計算機系統(tǒng)組成原理計算機基礎(chǔ)

1.1

計算機的發(fā)展及其分類1.2

計算機系統(tǒng)的基本組成1.3

計算機的性能指標分析

第1

章計算機系統(tǒng)組成基礎(chǔ)第一頁，共99頁。第一頁，共99頁。

本章要點計算機的分類計算機的硬件系統(tǒng)計算機的軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)計算機的主要性能指標第二頁，共99頁。第二頁，共99頁。1.1計算機的發(fā)展及其分類1.1.1計算機的發(fā)展1.1.3計算機的分類1.1.2PC計算機的發(fā)展第三頁，共99頁。第三頁，共99頁。1.1計算機的發(fā)展及其分類1.1.1計算機的發(fā)展簡單回顧自1946年第一臺電子計算機誕生以來，計算機技術(shù)在60余年的時間里得到了突飛猛進的發(fā)展。從使用元器件的角度來劃分計算機的發(fā)展階段，認為計算機經(jīng)歷了四個發(fā)展階段：電子管時代、晶體管時代、中小規(guī)模集成電路時代、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代。

第四頁，共99頁。第四頁，共99頁。1.1計算機的發(fā)展及其分類1.1.1計算機的發(fā)展電子管時代（1946-1954）

采用電子管為基本邏輯電路元件，磁鼓作為主存儲器，采用磁帶存儲器作為外存儲器，使用機器語言，采用的是“定點運算制”。這一代計算機所采用的二進制、存儲程序、程序控制的方法，形成了計算機的基本體系，為現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。

第五頁，共99頁。第五頁，共99頁。ENIAC電子管計算機第六頁，共99頁。第六頁，共99頁。1.1計算機的發(fā)展及其分類1.1.1計算機的發(fā)展半導(dǎo)體晶體管時代（1955-1964）

采用晶體管為基本邏輯電路元件，采用磁芯存儲器作為主存儲器，采用磁鼓和磁帶作為外存儲器，創(chuàng)立了一系列高級程序設(shè)計語言，并且提出了多道程序設(shè)計、并行處理和可變的微程序設(shè)計思想，增加了浮點運算，計算機的應(yīng)用也從單一的計算發(fā)展到了數(shù)據(jù)、事務(wù)管理和過程控制

。

第七頁，共99頁。第七頁，共99頁。TRADIC全晶體管計算機

第八頁，共99頁。第八頁，共99頁。1.1計算機的發(fā)展及其分類1.1.1計算機的發(fā)展中小規(guī)模集成電路時代（1955-1964）

采用中、小規(guī)模集成電路為主要邏輯部件，采用半導(dǎo)體存儲器作為主存儲器，標準化了計算機程序設(shè)計語言，并提出了計算機結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想，計算機的體積更小，運算速度更快、運算精度更高、存儲容量更大以及可靠性更高。此外，在產(chǎn)品的系列化、計算機系統(tǒng)之間的通信方面都得到了較大發(fā)展，計算機的應(yīng)用領(lǐng)域和普及程度有了迅速的發(fā)展。第九頁，共99頁。第九頁，共99頁。

IBM360集成電路計算機

第十頁，共99頁。第十頁，共99頁。1.1計算機的發(fā)展及其分類1.1.1計算機的發(fā)展大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代（1965-1970）

采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路VLSI為計算機的邏輯部件，采用半導(dǎo)體存儲器為主存儲器，并提供虛擬存儲能力，計算機外圍設(shè)備多樣化、系列化；實現(xiàn)了軟件固化技術(shù)，出現(xiàn)了面向?qū)ο蟮挠嬎銠C程序設(shè)計編程思想，并廣泛采用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。第十一頁，共99頁。第十一頁，共99頁。IBM370系列機

