計(jì)算機(jī)組成原理：緒論

第1章緒論讓我們了解計(jì)算機(jī)了解哪些??計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)分類按其信息的表示形式和處理方式分類：電子模擬計(jì)算機(jī)以連續(xù)變化的量即模擬量表示數(shù)據(jù)，通過電流或電壓的物理變化過程實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。受到元器件精度的影響，使其運(yùn)算精度較低，解題能力有限，信息存儲(chǔ)困難，因而應(yīng)用面窄。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)以離散量即數(shù)字量表示數(shù)據(jù)，應(yīng)用算術(shù)運(yùn)算法則實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。由于具有很強(qiáng)的邏輯判斷功能、龐大的存儲(chǔ)能力，以及計(jì)算、模擬、分析問題、操作機(jī)器、處理事務(wù)等能力，因而得到了極其廣泛的應(yīng)用。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史電子計(jì)算機(jī)的誕生第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandComputer）于1946年在美國誕生。①每秒5000次加法運(yùn)算；②每秒50次乘法運(yùn)算；③平方和立方計(jì)算；④Sin和Cos函數(shù)數(shù)值運(yùn)算；⑤其它更復(fù)雜的計(jì)算。1955年退役十進(jìn)制運(yùn)算180001500150301500多個(gè)電子管多個(gè)繼電器千瓦噸平方英尺5000次加法／秒用手工搬動(dòng)開關(guān)和拔插電纜來編程電腦始祖

—馮·諾依曼馮·諾依曼提出了新的改進(jìn)方案：一是用二進(jìn)制代替十進(jìn)制，進(jìn)一步提高電子元件的運(yùn)算速度；二是存儲(chǔ)程序(StoredProgram)，即把程序放在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，換言之，把能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的程序放在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)內(nèi)部，程序和該程序處理的數(shù)據(jù)用同樣的方式儲(chǔ)存，即把程序本身當(dāng)作數(shù)據(jù)來對(duì)待。馮·諾依曼的改進(jìn)方案被稱為“愛達(dá)法”(EDVAC)，即離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)(ElectronicDisereteVariableComputer)的簡(jiǎn)稱。1945年6月，他寫了一篇題為《關(guān)于離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)的草案》的論文，第一次提出了在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中存放程序的概念(StoredProgramConcept)，這是所有現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的范式，被稱為“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”。按這一結(jié)構(gòu)建造的電腦稱為存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)(StoredProgramComputer)，又稱為通用計(jì)算機(jī)。時(shí)至今日，所有的電腦都逃脫不了馮·諾依曼的掌心，我們所有的電腦，都有一個(gè)共同的名字，叫“馮·諾依曼機(jī)器”，它超越了品牌、國界、速度和歲月。1.1.1更新?lián)Q代的計(jì)算機(jī)硬件（1）電子管時(shí)代（1946年－1959年）（2）晶體管時(shí)代（1959年－1964年）（3）中、小規(guī)模集成電路時(shí)代（1964年－1975年）（4）超、大規(guī)模集成電路時(shí)代（1975年－1990年）（5）超級(jí)規(guī)模集成電路時(shí)代（1990年－現(xiàn)在）代硬件技術(shù)速度（次/秒）一電子管40,000二晶體管200,000三中小規(guī)模集成電路1,000,000四大規(guī)模集成電路10,000,000超大規(guī)模集成電路100,000,000小規(guī)模集成電路SSI10-100個(gè)元件或1-10個(gè)邏輯門中規(guī)模集成電路MSI100-1000個(gè)元件或10-100個(gè)邏輯門大規(guī)模集成電路LSI10^3-10^5個(gè)元件或100-10000個(gè)邏輯門超大規(guī)模集成電路VLSI10^6-10^7個(gè)元件或10000個(gè)邏輯門特大規(guī)模集成電路ULSI10^7-10^9個(gè)元件巨大規(guī)模集成電路GSI10^9個(gè)以上元件2023/12/1310電子管時(shí)代（1946～1959）運(yùn)算速度：5千～4萬（次/秒）在電子管時(shí)代，計(jì)算機(jī)以電子管作為基本邏輯單元，主存儲(chǔ)器采用汞延遲線、磁鼓等材料，數(shù)據(jù)用定點(diǎn)表示。我國有:103機(jī)、104機(jī)、119機(jī)2023/12/1311晶體管時(shí)代（1957～1964）運(yùn)算速度：幾十萬～百萬（次/秒）2023/12/1312晶體管時(shí)代的計(jì)算機(jī)主要以晶體管代替電子管作為基本邏輯元件，主存儲(chǔ)器由磁芯構(gòu)成，引入了浮點(diǎn)運(yùn)算硬件加強(qiáng)科學(xué)計(jì)算能力。我國推出：DJS-5機(jī)、DJS-121機(jī)、DJS-108機(jī)2023/12/1313中小規(guī)模集成電路時(shí)代

