（I/O）系統(tǒng)第8章

3、 并行計算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六6第1章 計算機(jī)系統(tǒng)概論1.1 計算機(jī)的分類、發(fā)展與應(yīng)用1.2 計算機(jī)的基本組成1.3 計算機(jī)系統(tǒng)的概念網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六71.1 計算機(jī)的分類、發(fā)展與應(yīng)用1.1.1 計算機(jī)的分類1.1.2 計算機(jī)的發(fā)展概況1.1.3 計算機(jī)的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六8 電子數(shù)字計算機(jī)（Electronic Digital Computer） 通常簡稱為計算機(jī)（Computer） 是按照一系列指令來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的機(jī)器 計算機(jī)擁有眾多的物理形態(tài) 個人計算機(jī)（Personal Computer，PC） 便攜計算機(jī)（

4、Portable Computer） 又稱膝上型計算機(jī)（Laptop Computer） 嵌入式計算機(jī)（Embedded Computer） 使用最為廣泛的計算機(jī)形態(tài)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六9 根據(jù)ChurchTuring理論， 任何一臺具有最基本功能的計算機(jī)，原則上都能夠執(zhí)行任何其他計算機(jī)可以執(zhí)行的任務(wù) 只要不考慮時間和存儲容量，性能和復(fù)雜度均相差甚遠(yuǎn)的各種計算機(jī)，都能夠執(zhí)行相同的運算任務(wù)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六10美國SGI公司為NASA制造的Columbia超級計算機(jī) GNUX（GNU+Linux）操作系統(tǒng)下運行視頻會議軟件的手表計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021

5、年11月20日星期六111.1.1 計算機(jī)的分類1計算機(jī)分類2通用計算機(jī)分類網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六121計算機(jī)分類 根據(jù)計算機(jī)的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來劃分，計算機(jī)可分為通用計算機(jī)和專用計算機(jī)兩大類 通用計算機(jī) 功能齊全，通用性強(qiáng)，適應(yīng)面廣，可完成各種各樣的工作 但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六13 專用計算機(jī) 是專為某些特定問題而設(shè)計的功能單一的計算機(jī)，一般結(jié)構(gòu)簡單 具有可靠性高、速度快、成本低的優(yōu)點，是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計算機(jī) 但是其適應(yīng)性很差網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六142通用計算機(jī)分類 通用計算機(jī)

6、分為6類，其區(qū)別在于體積、復(fù)雜度、功耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和價格 超級計算機(jī)（Supercomputer） 大型機(jī)（Mainframe） 服務(wù)器（Server） 工作站（Workstation） 微型機(jī)（Microcomputer） 單片機(jī)（Single-Chip Computer）網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六15 超級計算機(jī) 主要用于科學(xué)計算 運算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他計算機(jī)，數(shù)據(jù)存儲容量很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴 單片機(jī) 是只用單片集成電路（Integrated Circuit，IC）做成的計算機(jī) 體積小，結(jié)構(gòu)簡單，性能指標(biāo)較低，價格便宜 大型機(jī)、服務(wù)器、工作站、微型

7、機(jī) 結(jié)構(gòu)規(guī)模和性能指標(biāo)依次遞減 隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，今天的工作站可能是明天的微型機(jī)，而今天的微型機(jī)也可能是明天的單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六161.1.2 計算機(jī)的發(fā)展概況1第一臺通用電子數(shù)字計算機(jī)2數(shù)字計算機(jī)的發(fā)展史3計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程4數(shù)字計算機(jī)的發(fā)展趨勢網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六17 “Computer”一詞 最初指的是從事數(shù)值運算的人，他們往往借助于某種機(jī)械運算裝置來完成數(shù)值運算工作 現(xiàn)在專指計算機(jī)，即電子數(shù)字計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六181第一臺通用電子數(shù)字計算機(jī) ENIAC（Electronic Numerica

