第1章計算機系統(tǒng)概論

1、計算機組成與系統(tǒng)結構 上海交通大學 網(wǎng)絡教育學院陳澤宇 博士 副教授網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六22009年第1學期（2009.22009.5） 對象：上海交通大學網(wǎng)絡教育學院2008秋（業(yè)余制專升本）計算機科學與技術專業(yè)（軟件、網(wǎng)絡） 總學分/總學時：4/60 時間：周四晚上18:30-21:30（2.12-5.21） 主教室：江蘇路504教室 國家精品課程網(wǎng)站：http:/ 教材：計算機組成與系統(tǒng)結構，陳澤宇主編，清華大學出版社，2009 網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六3本課程與計算機專業(yè)其他課程的關系 數(shù)學基礎課 離散數(shù)學 計算機基礎課 計算機應用基礎（國家統(tǒng)考）

2、計算機專業(yè)課 硬件、軟件、網(wǎng)絡 網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六4計算機專業(yè)課 軟件類 數(shù)據(jù)結構（學位課） 操作系統(tǒng)（學位課） 程序設計： 程序設計（C） 面向對象程序設計（Java） Windows程序設計（C#） 基于Web的程序設計 數(shù)據(jù)庫： 數(shù)據(jù)庫原理與應用 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理與維護 硬件類 計算機組成與系統(tǒng)結構 網(wǎng)絡類 計算機網(wǎng)絡 網(wǎng)絡與信息安全 其它 信息技術前沿專題講座 畢業(yè)設計網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六5第1章 計算機系統(tǒng)概論第2章 運算方法和運算器第3章 存儲系統(tǒng)第4章 指令系統(tǒng)第5章 中央處理器（CPU）第6章 總線系統(tǒng)第7章 輸入輸出（I/O）系統(tǒng)第8章

3、 并行計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六6第1章 計算機系統(tǒng)概論1.1 計算機的分類、發(fā)展與應用1.2 計算機的基本組成1.3 計算機系統(tǒng)的概念網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六71.1 計算機的分類、發(fā)展與應用1.1.1 計算機的分類1.1.2 計算機的發(fā)展概況1.1.3 計算機的應用網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六8 電子數(shù)字計算機（Electronic Digital Computer） 通常簡稱為計算機（Computer） 是按照一系列指令來對數(shù)據(jù)進行處理的機器 計算機擁有眾多的物理形態(tài) 個人計算機（Personal Computer，PC） 便攜計算機（

4、Portable Computer） 又稱膝上型計算機（Laptop Computer） 嵌入式計算機（Embedded Computer） 使用最為廣泛的計算機形態(tài)網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六9 根據(jù)ChurchTuring理論， 任何一臺具有最基本功能的計算機，原則上都能夠執(zhí)行任何其他計算機可以執(zhí)行的任務 只要不考慮時間和存儲容量，性能和復雜度均相差甚遠的各種計算機，都能夠執(zhí)行相同的運算任務網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六10美國SGI公司為NASA制造的Columbia超級計算機 GNUX（GNU+Linux）操作系統(tǒng)下運行視頻會議軟件的手表計算機網(wǎng)絡教育學院2021

5、年11月20日星期六111.1.1 計算機的分類1計算機分類2通用計算機分類網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六121計算機分類 根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應性來劃分，計算機可分為通用計算機和專用計算機兩大類 通用計算機 功能齊全，通用性強，適應面廣，可完成各種各樣的工作 但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六13 專用計算機 是專為某些特定問題而設計的功能單一的計算機，一般結構簡單 具有可靠性高、速度快、成本低的優(yōu)點，是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機 但是其適應性很差網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六142通用計算機分類 通用計算機

6、分為6類，其區(qū)別在于體積、復雜度、功耗、性能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和價格 超級計算機（Supercomputer） 大型機（Mainframe） 服務器（Server） 工作站（Workstation） 微型機（Microcomputer） 單片機（Single-Chip Computer）網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六15 超級計算機 主要用于科學計算 運算速度遠遠超過其他計算機，數(shù)據(jù)存儲容量很大，結構復雜，價格昂貴 單片機 是只用單片集成電路（Integrated Circuit，IC）做成的計算機 體積小，結構簡單，性能指標較低，價格便宜 大型機、服務器、工作站、微型