（1965～1975）

運(yùn)算速度：百萬～幾百萬（次/秒）2023/12/1314在中小規(guī)模集成電路（MSI、SSI）時(shí)代，集成電路器件成為了計(jì)算機(jī)的主要邏輯元件，由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器替代磁芯存儲(chǔ)器作為主存儲(chǔ)器。此階段采用多處理器并行結(jié)構(gòu)的大型、巨型機(jī)和物美價(jià)廉的小型機(jī)得到快速發(fā)展。本階段典型的計(jì)算機(jī)有：IBM公司的IBM360系列（1964年）、CDC公司的CDC6600（1964年）和DEC公司的PDP-8（1964年）。我國在此時(shí)期也推出了大、中、小型計(jì)算機(jī)，如150機(jī)（1973年）、DJS-130機(jī)（1974年，并形成了100系列機(jī)）、220機(jī)（1973年-1981年，200系列機(jī)）和182機(jī)（1976年，180系列機(jī)）。2023/12/1316第一臺(tái)迷你計(jì)算機(jī)PDP-8

2023/12/1317超大規(guī)模集成電路時(shí)代（1975～1990）運(yùn)算速度：幾百萬～幾千萬億（次/秒）此時(shí)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器已完全替代了磁芯存儲(chǔ)器，并發(fā)展了并行技術(shù)、多機(jī)系統(tǒng)和分布式計(jì)算技術(shù)，出現(xiàn)了RISC指令集。在這一時(shí)期，巨型向量機(jī)、陣列機(jī)等高級(jí)計(jì)算機(jī)得到了發(fā)展，如美國的Cray-I，我國的YH-I等，同時(shí)低檔的微處理器開始面世，并迅速推向社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域和家庭。1978年采用Intel8086微處理器構(gòu)成的16位微機(jī)IBM-PC/XT的面世，真正使得臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī)走進(jìn)辦公室和家庭。(此前，有8位的微機(jī)，Apple-II,Cromenco,Z80)與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也由實(shí)驗(yàn)研究階段轉(zhuǎn)入商業(yè)市場(chǎng)，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)信息處理的發(fā)展和應(yīng)用。從而帶動(dòng)并形成了信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)——IT業(yè)。1990-現(xiàn)在出現(xiàn)了采用大規(guī)模并行計(jì)算和高性能機(jī)群計(jì)算技術(shù)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，如IBM公司的“深藍(lán)”計(jì)算機(jī)就是一臺(tái)RS/6000SP2超級(jí)并行計(jì)算機(jī)，它具有256塊處理器芯片。我國的YH-III（大規(guī)模并行處理，128個(gè)CPU，1997年）、YH-IV（機(jī)群技術(shù)）巨型機(jī)已達(dá)到國際水平.2004年，我國的研制開發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)——曙光4000A進(jìn)入全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜的前10名，標(biāo)志著我國超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)已跨入了世界前列。2008年超級(jí)計(jì)算機(jī)榜首美國能源部下屬洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的IBM超級(jí)計(jì)算機(jī)“走鵑”（Roadrunner）以每秒1.105千萬億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度再度蟬聯(lián)榜首。2008年超級(jí)計(jì)算機(jī)第十曙光5000A高性能計(jì)算機(jī)采用最新的四核AMDBarcelona(主頻2.0GHz)處理器，采用基于刀片架構(gòu)的HPP體系架構(gòu)，共有約30000顆計(jì)算核心，大于100TB海量?jī)?nèi)存，700TB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，采用低延遲的20Gb的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，其設(shè)計(jì)浮點(diǎn)運(yùn)算速度峰值為每秒230萬億次，Linpack測(cè)試速度預(yù)測(cè)將達(dá)到160T。2009年超級(jí)計(jì)算機(jī)榜首美國能源部下屬橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Cray“美洲豹”XT5系統(tǒng)以每秒1.759千萬億次(petaflop/s)的運(yùn)算速度，在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜中首度折桂。美洲豹的科學(xué)應(yīng)用圖從左到右，從上到下依次為：

