第01章 計算機系統概論

第1章概論本章概括地描述·計算機的發(fā)展史·計算機系統的基本組成、層次結構·計算機的特點、分類和應用重點討論計算機的組成和工作原理從而了解計算機是由哪些主要部件組成的，它是怎樣實現自動解算問題的，以期建立初步的整機概念。第1章概論基本知識點·馮·諾依曼思想·信息的數字化表示·存儲程序工作方式·計算機系統的層次結構·計算機的主要特點·計算機的主要性能指標第1章概論重點：·馮·諾依曼思想·信息的數字化表示·存儲程序工作方式·計算機系統的層次結構·計算機的主要性能指標第1章概論1.1計算機的基本組成1.2計算機系統的組織1.3計算機的演變和性能1.4計算機的特點與性能指標1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制計算機通過自動、連續(xù)地運行程序，能夠代替人類完成各種復雜的計算和實現對各類信息的處理。計算機欲模擬人進行自動計算，應設立哪些基本部件？1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制能把解題的原始數據、運算步驟輸入到機器的部件；保存、讀取和記錄原始數據、運算步驟及中間結果、最終結果的部件；能進行各種基本運算，如加、乘等的部件控制計算機按確定的運算步驟運算，控制其他部件正確、協調的工作的部件；將計算結果或其他參考數據以表格、文件或圖形等形式輸出給用戶的設備。程序1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制1.ENIAC在賓夕法尼亞大學的約翰·莫克利和布萊斯特·?？颂氐膸ьI下，為美國軍隊的彈道研究實驗室(BRL)設計和建造的ENIAC，是世界上第一臺通用電子計算機。注：ENIACElectronicNumericalIntegratorandCalculator，電子數字積分器和計算器——采用真空管?1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制2.馮·諾依曼機

？若程序能夠以某種形式與數據一同存于存儲器中，編程的過程就可以簡化馮·諾依曼在1945年的一份新型計算機EDVAC(ElectronicDiscreteVariableComputer，電子離散變量計算機)的計劃中首次公布了這一構想1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制2.馮·諾依曼機

當代計算機幾乎都是以諾依曼提出的概念為基礎。這種設計稱為諾依曼體制。1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制2.馮·諾依曼機

諾依曼機的特點：·用二進制形式表示數據和指令·采用存儲程序方式·由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五部分組成計算機硬件系統·指令和數據以同等地位存放于存儲器內，并可按地址尋訪·指令在存儲器內按順序存放·機器以運算器為中心1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制2.馮·諾依曼機

諾依曼體制基于以下三個關鍵性概念：·數據和指令存儲在單一的“讀寫存儲器”中·存儲器的內容通過位置尋址，而不考慮它容納的數據是什么·以順序的形式從一條指令執(zhí)行到下一條指令，除非有明確的修改1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制2.馮·諾依曼機1946年，馮·諾依曼和他的同事在普林斯頓高級研究院開始設計一種新的程序存儲計算機：IAS計算機。該機成為了后來通用計算機的原型。

1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制IAS計算機結構：主存儲器(M)算術邏輯單元(CA)程序控制器(CC)I/O設備(I,O)1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制IAS計算機結構包括：主存儲器，用于存儲數據和指令能夠操作二進制數的算術邏輯單（ALU）控制器，翻譯內存中的指令并執(zhí)行由控制器操縱的輸入、輸出設備（I/O）1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制輸入設備存儲器輸出設備運算器控制器程序數據結果命令、狀態(tài)命令、狀態(tài)數據指令計算機基本組成示意圖1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制運算器對數據進行算術和邏輯運算存儲器存放程序和數據的記憶裝置控制器控制指令的執(zhí)行，控制計算機中各部件有條不紊地工作輸入設備把人所熟悉的某種信息形式變換為機器所能接收和識別的二進制信息形式輸出設備把計算機處理的結果變換為人或其他設備所能接收和識別的信息形式1.1計算機的基本組成1.1.1計算機與諾伊曼體制計算機作為一個處理信息的工具，要解決哪些問題？1.

信息的表示2.

信息的存儲3.信息的傳送4.信息的變換5.信息的加工處理6.對上述過程的控制1.1計算機的基本組成1.1.2信息的數字化表示計算機中的信息分為兩大類：控制信息用來控制計算機的工作數據信息計算機加工處理的對象？計算機中如何表示信息1.1計算機的基本組成1.1.2信息的數字化表示電子數字計算機中采用數字化表示方法：用數字代碼表示各種信息用數字信號表示數字代碼1.1計算機的基本組成1.1.2信息的數字化表示1.在計算機中用數字代碼表示各種信息數字代碼是指一組數字(二進制數字代碼)的集合。可以根據需要描述的信息(控制信息、數據信息)，用一組約定含義的數字代碼來表示它。1.1計算機的基本組成1.1.2信息的數字化表示2.