7、機 結構規(guī)模和性能指標依次遞減 隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，今天的工作站可能是明天的微型機，而今天的微型機也可能是明天的單片機網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六161.1.2 計算機的發(fā)展概況1第一臺通用電子數(shù)字計算機2數(shù)字計算機的發(fā)展史3計算機體系結構的發(fā)展過程4數(shù)字計算機的發(fā)展趨勢網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六17 “Computer”一詞 最初指的是從事數(shù)值運算的人，他們往往借助于某種機械運算裝置來完成數(shù)值運算工作 現(xiàn)在專指計算機，即電子數(shù)字計算機網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六181第一臺通用電子數(shù)字計算機 ENIAC（Electronic Numerica

8、l Integrator And Computer，電子數(shù)字積分計算機） 1946年，美國賓夕法尼亞大學 18000多個電子管 占地170平方米 總重量達30噸 耗電140千瓦 每秒能做5000次加減運算 是科學史上一次劃時代的創(chuàng)新，奠定了現(xiàn)代電子數(shù)字計算機的基礎 最初的結構設計不夠靈活，每一次重新編程都必須重新連線（Rewiring）網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六19 存儲程序體系結構（Stored-Program Architecture） 給計算機一個指令序列（即程序），計算機會存儲它們，并在未來的某個時間里，從計算機存儲器中讀出，依照程序給定的順序執(zhí)行它們 現(xiàn)代計算機區(qū)別于其

9、他機器的主要特征，就在于這種可編程能力 馮諾伊曼體系結構（von Neumann Architecture） 早在ENIAC完成之前，數(shù)學家約翰馮諾伊曼（John von Neumann）就在其論文中提出了存儲程序計算機的設計思想 因此，存儲程序體系結構又稱為馮諾伊曼體系結構 大多數(shù)當代計算機仍然采用馮諾伊曼體系結構網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六202數(shù)字計算機的發(fā)展史 從使用器件的角度來說，計算機的發(fā)展大致經(jīng)歷了5代的變化時間使用器件執(zhí)行速度（次/秒）典型應用第1代19461957電子管幾千至幾萬數(shù)據(jù)處理機第2代19581964晶體管幾萬至幾十萬工業(yè)控制機第3代19651970小規(guī)

10、模/中規(guī)模集成電路幾十萬至幾百萬小型計算機第4代19711985大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路幾百萬至幾千萬微型計算機第5代1986甚大規(guī)模集成電路幾億至上百億單片計算機網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六21第一代計算機 1946年到1957年 使用電子管（Vacuum Tube）作為電子器件 使用機器語言與符號語言編制程序 體積龐大，存儲容量小，成本很高，可靠性較低 主要用于科學計算 在此期間，形成了計算機的基本體系結構，確定了程序設計的基本方法網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六22第二代計算機 1958年到1964年 使用晶體管（Transistor）作為電子器件 開始使用計算機高級

11、語言 體積縮小，存儲容量擴大，成本降低，可靠性提高 不僅用于科學計算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務處理，并逐漸用于工業(yè)控制 “工業(yè)控制機”開始得到應用網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六23第三代計算機 1965年到1970年 使用小規(guī)模集成電路（Small-Scale Integration，SSI）與中規(guī)模集成電路（Medium-Scale Integration，MSI）作為電子器件 操作系統(tǒng)開始出現(xiàn) 計算機小型化、微型化 不僅用于科學計算，還用于文字處理、企業(yè)管理和自動控制等領域 出現(xiàn)了管理信息系統(tǒng)（Management Information System，MIS） “小型計算機”開始出