（LSI或VLSI）第十二頁，共99頁。第十二頁，共99頁。1.1計算機的發(fā)展及其分類1.1.1計算機的發(fā)展促使計算機高速發(fā)展的主要因素是什么呢？發(fā)展分代上的偏見：器件？例：850MHz的超級計算機IBM藍色基因/P計算機發(fā)展到今天，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新是其主要因素。第十三頁，共99頁。第十三頁，共99頁。1.1計算機的發(fā)展及其分類1.1.1計算機的發(fā)展計算機的高速發(fā)展不僅在于器件技術(shù)的進步，更離不開計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。在大規(guī)模集成電路出現(xiàn)之前，器件和對馮.諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進使計算機性能大約以每年25%的速度提高。20世紀70年代，VLSI技術(shù)和微處理器的出現(xiàn)加速計算機的發(fā)展，其性能約以35%的速度提高，并逐步轉(zhuǎn)向以微處理器為基礎(chǔ)來組成計算機系統(tǒng)。第十四頁，共99頁。第十四頁，共99頁。在軟件上，人們已極少使用匯編語言編程計算機，從而降低了目標代碼兼容性的要求；通用、跨平臺操作系統(tǒng)如Unix和Linux的出現(xiàn)和發(fā)展，使得新的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的成本和風(fēng)險進一步降低。這促使了20世紀80年代RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，又使指令級并行（從采用流水線到多指令發(fā)射）和Cache（高速緩存）技術(shù)的使用普遍得以推廣。Intel及時跟上發(fā)展的腳步，在其處理器內(nèi)部將x86（或IA32）指令翻譯成類RISC指令，并大量采用許多RISC新技術(shù)。而紅極一時的VAX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則慘遭淘汰，被RISC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所取代。1.1計算機的發(fā)展及其分類第十五頁，共99頁。第十五頁，共99頁。1986年之后的16年，計算機系統(tǒng)性能的提高更以50%的速度持續(xù)增長。進入新世紀以來，基于微處理器的計算機占據(jù)了統(tǒng)治地位，工作站和PC成為計算機產(chǎn)品的主流?；谖⑻幚砥鞯姆?wù)器取代了基于邏輯電路或門陣列的小型機，由多個微處理器構(gòu)成的多處理器系統(tǒng)已經(jīng)取代了大型機。甚至以復(fù)雜計算為主的高端的超級計算機也由多個高性能微處理器構(gòu)成。1.1計算機的發(fā)展及其分類第十六頁，共99頁。第十六頁，共99頁。然而，自2002年開始，處理器性能的增長降到了每年約20%的水平。其原因大致有3個：①器件集成度的提高帶來器件內(nèi)部熱耗的迅速增大；②半導(dǎo)體器件集成度提高的余地不多；③系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上沒有多少可以有效發(fā)掘的指令級并行，存儲器遲延很難設(shè)法降低。1.1計算機的發(fā)展及其分類第十七頁，共99頁。第十七頁，共99頁。2004年，Intel取消了其高性能單一處理器的研究計劃，轉(zhuǎn)而加入IBM和Sun陣營，宣稱將通過發(fā)展多核處理器來進一步提高計算機性能。這標志著一個歷史性的轉(zhuǎn)折，處理器的性能不再只依賴于指令級并行，而應(yīng)更關(guān)注線程級并行和數(shù)據(jù)級并行。一般來說，指令級并行屬于隱式并行，它主要利用編譯器和硬件技術(shù)，可以不需要程序員的干預(yù)。而線程級并行和數(shù)據(jù)級并行是顯式并行，要求程序員編寫并行代碼來改善系統(tǒng)性能。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進將是計算機系統(tǒng)性能提高的主要原動力。1.1計算機的發(fā)展及其分類第十八頁，共99頁。第十八頁，共99頁。科學(xué)技術(shù)日新月異飛速發(fā)展，促進計算機的體系結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展完善，各種新器件的不斷出現(xiàn)，使得計算機在存儲容量、運算速度和可靠性等各方面都得到了很大的提高。尤其是在器件集成度提高受到熱耗制約的情況下，人們正試圖用光電子元件、超導(dǎo)電子元件、生物電子元件等來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子元件，制造出在某種程度上具有模仿人的學(xué)習(xí)、記憶、聯(lián)想和推理等功能的新一代的計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)正朝著功能巨型化、體積功耗微型化、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方向更深入發(fā)展。

1.1計算機的發(fā)展及其分類第十九頁，共99頁。第十九頁，共99頁。超級計算機“星云”第二十頁，共99頁。第二十頁，共99頁。天河一號超級計算機第二十一頁，共99頁。第二十一頁，共99頁。1.1.2PC計算機的發(fā)展微處理器（Microprocessor，簡稱μP）集成了計算機的主要部件——控制器和運算器。微處理器的出現(xiàn)為微型計算機的誕生奠定了基礎(chǔ)，為計算機技術(shù)的發(fā)展和普及開辟了嶄新的途徑，是計算機科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上的一個新的里程碑。

第二十二頁，共99頁。第二十二頁，共99頁。1971年，誕生了最早的微處理器Intel4004，字長4位?；咎攸c：采用PMOS工藝，集成度低（4000個晶體管/片）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)簡單，指令數(shù)目較少（20多條指令），基本指令周期為20～50μs。主要采用機器語言或簡單的匯編語言。用于家電和簡單的控制場合。

1.早期微處理器的發(fā)展第二十三頁，共99頁。第二十三頁，共99頁。1974年至1977年是8位中高檔微機的興旺時期，其典型產(chǎn)品是蘋果公司的AppleIIe（采用6502微處理器）基本特點：采用NMOS工藝。指令系統(tǒng)比較完善，具有典型的計算機體系結(jié)構(gòu)和中斷、DMA等控制功能。采用匯編語言、BASIC、FORTRAN等高級語言和相應(yīng)的解釋程序和編譯程序，在后期還出現(xiàn)了操作系統(tǒng)，如CM/P就是當時流行的操作系統(tǒng)。第二十四頁，共99頁。第二十四頁，共99頁。1978年，16位的Intel8086處理器誕生。標志著x86架構(gòu)輝煌發(fā)達，影響深遠的開始。所謂X86架構(gòu)，是指以8086的X86指令集為基礎(chǔ)而成長壯大的系列機結(jié)構(gòu)。2.PC計算機的分代發(fā)展

第二十五頁，共99頁。第二十五頁，共99頁。1.16位PC機時代（1980-1985）

2.32位PC機時代（1985-1993）3.準64位PC機時代（1993-2003）4.64位PC機與多核PC機時代（2003-）PC計算機的分代發(fā)展第二十六頁，共99頁。第二十六頁，共99頁。1.16位PC機時代（1980-1985）

1978年

IBMPC機1980年

IBMXT機

intel8086、808716位數(shù)據(jù)總線和20位地址總線，尋址范圍為1MB。主頻4.77-8MHz。CISC，只有133條指令1982年

IBMPCAT機或286機

intel80286、8028724位地址總線,尋址范圍為16MB。主頻16-20MHz。擴展到143條指令第二十七頁，共99頁。第二十七頁，共99頁。2.32位PC機時代（1985-1993）