8、l Integrator And Computer，電子數(shù)字積分計算機(jī)） 1946年，美國賓夕法尼亞大學(xué) 18000多個電子管 占地170平方米 總重量達(dá)30噸 耗電140千瓦 每秒能做5000次加減運算 是科學(xué)史上一次劃時代的創(chuàng)新，奠定了現(xiàn)代電子數(shù)字計算機(jī)的基礎(chǔ) 最初的結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠靈活，每一次重新編程都必須重新連線（Rewiring）網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六19 存儲程序體系結(jié)構(gòu)（Stored-Program Architecture） 給計算機(jī)一個指令序列（即程序），計算機(jī)會存儲它們，并在未來的某個時間里，從計算機(jī)存儲器中讀出，依照程序給定的順序執(zhí)行它們 現(xiàn)代計算機(jī)區(qū)別于其

9、他機(jī)器的主要特征，就在于這種可編程能力 馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)（von Neumann Architecture） 早在ENIAC完成之前，數(shù)學(xué)家約翰馮諾伊曼（John von Neumann）就在其論文中提出了存儲程序計算機(jī)的設(shè)計思想 因此，存儲程序體系結(jié)構(gòu)又稱為馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu) 大多數(shù)當(dāng)代計算機(jī)仍然采用馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六202數(shù)字計算機(jī)的發(fā)展史 從使用器件的角度來說，計算機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了5代的變化時間使用器件執(zhí)行速度（次/秒）典型應(yīng)用第1代19461957電子管幾千至幾萬數(shù)據(jù)處理機(jī)第2代19581964晶體管幾萬至幾十萬工業(yè)控制機(jī)第3代19651970小規(guī)

10、模/中規(guī)模集成電路幾十萬至幾百萬小型計算機(jī)第4代19711985大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路幾百萬至幾千萬微型計算機(jī)第5代1986甚大規(guī)模集成電路幾億至上百億單片計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六21第一代計算機(jī) 1946年到1957年 使用電子管（Vacuum Tube）作為電子器件 使用機(jī)器語言與符號語言編制程序 體積龐大，存儲容量小，成本很高，可靠性較低 主要用于科學(xué)計算 在此期間，形成了計算機(jī)的基本體系結(jié)構(gòu)，確定了程序設(shè)計的基本方法網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六22第二代計算機(jī) 1958年到1964年 使用晶體管（Transistor）作為電子器件 開始使用計算機(jī)高級

11、語言 體積縮小，存儲容量擴(kuò)大，成本降低，可靠性提高 不僅用于科學(xué)計算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理，并逐漸用于工業(yè)控制 “工業(yè)控制機(jī)”開始得到應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六23第三代計算機(jī) 1965年到1970年 使用小規(guī)模集成電路（Small-Scale Integration，SSI）與中規(guī)模集成電路（Medium-Scale Integration，MSI）作為電子器件 操作系統(tǒng)開始出現(xiàn) 計算機(jī)小型化、微型化 不僅用于科學(xué)計算，還用于文字處理、企業(yè)管理和自動控制等領(lǐng)域 出現(xiàn)了管理信息系統(tǒng)（Management Information System，MIS） “小型計算機(jī)”開始出

12、現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六24第四代計算機(jī) 1971年到1985年 使用大規(guī)模集成電路（Large-Scale Integration，LSI）與超大規(guī)模集成電路（Very-Large-Scale Integration，VLSI）作為電子器件 計算機(jī)在辦公自動化、數(shù)據(jù)庫管理、圖像識別、語音識別和專家系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域大顯身手 由幾片大規(guī)模集成電路組成的“微型計算機(jī)”開始出現(xiàn)，并進(jìn)入家庭網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六25第五代計算機(jī) 1986年開始 采用甚大規(guī)模集成電路（Ultra-Large-Scale Integration，ULSI）作為電子器件 由一片甚大規(guī)模集成

13、電路實現(xiàn)的“單片計算機(jī)”開始出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六26總體而言 電子管計算機(jī)在整個20世紀(jì)50年代居于統(tǒng)治地位 20世紀(jì)60年代，晶體管計算機(jī)逐漸取而代之 20世紀(jì)70年代，集成電路技術(shù)的采用和其后微處理器的產(chǎn)生，導(dǎo)致計算機(jī)有了一次新的飛躍 20世紀(jì)80年代，計算機(jī)被個人廣泛使用，成為現(xiàn)在無處不在的個人計算機(jī) 20世紀(jì)90年代以來，幾乎所有的現(xiàn)代電子設(shè)備都會包含某種形式的計算機(jī)在內(nèi)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六273計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程 在馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以提高速度、擴(kuò)大存儲容量、降低成本、提高系統(tǒng)可靠性、方便用戶使用為目的，不斷采用新的器件、研制