12、現(xiàn)網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六24第四代計算機 1971年到1985年 使用大規(guī)模集成電路（Large-Scale Integration，LSI）與超大規(guī)模集成電路（Very-Large-Scale Integration，VLSI）作為電子器件 計算機在辦公自動化、數(shù)據(jù)庫管理、圖像識別、語音識別和專家系統(tǒng)等眾多領域大顯身手 由幾片大規(guī)模集成電路組成的“微型計算機”開始出現(xiàn)，并進入家庭網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六25第五代計算機 1986年開始 采用甚大規(guī)模集成電路（Ultra-Large-Scale Integration，ULSI）作為電子器件 由一片甚大規(guī)模集成

13、電路實現(xiàn)的“單片計算機”開始出現(xiàn)網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六26總體而言 電子管計算機在整個20世紀50年代居于統(tǒng)治地位 20世紀60年代，晶體管計算機逐漸取而代之 20世紀70年代，集成電路技術的采用和其后微處理器的產生，導致計算機有了一次新的飛躍 20世紀80年代，計算機被個人廣泛使用，成為現(xiàn)在無處不在的個人計算機 20世紀90年代以來，幾乎所有的現(xiàn)代電子設備都會包含某種形式的計算機在內網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六273計算機體系結構的發(fā)展過程 在馮諾伊曼體系結構的基礎上，以提高速度、擴大存儲容量、降低成本、提高系統(tǒng)可靠性、方便用戶使用為目的，不斷采用新的器件、研制

14、新的軟件 主要是指令系統(tǒng)、微程序設計、流水線結構、多級存儲器體系結構、輸入/輸出體系結構、并行體系結構、分布式體系結構、多媒體體系結構、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的形成和發(fā)展網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六284數(shù)字計算機的發(fā)展趨勢1）多處理2）網(wǎng)絡化3）智能化4）微型化5）巨型化6）多媒體網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六291）多處理 多處理（Multiprocessing） 在一個或多個CPU之間劃分工作 傳統(tǒng)上用于超級計算機、大型機和服務器這類大型、強大的計算機上 超級計算機 經(jīng)常擁有幾千個CPU、定制的高速互連網(wǎng)絡和專門的計算硬件 低端市場應用 配備多處理器（Multip

15、rocessor）和多核（Multi-Core）處理器的臺式/便攜式計算機網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六302）網(wǎng)絡化 20世紀70年代， 美國國防部高級研究計劃署（ARPA）資助形成ARPANET 此后， 該網(wǎng)絡傳播開來，最終形成了互聯(lián)網(wǎng)（Internet） 20世紀90年代， 電子郵件（e-Mail）和萬維網(wǎng)（World Wide Web，WWW）等應用普及 以太網(wǎng)（Ethernet）和非對稱數(shù)字用戶線路（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）等廉價、快速聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展 計算機網(wǎng)絡變得無處不在網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六313）

16、智能化 人們將用自然語言和機器對話 計算機將從數(shù)值計算為主過渡到知識推理為主，進入知識處理階段4）微型化 微型計算機將向更加微型化、網(wǎng)絡化、高性能、多用途方向發(fā)展5）巨型化 超級計算機將向更加巨型化、超高速、并行處理、智能化方向發(fā)展網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六326）多媒體 多媒體信息 文本、圖像、圖形、聲音、視頻等 多媒體計算機 將真正改善人機界面 使計算機向著人類接受和處理信息的最自然的方式發(fā)展網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六331.1.3 計算機的應用1科學計算2自動控制3測量測試4信息處理5教育衛(wèi)生6電子電器7人工智能網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六341科

17、學計算 科學計算領域 數(shù)學、化學、原子能、天文學、地球物理學、生物學等基礎科學研究 航天飛行、飛機設計、橋梁設計、水力發(fā)電、地質找礦、天氣預報等方面的大量計算 益處 大大減輕計算工作量 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圓滿的解決網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六352自動控制 有了體積小、價廉、可靠的微型機和單片機作為工具，自動控制進入了以計算機為主要控制設備的新的發(fā)展階段網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六363測量測試 提高測量精度 提高工作效率 完成非人力所能完成的測量和測試任務 如高溫、低溫、有毒、輻射環(huán)境的測量和測試，核爆炸時的數(shù)據(jù)采集等等網(wǎng)絡教育學院