1985年

intel80386、8038732位地址總線，尋址能力高達4GB，指令集擴展到154條指令,后期的PC386機還引入了Cache系統(tǒng),25MHz1989年

intel80486新增6條指令,開始使用RISC，指令流水線技術(shù)主頻25-100MHz。后期的80486DX片內(nèi)L1Cache達到了16KB,采用了時鐘倍頻技術(shù)1990年，Windows3.0出現(xiàn)第二十八頁，共99頁。第二十八頁，共99頁。3.準64位PC機時代（1993-2003）

PentiumI

1993年P(guān)entium60/66/75，1994年P(guān)entium90/95/100，1995年P(guān)entium120/133/150；1996年P(guān)entiumPro166/180/2001997年P(guān)entiumMMX166/200/233第二十九頁，共99頁。第二十九頁，共99頁。3.準64位PC機時代（1993-2003）

PentiumI*新增6條指令,57條MMX多媒體增強指令*U和V的兩條流水線，每條指令流水線分為5段，后期達到3路超標量和12級超流水線結(jié)構(gòu)*動態(tài)分支預(yù)測*L1Cache分為16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，4路寫緩存和返回堆棧技術(shù)，一個256KB的L2Cache*系統(tǒng)總線位寬為64位第三十頁，共99頁。第三十頁，共99頁。3.準64位PC機時代（1993-2003）

1997年

PentiumII*主頻由300、350、400升至450MHz*8個64位的MMX寄存器；*L2Cache達到512K*系統(tǒng)總線位寬為64位*用于服務(wù)器和高端工作站的Xeon（至強）系列處理器第三十一頁，共99頁。第三十一頁，共99頁。3.準64位PC機時代（1993-2003）

1999年

PentiumIII*主頻450/500/733/1200MHz*可尋址內(nèi)存64G，內(nèi)含32kL1Cache，512Kb/256KbL2Cache，雙重總線結(jié)構(gòu)，100M-133M系統(tǒng)總線技術(shù)；128位SSE流式SIMD擴展多媒體指令集,增加了70條多媒體新指令，第三十二頁，共99頁。第三十二頁，共99頁。3.準64位PC機時代（1993-2003）

2000年

Pentium4*主頻1.7/2.2/2.8GHz*NetBurst微架構(gòu)第三十三頁，共99頁。第三十三頁，共99頁。3.準64位PC機時代（1993-2003）

NetBurst微架構(gòu)：P4的基石地址線36位（64GB尋址）和40位（1024GB尋址）；超深度流水線處理技術(shù)（20級~31級）；高級動態(tài)執(zhí)行，包括執(zhí)行追蹤緩存和增強分支預(yù)測；采用先進的指令蹤跡Cache；大容量的片內(nèi)2級Cache（256KB~2MB）；快速執(zhí)行引擎，核心是雙泵式ALU結(jié)構(gòu)；采用SIMD指令單元作FPU，提高了多媒體和浮點處理能力；第三十四頁，共99頁。第三十四頁，共99頁。高速的4倍頻處理器前端總線QDRFSB，F(xiàn)SB頻率達到400~800MHz；SSE2新增144條128位多媒體指令，SSE3又比SSE2新增13條指令；CPU的核心電壓由1.75V/1.5V/1.25V逐步降至1V

NetBurst微架構(gòu)使P4的整體性能達到了微機單核處理器的一代頂峰。第三十五頁，共99頁。第三十五頁，共99頁。3.準64位PC機時代（1993-2003）

1995年

Windows95全新的32位操作系統(tǒng)Windows9x/Me/2000/NT/XP等，成為PC機的主流操作系統(tǒng)。第三十六頁，共99頁。第三十六頁，共99頁。4.64位PC機與雙核PC機時代（2003-）新一代處理器向著兩個方向綜合發(fā)展，一是進軍64位，二是開發(fā)多核芯片。第三十七頁，共99頁。第三十七頁，共99頁。4.64位PC機與雙核PC機時代（2003-）英特爾與惠普合作設(shè)計了64位指令集EPIC(ExplicitlyParallelInstructionComputing，顯性并行指令計算)，并先后于2001年、2002年發(fā)布了Itanium(安騰)處理器和Itanium2處理器。Itanium系列處理器體現(xiàn)了現(xiàn)代基于RISC指令的高度并行計算和優(yōu)化編譯的思想，具有6.4GB/sec的系統(tǒng)總線帶寬、高達4MB的L3緩存。由于IA-64架構(gòu)不兼容X86，因此Itanium系列處理器沒有用于PC機，主要為超級計算機、高端服務(wù)器與工作站等提供處理器支持。

