計(jì)算機(jī)組成原理(緒論、第一章-new)

1、主講人：宋宜斌主講人：宋宜斌計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理前前 言言“計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。件工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。從課程地位來說，它在先導(dǎo)課和后續(xù)課之間起著承上從課程地位來說，它在先導(dǎo)課和后續(xù)課之間起著承上啟下的作用。啟下的作用。本課程以單處理機(jī)作為主要對象，研究和學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)本課程以單處理機(jī)作為主要對象，研究和學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成與體系結(jié)構(gòu)原理。課程內(nèi)容具有知識面廣、系統(tǒng)的組成與體系結(jié)構(gòu)原理。課程內(nèi)容具有知識面廣、內(nèi)容多、概念強(qiáng)、更新快等特點(diǎn)。內(nèi)容多、概念強(qiáng)、更

2、新快等特點(diǎn)。 本課程選用白中英教授主編的本課程選用白中英教授主編的計(jì)算機(jī)組成原計(jì)算機(jī)組成原理理（第四版）作為主授教材。（第四版）作為主授教材。參考書：參考書：1、計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理，唐朔飛主編，高教出版，唐朔飛主編，高教出版社，社，2000年年12月月2、Computer Organization and Architecture William Stallings主編，高教出版社，主編，高教出版社，2001年年8月月3、計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)，王誠主編，清華，王誠主編，清華大學(xué)出版社，大學(xué)出版社，2004年年1月月課程教學(xué)要求本課程教學(xué)要求本課程教學(xué)要求：（1 1

3、）掌握基本概念、學(xué)會分析方法掌握基本概念、學(xué)會分析方法 ；（2 2）注重系統(tǒng)性學(xué)習(xí)特點(diǎn)，建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念；）注重系統(tǒng)性學(xué)習(xí)特點(diǎn)，建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念；（3 3）掌握合理的知識結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)本專業(yè)）掌握合理的知識結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)本專業(yè)的后續(xù)課程打下良好的基礎(chǔ)；的后續(xù)課程打下良好的基礎(chǔ)；（4 4）理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合，注重能力的培養(yǎng)和對）理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合，注重能力的培養(yǎng)和對計(jì)算機(jī)總體結(jié)構(gòu)知識的把握；計(jì)算機(jī)總體結(jié)構(gòu)知識的把握；（5 5）盡可能地反映新技術(shù)、新動向，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)技）盡可能地反映新技術(shù)、新動向，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和變化快的需要。術(shù)發(fā)展和變化快的需要。課程教學(xué)方法本

4、課程教學(xué)方法本課程教學(xué)方法： 多媒體多媒體+CAI +CAI 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺 “ “實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)+ +課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”相結(jié)合的實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合的實(shí)踐環(huán)節(jié) 力求形成力求形成“理論、抽象、實(shí)現(xiàn)理論、抽象、實(shí)現(xiàn)”三個過程三個過程相統(tǒng)一的教學(xué)體系。相統(tǒng)一的教學(xué)體系。（歡迎同學(xué)訪問校園網(wǎng)上本課程的歡迎同學(xué)訪問校園網(wǎng)上本課程的網(wǎng)上教學(xué)網(wǎng)上教學(xué)內(nèi)容內(nèi)容）課程內(nèi)容簡介課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容： （1 1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 （2 2）運(yùn)算方法與運(yùn)算器）運(yùn)算方法與運(yùn)算器 （3 3）內(nèi)部存儲器）內(nèi)部存儲器 （4 4）指令系統(tǒng)）指令系統(tǒng) （5 5）中央處理器）中央處理器 （6 6）總線系統(tǒng)）總線系

5、統(tǒng) （7 7）外圍設(shè)備）外圍設(shè)備 （8 8）輸入）輸入/ /輸出（輸出（I/OI/O）系統(tǒng)）系統(tǒng) （9 9）操作系統(tǒng)支持）操作系統(tǒng)支持課程課程重點(diǎn)章節(jié)重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容內(nèi)容： （1 1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 （2 2）運(yùn)算方法與運(yùn)算器）運(yùn)算方法與運(yùn)算器 （3 3）存儲系統(tǒng)）存儲系統(tǒng) （4 4）指令系統(tǒng)）指令系統(tǒng) （5 5）中央處理器）中央處理器 （6 6）總線系統(tǒng)）總線系統(tǒng) （7 7）外圍設(shè)備）外圍設(shè)備 （8 8）輸入）輸入/ /輸出（輸出（I/OI/O）系統(tǒng)）系統(tǒng) （9 9）操作系統(tǒng)支持操作系統(tǒng)支持課程課程重點(diǎn)章節(jié)重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容內(nèi)容： （1 1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述（2 2）運(yùn)算