18、2021年11月20日星期六374信息處理 人本身就是一個非常高級的信息處理系統(tǒng) 一臺計算機實際上就是一臺信息處理機 可用來處理文字、表格、圖像、聲音等各類信息 信息處理的典型應用 辦公自動化、管理信息系統(tǒng)、電子銀行（e-Banking）、電子購物（e-Shopping）、網(wǎng)上訂票、虛擬圖書館、網(wǎng)絡流媒體（Streaming Media）網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六385教育衛(wèi)生 計算機輔助教學（Computer-Aided Instruction，CAI） 基于網(wǎng)絡的現(xiàn)代遠程教學（Distance Learning，或e-Learning）網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六

19、39 使用計算機的各種醫(yī)療設備 CT圖像處理設備、心腦電圖分析儀、血液分析儀 專家系統(tǒng) 中醫(yī)專家診療系統(tǒng)、各種疾病的電子診療系統(tǒng)網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六406電子電器 電子電器產品中廣泛應用了各種嵌入式計算機 微波爐、洗衣機、家用空調、DVD播放機、電子玩具、游戲機 電子電器產品網(wǎng)絡化 許多家用電器可以通過各種有線或無線的網(wǎng)絡連接（如Internet、紅外線、藍牙等），完成自身程序的自動更新、遠程控制等復雜任務網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六417人工智能 人工智能 簡而言之就是使計算機模仿人的高級思維活動 文字識別、圖形識別、景物分析、語音識別、語音合成、語言理解 機

20、器人 人工智能研究中最突出的成就網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六42 工業(yè)機器人 在生產線上完成簡單重復的工作 代替人類在高溫、有毒、輻射、深水等惡劣環(huán)境下工作 智能機器人 自己識別控制對象和工作環(huán)境 自動作出判斷和決策 直接領會人的命令和意圖 避開障礙物，適應環(huán)境變化 靈活機動地完成指定的控制任務與信息處理任務汽車生產中的工業(yè)機器人 網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六431.2 計算機的基本組成1.2.1 計算機硬件1.2.2 計算機軟件1.2.3 軟件與硬件的邏輯等價性網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六44 計算機由硬件（Hardware）和軟件（Software）兩部

21、分組成 硬件是基礎，是軟件活動的舞臺 軟件是靈魂，使硬件最大限度地發(fā)揮作用 兩者缺一不可 計算機硬件 由物理元器件構成的有形實體 主要是數(shù)字邏輯電路 計算機軟件 由計算機程序構成的無形的東西 需要存儲在有形的硬件（如主存儲器、硬盤等）中 可以實現(xiàn)更高層次的邏輯功能網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六451.2.1 計算機硬件1控制器2運算器3存儲器4輸入輸出設備5總線網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六46 計算機硬件是組成計算機的所有電子器件和機電裝置的總稱 馮諾伊曼體系結構 主要特點：使用二進制數(shù)和存儲程序 設計思想：存儲程序并按地址順序執(zhí)行 把程序及其操作數(shù)據(jù)一同存儲 哈佛體系結

22、構（Harvard Architecture） 把程序與其操作數(shù)據(jù)分開存儲 源自Harvard Mark I計算機 現(xiàn)代的馮諾伊曼計算機在設計中展示出了某些哈佛體系結構的特性，如高速緩存Cache網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六47 馮諾伊曼計算機具有5大部件 控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備（CAI演示） 這些部件用總線相互連接 中央處理器（Central Processing Unit，CPU） 控制器和運算器的合稱 早期由許多分立元件組成，現(xiàn)在通常被制作在單片集成電路上，稱為微處理器（Microprocessor） CPU和存儲器通常組裝在一個機箱內，合稱為主機 除去主