第三十八頁，共99頁。第三十八頁，共99頁。4.64位PC機與雙核PC機時代（2003-）AMD64將原32位X86指令集擴展為64位X86指令集，使其在硬件上兼容原來的32位X86軟件，并同時支持X86-64的擴展64位計算，并具有64位的尋址能力，超過4GB的內(nèi)存尋址，并在處理器內(nèi)部集成內(nèi)存控制器，封裝了ExecutionProtection防病毒技術(shù)，采用HyperTransport總線，使總線的數(shù)據(jù)帶寬達到了6.4~8GB/s，Athlon64還將SSE推向了SSE5。第三十九頁，共99頁。第三十九頁，共99頁。4.64位PC機與雙核PC機時代（2003-）Intel推出了EM64T（ExtendedMemory64Technology，即擴展64bit內(nèi)存技術(shù)）。EM64T特別強調(diào)的是對32bit和64bit的兼容性。Intel為新核心增加了8個64位通用寄存器，并把原有通用寄存器全部擴展為64位，增加了8個128位SSE寄存器，實現(xiàn)對SSE2和SSE3的支持。Intel為支持EM64T技術(shù)的處理器設(shè)計了兩大模式：傳統(tǒng)IA-32模式和IA-32e擴展模式，后者被稱為Intel64。處理器通過一個稱之為擴展功能激活寄存器的部件，來激活EM64T，使處理器運行在Intel64。第四十頁，共99頁。第四十頁，共99頁。4.64位PC機與雙核PC機時代（2003-）一般認為IA-64、AMD64是純64

位架構(gòu)，而EM64T是IA-32架構(gòu)的一種64

位內(nèi)存擴展，仍然基于Intel

NetBurst微架構(gòu)。目前，真正適合于PC機使用的64位操作系統(tǒng)是WindowsVista，在此之前曾有一個過渡性質(zhì)的WindowsXPX64。第四十一頁，共99頁。第四十一頁，共99頁。4.64位PC機與雙核PC機時代（2003-）2005年英特爾首次推出的主頻達3G具有雙核芯片的PentiumD，開創(chuàng)了PC機上應(yīng)用CMP(ChipMultiProcessors，單芯片多處理器)的時代。2006年Intel開發(fā)出Core微架構(gòu)，推出coreduo（酷睿1）和core2duo（酷睿2）。AMD也緊隨Intel之后相繼開發(fā)出具有兩個Athlon64核心的Athlon64X2以及AMDRevFOpteron雙核處理器等。第四十二頁，共99頁。第四十二頁，共99頁。中國在研制成功并已經(jīng)應(yīng)用雙核“龍芯”（Godson2f）的基礎(chǔ)上，也正在研制四核及以上多核的處理器。如天河一號A就配置了2048顆我國自主研發(fā)的飛騰FT-1000八核心處理器.第四十三頁，共99頁。第四十三頁，共99頁。1.1計算機的發(fā)展及其分類1.1.3計算機的分類

19年前提出的分類提法已不能正確反映當前計算機在性能、應(yīng)用和發(fā)展趨勢等方面的現(xiàn)狀。原因如下：（1）所謂巨型、大、中、小、微型計算機之間的界限逐漸模糊。（2）現(xiàn)代計算機的硬件處理核心基本相同。（3）出現(xiàn)于上一世紀90年代的計算機網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)，擴大和深化了計算機的應(yīng)用范圍。對通用計算機而言，無論何種機型，都存在對網(wǎng)絡(luò)高帶寬和高速處理多媒體信息的要求，應(yīng)用促使了處理器的融合。第四十四頁，共99頁。第四十四頁，共99頁。1.1.3計算機的分類本世紀來，出現(xiàn)了以桌面計算機、服務(wù)器、超級計算機和嵌入式計算機等四大主流技術(shù)。1.1計算機的發(fā)展及其分類第四十五頁，共99頁。第四十五頁，共99頁。桌面計算機崛起于20世紀80年代，分為個人計算機（PC）和工作站兩種。計算機網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，導(dǎo)致了桌面計算機取代了傳統(tǒng)的分時系統(tǒng)。這類計算機市場最大，市場需求趨勢是提高性價比，多媒體和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能是用戶所關(guān)注的。1.桌面計算機1.1計算機的發(fā)展及其分類第四十六頁，共99頁。第四十六頁，共99頁。計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，特別是WWW網(wǎng)的普及，服務(wù)器在提供大規(guī)模文件及計算服務(wù)方面作用日趨明顯。服務(wù)器基本上取代了傳統(tǒng)的大中型機而成為企業(yè)進行大規(guī)模信息處理的中樞。服務(wù)器的關(guān)鍵特性一個是可靠性，很難想象，一個管理重要網(wǎng)站的服務(wù)器系統(tǒng)出現(xiàn)故障會帶來的災(zāi)難性的損失。另一個是可擴展性，服務(wù)需求或功能需求的增長，要求服務(wù)器在存儲容量、I/O帶寬、處理能力等方面應(yīng)能進行有效升級。

服務(wù)器的主要設(shè)計目標就是高效的吞吐量，即以每分鐘處理的事務(wù)數(shù)或每秒提供的頁面數(shù)來衡量。2.服務(wù)器1.1計算機的發(fā)展及其分類第四十七頁，共99頁。第四十七頁，共99頁。超級計算機可看著是一種專注于科學(xué)計算的高性能服務(wù)器，通常價格昂貴。其結(jié)構(gòu)上采用多處理器或集群系統(tǒng)，更注重浮點運算的性能。