14、新的軟件 主要是指令系統(tǒng)、微程序設(shè)計、流水線結(jié)構(gòu)、多級存儲器體系結(jié)構(gòu)、輸入/輸出體系結(jié)構(gòu)、并行體系結(jié)構(gòu)、分布式體系結(jié)構(gòu)、多媒體體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的形成和發(fā)展網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六284數(shù)字計算機(jī)的發(fā)展趨勢1）多處理2）網(wǎng)絡(luò)化3）智能化4）微型化5）巨型化6）多媒體網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六291）多處理 多處理（Multiprocessing） 在一個或多個CPU之間劃分工作 傳統(tǒng)上用于超級計算機(jī)、大型機(jī)和服務(wù)器這類大型、強(qiáng)大的計算機(jī)上 超級計算機(jī) 經(jīng)常擁有幾千個CPU、定制的高速互連網(wǎng)絡(luò)和專門的計算硬件 低端市場應(yīng)用 配備多處理器（Multip

15、rocessor）和多核（Multi-Core）處理器的臺式/便攜式計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六302）網(wǎng)絡(luò)化 20世紀(jì)70年代， 美國國防部高級研究計劃署（ARPA）資助形成ARPANET 此后， 該網(wǎng)絡(luò)傳播開來，最終形成了互聯(lián)網(wǎng)（Internet） 20世紀(jì)90年代， 電子郵件（e-Mail）和萬維網(wǎng)（World Wide Web，WWW）等應(yīng)用普及 以太網(wǎng)（Ethernet）和非對稱數(shù)字用戶線路（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）等廉價、快速聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)變得無處不在網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六313）

16、智能化 人們將用自然語言和機(jī)器對話 計算機(jī)將從數(shù)值計算為主過渡到知識推理為主，進(jìn)入知識處理階段4）微型化 微型計算機(jī)將向更加微型化、網(wǎng)絡(luò)化、高性能、多用途方向發(fā)展5）巨型化 超級計算機(jī)將向更加巨型化、超高速、并行處理、智能化方向發(fā)展網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六326）多媒體 多媒體信息 文本、圖像、圖形、聲音、視頻等 多媒體計算機(jī) 將真正改善人機(jī)界面 使計算機(jī)向著人類接受和處理信息的最自然的方式發(fā)展網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六331.1.3 計算機(jī)的應(yīng)用1科學(xué)計算2自動控制3測量測試4信息處理5教育衛(wèi)生6電子電器7人工智能網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六341科

17、學(xué)計算 科學(xué)計算領(lǐng)域 數(shù)學(xué)、化學(xué)、原子能、天文學(xué)、地球物理學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究 航天飛行、飛機(jī)設(shè)計、橋梁設(shè)計、水力發(fā)電、地質(zhì)找礦、天氣預(yù)報等方面的大量計算 益處 大大減輕計算工作量 一些以往無法解決、無法及時解決或無法精確解決的問題得到圓滿的解決網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六352自動控制 有了體積小、價廉、可靠的微型機(jī)和單片機(jī)作為工具，自動控制進(jìn)入了以計算機(jī)為主要控制設(shè)備的新的發(fā)展階段網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六363測量測試 提高測量精度 提高工作效率 完成非人力所能完成的測量和測試任務(wù) 如高溫、低溫、有毒、輻射環(huán)境的測量和測試，核爆炸時的數(shù)據(jù)采集等等網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院

18、2021年11月20日星期六374信息處理 人本身就是一個非常高級的信息處理系統(tǒng) 一臺計算機(jī)實際上就是一臺信息處理機(jī) 可用來處理文字、表格、圖像、聲音等各類信息 信息處理的典型應(yīng)用 辦公自動化、管理信息系統(tǒng)、電子銀行（e-Banking）、電子購物（e-Shopping）、網(wǎng)上訂票、虛擬圖書館、網(wǎng)絡(luò)流媒體（Streaming Media）網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六385教育衛(wèi)生 計算機(jī)輔助教學(xué)（Computer-Aided Instruction，CAI） 基于網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)（Distance Learning，或e-Learning）網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六

