第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論陳敏目錄1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.3計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.2計(jì)算機(jī)的基本組成1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)？Windows系列：Windows8Window7Windows2000Linux系列：Fedora、suselinuxUBUNTUMac系列Unix系列:BSD、SOLARISNo!1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介由具有各類(lèi)特殊功能的信息（程序）組成，如Windows系統(tǒng)，QQ充分發(fā)揮硬件功能、提供計(jì)算機(jī)工作效率，甚至模擬人的局部思維活動(dòng)，其地位和作用已成為評(píng)判計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能好壞的重要標(biāo)志需要硬件的支撐1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的實(shí)體，如主機(jī)、鍵盤(pán)、顯示器等通常存在于各類(lèi)媒體，如ROM、RAM、光盤(pán)、磁盤(pán)，這些又主要存在于計(jì)算機(jī)的主存或輔存中一、計(jì)算機(jī)的軟硬件概念硬件軟件按任務(wù)需要編制成的各種程序用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件語(yǔ)言處理程序:匯編程序(高級(jí)語(yǔ)言->匯編語(yǔ)言)、編譯程序(高級(jí)語(yǔ)言->機(jī)器語(yǔ)言)操作系統(tǒng)：分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、批處理系統(tǒng)服務(wù)性程序：診斷程序、調(diào)試程序、連接程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件軟件1.1科學(xué)計(jì)算程序、數(shù)據(jù)處理程序、過(guò)程控制程序、事務(wù)管理程序計(jì)算機(jī)用戶(hù)編寫(xiě)的高級(jí)語(yǔ)言程序（源程序）目標(biāo)程序計(jì)算機(jī)結(jié)果翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序運(yùn)行1.12.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1語(yǔ)言類(lèi)型特點(diǎn)對(duì)用戶(hù)的要求機(jī)器機(jī)器語(yǔ)言用0、1代碼表示機(jī)器語(yǔ)言程序可直接在機(jī)器上執(zhí)行用二進(jìn)制編寫(xiě)程序熟悉計(jì)算機(jī)硬件及其指令系統(tǒng)編程難度大操作過(guò)程極易出錯(cuò)直接執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言的機(jī)器成為實(shí)際機(jī)器M1匯編語(yǔ)言（面向機(jī)器的語(yǔ)言）20世紀(jì)50年代符號(hào)式的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言用符號(hào)ADD、SUB、MUL、DIV等分別表示加、減、乘、除等操作，并用符號(hào)表示指令或數(shù)據(jù)所在存儲(chǔ)單元的地址需被翻譯成機(jī)器語(yǔ)言才能被機(jī)器接受并自動(dòng)運(yùn)行不再用二進(jìn)制代碼來(lái)編程具有將匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的翻譯功能的匯編程序的計(jì)算機(jī)看做一臺(tái)機(jī)器M2并非實(shí)際機(jī)器，是虛擬機(jī)

高級(jí)語(yǔ)言（面向問(wèn)題）20世紀(jì)60年代對(duì)問(wèn)題的描述十分接近人的習(xí)慣，具有較強(qiáng)的通用性需被翻譯成匯編語(yǔ)言或其他中間語(yǔ)義，再翻譯機(jī)器語(yǔ)言；或直接翻譯成機(jī)器語(yǔ)言無(wú)需了解M1的機(jī)型、內(nèi)部組成和指令系統(tǒng)只需掌握高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)法和語(yǔ)義完成將高級(jí)語(yǔ)言翻譯成匯編語(yǔ)言或其他中間語(yǔ)言或直接翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的工作的機(jī)器M3并非實(shí)際機(jī)器，是虛擬機(jī)