23、機以外的硬件裝置稱為外圍設備適配器存儲器控制器運算器總線CPU輸入設備輸出設備網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六48 計算機系統(tǒng)工作時， 輸入設備將程序與數(shù)據(jù)存入存儲器 控制器從存儲器中逐條取出指令，將其解釋成控制命令，去控制各部件的動作 數(shù)據(jù)在運算器中加工處理，處理后的結果通過輸出設備輸出網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六491控制器1）控制器的基本工作流程2）控制器的基本任務3）指令和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六50 控制器是計算機的管理機構和指揮中心 按照預先確定的操作步驟，協(xié)調控制計算機各部件有條不紊地自動工作 控制器工作的實質就是解釋程序 逐條讀取、分析、

24、執(zhí)行指令，控制各部件動作 高級計算機中的控制器可以改變某些指令的順序，以改善性能 程序計數(shù)器（Program Counter） 是一個特殊的寄存器 記錄著將要讀取的下一條指令在存儲器中的位置網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六511）控制器的基本工作流程 一種簡化描述從程序計數(shù)器所指示的存儲單元中，讀取下一條指令代碼把指令代碼譯碼為一系列命令或信號，發(fā)向各個不同的功能部件遞增程序計數(shù)器，以指向下一條指令根據(jù)指令需要，從存儲器（或輸入設備）讀取數(shù)據(jù)，所需數(shù)據(jù)的存儲器位置通常保存在指令代碼中把讀取的數(shù)據(jù)提供給運算器或寄存器如果指令需要由運算器（或專門硬件）來完成，則命令運算器執(zhí)行所請求的操作把

25、來自運算器的計算結果寫回到存儲器、寄存器或輸出設備轉回第步網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六522）控制器的基本任務 控制器的基本任務 按照程序所排的指令序列，從存儲器取出一條指令（簡稱取指）， 對該指令進行譯碼分析， 根據(jù)指令性質，執(zhí)行這條指令 再取指、譯碼、執(zhí)行， 網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六53 取指周期與執(zhí)行周期 把取指令的一段時間稱為取指周期 把執(zhí)行指令的一段時間稱為執(zhí)行周期 控制器反復交替地處在取指周期與執(zhí)行周期之中 指令順序存放 每取出一條指令，程序計數(shù)器就加1，為取下一條指令做好準備 正因為如此，指令在存儲器中必須順序存放網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期

26、六543）指令和數(shù)據(jù) 計算機中有兩股信息在流動 控制信息 即操作命令 發(fā)源地是控制器，分散流向各個部件 數(shù)據(jù)信息 受控制信息的控制，從一個部件流向另一個部件，邊流動邊加工處理 如何區(qū)分存放在一起的指令和數(shù)據(jù)？ 取指周期中從存儲器讀出的信息流是指令流 由存儲器流向控制器 執(zhí)行周期中從存儲器讀出的信息流是數(shù)據(jù)流 由存儲器流向運算器網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六552運算器 運算器是一個用于信息加工的部件，用于對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算 運算器通常由算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和一系列寄存器組成（CAI演示） ALU 是具體完成算術與邏輯運算的單元

27、是運算器的核心 由加法器和其他邏輯運算單元組成 寄存器 用于存放參與運算的操作數(shù) 累加器 一個特殊的寄存器 除了存放操作數(shù)之外，還用于存放中間結果和最后結果網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六56 ALU所支持的算術運算 可能僅局限于加法和減法，也可能包括乘法、除法，甚至三角函數(shù)和平方根 有些只支持整數(shù)，有些則可以使用浮點來表示有限精度的實數(shù) 任何計算機都可以通過編程來執(zhí)行任何的算術運算 簡單的計算機可以通過編程，把復雜的運算分解成它可以執(zhí)行的簡單步驟 如果ALU不能從硬件上直接支持，則可把復雜運算用軟件方式實現(xiàn)，但需要花費較多的時間網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六57 ALU所支