19、39 使用計算機(jī)的各種醫(yī)療設(shè)備 CT圖像處理設(shè)備、心腦電圖分析儀、血液分析儀 專家系統(tǒng) 中醫(yī)專家診療系統(tǒng)、各種疾病的電子診療系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六406電子電器 電子電器產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用了各種嵌入式計算機(jī) 微波爐、洗衣機(jī)、家用空調(diào)、DVD播放機(jī)、電子玩具、游戲機(jī) 電子電器產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化 許多家用電器可以通過各種有線或無線的網(wǎng)絡(luò)連接（如Internet、紅外線、藍(lán)牙等），完成自身程序的自動更新、遠(yuǎn)程控制等復(fù)雜任務(wù)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六417人工智能 人工智能 簡而言之就是使計算機(jī)模仿人的高級思維活動 文字識別、圖形識別、景物分析、語音識別、語音合成、語言理解 機(jī)

20、器人 人工智能研究中最突出的成就網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六42 工業(yè)機(jī)器人 在生產(chǎn)線上完成簡單重復(fù)的工作 代替人類在高溫、有毒、輻射、深水等惡劣環(huán)境下工作 智能機(jī)器人 自己識別控制對象和工作環(huán)境 自動作出判斷和決策 直接領(lǐng)會人的命令和意圖 避開障礙物，適應(yīng)環(huán)境變化 靈活機(jī)動地完成指定的控制任務(wù)與信息處理任務(wù)汽車生產(chǎn)中的工業(yè)機(jī)器人 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六431.2 計算機(jī)的基本組成1.2.1 計算機(jī)硬件1.2.2 計算機(jī)軟件1.2.3 軟件與硬件的邏輯等價性網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六44 計算機(jī)由硬件（Hardware）和軟件（Software）兩部

21、分組成 硬件是基礎(chǔ)，是軟件活動的舞臺 軟件是靈魂，使硬件最大限度地發(fā)揮作用 兩者缺一不可 計算機(jī)硬件 由物理元器件構(gòu)成的有形實體 主要是數(shù)字邏輯電路 計算機(jī)軟件 由計算機(jī)程序構(gòu)成的無形的東西 需要存儲在有形的硬件（如主存儲器、硬盤等）中 可以實現(xiàn)更高層次的邏輯功能網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六451.2.1 計算機(jī)硬件1控制器2運算器3存儲器4輸入輸出設(shè)備5總線網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六46 計算機(jī)硬件是組成計算機(jī)的所有電子器件和機(jī)電裝置的總稱 馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu) 主要特點：使用二進(jìn)制數(shù)和存儲程序 設(shè)計思想：存儲程序并按地址順序執(zhí)行 把程序及其操作數(shù)據(jù)一同存儲 哈佛體系結(jié)

22、構(gòu)（Harvard Architecture） 把程序與其操作數(shù)據(jù)分開存儲 源自Harvard Mark I計算機(jī) 現(xiàn)代的馮諾伊曼計算機(jī)在設(shè)計中展示出了某些哈佛體系結(jié)構(gòu)的特性，如高速緩存Cache網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六47 馮諾伊曼計算機(jī)具有5大部件 控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備（CAI演示） 這些部件用總線相互連接 中央處理器（Central Processing Unit，CPU） 控制器和運算器的合稱 早期由許多分立元件組成，現(xiàn)在通常被制作在單片集成電路上，稱為微處理器（Microprocessor） CPU和存儲器通常組裝在一個機(jī)箱內(nèi)，合稱為主機(jī) 除去主

23、機(jī)以外的硬件裝置稱為外圍設(shè)備適配器存儲器控制器運算器總線CPU輸入設(shè)備輸出設(shè)備網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六48 計算機(jī)系統(tǒng)工作時， 輸入設(shè)備將程序與數(shù)據(jù)存入存儲器 控制器從存儲器中逐條取出指令，將其解釋成控制命令，去控制各部件的動作 數(shù)據(jù)在運算器中加工處理，處理后的結(jié)果通過輸出設(shè)備輸出網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六491控制器1）控制器的基本工作流程2）控制器的基本任務(wù)3）指令和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六50 控制器是計算機(jī)的管理機(jī)構(gòu)和指揮中心 按照預(yù)先確定的操作步驟，協(xié)調(diào)控制計算機(jī)各部件有條不紊地自動工作 控制器工作的實質(zhì)就是解釋程序 逐條讀取、分析、