1.1計算機的發(fā)展及其分類3.超級計算機第四十八頁，共99頁。第四十八頁，共99頁。嵌入式計算機是一種以應(yīng)用為中心、以微處理器為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪的精簡計算機系統(tǒng)。它是計算機市場中增長最快的領(lǐng)域，小到日常生活隨處可見的智能電器、PDA（手持數(shù)據(jù)設(shè)備），大到某些昂貴的工業(yè)和醫(yī)用控制裝置。嵌入式計算機對系統(tǒng)的功能、成本、可靠性、實時性、體積、功耗等有嚴格要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成按需而定，比如根據(jù)用途盡量簡化操作系統(tǒng)、最小化存儲器、最小化接口和最小化功耗，以較低的成本來滿足應(yīng)用的要求。4.嵌入式計算機1.1計算機的發(fā)展及其分類第四十九頁，共99頁。第四十九頁，共99頁。表1-1四種主流計算機技術(shù)的類別和主要特征分類桌面計算機服務(wù)器超級計算機嵌入式計算機系統(tǒng)價格500~5000美元5000~5000000美元幾千萬美元10~100000美元(含高端網(wǎng)絡(luò)路由器)微處理器價格50~500美元200~10000美元200~10000美元0.01~100美元系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題性價比、圖形功能吞吐量、可用性、可量測性吞吐量、浮點計算、可靠性價格、能耗、專用性能1.1計算機的發(fā)展及其分類第五十頁，共99頁。第五十頁，共99頁。1.2計算機系統(tǒng)的基本組成1.2.1計算機的硬件系統(tǒng)1.2.2計算機的軟件系統(tǒng)1.2.3計算機語言及其編譯

1.2.4計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第五十一頁，共99頁。第五十一頁，共99頁。1.2計算機系統(tǒng)的基本組成一個完整的計算機系統(tǒng)（computersystem）是由硬件（hardware）系統(tǒng)和軟件（software）系統(tǒng)兩大部分組成的。硬件與軟件是相輔相成、缺一不可的。第五十二頁，共99頁。第五十二頁，共99頁。1.2.1計算機的硬件系統(tǒng)馮·諾依曼于1946年提出了一個完整的計算機模型，它由運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設(shè)備組成。其結(jié)構(gòu)特征可概括為：

1.馮·諾依曼計算機的基本原理第五十三頁，共99頁。第五十三頁，共99頁。（1）結(jié)構(gòu)原理基礎(chǔ)是存儲程序原理，即程序和數(shù)據(jù)存放在存儲器中，機器按照程序中指令的邏輯順序逐條取指令、分析指令、執(zhí)行指令，自動完成程序所描述的數(shù)據(jù)處理。（2）指令和數(shù)據(jù)以二進制形式表示。（3）單處理機結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳送以運算器為中心，I/O設(shè)備與存儲器之間數(shù)據(jù)傳輸都要經(jīng)過運算器，各部分操作及其聯(lián)系由控制器集中控制。（4）存儲器提供按地址訪問的一級地址空間，它是字長固定、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個地址唯一定義。（5）指令串行執(zhí)行，由指令計數(shù)器指示要執(zhí)行的指令的地址。第五十四頁，共99頁。第五十四頁，共99頁。盡管存儲程序原理仍然是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理的主流，但是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，主要有以下幾個方面：（1）將以運算器為中心改為以存儲器為核心，進而發(fā)展了中斷、DMA、通道和外圍處理機，使低速的I/O設(shè)備和高速的CPU可并行工作。（2）將CPU順序執(zhí)行的組成方式改為先行控制、重疊、流水等方法，開發(fā)指令間、任務(wù)間、作業(yè)間等不同級別上的并行性，出現(xiàn)了向量計算機、并行計算機、多處理機等計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進一步發(fā)展從傳統(tǒng)指令驅(qū)動型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動型和需求驅(qū)動型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機器、歸約機等。第五十五頁，共99頁。第五十五頁，共99頁。（3）存儲器組成多樣化復(fù)雜化。例如，同時具有按字、字節(jié)、位的多種編址方式；指令和數(shù)據(jù)分別存放，以便同時訪問；采用虛擬存儲技術(shù)擴大主存空間；把單一主存改為多體交叉編址的并行存儲器，增加存儲帶寬；應(yīng)用高速緩存系統(tǒng)（Cache系統(tǒng)）減輕訪存瓶頸；實現(xiàn)按內(nèi)容進行高速查找的相聯(lián)存儲器等等。（4）指令系統(tǒng)由復(fù)雜指令系統(tǒng)轉(zhuǎn)為精簡指令系統(tǒng)，發(fā)展了RISC系統(tǒng)，使機器進一步適應(yīng)重疊、流水和并行性方式處理。第五十六頁，共99頁。第五十六頁，共99頁。（5）針對特定應(yīng)用需要而研制了各種專用計算機，如快速傅里葉變換機器、過程控制計算機、嵌入式計算機等。（6）出現(xiàn)了全新的處理非數(shù)值化信息的智能計算機，主要的處理方法不再是依靠精確的算法進行數(shù)值運算而是依靠有關(guān)的知識進行邏輯推理。第五十七頁，共99頁。第五十七頁，共99頁。1.2.1計算機的硬件系統(tǒng)一般把構(gòu)成計算機的所有實體部件的集合稱之為計算機硬件系統(tǒng)，它是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。計算機硬件系統(tǒng)由五大部件組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等。運算器和控制器一起構(gòu)成了中央處理器（CentralProcessingUnit,CPU）。存儲器和CPU一起構(gòu)成了主機。

2.計算機硬件系統(tǒng)的組成

第五十八頁，共99頁。第五十八頁，共99頁。輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器運算器控制器圖1.7