28、持的邏輯運算 與（AND）、或（OR）、異或（XOR）、非（NOT）等布爾運算 比較數(shù)值 新型ALU 超標量（Superscalar）計算機包含多個ALU 可以同時處理多條指令 圖形處理器和具有并行特性的計算機的ALU 可以執(zhí)行矢量和矩陣算術運算網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六583存儲器1）主存儲器2）寄存器3）閃速存儲器4）高速緩沖存儲器Cache5）輔助存儲器網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六59 存儲器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù) 程序和數(shù)據(jù)都用二進制數(shù)表示，統(tǒng)稱為信息 向存儲器存入或從存儲器取出信息，都稱為訪問存儲器 存儲器由一系列存儲單元組成 每個存儲單元的編號稱為地址

29、 要按給定的地址來尋找所選擇的存儲單元 信息單位 位（bit，簡寫成b） 數(shù)字計算機的最小信息單位 包含1位二進制信息（0或1） 字節(jié)（Byte，簡寫成B） 由8位二進制信息組成 字（Word） 計算機一次所能處理的二進制位數(shù)，至少一個字節(jié) 通常把組成一個字的二進制位數(shù)稱為字長 例如微型機的字長可以少至8位，多至32位，甚至達到64位網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六60 存儲容量 存儲器中所有存儲單元的總數(shù) 常用單位 KB（Kilobyte，千字節(jié)）、MB（Megabyte，兆字節(jié)）、GB（Gigabyte，千兆字節(jié)） 各級單位之間的關系 1KB=1024B，1MB=1024KB，1G

30、B=1024MB 存儲器分類 按照存儲器在計算機中的作用，可分為主存儲器、寄存器、閃速存儲器、高速緩沖存儲器、輔助存儲器等幾種類型 它們均可完成數(shù)據(jù)的存取工作，但性能及其在計算機中的作用差別很大網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六611）主存儲器 主存儲器（Main Memory，簡稱主存）通常采用半導體存儲器 隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM） CPU可讀寫 掉電時內容被消除 只讀存儲器（Read-Only Memory，ROM） CPU只能讀取 掉電時可保留其數(shù)據(jù) 事先加載了固化的數(shù)據(jù)和軟件（如PC機的BIOS，無盤嵌入式計算機的全部軟件） 存儲在ROM

31、中的軟件常被稱為固件（Firmware）網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六622）寄存器 寄存器（Register）是CPU內部的一組特殊存儲單元 讀寫速度比主存快得多 通常被用于使用最為頻繁的數(shù)據(jù)項，以避免多次訪問主存 減少主存訪問可大大加快計算機速度網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六633）閃速存儲器 閃速存儲器（Flash Memory，簡稱閃存） 像ROM一樣在關機時保留數(shù)據(jù) 像RAM一樣可被重寫 通常比ROM和RAM慢得多 用于非高速的應用場合網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六644）高速緩沖存儲器Cache 高速緩沖存儲器（簡稱高速緩存）Cache 比寄存器慢，但

32、比主存快 位于CPU和主存儲器之間 規(guī)模較小，但速度很快 能夠很好地解決CPU和主存之間的速度匹配問題 計算機自動把頻繁訪問數(shù)據(jù)移入Cache，無需人工干預 當需要讀寫數(shù)據(jù)時，CPU首先訪問Cache 只有當Cache中不包含所需要的數(shù)據(jù)時，CPU才去訪問主存網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六655）輔助存儲器 外存儲器（簡稱外存）或輔助存儲器（簡稱輔存） 軟盤存儲器、硬盤存儲器、光盤存儲器等 存放當前不在運行的程序和未被用到的數(shù)據(jù) 存儲容量大、成本低，可脫機保存信息 相對而言，半導體存儲器稱為內存儲器，簡稱內存網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六664輸入輸出設備 I/O設備或外圍

33、設備(Peripheral，簡稱外設)1）輸入設備2）輸出設備3）適配器網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六671）輸入設備 將人們熟悉的信息形式，變換成計算機能接受并識別的二進制信息形式 理想的輸入設備應該是“會看”和“會聽”的 鍵盤、鼠標、掃描儀等，以及用于文字識別、圖像識別、語音識別的設備網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六682）輸出設備 將計算機輸出的處理結果信息，轉換成人類或其他設備能夠接受和識別的信息形式 理想的輸出設備應該是“會寫”和“會講”的 激光打印機、繪圖儀、CRT/LCD顯示器等，以及輸出語言的設備（如語音合成產品）網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六693