二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1將高級(jí)語(yǔ)言程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序的軟件成為“翻譯程序”。編譯程序?qū)⒂脩?hù)編寫(xiě)的高級(jí)語(yǔ)言程序（源程序）全部語(yǔ)句一次性全部翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序，而后再執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言程序。只要源程序不變即無(wú)須再次進(jìn)行翻譯。如FORTRAN\PASCAL等語(yǔ)言就是用編譯程序來(lái)完成翻譯的。解釋程序：將源程序的一條語(yǔ)句翻譯成對(duì)應(yīng)于機(jī)器語(yǔ)言的一條語(yǔ)句并且立即執(zhí)行這條語(yǔ)句接著翻譯源程序的下一條語(yǔ)句，并執(zhí)行這條語(yǔ)句，如此重復(fù)直至完成源程序的全部翻譯任務(wù)。它的特點(diǎn)是翻譯一次執(zhí)行一次，即使下一次重復(fù)執(zhí)行該語(yǔ)句時(shí)，也必須重新翻譯。如BASIC語(yǔ)義的翻譯就有解釋程序和編譯程序兩種翻譯程序二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器M3匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)器M2機(jī)器語(yǔ)言實(shí)際機(jī)器M1微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器M01.1二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1微程序機(jī)器M0直接將機(jī)器M1中的每條機(jī)器指令翻譯成一組微指令，即構(gòu)成一個(gè)微程序M0執(zhí)行完對(duì)應(yīng)于一條極其指令的一個(gè)微程序后，便由M1的下一條機(jī)器指令使機(jī)器M0自動(dòng)進(jìn)入與其對(duì)應(yīng)的另一個(gè)微程序餓執(zhí)行。M0可看做是對(duì)M1的分解，即用M0的微程序解釋并執(zhí)行M1的每一條機(jī)器指令。M0也是實(shí)際機(jī)器，為了與M1區(qū)別，M1成為傳統(tǒng)機(jī)器，M0成為微程序機(jī)器。二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器M3匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)器M2操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器機(jī)器語(yǔ)言實(shí)際機(jī)器M1微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器M01.1用編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言程序用匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件1.1虛擬機(jī)器M4虛擬機(jī)器M3虛擬機(jī)器M2實(shí)際機(jī)器M1微程序機(jī)器M0常見(jiàn)的五級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次機(jī)構(gòu)程序員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屬性：指用機(jī)器語(yǔ)言編程的程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器的屬性，包括指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類(lèi)型、尋址技術(shù)、I/O機(jī)理，大都是抽象的屬性。不同層次上編程的程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性也各不相同。高級(jí)語(yǔ)言程序員：IBMPC與RS6000是同一屬性的機(jī)器，而匯編語(yǔ)言程序員則認(rèn)為是不同屬性的機(jī)器。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，包含許多對(duì)程序員來(lái)說(shuō)是透明的硬件細(xì)節(jié)有無(wú)乘法指令如何實(shí)現(xiàn)乘法指令例如指令系統(tǒng)提醒了機(jī)器的屬性，是結(jié)構(gòu)問(wèn)題，而如何取指令、分析指令、取操作數(shù)、運(yùn)算、送結(jié)果等，屬于組成問(wèn)題，即組成是具體指令的實(shí)現(xiàn)1.1三、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成兩臺(tái)機(jī)器結(jié)構(gòu)相同，不一定組成也相同，性能也不一定相同。1.1三、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成同一系列型號(hào)A型號(hào)B型號(hào)D型號(hào)C組成不同，性能、價(jià)格相差大；只知結(jié)構(gòu)，不知組成，選不好性?xún)r(jià)比高的機(jī)器一種機(jī)器的體系結(jié)構(gòu)可能維持許多年但機(jī)器組成卻會(huì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷奶變化，如1970年推出的IBMSystem/370結(jié)構(gòu)，它包含了許多機(jī)型。一般用戶(hù)買(mǎi)低速機(jī)，需求高的用戶(hù)可以買(mǎi)升級(jí)的價(jià)格稍貴的機(jī)型，而不必拋棄已開(kāi)發(fā)的軟件。故許多年可不斷推出性?xún)r(jià)比高，價(jià)格低的新機(jī)型，新機(jī)型總是保留原來(lái)機(jī)器的機(jī)構(gòu)。一般的計(jì)算機(jī)升級(jí)大都是計(jì)算機(jī)組成的升級(jí)1.2計(jì)算機(jī)的基本組成1.

計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備由五大部件組成3.指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示4.指令由操作碼和地址碼組成，操作碼表示操作的性質(zhì)，地址碼表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置6.以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送通過(guò)運(yùn)算器完成2.指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器，可按地址尋訪5.

指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放。通常，指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果或射到的條件改變執(zhí)行順序存儲(chǔ)程序一、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1945年，數(shù)學(xué)家馮·諾依曼在研究EDVAC機(jī)時(shí)提出了“存儲(chǔ)程序”的概念，以此概念為基礎(chǔ)的各類(lèi)計(jì)算機(jī)通稱(chēng)為馮·諾依曼機(jī)。算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算，中間結(jié)果存在其中存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)行及處理運(yùn)算結(jié)果1.2馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備1.2馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備二、計(jì)算機(jī)硬件框圖1.21.以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖程序存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算ALU：算邏部件，完成算術(shù)邏輯運(yùn)算主存：存放程序、數(shù)據(jù)，可與CPU直接交換信息輔存：外存CPU（核心）主機(jī)I/O設(shè)備：外部設(shè)備，受CU控制，完成相應(yīng)的輸入輸出工作硬件CU：控制單元，解釋存儲(chǔ)器中的質(zhì)量，并發(fā)出各種操作命令來(lái)執(zhí)行指令2.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器1.2ALUCPU主機(jī)I/O設(shè)備CU主存1.上機(jī)前的準(zhǔn)備建立數(shù)學(xué)模型：構(gòu)建一系列反應(yīng)研究問(wèn)題/對(duì)象變化規(guī)律的數(shù)學(xué)方程組-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序：將運(yùn)算步驟用一一對(duì)應(yīng)的機(jī)器指令描述確定計(jì)算方法：將復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程式變成適合計(jì)算機(jī)的加減乘除四

則運(yùn)算的方法程序——

運(yùn)算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——

每一個(gè)步驟1.2三、計(jì)算機(jī)的工作步驟用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題通常包括兩大步驟：1、上機(jī)前準(zhǔn)備；2、上機(jī)運(yùn)行取x