6、方法與運(yùn)算器運(yùn)算方法與運(yùn)算器 （3 3）存儲系統(tǒng)）存儲系統(tǒng) （4 4）指令系統(tǒng)）指令系統(tǒng) （5 5）中央處理器）中央處理器 （6 6）總線系統(tǒng)）總線系統(tǒng) （7 7）外圍設(shè)備）外圍設(shè)備 （8 8）輸入）輸入/ /輸出（輸出（I/OI/O）系統(tǒng)）系統(tǒng) （9 9）操作系統(tǒng)支持操作系統(tǒng)支持課程課程重點(diǎn)章節(jié)重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容內(nèi)容： （1 1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述（2 2）運(yùn)算方法與運(yùn)算器運(yùn)算方法與運(yùn)算器（3 3）存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng) （4 4）指令系統(tǒng)）指令系統(tǒng) （5 5）中央處理器）中央處理器 （6 6）總線系統(tǒng)）總線系統(tǒng) （7 7）外圍設(shè)備）外圍設(shè)備 （8 8）輸入）輸入/ /輸出（輸出（I/OI/

7、O）系統(tǒng)）系統(tǒng) （9 9）操作系統(tǒng)支持操作系統(tǒng)支持課程課程重點(diǎn)章節(jié)重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容內(nèi)容： （1 1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述（2 2）運(yùn)算方法與運(yùn)算器運(yùn)算方法與運(yùn)算器（3 3）存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)（4 4）指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) （5 5）中央處理器）中央處理器 （6 6）總線系統(tǒng)）總線系統(tǒng) （7 7）外圍設(shè)備）外圍設(shè)備 （8 8）輸入）輸入/ /輸出（輸出（I/OI/O）系統(tǒng)）系統(tǒng) （9 9）操作系統(tǒng)支持操作系統(tǒng)支持課程課程重點(diǎn)章節(jié)重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容內(nèi)容： （1 1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述（2 2）運(yùn)算方法與運(yùn)算器運(yùn)算方法與運(yùn)算器（3 3）存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)（4 4）指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)（5 5）中央處

8、理器中央處理器 （6 6）總線系統(tǒng)）總線系統(tǒng) （7 7）外圍設(shè)備）外圍設(shè)備 （8 8）輸入）輸入/ /輸出（輸出（I/OI/O）系統(tǒng)）系統(tǒng) （9 9）操作系統(tǒng)支持操作系統(tǒng)支持課程課程重點(diǎn)章節(jié)重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容內(nèi)容： （1 1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述（2 2）運(yùn)算方法與運(yùn)算器運(yùn)算方法與運(yùn)算器（3 3）存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)（4 4）指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)（5 5）中央處理器中央處理器 （6 6）總線系統(tǒng)）總線系統(tǒng) （7 7）外圍設(shè)備）外圍設(shè)備（8 8）輸入輸入/ /輸出（輸出（I/OI/O）系統(tǒng)）系統(tǒng) （9 9）操作系統(tǒng)支持操作系統(tǒng)支持課程課程重點(diǎn)章節(jié)重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容內(nèi)容： （1 1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述）計(jì)算機(jī)系

9、統(tǒng)概述（2 2）運(yùn)算方法與運(yùn)算器運(yùn)算方法與運(yùn)算器（3 3）存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)（4 4）指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)（5 5）中央處理器中央處理器 （6 6）總線系統(tǒng)）總線系統(tǒng) （7 7）外圍設(shè)備）外圍設(shè)備（8 8）輸入輸入/ /輸出（輸出（I/OI/O）系統(tǒng)）系統(tǒng)（9 9）操作系統(tǒng)支持操作系統(tǒng)支持（部分概念部分概念）學(xué)時安排課程學(xué)時安排課程學(xué)時安排： 本課程學(xué)時安排：本課程學(xué)時安排： 堂內(nèi)授課學(xué)時：堂內(nèi)授課學(xué)時：64學(xué)時學(xué)時 實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)： 8學(xué)時（計(jì)劃進(jìn)行學(xué)時（計(jì)劃進(jìn)行4個實(shí)驗(yàn)）個實(shí)驗(yàn)）另外：另外： 本學(xué)期末進(jìn)行本學(xué)期末進(jìn)行課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)。課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境(電工電子中心四樓電工電子中心四樓)（計(jì)算

