計算機系統(tǒng)概論

計算機系統(tǒng)概論表1.1

數(shù)字計算機與模擬計算機的主要區(qū)別

比較內容

數(shù)字計算機

模擬計算機

數(shù)據(jù)表示方式

計算方式

控制方式

精度

數(shù)據(jù)存儲量

邏輯判斷能力

數(shù)字0和1數(shù)字計數(shù)

程序控制

高

大

強

電壓

電壓組合和測量值

盤上連線

低

小

無

第2頁,共28頁，2024年2月25日，星期天通用機又可分為六類：巨型機（Super-Computer）、大型機（Mainframe）、中型機（Medium-sizeComputer）、小型機（minicomputer）、微型機（microcomputer）、單片機（Single-ChipComputer）六類，見圖所示。它們的區(qū)別在于體積、簡易性、功率損耗、性能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機器價格。巨型計算機主要用于科學計算,其運算速度在每秒一萬億次以上,數(shù)據(jù)存儲容量很大,結構復雜,價格昂貴。單片計算機是只用一片集成電路做成的計算機,體積小,結構簡單,性能指標較低,價格宜。介于巨型機和單片機之間的是大型機、中型機、小型機和微型機,它們的結構規(guī)模性能指標依次遞減。隨著超大規(guī)摸集成電路的迅速發(fā)展,今天的小型機可能是明天的微型機,而今天的微型機可能是明天的單片機。第3頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1.1.2計算機的應用

計算機所以迅速發(fā)展,其生命力在于它的廣泛應用。計算機的應用范圍幾乎涉及人類社會的所有領域。下面歸納成六個方面來敘述：★科學計算科學研究和工程計術計算領域,是計算機應用最早的領域,也是應用得較廣泛的領域:數(shù)學、化學、原子能、天文學、地球物理學、生物學等基礎科學的研究。航天飛行、飛機設計、橋梁設計、水力發(fā)電、地質找礦等方面的大量計算。計算機在科學計算和工程設計中的應用,不僅減輕了大量繁瑣的計算工作量,更重要的是,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了圓滿的解決。★自動控制和測量自動控制涉及面極廣的一門學科,應用于工業(yè)、農業(yè)、科學技術、國防以至我們日常生活等各個領域。測量和測試領域中,計算機主要起兩個作用：第一,對測量和測試設備本身進行控制；第二,采集數(shù)據(jù)并進行處理。第5頁,共28頁，2024年2月25日，星期天★信息處理計算機發(fā)展初期,僅僅用于數(shù)值計算。后來應用范圍逐漸發(fā)展到非數(shù)值計算領域,可用來處理文字、表格、圖象、聲音等各類問題。商務處理:

在商業(yè)業(yè)務上，廣泛應用的項目有：辦公室計算機，數(shù)據(jù)處理機，發(fā)票處理機，銷售額清單機，零售終端，會計終端，出納終端，以及利用互連網(wǎng)的“電子商務”等等在銀行業(yè)務上，廣泛采用金融終端、銷售點終端、現(xiàn)金出納機。銀行間利用計算機進行的資金轉移正式代替了傳統(tǒng)的支票。在郵政業(yè)務上，大量的商業(yè)信件，現(xiàn)在開始用傳真系統(tǒng)傳送。管理應用:計算機的引入，使信息處理系統(tǒng)獲得了強有力的存儲和處理手段。常見的物資管理，如用計算機進行，可以隨時掌握各類物資庫存情況，合理調劑，減少庫存。第6頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