在物理機制上用數字信號(電平或脈沖)表示數字代碼1.1計算機的基本組成1.1.2信息的數字化表示3.

用數字化方法表示信息的主要優(yōu)點在物理上容易實現信息的表示與存儲抗干擾能力強，可靠性高數值的表示范圍大，表示精度高表示的信息類型極其廣泛能用數字邏輯技術進行信息處理1.1計算機的基本組成1.1.3存儲程序工作方式諾依曼思想的核心是存儲程序，它表明了計算機的工作方式。其中包含以下3個要點：

事先編制程序

事先存儲程序

自動、連續(xù)地執(zhí)行程序1.1計算機的基本組成1.1.3存儲程序工作方式電子計算機

能存儲程序，能自動地對數字化信息進行連續(xù)運算的快速工具。1.2計算機系統的組織1.2.1硬件系統計算機的硬件是指系統中可觸摸得到的設備實體。1.常見計算機硬件系統組成CPU主存儲器接口接口I/O設備I/O設備系統總線……1.2計算機系統的組織1.2.1硬件系統2.

典型的硬件系統結構⑴以總線為基礎的系統結構CPU主存公共接口接口I/O接口I/O主要特點：數據通路簡潔數據傳送控制方便系統擴展易于實現1.2計算機系統的組織1.2.1硬件系統2.

典型的硬件系統結構⑵采用通道或I/O處理機的大型系統結構··I/OI/OI/OI/OI/O控制器I/O控制器I/OI/OI/OI/OI/O控制器I/O控制器通道通道CPU主存1.2計算機系統的組織1.2.2軟件系統軟件泛指各類程序和文件。它們實際上是由一些算法及其在計算機中的表示構成，體現為一些觸摸不到的二進制信息狀態(tài)。1.2計算機系統的組織1.2.2軟件系統1.系統軟件·操作系統·語言處理程序·數據庫管理系統·各種維護性支撐軟件·各種標準程序庫1.2計算機系統的組織1.2.2

軟件系統2.

應用軟件·科學計算類程序·工程設計類程序·數據處理類程序·信息管理類程序·自動控制類程序·情報檢索類程序1.2計算機系統的組織1.2.3系統組成的層次結構?計算機是一個復雜的系統，如何清楚地加以描述關鍵在于認識包括計算機在內的大多數復雜系統的分層性質。層次系統是一組互相關聯的子系統，每個子系統又在結構上分層，直到分成最基本的子系統。復雜系統的層次特性是設計和說明它們的基礎。設計者每次只須處理某個特定的層即可。1.2計算機系統的組織1.2.3系統組成的層次結構每一層由一組部件及其相互關系組成。每一層的行為僅依賴于其下一層更為簡單的抽象特征。在每一層上，設計者關心的是結構和功能：

結構部件相互關聯的方式

功能作為有關結構組成部分的各個部件的操作1.2計算機系統的組織1.2.3系統組成的層次結構1功能本質上，計算機的結構和功能運作都很簡單。計算機所能完成的基本功能：·數據處理·數據存儲·數據傳送·控制只有兩種基本類型的元件是必需的：邏輯門和內存位元：邏輯門是實現布爾或邏輯功能的元件內存位元是一個能夠存儲一位數據的元件1.2計算機系統的組織1.2.3系統組成的層次結構1功能可能的計算機操作傳送控制存儲處理傳送控制存儲處理傳送控制存儲處理傳送控制存儲處理1.2計算機系統的組織1.2.3系統組成的層次結構2結構

計算機是以某種方式與其外部環(huán)境交互的實體。概括地說，與外部環(huán)境的所有連接可以劃分為外圍設備和通信線路。我們關心的是計算機本身的內部結構，有四種主要的結構組件：·中央處理單元·主存儲器·I/O

·系統互聯1.2計算機系統的組織1.2.3系統組成的層次結構2結構主存儲器系統互聯CPUI/O計算機算術邏輯單元CPU內部互聯寄存器控制器CPU1.2計算機系統的組織1.2.3系統組成的層次結構3.從硬、軟件組成角度劃分的層次結構模型邏輯部件級(硬件邏輯部件)微程序級(微程序控制器)傳統機器級(指令系統)操作系統級(操作系統)語言處理程序(解釋、編譯)應用程序(軟件資源)用戶程序級(用戶程序)系統分析級(數學模型、算法)硬件部分硬、軟件界面軟件部分1.2計算機系統的組織1.2.3系統組成的層次結構4.