34、）適配器 外圍設備通過適配器（Adapter）部件與主機相連接 作用相當于轉換器，保證外圍設備按照計算機系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息 使主機和外圍設備并行協(xié)調地工作網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六705總線 計算機系統(tǒng)通過總線（Bus）將CPU、主存儲器及I/O設備連接起來 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 按照信號類型，可將總線分為 數(shù)據(jù)總線 主要傳送數(shù)據(jù)，雙向，可輸入輸出 地址總線 傳送地址信息，單向，決定數(shù)據(jù)或命令傳送給誰 控制總線 傳送各種控制信號網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六711.2.2 計算機軟件 計算機軟件是程序的有序

35、集合，而程序則是指令的有序集合1軟件系統(tǒng)2程序設計語言3操作系統(tǒng)4數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六721軟件系統(tǒng) 一臺計算機中全部程序的集合，統(tǒng)稱為這臺計算機的軟件系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎上，為有效使用計算機而配置的 計算機軟件按其功能可分為應用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六731）應用軟件 應用軟件是為解決某種應用問題而編制的程序網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六742）系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的管理、調度、監(jiān)視和服務等功能 系統(tǒng)軟件一般包括以下6類：網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六75服務性程序 又稱為工具軟件，

36、包括診斷程序、調試程序等網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六76語言處理程序 將用匯編語言或高級語言編制的源程序，翻譯成機器可以直接識別的目的程序（機器語言程序） 不同語言的源程序，對應有不同的語言處理程序 語言處理程序有匯編程序、編譯程序、解釋程序3種網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六77操作系統(tǒng) 控制和管理計算機的各種資源 自動調度用戶作業(yè)程序 處理各種中斷 是用戶與計算機的接口網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六78數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫 是一種計算機軟、硬件資源組成的系統(tǒng) 能夠有組織、動態(tài)地存儲大量的相關數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問 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

37、統(tǒng)網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六79標準庫程序 是為方便用戶而預先按照標準格式編制好的一些常用程序段所組成的標準程序庫網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六80計算機網(wǎng)絡軟件 是為計算機網(wǎng)絡而配置的系統(tǒng)軟件，負責對網(wǎng)絡資源進行組織和管理，實現(xiàn)相互之間的通信 包括網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信處理程序 前者實現(xiàn)網(wǎng)絡資源管理 后者實現(xiàn)網(wǎng)絡操作網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六812程序設計語言1）機器語言2）匯編語言3）算法語言網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六821）機器語言 早期人們直接用機器語言（即機器指令代碼）編寫程序，計算機完全可以“識別”并執(zhí)行，所以又叫做目的程序 但是

38、用機器語言編寫程序需要耗費大量的人力和時間，且容易出錯網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六832）匯編語言 指令助記符 為了編寫程序方便、提高機器使用效率，人們用約定的文字、符號和數(shù)字按規(guī)定格式來表示各種不同的指令，每條基本指令都被指定了一個表示其功能又便于記憶的短的名字，稱為指令助記符（如ADD、SUB、MULT、JUMP等） 匯編語言（Assembly Language） 用指令助記符表示的指令來編寫程序 匯編程序（Assembler） 用來把匯編語言程序轉換為計算機可以理解的、用機器語言表示的目的程序 機器語言及匯編語言，對于特定類型的計算機而言是唯一的 一臺ARM體系結構的計算機無

39、法理解一臺Intel Pentium計算機的機器語言網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六843）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 有影響的算法語言包括BASIC、FORTRAN、C、C+、JAVA等 復雜程序采用算法語言編寫，能夠更便利地表達程序員的設計思想，幫助減少程序錯誤 源程序（Source） 是指用算法語言編寫的程序 不能由機器直接識別和執(zhí)行 必須“翻譯”為機器語言后才能由機器識別和執(zhí)行網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六85 源程序“翻譯”方法編譯程序（Compiler） 把用