10、機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)室）（計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)室）（計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)）（計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)）（計(jì)算機(jī)組成原理仿真實(shí)驗(yàn)裝置）（計(jì)算機(jī)組成原理仿真實(shí)驗(yàn)裝置）第一章第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 概述計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)概述計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)硬件的基本組成計(jì)算機(jī)硬件的基本組成(五大部件五大部件) 計(jì)算機(jī)軟件的分類計(jì)算機(jī)軟件的分類 計(jì)算機(jī)的基本工作過程計(jì)算機(jī)的基本工作過程簡介計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程簡介計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程了解計(jì)算機(jī)性能評價指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)了解計(jì)算機(jī)性能評價指標(biāo)和相關(guān)參數(shù) 吞吐量、響應(yīng)時間吞吐量、響應(yīng)時間; CPU時鐘周期、主頻、時鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時間執(zhí)行時間; M

11、IPS、MFLOPS等。等。 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容：1.1 計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用1 1 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類2 2 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用1 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類 計(jì)算機(jī)從總體上來說分為兩大類計(jì)算機(jī)從總體上來說分為兩大類: 模擬計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)和和數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)。主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)：模擬計(jì)算機(jī)：模擬計(jì)算機(jī)： 模擬運(yùn)算器件、連續(xù)變量（如：電壓、電流等）、模擬運(yùn)算器件、連續(xù)變量（如：電壓、電流等）、運(yùn)算過程連續(xù)。運(yùn)算過程連續(xù)。 數(shù)字計(jì)算機(jī)：數(shù)字計(jì)算機(jī)： 邏輯電子器件、開關(guān)變量（離散的數(shù)字量）、數(shù)邏輯電子器件、開關(guān)變量（離散的數(shù)字

12、量）、數(shù)字式按位運(yùn)算（離散式運(yùn)算）。字式按位運(yùn)算（離散式運(yùn)算）。 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)分類表表1.1 數(shù)字計(jì)算機(jī)與模擬計(jì)算計(jì)的主要區(qū)別數(shù)字計(jì)算機(jī)與模擬計(jì)算計(jì)的主要區(qū)別 （P1）比較內(nèi)容比較內(nèi)容數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示方式數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字?jǐn)?shù)字0和和1電壓、電流等電壓、電流等計(jì)算方式計(jì)算方式數(shù)字量計(jì)算數(shù)字量計(jì)算模擬量的組合計(jì)算模擬量的組合計(jì)算控制方式控制方式程序控制程序控制模擬信號組合控制模擬信號組合控制精度、抗干擾性精度、抗干擾性高、好高、好低、差低、差數(shù)據(jù)存儲量數(shù)據(jù)存儲量大大小、幾乎無小、幾乎無邏輯判斷能力邏輯判斷能力強(qiáng)強(qiáng)無無（本課程將以（本課程將以數(shù)字計(jì)算機(jī)

13、數(shù)字計(jì)算機(jī)為主要對象，討論計(jì)算機(jī)為主要對象，討論計(jì)算機(jī)的組成原理與體系結(jié)構(gòu)）的組成原理與體系結(jié)構(gòu)）計(jì)算機(jī)分類 數(shù)字計(jì)算機(jī)根據(jù)規(guī)模、速度、價格及性能等指標(biāo)，數(shù)字計(jì)算機(jī)根據(jù)規(guī)模、速度、價格及性能等指標(biāo)，又可分為又可分為專用計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)和和通用計(jì)算機(jī)通用計(jì)算機(jī)。 專用機(jī)專用機(jī)：以快速、經(jīng)濟(jì)和高集成度為主要指標(biāo)的特殊計(jì)算以快速、經(jīng)濟(jì)和高集成度為主要指標(biāo)的特殊計(jì)算機(jī)，它是針對某一任務(wù)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，但是它的適應(yīng)性較差。機(jī)，它是針對某一任務(wù)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，但是它的適應(yīng)性較差。通用機(jī)通用機(jī)：適應(yīng)性較高，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。適應(yīng)性較高，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。 通用計(jì)算機(jī)根據(jù)性能、價格、體積等