計算機硬件系統(tǒng)的基本組成CPU主機程序數(shù)據(jù)送其他設(shè)備或顯示第五十九頁，共99頁。第五十九頁，共99頁。（1）運算器

運算器是計算機進行二進制編碼的算術(shù)或邏輯運算的主要部件。運算器由累加器、通用寄存器和算術(shù)邏輯運算單元ALU及運算狀態(tài)寄存器組成，其核心ALU

第六十頁，共99頁。第六十頁，共99頁。寄存器B累加器A運算狀態(tài)寄存器圖1.8運算器結(jié)構(gòu)示意圖ALU第六十一頁，共99頁。第六十一頁，共99頁。（2）存儲器

存儲器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。不管是程序還是數(shù)據(jù)，在存儲器中都是用二進制的形式表示，統(tǒng)稱為信息。

（a）（b）8個開關(guān)保存8位信息的情況第六十二頁，共99頁。第六十二頁，共99頁。（2）存儲器

Byte（字節(jié)）和Word（字），字長

存儲單元，存儲器的字長字節(jié)是計算機處理信息的基本單位向存儲器中存數(shù)（即寫存儲器）或者從存儲器中取數(shù)（即讀存儲器），都叫做訪問存儲器。對存儲器訪問時，都要將給定的地址進行譯碼，找到相應(yīng)的存儲單元。每個存儲單元的地址只有一個，且固定不變，而存儲在存儲單元中的信息是可以更換的。

第六十三頁，共99頁。第六十三頁，共99頁。地址譯碼器存儲單元存儲單元存儲體存儲單元地址總線圖1.10

存儲器組成框圖數(shù)據(jù)總線0…000…011…11……讀/寫命令讀寫控制電路存儲器第六十四頁，共99頁。第六十四頁，共99頁。（2）存儲器

存儲器所有存儲單元的總數(shù)稱為存儲器的存儲容量，通常用KB、MB或GB為單位。圖1.7中的存儲器稱為內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存，通常由半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成。在主機的外部設(shè)備中又配備了存儲容量更大的磁盤存儲器和光盤存儲器，稱為外存儲器，簡稱外存。

第六十五頁，共99頁。第六十五頁，共99頁。（3）控制器

控制器是全機的指揮中心，它控制各部件動作，使整個機器連續(xù)地、有條不紊地運行?？刂破鞴ぷ鞯膶嵸|(zhì)就是解釋和執(zhí)行程序?？刂破髅看螐拇鎯ζ髯x取一條指令，經(jīng)過分析譯碼，產(chǎn)生一串操作命令，發(fā)向各個部件，進行相應(yīng)的操作。接著從存儲器取出下一條指令，再執(zhí)行這條指令，依次類推。通常把取指令的一段時間叫做取指周期，而把執(zhí)行指令的一段時間叫做執(zhí)行周期。因此，控制器反復(fù)交替地處在取指周期與執(zhí)行周期之中，直至程序執(zhí)行完畢。

第六十六頁，共99頁。第六十六頁，共99頁。（4）輸入輸出設(shè)備

輸入設(shè)備是變換輸入信息形式的部件。它將人們能理解的信息形式變換成計算機能接收并能識別處理的信息形式。輸出設(shè)備是變換計算機輸出信息形式的部件。它將計算機運算結(jié)果的二進制信息轉(zhuǎn)換成人類或其它設(shè)備能接收和識別的形式，如字符、文字、圖形、圖像、聲音等。計算機的輸入／輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備。這些外圍設(shè)備種類繁多速度各異，因而它們不能直接地同高速工作的主機相連接，而是通過適配器部件（又稱外設(shè)接口）與主機聯(lián)系。外存儲器也是計算機中重要的外圍設(shè)備，具有存儲信息的功能。它既可以作為輸入設(shè)備，也可以作為輸出設(shè)備。外存常常作為輔助存儲器使用。第六十七頁，共99頁。第六十七頁，共99頁。（5）總線及接口

計算機硬件之間的聯(lián)接線路分為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與總線結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)計算機都采用總線(BUS)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總線是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線，計算機在各系統(tǒng)部件之間實現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作。

第六十八頁，共99頁。第六十八頁，共99頁。1.2.2計算機的軟件系統(tǒng)所謂程序，簡言之，就是計算機指令序列，計算機指令就是指示計算機進行相應(yīng)操作的命令。

所謂算法，就是為解決一個特定的問題所采取的確定的有限的步驟。計算機算法就是計算機能夠接受并能執(zhí)行的算法。所謂計算機軟件是指為運行、維護、管理、應(yīng)用計算機所編制的所有程序及文檔的總和。以計算機程序為主的計算機軟件是計算機系統(tǒng)中必不可少的重要部分。軟件通常分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。第六十九頁，共99頁。第六十九頁，共99頁。系統(tǒng)軟件是計算機最基本的軟件，它負責(zé)實現(xiàn)操作者對計算最基本的操作，管理計算機的軟件與硬件資源。系統(tǒng)軟件具有通用性，主要由計算機廠家和軟件公司開發(fā)提供。它主要包括操作系統(tǒng)、語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和服務(wù)程序。1.系統(tǒng)軟件

第七十頁，共99頁。第七十頁，共99頁。（1）操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是控制和管理計算機的軟硬件資源、合理安排計算機的工作流程以及方便用戶的一組軟件集合，是用戶和計算機的接口。Windows，UNIX、Linux等是常用的操作系統(tǒng)。第七十一頁，共99頁。第七十一頁，共99頁。（2）語言處理程序