1：極端氣候模擬

2：超新星研究

3：生命和半衰期

4：從光合作用到新燃料

5：聚變加速

6：模仿火山爆發(fā)應(yīng)激氣候2009年超級(jí)計(jì)算機(jī)第五由中國國防科大研制的“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)以實(shí)測(cè)速度每秒563.1萬億次位列世界第五、亞洲第一，這也是中國超級(jí)計(jì)算機(jī)迄今獲得的最高名次，也是前十位中唯一非美超級(jí)計(jì)算機(jī)。2010年超級(jí)計(jì)算機(jī)榜首全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜（又稱TOP500）11月16日在美國新奧爾良會(huì)議中心正式揭曉，由中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)排名第一，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的“美洲虎”和中國曙光公司研制的“星云”緊隨其后，其他排名前十的超級(jí)計(jì)算機(jī)分別位于日本、法國、德國和美國。“天河一號(hào)”2010年在中國國家超級(jí)計(jì)算天津中心安裝部署，升級(jí)后的實(shí)測(cè)運(yùn)算速度可達(dá)每秒2570萬億次；排名第二的“美洲虎”超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)測(cè)運(yùn)算速度可達(dá)每秒1750萬億次；排名第三的“星云”計(jì)算機(jī)實(shí)測(cè)運(yùn)算速度達(dá)到每秒1270萬億次。超級(jí)計(jì)算機(jī)——天河一號(hào)運(yùn)算速度“天河一號(hào)”峰值運(yùn)算速度為每秒4700萬億次。做個(gè)換算對(duì)比：“天河一號(hào)”運(yùn)算1小時(shí)，相當(dāng)于全國13億人同時(shí)計(jì)算340年以上的時(shí)間；“天河一號(hào)”運(yùn)算1天，相當(dāng)于1臺(tái)雙核的高檔桌面電腦運(yùn)算620年以上的時(shí)間。存儲(chǔ)容量“天河一號(hào)”存儲(chǔ)容量為兩千萬億個(gè)字節(jié)。做個(gè)換算對(duì)比：一個(gè)漢字平均為兩個(gè)字節(jié)，“天河一號(hào)”可在線存儲(chǔ)一千萬億個(gè)漢字，相當(dāng)于存儲(chǔ)100萬漢字的書籍10億冊(cè)。2011超級(jí)計(jì)算機(jī)榜首第38屆全球超級(jí)計(jì)算機(jī)五百強(qiáng)排行榜，升級(jí)完畢的日本“京”(KComputer)成為人類歷史上第一臺(tái)計(jì)算能力跨越1億億次每秒的計(jì)算系統(tǒng)。在日語中，“京”是一個(gè)計(jì)量單位，代表1萬萬億。不同于其它近來表現(xiàn)“猖狂”的高性能計(jì)算系統(tǒng)，“京”仍舊完全基于傳統(tǒng)處理器，沒有使用GPU加速?，F(xiàn)在的“京”配備了88128顆富士通SPARC64VIIIfx2.0GHz八核心處理器。“京”將在明年6月完成整個(gè)系統(tǒng)的配置，并于同年11月正式開始運(yùn)用。除用于模擬演算地震、海嘯、臺(tái)風(fēng)等地球科學(xué)及有關(guān)宇宙形成的研究外，“京”還將運(yùn)用于新材料、醫(yī)藥用品、汽車及飛機(jī)的研發(fā)等工作。2011超級(jí)計(jì)算機(jī)榜首2011超級(jí)計(jì)算機(jī)亞軍——

天河一號(hào)A最大性能只有“京”的24.4％。事實(shí)上，除了一路狂奔的“京”之外，從第二名到到第十一名都沒有多少變化。從超算分布的國家來看，最近兩年增長最快的國家無疑是中國，兩年時(shí)間，中國入圍超算總數(shù)從2010年11月的24臺(tái)猛增至如今的74臺(tái)，平均增長率超過45%。美國作為當(dāng)今唯一的超級(jí)大國，在入圍超算數(shù)量上也保持了一如既往的霸氣，始終占據(jù)著TOP500的半壁江山，其他國家望塵莫及。2012年6月超級(jí)計(jì)算機(jī)排名第一名：紅杉(Sequoia)超級(jí)計(jì)算機(jī)，美國能源部勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室