24、執(zhí)行指令，控制各部件動作 高級計算機(jī)中的控制器可以改變某些指令的順序，以改善性能 程序計數(shù)器（Program Counter） 是一個特殊的寄存器 記錄著將要讀取的下一條指令在存儲器中的位置網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六511）控制器的基本工作流程 一種簡化描述從程序計數(shù)器所指示的存儲單元中，讀取下一條指令代碼把指令代碼譯碼為一系列命令或信號，發(fā)向各個不同的功能部件遞增程序計數(shù)器，以指向下一條指令根據(jù)指令需要，從存儲器（或輸入設(shè)備）讀取數(shù)據(jù)，所需數(shù)據(jù)的存儲器位置通常保存在指令代碼中把讀取的數(shù)據(jù)提供給運算器或寄存器如果指令需要由運算器（或?qū)ｉT硬件）來完成，則命令運算器執(zhí)行所請求的操作把

25、來自運算器的計算結(jié)果寫回到存儲器、寄存器或輸出設(shè)備轉(zhuǎn)回第步網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六522）控制器的基本任務(wù) 控制器的基本任務(wù) 按照程序所排的指令序列，從存儲器取出一條指令（簡稱取指）， 對該指令進(jìn)行譯碼分析， 根據(jù)指令性質(zhì)，執(zhí)行這條指令 再取指、譯碼、執(zhí)行， 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六53 取指周期與執(zhí)行周期 把取指令的一段時間稱為取指周期 把執(zhí)行指令的一段時間稱為執(zhí)行周期 控制器反復(fù)交替地處在取指周期與執(zhí)行周期之中 指令順序存放 每取出一條指令，程序計數(shù)器就加1，為取下一條指令做好準(zhǔn)備 正因為如此，指令在存儲器中必須順序存放網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期

26、六543）指令和數(shù)據(jù) 計算機(jī)中有兩股信息在流動 控制信息 即操作命令 發(fā)源地是控制器，分散流向各個部件 數(shù)據(jù)信息 受控制信息的控制，從一個部件流向另一個部件，邊流動邊加工處理 如何區(qū)分存放在一起的指令和數(shù)據(jù)？ 取指周期中從存儲器讀出的信息流是指令流 由存儲器流向控制器 執(zhí)行周期中從存儲器讀出的信息流是數(shù)據(jù)流 由存儲器流向運算器網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六552運算器 運算器是一個用于信息加工的部件，用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算 運算器通常由算術(shù)邏輯單元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和一系列寄存器組成（CAI演示） ALU 是具體完成算術(shù)與邏輯運算的單元

27、是運算器的核心 由加法器和其他邏輯運算單元組成 寄存器 用于存放參與運算的操作數(shù) 累加器 一個特殊的寄存器 除了存放操作數(shù)之外，還用于存放中間結(jié)果和最后結(jié)果網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六56 ALU所支持的算術(shù)運算 可能僅局限于加法和減法，也可能包括乘法、除法，甚至三角函數(shù)和平方根 有些只支持整數(shù)，有些則可以使用浮點來表示有限精度的實數(shù) 任何計算機(jī)都可以通過編程來執(zhí)行任何的算術(shù)運算 簡單的計算機(jī)可以通過編程，把復(fù)雜的運算分解成它可以執(zhí)行的簡單步驟 如果ALU不能從硬件上直接支持，則可把復(fù)雜運算用軟件方式實現(xiàn)，但需要花費較多的時間網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六57 ALU所支

28、持的邏輯運算 與（AND）、或（OR）、異或（XOR）、非（NOT）等布爾運算 比較數(shù)值 新型ALU 超標(biāo)量（Superscalar）計算機(jī)包含多個ALU 可以同時處理多條指令 圖形處理器和具有并行特性的計算機(jī)的ALU 可以執(zhí)行矢量和矩陣算術(shù)運算網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六583存儲器1）主存儲器2）寄存器3）閃速存儲器4）高速緩沖存儲器Cache5）輔助存儲器網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六59 存儲器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù) 程序和數(shù)據(jù)都用二進(jìn)制數(shù)表示，統(tǒng)稱為信息 向存儲器存入或從存儲器取出信息，都稱為訪問存儲器 存儲器由一系列存儲單元組成 每個存儲單元的編號稱為地址