14、又分六類，見圖所示（書通用計(jì)算機(jī)根據(jù)性能、價格、體積等又分六類，見圖所示（書P1 圖圖1.1）。）。 計(jì)算機(jī)分類 計(jì)算機(jī)發(fā)展突飛猛進(jìn)，隨著超大規(guī)模集成電計(jì)算機(jī)發(fā)展突飛猛進(jìn)，隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展路的迅速發(fā)展, ,今天的小型機(jī)可能是明天的微型機(jī)今天的小型機(jī)可能是明天的微型機(jī), ,而今天的微型機(jī)可能是明天的單片機(jī)。而今天的微型機(jī)可能是明天的單片機(jī)。 2 2 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)之所以迅速發(fā)展計(jì)算機(jī)之所以迅速發(fā)展, ,其生命力在于它的廣泛其生命力在于它的廣泛應(yīng)用并協(xié)助人類取得了輝煌的成就。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用應(yīng)用并協(xié)助人類取得了輝煌的成就。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍幾乎涉及人類社會的所有領(lǐng)域。主要應(yīng)

15、用領(lǐng)域范圍幾乎涉及人類社會的所有領(lǐng)域。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：包括： 科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算 自動控制和測量自動控制和測量 信息處理信息處理 教育和衛(wèi)生教育和衛(wèi)生 家用電器家用電器 人工智能人工智能 （具體內(nèi)容請自閱書（具體內(nèi)容請自閱書P26） 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用重要的是重要的是： 計(jì)算機(jī)深刻地影響了人類社會的發(fā)展，促進(jìn)計(jì)算機(jī)深刻地影響了人類社會的發(fā)展，促進(jìn)了人類社會的進(jìn)步。從這個意義上來說，計(jì)算機(jī)了人類社會的進(jìn)步。從這個意義上來說，計(jì)算機(jī)是是2020世紀(jì)人類最杰出的科技成就之一。世紀(jì)人類最杰出的科技成就之一。 （那么，計(jì)算機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)如何呢？）（那么，計(jì)算機(jī)的基本組成結(jié)

16、構(gòu)如何呢？）馮馮. .諾依曼思想諾依曼思想: (: (當(dāng)前計(jì)算機(jī)的主流體系結(jié)構(gòu)當(dāng)前計(jì)算機(jī)的主流體系結(jié)構(gòu)）“計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)”應(yīng)當(dāng)具有如下基本功能應(yīng)當(dāng)具有如下基本功能: 計(jì)算功能、存儲記憶功能、輸入輸出功能、判計(jì)算功能、存儲記憶功能、輸入輸出功能、判斷功能、自我控制與協(xié)調(diào)功能。斷功能、自我控制與協(xié)調(diào)功能。一般包括兩個層面：一般包括兩個層面：硬件硬件+ +軟件軟件經(jīng)典計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)經(jīng)典計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu) 1.2 計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)以以馮馮.諾依曼型計(jì)算機(jī)諾依曼型計(jì)算機(jī)為分析對象：為分析對象：計(jì)算機(jī)的硬件計(jì)算機(jī)的硬件1 計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)基本組成計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)基本組成運(yùn)運(yùn) 算算 器器控控 制制 器器主

17、存儲器主存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備總線總線 和和 輸入輸出接口輸入輸出接口高速緩存高速緩存虛擬存儲器虛擬存儲器(磁盤設(shè)備磁盤設(shè)備)（第二章第二章）（第五章第五章）（第三章第三章）（第六章第六章）（ 第七、八章第七、八章）CPU計(jì)算機(jī)的硬件計(jì)算機(jī)的硬件第四章：指令系統(tǒng)第四章：指令系統(tǒng)存儲器存儲器（第九章第九章） 教材（書教材（書P6-9）以算盤計(jì)算為例，引出）以算盤計(jì)算為例，引出馮馮. .諾諾依依曼式曼式計(jì)算機(jī)的一般組成結(jié)構(gòu)為：計(jì)算機(jī)的一般組成結(jié)構(gòu)為： 運(yùn)算器運(yùn)算器+ +存儲器存儲器+ +控制器控制器+ +輸入輸入/ /輸出設(shè)備輸出設(shè)備。（CAI演示演示）計(jì)算機(jī)的硬件計(jì)算機(jī)的硬件可見