/view/c3d6cef17c1cfad6195fa743.html使用紅杉來研究美國核威懾武器的安全性和可靠性2012年6月超級(jí)計(jì)算機(jī)排名第二名：K超級(jí)計(jì)算機(jī)，日本理化學(xué)研究所高級(jí)計(jì)算科學(xué)研究所(AICS)第三名：米拉(Mira)超級(jí)計(jì)算機(jī)，伊利諾伊州阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室第五名：天河-1A，天津國家超級(jí)計(jì)算中心第十名：星云(Nebulae)，中國深圳

2012年11月TOP500強(qiáng)Cray公司的超級(jí)計(jì)算機(jī)Titan以17590TFlop/s的運(yùn)算速度奪冠，IBM的Sequoia以16324.8TFlop/s的速度奪得亞軍，曾經(jīng)位列榜首的KComputer以10510TFlop/s屈居第三位。曾在2010年位列榜首的中國最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)天河-1A，以2566TFlop/s的運(yùn)算速度排在第八位。Top10超級(jí)計(jì)算機(jī)中，有5臺(tái)來自美國，德國2臺(tái)，中國、意大利與日本各1臺(tái)。在整個(gè)TOP500榜單中，251臺(tái)來自美國，72臺(tái)來自中國。按照平臺(tái)來劃分，Top500超級(jí)計(jì)算機(jī)中76%來自Intel，12%來自AMD，10%來自IBM。2013年6月超級(jí)計(jì)算機(jī)排名1天河二號(hào)是由中國國防科技大學(xué)開發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，今年以持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次的優(yōu)越性能位居榜首。部署在廣州的國家超級(jí)計(jì)算機(jī)中心。2泰坦是一臺(tái)安裝在美國能源部（DOE）的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室CrayXK7系統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。最節(jié)能的系統(tǒng)之一。3紅杉是安裝在美國能源部勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)IBM藍(lán)色基因/Q系統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)。10天河-1A，中國天津的國家超級(jí)計(jì)算中心。2013年11月

前三甲分別為中國天河二號(hào)、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的泰坦、和勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的紅杉。天河二號(hào)是由中國國防科技大學(xué)開發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，今年以持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次的優(yōu)越性能位居榜首。天河二號(hào)將于今年年底被部署到廣州的國家超級(jí)計(jì)算機(jī)中心。它的出世比原定計(jì)劃提前兩年。天河二號(hào)有16,000個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)IntelXeonIvyBridge的處理器。2014年6月