29、 要按給定的地址來尋找所選擇的存儲單元 信息單位 位（bit，簡寫成b） 數(shù)字計算機(jī)的最小信息單位 包含1位二進(jìn)制信息（0或1） 字節(jié)（Byte，簡寫成B） 由8位二進(jìn)制信息組成 字（Word） 計算機(jī)一次所能處理的二進(jìn)制位數(shù)，至少一個字節(jié) 通常把組成一個字的二進(jìn)制位數(shù)稱為字長 例如微型機(jī)的字長可以少至8位，多至32位，甚至達(dá)到64位網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六60 存儲容量 存儲器中所有存儲單元的總數(shù) 常用單位 KB（Kilobyte，千字節(jié)）、MB（Megabyte，兆字節(jié)）、GB（Gigabyte，千兆字節(jié)） 各級單位之間的關(guān)系 1KB=1024B，1MB=1024KB，1G

30、B=1024MB 存儲器分類 按照存儲器在計算機(jī)中的作用，可分為主存儲器、寄存器、閃速存儲器、高速緩沖存儲器、輔助存儲器等幾種類型 它們均可完成數(shù)據(jù)的存取工作，但性能及其在計算機(jī)中的作用差別很大網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六611）主存儲器 主存儲器（Main Memory，簡稱主存）通常采用半導(dǎo)體存儲器 隨機(jī)存取存儲器（Random Access Memory，RAM） CPU可讀寫 掉電時內(nèi)容被消除 只讀存儲器（Read-Only Memory，ROM） CPU只能讀取 掉電時可保留其數(shù)據(jù) 事先加載了固化的數(shù)據(jù)和軟件（如PC機(jī)的BIOS，無盤嵌入式計算機(jī)的全部軟件） 存儲在ROM

31、中的軟件常被稱為固件（Firmware）網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六622）寄存器 寄存器（Register）是CPU內(nèi)部的一組特殊存儲單元 讀寫速度比主存快得多 通常被用于使用最為頻繁的數(shù)據(jù)項，以避免多次訪問主存 減少主存訪問可大大加快計算機(jī)速度網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六633）閃速存儲器 閃速存儲器（Flash Memory，簡稱閃存） 像ROM一樣在關(guān)機(jī)時保留數(shù)據(jù) 像RAM一樣可被重寫 通常比ROM和RAM慢得多 用于非高速的應(yīng)用場合網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六644）高速緩沖存儲器Cache 高速緩沖存儲器（簡稱高速緩存）Cache 比寄存器慢，但

32、比主存快 位于CPU和主存儲器之間 規(guī)模較小，但速度很快 能夠很好地解決CPU和主存之間的速度匹配問題 計算機(jī)自動把頻繁訪問數(shù)據(jù)移入Cache，無需人工干預(yù) 當(dāng)需要讀寫數(shù)據(jù)時，CPU首先訪問Cache 只有當(dāng)Cache中不包含所需要的數(shù)據(jù)時，CPU才去訪問主存網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六655）輔助存儲器 外存儲器（簡稱外存）或輔助存儲器（簡稱輔存） 軟盤存儲器、硬盤存儲器、光盤存儲器等 存放當(dāng)前不在運行的程序和未被用到的數(shù)據(jù) 存儲容量大、成本低，可脫機(jī)保存信息 相對而言，半導(dǎo)體存儲器稱為內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六664輸入輸出設(shè)備 I/O設(shè)備或外圍

33、設(shè)備(Peripheral，簡稱外設(shè))1）輸入設(shè)備2）輸出設(shè)備3）適配器網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六671）輸入設(shè)備 將人們熟悉的信息形式，變換成計算機(jī)能接受并識別的二進(jìn)制信息形式 理想的輸入設(shè)備應(yīng)該是“會看”和“會聽”的 鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等，以及用于文字識別、圖像識別、語音識別的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六682）輸出設(shè)備 將計算機(jī)輸出的處理結(jié)果信息，轉(zhuǎn)換成人類或其他設(shè)備能夠接受和識別的信息形式 理想的輸出設(shè)備應(yīng)該是“會寫”和“會講”的 激光打印機(jī)、繪圖儀、CRT/LCD顯示器等，以及輸出語言的設(shè)備（如語音合成產(chǎn)品）網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六693