★教育和衛(wèi)生計算機被譽為“教育史上的第四次革命”:較多的應用是CAI(計算機輔助教學)。用這種方法進行教學,學生可以生動活潑地進行學習,教師也可以減少大量重復的課堂講授,而把精力放在提高教材質量和研究教學方法上。計算機輔助教學既用于普通教育,又用于專業(yè)訓練方面。人們還可坐在家里,通過計算機遠程網(wǎng)絡,按照自己的才能確定個人的學習計劃和進度。遠程計算機的問世,同樣為人類健康長壽帶來了福音：使用計算機的各種醫(yī)療設備應運而生,為及早發(fā)現(xiàn)疾病提供了強有力的手段。利用計算機建成的各種專家系統(tǒng)行之有效,為診治疾病發(fā)揮了很大作用?！锛矣秒娖髂壳?不僅使用各種類型的個人計算機,而且將單片機廣泛應用于微波爐、磁帶錄音機、自動洗滌機、煤氣用定時器,家用空調設備控制器、電子式縫紉機、電子玩具、游戲機等。21世紀,國際互聯(lián)網(wǎng)絡和計算機控制的設備將廣泛應用于家庭。★人工智能人工智能,又稱“智能模擬”,簡單地說,就是要使計算機能夠模仿人的高級思維活動。人工智能的研究課題是多種多樣的,諸如計算機學習、計算機證明、景物分析、模擬人的思維過程、機器人等等。智能機器人,它會自己識別控制對象和工作環(huán)境,作出判斷和決策,直接領會人的口令和意圖,能避開障礙物,適應環(huán)境條件的變化,靈活機動地完成控制任務與信息處理任務。第7頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1.2計算機的硬件

1.2.1數(shù)字計算機的硬件組成

用一個算盤，一張紙，一支筆來計算y=ax+b-c這個題目，步驟如下。表1.5解題步驟和數(shù)據(jù)記錄在橫格上行數(shù)解題步驟和數(shù)據(jù)說明取數(shù)(9)→算盤(9)表示第9行的數(shù)a,下同乘法(12)→算盤完成a*x,結果在算盤上加法(10)→算盤完成ax+b,結果在算盤上減法(11)→算盤完成ax+b-c,結果在算盤上存數(shù)y→13算盤上的y值記到第13行輸出把算盤上的y值寫出給人看停止運算完畢,暫停第8頁,共28頁，2024年2月25日，星期天8A數(shù)據(jù)

B數(shù)據(jù)

C數(shù)據(jù)

X數(shù)據(jù)

Y數(shù)據(jù)算盤計算中用到了：

1)紙:用于存儲解題的原始信息;

2)算盤:用于對數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術運算;3)筆:用于把原始數(shù)據(jù)和解題步驟記錄到紙上,及把運算結果寫出;

4)我們人本身(主要是腦和手)用于控制解題步驟。第9頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

計算機與算盤類似相應部件如下:

運算器:在計算機中相當于算盤功能的部件；存儲器:在計算機中相當于紙那樣具有“記憶”功能的部件;

控制器:相當于我們的大腦,能夠自動控制整個計算過程。輸入設備輸出設備:相當于筆,把原始解題信息送到計算機或把運算結果顯示出來的設備;數(shù)字計算機主要組成部分如圖圖1.2第10頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1.運算器運算器就好比一個由電子線路構成的算盤,能進行加、減、乘、除等算術運算,還可進行邏輯運算?？紤]到電子器件的特性,計算機中通常采用二進制數(shù)。這是因為二進制數(shù)的運算規(guī)律非常簡單,在電子線路中比較容易實現(xiàn),而且設備也最省,其示意圖如圖1.3

注：二進制數(shù)和十進制數(shù)一樣,在運算中,當數(shù)的位數(shù)越多時,計算的精度就越高,但是位數(shù)越多,所需的電子器件也越多。目前計算機的運算器長度一般是8位、16位、32位或64位。第11頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.存儲器存儲器的功能:保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和程序。在運算前把參加運算的數(shù)據(jù)和解體步驟通過輸入輸出設備送到存儲器中保存起來。不論是數(shù)據(jù),還是解題步驟,存儲器存儲的全是0或1表示的二進制代碼。目前采用半導體器件來作為存儲器。一個半導體觸發(fā)器可以記憶一個二進制代碼,一個數(shù)假定用16位二進制代碼表示,那么就需要有16個觸發(fā)器來保存這些代碼。存儲單元:在存儲器中保存一個數(shù)的16個觸發(fā)器,稱為一個存儲單元。（或保存一個數(shù)據(jù)或一條指令的存儲體）地址:存儲器是由許多存儲單元組成,每個存儲單元的編號,稱為地址。存儲容量:存儲器所有存儲單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB”表示,如64KB,128KB。存儲容量越大,表示計算機記憶儲存的信息就越多。外存儲器:計算機中又配備的存儲容量更大的磁盤存儲器、光盤存儲器等。相對而言,半導體存儲器稱為內存儲器,簡稱內存。第12頁,共28頁，2024年2月25日，星期天3.控制器控制器是計算機的指揮中心，是發(fā)號施令的部件,它控制計算機的各個部件有條不紊地進行工作。具體的講,控制器的任務是從內存中取出解題步驟加以分析,然后執(zhí)行某種操作:

(1)計算程序運算器只能完成加、減、乘、除四則運算及其他一些輔助操作。對于比較復雜的算題,計算機在運算前必須化成一步一步簡單的加、減、乘、除等基本操作來做。每一個基本操作就叫做一條指令,而解算某一問題的一串指令序列,叫做該問題的計算程序,簡稱為程序。例如在前述求解y=ax+b-c的例子中,解題步驟的每一步,只完成一種基本操作,所以就是一條指令,而整個解題步驟就是一個簡單的計算程序。第13頁,共28頁，2024年2月25日，星期天指令指令地址操作碼地址碼指令操作內容說明取數(shù)9（9）→A存儲器9號地址的數(shù)a送運算器A

乘法12（A）*（12）→A完成ax，結果保留在運算器A

加法10(A）+（10）→A完成ax+b，結果保留在運算器A

減法11（A）-（11）→A完成y=ax+b-c，結果保留在運算器A

存數(shù)13A→13運算器中的結果y送入存儲器13號地址打印A→Print將中的結果經(jīng)打印機打印出來停止

Stop機器停止工作數(shù)據(jù)地址數(shù)據(jù)說明a

數(shù)據(jù)a存放在9號單元b

數(shù)據(jù)b存放在10號單元C數(shù)據(jù)c存放在11號單元x

數(shù)據(jù)x存放在12號單元y

運算結果y存放在13號單元第14頁,共28頁，2024年2月25日，星期天(2)指令的形式

每條指令應當明確告訴控制器,從存儲器的那個單元取數(shù),并進行何種操作。指令的內容由兩部分組成,即操作的性質和操作的地址。前者稱為操作碼,后者稱為地址碼。操作碼地址碼操作碼:指出指令所進行的操作,如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等等;地址碼:表示參加運算的數(shù)據(jù)應從存儲器的哪個單元取,運算的結果應存到哪個單元。

第15頁,共28頁，2024年2月25日，星期天表1.3指令的操作碼定義指令操作碼加法001

減法010

乘法011

除法100

取數(shù)101

存數(shù)110

打印111

停機000

表1.3中指令的操作碼部分就可以變成二進制代碼。假如把地址碼部分和數(shù)據(jù)也換成二進制數(shù),那么整個存儲器的內容全部變成了二進制的代碼或數(shù)據(jù),如圖1.5所示。第16頁,共28頁，2024年2月25日，星期天由圖1.5可知，指令數(shù)碼化以后，就可以和數(shù)據(jù)一樣放入存儲器。存儲器的任何位置即可以存放數(shù)據(jù)也可以存放指令，不過一般是將指令和數(shù)據(jù)分開存放。將解題的程序（指令序列）存放到存儲器中稱為存儲程序，而控制器依據(jù)存儲的程序來控制全機協(xié)調的完成計算任務叫做程序控制。存儲程序并按地址順序執(zhí)行，這就是馮.諾依曼型計算機的設計思想，也是機器自動化工作的關鍵。

一臺計算機通常有幾十條甚至上百條基本指令，從而構成了這臺計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)不僅是硬件設計的依據(jù)，而且是軟件設計的基礎，因此，指令系統(tǒng)是衡量計算機性能的一個重要標志。第17頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

(3).

控制器的基本任務計算機進行計算時,指令必須是按一定的順序一條接一條地進行?？刂破鞯幕救蝿?就是按照計算程序所排的指令序列,先從存儲器取出一條指令放到控制器中,對該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別,然后根據(jù)指令性質,執(zhí)行這條指令,進行相應的操作。接著從存儲器取出第二條指令,在執(zhí)行這第二條指令。依次類推。取指周期：從存儲器中取出一條指令的時間執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的時間。因此,控制器反復交替地處在取指周期與執(zhí)行周期之中。每取出一條指令,控制器中的指令計數(shù)器就加1,從而為取下一條指令做好準備,這也就是指令為什么在存儲器中順序存放的原因。

第18頁,共28頁，2024年2月25日，星期天(4).