天河二號(hào)以比第二名美國“泰坦”快近一倍速度獲得冠軍除了助力探月工程、載人航天等政府科研項(xiàng)目外，天河二號(hào)目前已經(jīng)逐漸應(yīng)用于民用領(lǐng)域，比如石油勘探、汽車飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造、基因測(cè)序等。傳統(tǒng)手段研發(fā)新車，一般要經(jīng)過上百次碰撞實(shí)驗(yàn)、歷時(shí)兩年多才能完成，而利用天河二號(hào)進(jìn)行模擬，只需3到5次實(shí)車碰撞、兩個(gè)月即可實(shí)現(xiàn)。中國商用飛機(jī)設(shè)計(jì)有限公司北京研究中心利用約2.4萬CPU核開展了大型民機(jī)全參數(shù)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在天河二號(hào)計(jì)算6天，完成了其自身計(jì)算平臺(tái)約需2年的工作量，極大地提高了優(yōu)化工作效率。華大基因使用的生物信息軟件能迅速在天河二號(hào)上運(yùn)行，不需要再另外進(jìn)行編程；同時(shí)天河二號(hào)強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以快速滿足華大基因海量基因數(shù)據(jù)分析所需的計(jì)算資源，節(jié)省大量分析時(shí)間。但是能耗很高，應(yīng)用軟件缺失。1.1.2日臻完善的計(jì)算機(jī)軟件匯編語言階段（20世紀(jì)50年代）程序批處理階段（20世紀(jì)60年代）分時(shí)多用戶階段（20世紀(jì)70年代）分布式管理階段（20世紀(jì)80年代）軟件重用階段（20世紀(jì)90年代）Web服務(wù)階段（21世紀(jì)初期－現(xiàn)在）2023/12/1338—個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大系統(tǒng)組成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的各種物理裝置以及它們的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)軟件系統(tǒng)泛指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用的各種程序和文件1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成1.2.1計(jì)算機(jī)的功能部件首先思考：計(jì)算機(jī)的基本功能是什么數(shù)據(jù)加工運(yùn)算器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備主機(jī)系統(tǒng)CPU存儲(chǔ)器I/O系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存數(shù)據(jù)傳送操作控制（1）輸入設(shè)備（2）輸出設(shè)備（3）存儲(chǔ)器分為主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）和輔助存儲(chǔ)器（外存）。CPU能夠直接訪問的存儲(chǔ)器是主存。輔助存儲(chǔ)器用于幫助主存記憶更多的信息，輔助存儲(chǔ)器中的信息必須調(diào)入主存后，才能為CPU所使用。主存儲(chǔ)器的每個(gè)單元都有自己唯一的地址碼，通常是按地址進(jìn)行訪問的，若對(duì)存儲(chǔ)器某個(gè)單元進(jìn)行讀/寫操作，必須首先給出被訪存儲(chǔ)單元的地址碼。主存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（4）運(yùn)算器運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)的執(zhí)行部件，用于對(duì)數(shù)據(jù)的加工處理，完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。算術(shù)運(yùn)算是指按照算術(shù)運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行的運(yùn)算，如加、減、乘、除以及它們的復(fù)合運(yùn)算。邏輯運(yùn)算則為非算術(shù)性運(yùn)算，如與、或、非、異或、比較、移位等。其核心是算術(shù)邏輯部件（ArithmeticandLogicalUnit，ALU）。運(yùn)算器中還設(shè)有若干寄存器，用于暫存操作數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。由于這些寄存器往往兼?zhèn)涠喾N用途，如用作累加器、變址寄存器、基址寄存器等，所以通常稱為通用寄存器。運(yùn)算器的簡(jiǎn)單框圖見書P6圖1-3。（5）控制器是整個(gè)計(jì)算機(jī)的指揮中心?？刂破骶褪前粗孪劝才藕玫慕忸}不愁，控制計(jì)算機(jī)各個(gè)部件有條不紊地自動(dòng)工作。程序按指令序列存放在存儲(chǔ)器中，控制器根據(jù)程序?qū)嵤┛刂?，這種工作方式稱為存儲(chǔ)程序方式。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成1.2.2馮?諾依曼計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)程序的概念是由美國數(shù)學(xué)家馮?諾依曼于1946年6月在研究EDVAC計(jì)算機(jī)時(shí)首先提出來的，它奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。其基本思想如下：（1）計(jì)算機(jī)由五大部件組成哪五大部件？？（2）采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令指令是什么？？（3）采用存儲(chǔ)程序方式什么是存儲(chǔ)程序？？指令指令是程序的基本單位，程序是若干指令的有序集合。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)中，指令與數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制代碼的形式同存于存儲(chǔ)器中。兩者在存儲(chǔ)器中的地位相同，均可按地址訪問。

指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼表示指令的操作性質(zhì)，地址碼表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置。2023/12/1349在用計(jì)算機(jī)解題之前，事先編制好程序，并連同所需的數(shù)據(jù)預(yù)先存入主存儲(chǔ)器中。在解題過程(運(yùn)行程序)中，由控制器按照事先編好并存入存儲(chǔ)器中的程序自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依次取出指令并執(zhí)行，直到獲得所要求的結(jié)果為止。存儲(chǔ)程序方式是馮·諾依曼思想的核心，是計(jì)算機(jī)能高速自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。存儲(chǔ)程序方式早期的馮?諾依曼計(jì)算機(jī)(圖1-4，P7)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)(圖1-5，P7)在微處理器問世之前，運(yùn)算器和控制器是兩個(gè)分離的功能部件，加上當(dāng)時(shí)存儲(chǔ)器還是以磁芯存儲(chǔ)器為主，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的信息量較少，因此早期馮?諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)是以運(yùn)算器為中心的，其他部件都通過運(yùn)算器完成信息的傳遞。微處理器將運(yùn)算器和控制器兩個(gè)主要功能部件合二為一，集成到一個(gè)芯片里。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐源鎯?chǔ)器為中心，但是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)仍然遵循馮?諾依曼思想。2023/12/1351早期的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)圖