語言處理程序完成輸入、編輯匯編語言或高級語言源程序，并將源程序編譯或解釋為機器語言目標程序，最后連接成可執(zhí)行程序。語言處理程序一般還具有程序調(diào)試的功能，幫助編程者測試修改程序。第七十二頁，共99頁。第七十二頁，共99頁。（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是對計算機中所存儲的大量數(shù)據(jù)進行組織、管理、查詢并提供一定處理功能的計算機軟件。第七十三頁，共99頁。第七十三頁，共99頁。（4）服務(wù)程序

服務(wù)程序為計算機系統(tǒng)提供各種服務(wù)性、輔助性的程序，包括網(wǎng)絡(luò)操作軟件、查毒軟件、系統(tǒng)安全管理軟件等。第七十四頁，共99頁。第七十四頁，共99頁。應(yīng)用軟件是計算機用戶為解決實際問題所編寫的軟件的總稱，涉及到計算機應(yīng)用的各個領(lǐng)域。絕大多數(shù)用戶都是通過應(yīng)用軟件來使用計算機，為自己的工作和生活服務(wù)。如字表處理軟件Word、Excel，財務(wù)管理軟件，企業(yè)ERP、游戲軟件等。

2.應(yīng)用軟件

第七十五頁，共99頁。第七十五頁，共99頁。1.2.3計算機語言及其編譯

軟件是用計算機語言編寫的。計算機語言的發(fā)展經(jīng)歷了從機器語言、匯編語言、高級語言到軟件應(yīng)用語言的歷程。第七十六頁，共99頁。第七十六頁，共99頁。機器語言（

也稱為第一代語言

），即直接使用機器代碼編程。機器語言即是機器指令的集合。機器語言包括：指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、I/O指令、中斷字、屏蔽字、控制寄存器的信息等。機器碼是計算機能理解和執(zhí)行的唯一語言。某種機器語言與所使用該語言的計算機密切相關(guān)，不同類型的微處理器都有自己的指令系統(tǒng)。機器語言直接與機器相聯(lián)系，是最低級的語言。

1.機器語言

第七十七頁，共99頁。第七十七頁，共99頁。匯編語言（

也稱為第二代語言

）。匯編語言把機器指令用助記符號代替，它提高了編程效率，改進了程序的可讀性和可維護性。直到今天，仍然有人在用匯編語言編程。

匯編語言程序運行之前，還需要一個專門的翻譯程序（稱為assembler匯編程序）將其翻譯為機器語言。可執(zhí)行匯編語言指令幾乎和機器語言一一對應(yīng)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，機器硬件的性能大幅度提高，程序的復(fù)雜度也在增加，人們越來越要求把簡單、重復(fù)性的工作交給機器去做，而人更多地從事創(chuàng)造性的工作。程序的可讀性和可維護性漸漸成為衡量程序質(zhì)量高低的最重要的指標。很顯然，匯編語言取代機器語言是必然的結(jié)果。

2.匯編語言

第七十八頁，共99頁。第七十八頁，共99頁。低級語言面向機器，有兩個主要缺點,其一是它與具體的計算機相關(guān)；其二是低級語言只能描述基本的運算，因而實際應(yīng)用中高級復(fù)雜的計算過程必須靠基本運算來編程解決，致使編程過程繁瑣，可讀性、可維護性低。3.高級語言

第七十九頁，共99頁。第七十九頁，共99頁。高級語言（也稱為第三代語言）比低級語言更加抽象、簡潔，其主要優(yōu)點有：①高級語言是面向問題的語言。高級語言編寫的程序是由一系列語句（或函數(shù)）組成的，其中每一個語句都對應(yīng)著幾條、幾十條甚至上百條機器指令的序列，這樣的一條語句功能顯然增強了，所以用它開發(fā)程序比用低級語言開發(fā)效率高得多。②用高級語言編寫的程序與常用的英語語言、數(shù)學(xué)語言非常接近，因而高級語言程序的編寫方式更接近人們的思維習(xí)慣，這樣的程序易讀、易懂、易于維護。

③用高級語言編寫程序并不涉及機器硬件的細節(jié)。因而它編寫的程序具有一定的通用性。3.高級語言

第八十頁，共99頁。第八十頁，共99頁。高級語言也需要專門的翻譯程序（稱為compiler編譯器或interpreter解釋器），將它翻譯成機器語言后，才能運行。既然高級語言有著低級語言無法比擬的優(yōu)勢，是不是可以完全放棄低級語言呢？回答是否定的。首先，機器語言是最終操作計算機硬件的語言，任何高級語言程序想要在計算機上執(zhí)行，首先必須翻譯成機器指令；其次，雖然高級語言具有眾多優(yōu)點，但是執(zhí)行速度比不上同樣功能的低級語言，并且在對硬件的操作上，也不如低級語言靈活，所以在對程序速度要求高的場合如過程控制那樣的實時系統(tǒng)中，或者編寫某種新硬件的驅(qū)動程序時，仍然可以看到低級語言（主要是匯編語言）的應(yīng)用。3.高級語言