34、）適配器 外圍設(shè)備通過適配器（Adapter）部件與主機(jī)相連接 作用相當(dāng)于轉(zhuǎn)換器，保證外圍設(shè)備按照計算機(jī)系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息 使主機(jī)和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六705總線 計算機(jī)系統(tǒng)通過總線（Bus）將CPU、主存儲器及I/O設(shè)備連接起來 總線是構(gòu)成計算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路 按照信號類型，可將總線分為 數(shù)據(jù)總線 主要傳送數(shù)據(jù)，雙向，可輸入輸出 地址總線 傳送地址信息，單向，決定數(shù)據(jù)或命令傳送給誰 控制總線 傳送各種控制信號網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六711.2.2 計算機(jī)軟件 計算機(jī)軟件是程序的有序

35、集合，而程序則是指令的有序集合1軟件系統(tǒng)2程序設(shè)計語言3操作系統(tǒng)4數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六721軟件系統(tǒng) 一臺計算機(jī)中全部程序的集合，統(tǒng)稱為這臺計算機(jī)的軟件系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為有效使用計算機(jī)而配置的 計算機(jī)軟件按其功能可分為應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六731）應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是為解決某種應(yīng)用問題而編制的程序網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六742）系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)的管理、調(diào)度、監(jiān)視和服務(wù)等功能 系統(tǒng)軟件一般包括以下6類：網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六75服務(wù)性程序 又稱為工具軟件，

36、包括診斷程序、調(diào)試程序等網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六76語言處理程序 將用匯編語言或高級語言編制的源程序，翻譯成機(jī)器可以直接識別的目的程序（機(jī)器語言程序） 不同語言的源程序，對應(yīng)有不同的語言處理程序 語言處理程序有匯編程序、編譯程序、解釋程序3種網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六77操作系統(tǒng) 控制和管理計算機(jī)的各種資源 自動調(diào)度用戶作業(yè)程序 處理各種中斷 是用戶與計算機(jī)的接口網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六78數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫 是一種計算機(jī)軟、硬件資源組成的系統(tǒng) 能夠有組織、動態(tài)地存儲大量的相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問 數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件一起，組成了數(shù)據(jù)庫管理系

37、統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六79標(biāo)準(zhǔn)庫程序 是為方便用戶而預(yù)先按照標(biāo)準(zhǔn)格式編制好的一些常用程序段所組成的標(biāo)準(zhǔn)程序庫網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六80計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)軟件 是為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)而配置的系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行組織和管理，實現(xiàn)相互之間的通信 包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信處理程序 前者實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源管理 后者實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)操作網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六812程序設(shè)計語言1）機(jī)器語言2）匯編語言3）算法語言網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六821）機(jī)器語言 早期人們直接用機(jī)器語言（即機(jī)器指令代碼）編寫程序，計算機(jī)完全可以“識別”并執(zhí)行，所以又叫做目的程序 但是

38、用機(jī)器語言編寫程序需要耗費大量的人力和時間，且容易出錯網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六832）匯編語言 指令助記符 為了編寫程序方便、提高機(jī)器使用效率，人們用約定的文字、符號和數(shù)字按規(guī)定格式來表示各種不同的指令，每條基本指令都被指定了一個表示其功能又便于記憶的短的名字，稱為指令助記符（如ADD、SUB、MULT、JUMP等） 匯編語言（Assembly Language） 用指令助記符表示的指令來編寫程序 匯編程序（Assembler） 用來把匯編語言程序轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以理解的、用機(jī)器語言表示的目的程序 機(jī)器語言及匯編語言，對于特定類型的計算機(jī)而言是唯一的 一臺ARM體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)無