1.3計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)1.3.1系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)語言處理程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分布式軟件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)各種服務(wù)程序應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是指用戶為解決某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中的各類問題而編制的程序，如各種科學(xué)計(jì)算類程序、工程設(shè)計(jì)類程序、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理程序、情報(bào)檢索程序、企業(yè)管理程序、生產(chǎn)過程控制程序等。目前應(yīng)用軟件正向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化方向發(fā)展，許多通用的應(yīng)用程序可以根據(jù)其功能組成不同的應(yīng)用軟件包，供用戶選擇使用。能否再舉一些應(yīng)用軟件的例子？？2023/12/1355雖然在一個(gè)具體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，硬件、軟件是緊密相關(guān)、缺一不可的，但是對(duì)某一具體功能來說，可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)，這就是硬件、軟件在邏輯功能上的等效。任何由硬件實(shí)現(xiàn)的操作，在原理上，均可用軟件來實(shí)現(xiàn)；同樣，任何由軟件實(shí)現(xiàn)的操作，在原理上都可硬化由硬件來實(shí)現(xiàn)。硬件、軟件在邏輯功能上等效2023/12/1356例：乘除運(yùn)算早期均由軟件編程實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)已由硬件乘、除法器實(shí)現(xiàn)。例：在微小型機(jī)中，為了降低系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本，將一些在巨型、大型機(jī)中由硬件實(shí)現(xiàn)的功能由軟件編程實(shí)現(xiàn)。硬件的軟化：將由硬件實(shí)現(xiàn)的功能用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件的硬化：將由軟件實(shí)現(xiàn)的功能用硬件實(shí)現(xiàn)。2023/12/1357固件：載有在用戶環(huán)境中不能加以改變的程序及數(shù)據(jù)的器件。將復(fù)雜且常用的程序?qū)懭胫蛔x存儲(chǔ)器就構(gòu)成了固件。固件從功能上看是軟件，但從形態(tài)上看是硬件。例如，PC機(jī)中的主板BIOS、顯卡BIOS，網(wǎng)卡BOOTROM等都屬于固件。2023/12/1358硬件軟件的功能分配在設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求、現(xiàn)實(shí)技術(shù)與器件條件，首先確定哪些功能直接由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能通過軟件實(shí)現(xiàn)。這就是硬件、軟件的功能分配。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可以使軟件逐漸“固化”乃至“硬化”

。所以設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)必須首先解決硬、軟件的功能分配問題。2023/12/1359計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)是一個(gè)硬件與軟件組成的綜合體。由于面對(duì)的應(yīng)用范圍越來越廣，所以必須有復(fù)雜的系統(tǒng)軟件和硬件的支持。由于軟件、硬件的設(shè)計(jì)者和使用者是從不同的角度，以各種不同的語言來對(duì)待同一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此，他們各自看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性及對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提出的要求也就不一樣。如硬件設(shè)計(jì)人員要求機(jī)器能夠高速有效地執(zhí)行機(jī)器指令所規(guī)定的各種操作。而高級(jí)語言使用者則關(guān)心機(jī)器能否提供高效方便的編程環(huán)境。2023/12/1360對(duì)不同的對(duì)象而言，一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就成為實(shí)現(xiàn)不同語言的、具有不同屬性的機(jī)器。假如在軟件、硬件之間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和使用者之間不能很好地協(xié)調(diào)、配合，就會(huì)大大影響系統(tǒng)的性能與效率。2023/12/1361計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)根據(jù)從各種角度所看到的機(jī)器之間的有機(jī)關(guān)系，可以將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。目的：分清各級(jí)層次結(jié)構(gòu)彼此之間的界面，明確各自的功能，以便構(gòu)成合理、高效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2023/12/13622023/12/1363第0級(jí)硬件操作時(shí)序?qū)嶋H的硬件層，是硬件組成的實(shí)體。第1級(jí)微程序機(jī)器層

實(shí)際的硬件層，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令。第2級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器語言層

實(shí)際的硬件層，由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)。第3級(jí)操作系統(tǒng)層

由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。操作系統(tǒng)程序是由機(jī)器指令和廣義指令組成的。其中廣義指令是為擴(kuò)展機(jī)器功能而設(shè)置的，是由操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令。這一層也稱為混合層。2023/12/1364第4級(jí)匯編語言層