至運(yùn)算器中乘以x

，得x2

，存于運(yùn)算器中乘以a

，得ax2

，存于在運(yùn)算器中存ax2

存于存儲(chǔ)器中取b

至運(yùn)算器中乘以x

，得bx，存于運(yùn)算器中從存儲(chǔ)器中取出ax2與bx相加，得ax2+bx，存于運(yùn)算器中取c與

ax2+bx

相加，得ax2+bx+c，存于運(yùn)算器中=(ax

+

b)x

+

c

取x

至運(yùn)算器中乘以a

在運(yùn)算器中加b

在運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中加c

在運(yùn)算器中計(jì)算ax2+bx+c1.2編程舉例將上述步驟編寫(xiě)成某計(jì)算機(jī)一一對(duì)應(yīng)的機(jī)器指令，就完成了運(yùn)算呈現(xiàn)的編寫(xiě)000001

0000001000打印

停機(jī)取數(shù)α[α]ACC存數(shù)β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式舉例1.2操作碼地址碼

[

]打印機(jī)000010000011000100000101000110指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000010000001000取數(shù)x至ACC10001000000001001乘a得ax

,存于ACC中20000110000001010加b得ax+b

,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c

,存于ACC50000100000001100將ax2+bx+c

,存于主存單元60001010000001100打印7000110停機(jī)8

x原始數(shù)據(jù)x9

a原始數(shù)據(jù)a10

b原始數(shù)據(jù)b11

c原始數(shù)據(jù)c12存放結(jié)果1.2計(jì)算ax2+bx+c

程序清單存儲(chǔ)體大樓存儲(chǔ)單元存放一串二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)字存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合

可代表：二進(jìn)制數(shù)、一串字符、一條指令存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)，8位、16位、32位每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)按地址存取–存儲(chǔ)單元–存儲(chǔ)元件（0/1）–

房間–

床位（無(wú)人/

有人）(1)存儲(chǔ)器的基本組成1.2MDR主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MAR2.計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程按存儲(chǔ)單元的地址號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)字各位的存、取存儲(chǔ)體M+各種邏輯部件+控制電路MARMDR存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)

16存儲(chǔ)字長(zhǎng)

8

設(shè)MAR

=

4

位

MDR

=

8

位1.2存儲(chǔ)器地址寄存器反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)(1)存儲(chǔ)器的基本組成MDR主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARACCMQX(2)運(yùn)算器的基本組成及操作過(guò)程1.2運(yùn)算器MQACCALUX被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位運(yùn)算器MQACCALUXACC

被加數(shù)ACC初態(tài)①加法操作過(guò)程1.2[ACC]+[X]ALU[M]

XXACCACC指令加M1.2②減法操作過(guò)程運(yùn)算器MQACCALUX指令減MACC

被減數(shù)ACC初態(tài)[M]

XX[ACC]-[X]ALUACCACC運(yùn)算器MQACCALUXACCACC

被乘數(shù)初態(tài)1.2MQ[M]MQ指令乘M③乘法操作過(guò)程X[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ運(yùn)算器MQACCALUXACC

被除數(shù)ACC初態(tài)1.2[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余數(shù)在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作過(guò)程取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCUPCIRCU取指執(zhí)行程序計(jì)數(shù)器PC

：存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，

具有計(jì)數(shù)功能（PC），能自動(dòng)加1，形成下一條指令地址，與MAR之間有一條直接通路指令寄存器IR：

存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令，IR的內(nèi)容來(lái)自主存的MDR。訪存訪存完成一條指令1.2(3)控制器的基本組成控制器是計(jì)算機(jī)的神經(jīng)中樞，由它指揮各部件自動(dòng)、協(xié)調(diào)地工作。命令存儲(chǔ)器讀出一條指令指出該指令要完成什么樣的操作，并按尋址特征指明操作數(shù)的地址，稱(chēng)為分析過(guò)程根據(jù)操作數(shù)所在的地址以及指令的操作碼完成某種操作，稱(chēng)為執(zhí)行過(guò)程IR中的操作碼（OP(IR)）送至CU，記作OP（IR）CU,用來(lái)分析指令I(lǐng)R中的地址碼（Ad(IR)）作為操作數(shù)的地址送至存儲(chǔ)器的MAR，記作Ad（IR）MARCU用來(lái)分析當(dāng)前指令所需完成的操作，并發(fā)出各種微操作命令序列，用以控制所有被控制對(duì)象1.2(3)I/OI/O子系統(tǒng)包括各種I/O設(shè)備及其相應(yīng)的接口。每一張I/O設(shè)備都由I/O接口與主機(jī)聯(lián)系，它接收CU發(fā)出的各種控制命令，并完成相應(yīng)的操作。

例如：鍵盤(pán)由鍵盤(pán)接口電路與主機(jī)聯(lián)系，打印機(jī)由打印機(jī)接口電路與主機(jī)聯(lián)系12356789以取數(shù)指令為例4(4)主機(jī)完成一條指令的過(guò)程1.2CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O設(shè)備12356798以存數(shù)指令為例41.2(4)主機(jī)完成一條指令的過(guò)程CU控制單