40、算法語言編寫的源程序翻譯成目的程序，然后在運行系統(tǒng)中執(zhí)行目的程序，得出計算結果 編譯程序和運行系統(tǒng)合稱為編譯系統(tǒng)解釋程序（Interpreter） 進行解釋執(zhí)行，即逐個解釋并立即執(zhí)行源程序的語句 不是編譯出目的程序后再執(zhí)行，而是逐一解釋語句并立即得出計算結果網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六863操作系統(tǒng) 管理計算機資源（如處理器、存儲器、外圍設備和各種編譯、應用程序） 自動調度用戶的作業(yè)程序 使多個用戶能有效地共用一套計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六874數(shù)據(jù)庫 大量數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來，形成數(shù)據(jù)庫（Database，DB） 數(shù)據(jù)庫就是實現(xiàn)有組織、動態(tài)地存儲

41、大量相關數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計算機軟、硬件資源所組成的系統(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)（Database Management System，DBMS）網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六881.2.3 軟件與硬件的邏輯等價性 隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展和軟件硬化的趨勢 任何操作既可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn) 任何指令的執(zhí)行都可以由硬件完成，也可以由軟件來完成 計算機系統(tǒng)的軟件與硬件可以互相轉化，互為補充 軟件固化 把復雜的、常用的程序用只讀存儲器制作成固件(Firmware) 就其功能而言是軟件，但從形態(tài)來說又是硬件 本來通過軟件手段實現(xiàn)的某些功能，現(xiàn)在

42、可以通過硬件直接解釋執(zhí)行 一些當代計算機的特點，就是把原來通過編制程序實現(xiàn)的操作，改為直接由硬件完成，如整數(shù)乘除法指令、浮點運算指令、處理字符串指令等等網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六891.3 計算機系統(tǒng)的概念1.3.1 計算機系統(tǒng)的層次結構1.3.2 計算機系統(tǒng)的3個術語1.3.3 計算機體系結構的分類網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六901.3.1 計算機系統(tǒng)的層次結構現(xiàn)代計算機系統(tǒng)是硬件、固件和軟件組成的一個十分復雜的整體為了對計算機系統(tǒng)進行描述、分析、設計和使用，人們從語言的角度出發(fā)，把計算機系統(tǒng)按功能劃分成5個層次級別 每一級以一種不同的語言為特征 每一級都能進行程序

43、設計網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六91第1級是微程序設計級，屬于硬件級，由機器硬件直接執(zhí)行微指令，也可直接用組合邏輯和時序邏輯電路實現(xiàn)第2級是機器語言級，也屬于硬件級，由微程序解釋機器指令系統(tǒng)第3級是操作系統(tǒng)級，屬于（軟硬件）混合級，由操作系統(tǒng)程序實現(xiàn)第4級是匯編語言級，屬于軟件級，由匯編程序支持和執(zhí)行第5級是高級語言級，也屬于軟件級，由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六92第1級微程序設計級由機器硬件直接執(zhí)行微指令硬件級二進制語言第2級機器語言級由微程序解釋機器指令系統(tǒng)第3級操作系統(tǒng)級由操作系統(tǒng)程序實現(xiàn)混合級第4級匯編語言級由匯編程序支持和執(zhí)行軟件級符號語言第5級高級語言級由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行 各層次之間關系緊密，上層是下層功能的擴展，下層是上層的基礎網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六931.3.2 計算機系統(tǒng)的3個術語1計算機體系結構2計算機組成3計算機實現(xiàn)網(wǎng)絡教育學院2021年11月20日星期六941計算機體系結構 計算機體系結構（Computer Architecture）定義為機器語言程序員所看到的計算機系統(tǒng)的屬性 這些屬性是計算機系統(tǒng)中由硬件或固件完成的功能 對通用寄存器型機器來說，這些屬性主要包括：數(shù)據(jù)表示