匯編語言是一種符號(hào)形式語言，用戶借此可編寫匯編語言源程序。這一層由匯編程序支持和執(zhí)行。第5級(jí)高級(jí)語言層

高級(jí)語言層為方便用戶編寫各類應(yīng)用程序而設(shè)置的。它是面向用戶的。該層由各種高級(jí)語言編譯程序支持和執(zhí)行。第6級(jí)應(yīng)用語言層

應(yīng)用語言層是直接面向某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，為方便用戶編寫該應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用程序而設(shè)置的。由相應(yīng)的應(yīng)用軟件包支持和執(zhí)行。

2023/12/1365高級(jí)語言程序

C＝A＋B匯編語言程序

MOVAL，A

ADDAL，B

MOVC，AL機(jī)器語言程序

1000H000000011001H000000101002H000000000000H101000000001H000000000002H000100000003H000000100004H000000010005H000100000006H100010000007H000001100008H000000100009H000100002023/12/1366在多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中，第0、1、2級(jí)是實(shí)機(jī)器，上面幾層均為虛機(jī)器（虛擬機(jī)）。虛機(jī)器：是指用軟件技術(shù)構(gòu)成的機(jī)器。虛機(jī)器建立在實(shí)機(jī)器的基礎(chǔ)上，利用軟件技術(shù)擴(kuò)充實(shí)機(jī)器的功能。從整體看就好像有了一臺(tái)更強(qiáng)功能的機(jī)器，所以稱它為虛機(jī)器。機(jī)器語言層和操作系統(tǒng)層是虛、實(shí)機(jī)器的分界面。軟、硬件功能的分配，決定了虛、實(shí)機(jī)器的界面。2023/12/1367利用多級(jí)層次結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)，可以在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，明確哪些功能由硬件完成，哪些功能由軟件完成。同樣還可以明確在虛機(jī)器中各層次應(yīng)完成的功能，上級(jí)應(yīng)得到下級(jí)的哪些支持。多級(jí)層次結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)，對(duì)于了解掌握計(jì)算機(jī)的組成，設(shè)計(jì)一個(gè)良好的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有很大的幫助。2023/12/1368計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織

如何把五大基本部件互連起來構(gòu)成計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織問題。在計(jì)算機(jī)的五大部件之間，有大量的信息需要傳送，如何實(shí)現(xiàn)信息的傳送，取決于數(shù)據(jù)通路的邏輯結(jié)構(gòu)。早期的計(jì)算機(jī)往往在各部件之間直接連接傳送線路，數(shù)據(jù)通路復(fù)雜、零亂，控制不便，而且沒有多少擴(kuò)展余地。2023/12/1369總線結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)普遍采用總線結(jié)構(gòu)。1.

總線：一組可為多個(gè)功能部件共享的公共信息傳送線路。2.

總線的使用規(guī)定

⑴共享總線的各個(gè)部件必須分時(shí)使用總線發(fā)送信息，保證總線上的信息在任何時(shí)候都是唯一的。

⑵總線上的各個(gè)部件可同時(shí)接收總線上的信息?？偩€的使用規(guī)定，保證了總線上的信息不沖突，且總線上的各部件可以共享總線信息。2023/12/1370按總線的任務(wù)分(1)CPU內(nèi)部總線這是一級(jí)數(shù)據(jù)線，用于連接CPU內(nèi)部各寄存器和算術(shù)邏輯部件。在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU內(nèi)部總線也就是芯片內(nèi)的總線。(2)部件內(nèi)總線在計(jì)算機(jī)中各功能模塊插件上芯片之間的總線。屬于芯片間的總線。如內(nèi)存條、聲卡等插件上的總線?？偩€的分類2023/12/1371(3)系統(tǒng)總線連接系統(tǒng)內(nèi)各大部件如CPU、主存、I/O設(shè)備等的總線，是連接整機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制/狀態(tài)總線。(4)外總線計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間的通信總線。外總線往往借用電子工業(yè)領(lǐng)域已有的標(biāo)準(zhǔn)。如RS－232串行總線標(biāo)準(zhǔn)。2023/12/1372按總線上信息傳送的方向分(1)單向總線