第八十一頁，共99頁。第八十一頁，共99頁。不同領(lǐng)域內(nèi)的信息處理都出現(xiàn)了相應(yīng)的計算機系統(tǒng)軟件。這些軟件的使用，都有自己的特定的類似于高級語言的命令、語句或可視化操作。這就是所謂軟件應(yīng)用語言，可以稱之為第四代語言。特點：（1）與特定的軟件相關(guān)，其描述具有明顯的應(yīng)用對象和目標。（2）比高級語言更接近實際問題的解決和應(yīng)用，更遠離計算機硬件，更易于用戶編程解決本行業(yè)的實際問題，對用戶的計算機專業(yè)知識要求不高。（3）具有某一領(lǐng)域應(yīng)用的行業(yè)化專業(yè)化描述。這種描述有助于該行業(yè)使用人員編程和操作，甚至一般普通的用戶也可以參與軟件的制作和維護。計算機軟件的發(fā)展趨勢之一是更接近用戶而遠離機器，實現(xiàn)編程效率更高，程序可讀性更高，可維護性更高的目標。

4.軟件應(yīng)用語言

第八十二頁，共99頁。第八十二頁，共99頁。1.2.4計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)（computersystem）：

由硬件（hardware）和軟件（software）組成或者說由人員（people）、數(shù)據(jù)（data）、設(shè)備（equipment）、程序（program）、規(guī)程（procedure）五個部分組成從人們使用機器角度，可以將系統(tǒng)看成是按功能劃分的從第0級至第6級等7層機器級組成的層次結(jié)構(gòu)。第八十三頁，共99頁。第八十三頁，共99頁。

第0級硬聯(lián)邏輯機硬操作時序硬聯(lián)邏輯邏輯線路內(nèi)核硬件維護員設(shè)計員

第1級微程序控制機機器指令時序微程序控制寄存器傳送門邏輯設(shè)計員

第2級機器語言計算機機器指令系統(tǒng)中央處理機機器程序機器語言程序員

第3級操作系統(tǒng)機鍵盤命令系統(tǒng)原語操作系統(tǒng)系統(tǒng)資源操作員

第4級匯編語言計算機匯編語言匯編程序運行程序匯編語言程序員

第5級高級語言計算機高級語言解釋程序編譯程序運行程序高級語言程序員

第6級應(yīng)用程序機應(yīng)用語言應(yīng)用程序信息處理系統(tǒng)用戶第八十四頁，共99頁。第八十四頁，共99頁。按功能劃分：實際機器第0級

硬聯(lián)邏輯---硬件維護員、設(shè)計員

硬件實現(xiàn)第1級

微程序設(shè)計---邏輯設(shè)計員

固件實現(xiàn)虛擬機器第2級

機器語言計算機----機器語言程序員第3級

操作系統(tǒng)---操作員第4級

匯編語言計算機---匯編語言程序員第5級

高級語言計算機---高級語言程序員第6級

應(yīng)用程序---用戶軟件實現(xiàn)第八十五頁，共99頁。第八十五頁，共99頁。對“虛擬機器”用戶來說，他是通過該層次的語言來了解和使用計算機的。在他看來，“機器”就是能存儲和執(zhí)行相應(yīng)語言程序的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合體。

第八十六頁，共99頁。第八十六頁，共99頁。

“虛擬機器”的特征是由軟件實現(xiàn)機器功能，體現(xiàn)了由機器語言、匯編語言、高級語言到應(yīng)用程序語言的層次性。一般來說，上層語言語句或命令的功能，是由下層語言翻譯或解釋來實現(xiàn)的。翻譯（translation）是先用轉(zhuǎn)換程序?qū)⒏咭患墮C器上的程序整個地變換為低一級機器級上等效的程序，然后再在低一級機器級實現(xiàn)的技術(shù)；解釋（interpretation）則是在低一級機器級上用它的一串語句或指令來仿真高級機器級上的一條語句或指令的功能，是通過對高一級的機器級語言程序中的每條語句或指令逐條解釋來實現(xiàn)的技術(shù)。越往上層，越接近最終用戶而遠離實際機器。

第八十七頁，共99頁。第八十七頁，共99頁。

“實際機器”的使用者，其主要任務(wù)是設(shè)計和維護機器。第1級機器由微程序（固件）實現(xiàn)。所謂固件（firmware）是一種具有軟件功能的硬件.

例如將軟件固化在ROM上。一個微程序往往對應(yīng)一條機器指令，它根據(jù)該指令操作所需要的控制時序，配備一套微指令，編寫出微程序，控制信息在寄存器、運算器等之間的傳送。第0級機器是具體的硬聯(lián)邏輯電路，實現(xiàn)各個微指令的功能或微操作信號的要求。這些硬件，往往是大規(guī)模集成電路及其連接通路。第八十八頁，共99頁。第八十八頁，共99頁。這里有兩點要指出，一是上述層次的劃分及其層次間的相互關(guān)系并非絕對的，它們之間可能有交叉。例如，高級語言程序經(jīng)編譯后可能跳過匯編語言程序直接以機器語言程序?qū)崿F(xiàn)；操作系統(tǒng)程序有可能用高級語言（如C語言）編寫，而不是匯編語言編寫；有些機器指令可以直接用組合邏輯電路實現(xiàn)，不一定非要微程序解釋實現(xiàn)。第八十九頁，共99頁。第八十九頁，共99頁。二是軟件和硬件在邏輯上是等效的。原理上，軟件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用軟件模擬完成，只是性能、價格、實現(xiàn)的難易程度不同。例如，一條邏輯運算指令，可直接用組合電路實現(xiàn)；反過來，一