39、法理解一臺Intel Pentium計算機(jī)的機(jī)器語言網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六843）算法語言 算法語言 是指按實際需要規(guī)定好的一套基本符號，以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則 比較接近數(shù)學(xué)語言，直觀通用，與具體機(jī)器無關(guān) 有影響的算法語言包括BASIC、FORTRAN、C、C+、JAVA等 復(fù)雜程序采用算法語言編寫，能夠更便利地表達(dá)程序員的設(shè)計思想，幫助減少程序錯誤 源程序（Source） 是指用算法語言編寫的程序 不能由機(jī)器直接識別和執(zhí)行 必須“翻譯”為機(jī)器語言后才能由機(jī)器識別和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六85 源程序“翻譯”方法編譯程序（Compiler） 把用

40、算法語言編寫的源程序翻譯成目的程序，然后在運行系統(tǒng)中執(zhí)行目的程序，得出計算結(jié)果 編譯程序和運行系統(tǒng)合稱為編譯系統(tǒng)解釋程序（Interpreter） 進(jìn)行解釋執(zhí)行，即逐個解釋并立即執(zhí)行源程序的語句 不是編譯出目的程序后再執(zhí)行，而是逐一解釋語句并立即得出計算結(jié)果網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六863操作系統(tǒng) 管理計算機(jī)資源（如處理器、存儲器、外圍設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序） 自動調(diào)度用戶的作業(yè)程序 使多個用戶能有效地共用一套計算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六874數(shù)據(jù)庫 大量數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來，形成數(shù)據(jù)庫（Database，DB） 數(shù)據(jù)庫就是實現(xiàn)有組織、動態(tài)地存儲

41、大量相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計算機(jī)軟、硬件資源所組成的系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件一起，組成了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Database Management System，DBMS）網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六881.2.3 軟件與硬件的邏輯等價性 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢 任何操作既可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn) 任何指令的執(zhí)行都可以由硬件完成，也可以由軟件來完成 計算機(jī)系統(tǒng)的軟件與硬件可以互相轉(zhuǎn)化，互為補(bǔ)充 軟件固化 把復(fù)雜的、常用的程序用只讀存儲器制作成固件(Firmware) 就其功能而言是軟件，但從形態(tài)來說又是硬件 本來通過軟件手段實現(xiàn)的某些功能，現(xiàn)在

42、可以通過硬件直接解釋執(zhí)行 一些當(dāng)代計算機(jī)的特點，就是把原來通過編制程序?qū)崿F(xiàn)的操作，改為直接由硬件完成，如整數(shù)乘除法指令、浮點運算指令、處理字符串指令等等網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六891.3 計算機(jī)系統(tǒng)的概念1.3.1 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3.2 計算機(jī)系統(tǒng)的3個術(shù)語1.3.3 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的分類網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六901.3.1 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)是硬件、固件和軟件組成的一個十分復(fù)雜的整體為了對計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行描述、分析、設(shè)計和使用，人們從語言的角度出發(fā)，把計算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成5個層次級別 每一級以一種不同的語言為特征 每一級都能進(jìn)行程序

43、設(shè)計網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六91第1級是微程序設(shè)計級，屬于硬件級，由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令，也可直接用組合邏輯和時序邏輯電路實現(xiàn)第2級是機(jī)器語言級，也屬于硬件級，由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)第3級是操作系統(tǒng)級，屬于（軟硬件）混合級，由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)第4級是匯編語言級，屬于軟件級，由匯編程序支持和執(zhí)行第5級是高級語言級，也屬于軟件級，由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六92第1級微程序設(shè)計級由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令硬件級二進(jìn)制語言第2級機(jī)器語言級由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)第3級操作系統(tǒng)級由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)混合級第4級匯編語言級由匯編程序支持和執(zhí)行軟件級符號語言第5級高級語言級由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行 各層次之間關(guān)系緊密，上層是下層功能的擴(kuò)展，下層是上層的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六931.3.2 計算機(jī)系統(tǒng)的3個術(shù)語1計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)2計算機(jī)組成3計算機(jī)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年11月20日星期六941計算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（Computer Architecture）定義為機(jī)器語言程序員所看到的計算機(jī)系統(tǒng)的屬性 這些屬性是計算機(jī)系統(tǒng)中由硬件或固件完成的功能 對通用寄存器型機(jī)器來說，這些屬性主要包括：數(shù)據(jù)表示