從語言角度劃分的層次結構模型程序專用語言虛擬機高級語言虛擬機匯編語言虛擬機實際機器（機器語言物理機）1.2計算機系統的組織1.2.4

硬、軟件的功能劃分與邏輯上的等價·硬件軟化為降低造價，只讓硬件實現較簡單的功能，依靠軟件實現更高級一些的功能·軟件硬化將原來依靠軟件才能實現的一些功能改由大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路直接實現·軟件固化將系統軟件的核心部分固化在存儲芯片中1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·第一代：真空管ENIAC莫克利和?？颂卦O計和建造了ENIAC。1943年，ENIAC項目開始啟動。最終的機器重約30噸，占第1500平方英尺，采用了約18萬個真空管，它工作時消耗14萬千瓦/小時的電力，每秒鐘能執(zhí)行5000次加法。1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·第一代：真空管馮·諾依曼機1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·第一代：真空管商用計算機1950年，隨著計算機工業(yè)的產生，同時誕生了兩個公司：Sperry和IBM。1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·第一代：真空管商用計算機IBM于1953年生產了自己的首臺程序存儲計算機：IBM701——主要面向科學應用1955年IBM生產了另一種產品：IBM7021.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·第二代：晶體管1947年，貝爾實驗室發(fā)明了晶體管。晶體管的使用是第二代計算機的標志。第二代計算機使用了高級編程語言，并為計算機提供了系統軟件。這個時期出現了數據設備公司（DEC）。DEC建于1957年。同年，開發(fā)出了它們的第一臺計算機PDP-1。1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·第二代：晶體管IBM

7094使用了：數據通道（DataChannel）多路器（Multiplexer）多路器是數據通道、CPU、內存的中心連接點。多路器調度CPU和數據通道對內存的訪問，允許這些設備獨立運行。1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·第三代：集成電路微電子技術計算機包含門、內存位元和它們之間的互聯結構。它們由簡單的數字電子元件組成。1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史微電子技術用邏輯門和內存位元可以實現4個基本功能：·數據存儲由內存位元提供·數據處理由邏輯門電路提供·數據移動部件間的通路用于將數據從內存?zhèn)魉偷絻却?，或從內存通過門電路再傳送到內存·控制部件之間的通路傳送控制信號

1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·第三代：集成電路IBMSystem/3601964年，IBM發(fā)布了System/360360系列與原來的IBM機器不兼容系列機：同一生產廠家生產的具有相同的系統結構，但具有不同組成和實現的一系列不同型號的計算機。兼容機：不同生產廠家生產的具有相同的系統結構計算機。1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·第三代：集成電路IBMSystem/360System/360是工業(yè)上第一個計算機系列的發(fā)展計劃。這一系列覆蓋了廣泛的性能和價格。各種型號的兼容性體現在：為系列中某個型號寫的程序可以在系列中任一個型號上運行，所不同的僅僅是運行時間。1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史IBMSystem/360IBM系列機具有以下特征：·相同的或相似的指令集·相似或相同的操作系統·更高的速度·更多的I/O端口數·更大的內存容量·成本增加。1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·第三代：集成電路IBMSystem/360系列概念如何實現？區(qū)別在于如下3個因素：·基本速度·容量·并行程度1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·第三代：集成電路DEC公司的PDP-8PDP-8小型機能完成大型機的工作，但價格低廉。PDP-8的低價格、小型化的系統使得其他制造商可以購買PDP-8，并將它集成到自己的系統中再行出售。這些制造商被稱為原始設備制造商（OEM）。1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·后續(xù)的幾代發(fā)展階段大致時間采用的技術典型速度11946-1957真空管4萬次/秒21958-1964晶體管20萬次/秒31965-1971SSIMSI100萬次/秒41972-1977LSI1000萬次/秒51978-1991VLSI1億次/秒61991-ULSI10億次/秒1.3計算機的演變和性能1.3.1

計算機簡史·后續(xù)的幾代微處理器1971年，Intel開發(fā)出Intel4004。4004是第一個將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內的產品。于是，微處理器誕生了1972年出現了Intel8008，這是第一個8位微處理器，它比4004復雜一倍1974年出現了Intel8080，這是第一個通用微處理器（8位）1.3計算機的演變和性能1.3.2

性能設計從計算機組織和結構上看：·一方面組成今日計算機的基本模塊與ISA計算機基本相同；·另一個方面，從現有材料中擠出最后一丁點性能的技術都變得日益復雜。1.3計算機的演變和性能1.3.2

性能設計考察計算機各組成部件時，我們追求的目標：·解釋每個所考察領域的基本功能；·探尋為達到最大性能所要求的技術。1.4計算機的特點與性能指標1.4.1

數字計算機的特點1.自動連續(xù)地執(zhí)行程序

是數字計算機的一個基本特點，也是和其他計算工具最本質上的區(qū)別所在2.運算速度快3.運算精度高以二進制作為信息表示的基礎，只要增加位數就能提高運算精度4.存儲能力強5.通用性好1.4計算機的特點與性能指標1.4.2計算機的主要性能指標1.