指令流和數(shù)據(jù)流

由于計算機件使用0和1兩個二進制數(shù)字,所以使用“位”(bit)作為數(shù)字計算機的最小信息單位。CPU向存儲器送入或從存儲器取出信息時,用B(字節(jié))和W(字)等較大的信息單位來工作。一個“字節(jié)”由8位二進制信息組成,而一個“字”則至少由一個以上的字節(jié)組成。通常把組成一個字的二進制位數(shù)叫做字長。計算機字既可以代表指令,也可以代表數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)字：代表計算機處理的數(shù)據(jù)的計算機字。

指令字：字的內容為指令的計算機。指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)放在內存中,從形式上看,它們都是二進制數(shù)碼。一般來講，在取指周期中從內存讀出的信息是指令流,它流向控制器；而執(zhí)行周期中從內存讀出（或向內存寫入）的信息流是數(shù)據(jù)流,它由內存流向運算器。第19頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

4.適配器與輸入輸出設備目前常用的輸入設備是鍵盤、鼠標器、數(shù)字掃描儀等。它們的作用是把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內部所能接收和識別的二進制信息形式。輸出設備的作用是把計算機處理的結果變換為人或其他機器所能接收和識別的信息形式。如激光印字機、繪圖儀、CRT顯示器等。計算機的輸入/輸出設備通常稱為外圍設備。由于種類繁多且速度各異,因而它們不是直接地同高速工作的主機相連接,而是通過適配器部件與主機相連接。適配器的作用相當與一個轉換器,它可以保證外圍設備用計算機所要求的形式發(fā)送或接受信息。計算機系統(tǒng)中還必須有總線。系統(tǒng)總線是構成計算機系統(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20頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1.2.2計算機系統(tǒng)結構的過去和未來自1946年在美國賓夕法尼亞大學制成的世界上第一臺電子數(shù)字計算機以來,計算機的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代的變化：1.1946年開始的第一代電子管計算機:計算機運算速度一般為每秒幾千次至幾萬次,體積龐大,成本很高,可靠性較底,在此期間,形成了計算機的基本體系,確定了程序設計的基本方法,數(shù)據(jù)處理機開始得到應用。2.1958年開始的第二代晶體管計算機:運算速度提高到幾萬次至幾十萬次,可靠性提高,體積縮小,成本降低，工業(yè)控制機開始得到應用。3.1965年開始的第三代中小規(guī)模集成電路計算機:可靠性進一步提高,體積進一步縮小,成本進一步下降,運算速度提高到幾十萬次至幾百萬次。在此期間,形成機種多樣化,生產系列化,使用系統(tǒng)化,小型計算機開始出現(xiàn)。4.1971年開始的第四代大規(guī)模集成電路計算機:

可靠性更進一步提高,體積更進一步縮小,成本更進一步降低,速度提高到每秒幾百萬次至幾千萬次。有機片大規(guī)模集成電路組成的微型機開始出現(xiàn)。第21頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

5.1986年開始的第五代巨大規(guī)模集成電路計算機:

運算速度提高到每妙幾億次至上百億次。由一片巨大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的單片機開始出現(xiàn)?？傊?從1946年計算機誕生以來,大約每隔五年運算速度提高10倍,可靠性提高10倍,成本降低10倍,體積縮小10倍。而70年代以來,計算機的生產數(shù)量每年以25%的速度遞增。隨著社會需求和微電子技術的不斷發(fā)展,計算機的系統(tǒng)結構仍在繼續(xù)發(fā)展,其發(fā)展趨勢是：將進入以通信為中心的體系結構。計算機智能化將進一步發(fā)展,進入知識處理階段。不僅用多處理機技術來實現(xiàn)并行計算機,而且會出現(xiàn)計算機的動態(tài)結構。多媒體技術將有重大突破和發(fā)展。第22頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1.3計算機的軟件

1.3.1軟件的組成和分類

計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設備組成的。這些部件或設備都是由元件構成的有形物體,因而稱為硬件或硬設備。如果只有算盤,沒有運算法則和步驟,就不能用算盤來計算。同樣,假如計算機只有硬件,它仍是個“死”東西。那么計算機靠什么東西才能變“活”,從而高速自動地完成各種運算呢？這就是我們前面講過的計算程序。因為它是無形的東西,所以稱為軟件或軟設備。比方說,用算盤進行運算,算盤本身就是硬件,而運算法則和解題步驟等就是軟件。事實上,利用電子計算機進行計算、控制或作其他工作時,需要有各種用途的程序。因此,凡是用于一臺計算機的各種程序,統(tǒng)稱為這臺計算機的程序或軟件系統(tǒng)。計算機軟件一般分為兩大類：一類叫系統(tǒng)程序,一類叫應用程序