連接在總線上的部件只能有選擇地將信息進(jìn)行單向傳送。如地址總線。(2)雙向總線

連接在總線上的任何部件既能通過總線發(fā)送信息，也能通過總線接受信息。如數(shù)據(jù)總線。2023/12/1373采用總線結(jié)構(gòu)的好處可以大大減少系統(tǒng)中的信息傳輸線數(shù)，減輕發(fā)送部件的負(fù)載。可以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，靈活地修改與擴(kuò)充系統(tǒng)。2023/12/1374總線的連接方式單機(jī)系統(tǒng)中采用的總線類型(1)單總線結(jié)構(gòu)用一組系統(tǒng)總線把CPU、主存及各種I/O接口連接起來。2023/12/1375總線上各設(shè)備之間（CPU與MEM、MEM與I/O、CPU與I/O、I/O與I/O）都通過單總線交換信息。可將I/O與存儲(chǔ)器同等對(duì)待，統(tǒng)一進(jìn)行編址?？刂坪?jiǎn)單，易于擴(kuò)充。同一時(shí)刻只能在一對(duì)設(shè)備之間或部件之間傳送信息，因此系統(tǒng)速度受到限制。把主存與I/O設(shè)備同等對(duì)待，降低了主存的地位。因?yàn)橹鞔媾cCPU間的信息傳送要比CPU與I/O設(shè)備間的信息傳送頻繁很多。單總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)2023/12/1376(2)雙總線結(jié)構(gòu)①以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)采用以CPU為中心的存儲(chǔ)器總線和I/O總線，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。以CPU為中心的雙總線，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易。但由于I/O設(shè)備與主存間的信息傳送都必須通過CPU進(jìn)行，使CPU要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行信息的輸入輸出處理，從而降低了CPU的工作效率。所以只在早期的機(jī)器中使用。2023/12/1377以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)2023/12/1378②面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)在單總線的基礎(chǔ)上，在CPU與主存之間增加了一組存儲(chǔ)器總線，CPU訪存直接通過存儲(chǔ)器總線實(shí)現(xiàn)，面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)保持了單總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于通過存儲(chǔ)器總線訪存，提高了CPU的訪存速度，也減輕了系統(tǒng)總線的負(fù)擔(dān)。2023/12/1379面向存儲(chǔ)器的雙總線結(jié)構(gòu)2023/12/1380(3)三總線結(jié)構(gòu)在面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加I/O總線，使得CPU與主存、主存與I/O之間均具備獨(dú)立的信息傳輸通路。2023/12/1381總線結(jié)構(gòu)主要用于微、小型計(jì)算機(jī)中。對(duì)于中型、大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成，主要著重于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和效率的提高。為了增強(qiáng)系統(tǒng)功能，必然要配置更多的硬件資源和軟件資源。

由于I/O設(shè)備的增多使I/O處理成為又一個(gè)十分突出的問題。許多I/O設(shè)備由于具有機(jī)械動(dòng)作，其工作速度遠(yuǎn)比CPU的速度低，因此，如何解決速度匹配問題，使CPU與I/O操作盡可能并行地工作以提高CPU的工作效率，成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)關(guān)鍵問題，為此提出了“通道”的概念。2023/12/1382

通道通道是一種具有處理機(jī)功能的專門用來管理I/O操作的控制部件。具有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常采用主機(jī)、通道、I/O設(shè)備控制器、I/O設(shè)備四級(jí)連接方式。通道結(jié)構(gòu)具有較大的變化和擴(kuò)展余地，對(duì)較小的系統(tǒng)，可將設(shè)備控制器與I/O設(shè)備合并在一起，將通道與CPU合并在一起。對(duì)較大的系統(tǒng)，則可單獨(dú)設(shè)置通道。對(duì)更大的系統(tǒng)，可將通道發(fā)展為專門的I/O處理機(jī)，甚至更強(qiáng)功能的前端機(jī)。2023/12/1383計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)能自動(dòng)連續(xù)地工作運(yùn)算速度快運(yùn)算精度高具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)能力和邏輯判斷能力通用性強(qiáng)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)基本字長：參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)

主存容量：K、M、G、T、P

運(yùn)算速度所配置的外部設(shè)備及其性能指標(biāo)系統(tǒng)軟件的配置機(jī)器字長機(jī)器字長是指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)，它是由加法器、寄存器的位數(shù)決定的，所以機(jī)器字長一般等于內(nèi)部寄存器的大小。字長標(biāo)志著精度，字長越長，計(jì)算的精度就越高。計(jì)算機(jī)中為了更靈活地表達(dá)和處理信息，又以字節(jié)（Byte）為基本單位，用大寫字母B表示。一個(gè)字節(jié)等于8位二進(jìn)制位（bit）。不同的計(jì)算機(jī)，字（word）的長度可以不相同