系統(tǒng)程序用來簡化程序設計,簡化使用方法,提高計算機的使用效率,發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途。它包括以下四類:

各種服務性程序,如診斷程序排錯程序練習程序等；語言程序,如匯編程序編譯程序解釋程序等；操作系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

應用程序是用戶利用計算機來解決某些問題所編制的程序,如工程設計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學計算程序等等。隨著計算機的廣泛應用,這類程序的種類越來越多。第23頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1.3.2軟件的發(fā)展演變

如同硬件一樣,計算機軟件也是在不斷發(fā)展的。下面以系統(tǒng)程序為例,簡要說明軟件的發(fā)展演變過程。1.目的程序早期計算機中,人們直接用機器語言編寫程序,這種編寫程序的方式稱為手編程序。這種用機器語言書寫的程序,計算機完全可以“識別”并能執(zhí)行,所以又叫做目的程序。但是,用機器語言編寫程序很繁瑣,又耗費大量的人力和時間,容易出錯,出錯后尋找錯誤也相當費事,這就大大限制了計算機的使用。2.匯編程序為了編寫程序方便翻譯和提高機器的使用效率,人們用一些約定的文字、符號和數(shù)字按規(guī)定的式來表示各種不同的指令,然后再用這些特殊符號表示的指令來編寫程序,這就是所謂的匯編語言。借助于匯編程序,計算機本身自動地把符號語言表示的程序(稱為匯編源程序)翻譯成用機器語言表示的目的程序。第24頁,共28頁，2024年2月25日，星期天3.源程序為了進一步實現(xiàn)程序自動化和便于程序交流,使不熟悉具體計算機的人也能很方便地使用計算機,人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學語言的算法語言。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成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學語言,直觀通用,與具體機器無關,只要稍加學習就能掌握,便于推廣使用計算機。用算法語言編寫的程序稱為源程序，這種源程序是不能由機器直接識別和執(zhí)行的,必須給計算機配備一個即懂算法語言又懂機器語言的“翻譯”,才能把源程序翻譯為機器語言。通常采用下面兩種方法：

a.計算機配置一套用機器語言寫的編譯程序,它把源程序翻譯成目的程序,然后機器執(zhí)行目的程序,得出計算結果。但由于目的程序一般不能獨立運行,還需要一種叫做運行系統(tǒng)的輔助軟件來幫助。通常,把編譯程序和運行系統(tǒng)和稱為編譯系統(tǒng)。

b.使源程序通過所謂的解釋系統(tǒng)進行解釋執(zhí)行,即逐個解釋并立即執(zhí)行源程序的語句,它不是編出目的程序后再執(zhí)行,而是直接逐一解釋語句并得出計算結果。第25頁,共28頁，2024年2月25日，星期天4.操作系統(tǒng)

為了擺脫用戶直接使用機器并獨占機器這種情況,依靠計算機來管理自己和管理用戶,于是人們又創(chuàng)造出一類程序,叫做操作系統(tǒng)。它是隨著硬件和軟件不斷發(fā)展而逐漸形成的一套軟件系統(tǒng),用來管理計算機資源(如處理器、內存、外部設備和各種編譯、應用程序)和自動調度用戶的作業(yè)程序,而使多個用戶能有效地共用一套計算機系統(tǒng)。根據(jù)不同使用環(huán)境要求,操作系統(tǒng)目前大致分為批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)等多種。5.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)隨著計算機在信息處理、情報檢索及各種管理系統(tǒng)中應用的發(fā)展,要求大量處理某些數(shù)據(jù),建立和檢索大量的表格。這些數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來,使得處理更方便,檢索更迅速,用戶使用更方便,于是出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫。所謂數(shù)據(jù)庫就是實現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量相關數(shù)據(jù),方便多用戶訪問的計算機軟、硬件資源組成的系統(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)。第26頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1.4計算機