18、可見: 當(dāng)前計(jì)算機(jī)的主流體系結(jié)構(gòu)是以當(dāng)前計(jì)算機(jī)的主流體系結(jié)構(gòu)是以馮馮.諾依曼思諾依曼思想想為架構(gòu)核心，這也是本課程學(xué)習(xí)與討論的路徑。為架構(gòu)核心，這也是本課程學(xué)習(xí)與討論的路徑。各硬件部分的主要功能與特點(diǎn)各硬件部分的主要功能與特點(diǎn)： 1. 1. 運(yùn)算器運(yùn)算器運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯運(yùn)算單元運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU），能進(jìn)行算，能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算術(shù)運(yùn)算, ,還可進(jìn)行邏輯運(yùn)算。還可進(jìn)行邏輯運(yùn)算。 ( (運(yùn)算器基本結(jié)構(gòu)見運(yùn)算器基本結(jié)構(gòu)見CAI演演示）示） 采用二進(jìn)制模式采用二進(jìn)制模式： 二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)律非常簡單二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)律非常簡單, ,在在電子線路中比較容易實(shí)現(xiàn)（如：雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）。電子線路中比

19、較容易實(shí)現(xiàn)（如：雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）。 二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)越多二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)越多, ,計(jì)算的精度就越高。當(dāng)然計(jì)算的精度就越高。當(dāng)然, ,所所需的電子器件也越多。需的電子器件也越多。 目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器長度一般是目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器長度一般是8 8位、位、1616位、位、3232位位或或6464位。位。（具體內(nèi)容將在第二章中詳細(xì)討論。具體內(nèi)容將在第二章中詳細(xì)討論。）2. 2. 存儲器存儲器存儲器的功能存儲器的功能: 存儲存儲數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)和數(shù)碼化后數(shù)碼化后的程序的程序。存儲器包括如下存儲器包括如下名詞概念名詞概念：存儲單元存儲單元: : 在存儲器中，保存一個在存儲器中，保存一個n位二進(jìn)制數(shù)的位二進(jìn)制數(shù)的n個觸發(fā)

20、器個觸發(fā)器, ,組成一個存儲單元。組成一個存儲單元。存儲容量存儲容量: : 存儲器所有存儲單元的總數(shù)。通常用單位存儲器所有存儲單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB、GB”等表示等表示, ,如：如：128KB、64MB、20GB等。存儲容量越大等。存儲容量越大, ,表示計(jì)算機(jī)記憶儲存的信息表示計(jì)算機(jī)記憶儲存的信息的能力就越大。的能力就越大。地址地址: 存儲器中各個存儲單元的編號存儲器中各個存儲單元的編號, ,稱為地址稱為地址。 （CAI演示演示）計(jì)算機(jī)的硬件計(jì)算機(jī)的硬件二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器（主存）：（主存）：存放直接為存放直接為CPU提供數(shù)據(jù)與提供數(shù)據(jù)與程序服務(wù)的存儲器。目前主要采用半

21、導(dǎo)體型存儲芯程序服務(wù)的存儲器。目前主要采用半導(dǎo)體型存儲芯片。其特點(diǎn)為：工作速度較快，但是其存儲容量比片。其特點(diǎn)為：工作速度較快，但是其存儲容量比外存小。外存小。外存儲器外存儲器( (輔存）輔存）: : 存儲容量很大的輔助存儲器，存儲容量很大的輔助存儲器，如：磁盤存儲器、光盤存儲器等，其主要特點(diǎn)是存如：磁盤存儲器、光盤存儲器等，其主要特點(diǎn)是存儲容量大，價格便宜，但是工作速度較慢。儲容量大，價格便宜，但是工作速度較慢。 （內(nèi)內(nèi)存儲器的具體內(nèi)容將在第三章中詳細(xì)討論存儲器的具體內(nèi)容將在第三章中詳細(xì)討論）3. 3. 控制器控制器基本任務(wù)基本任務(wù)： 按照計(jì)算程序所排的指令序列按照計(jì)算程序所排的指令序列,

22、,依次從存儲器取依次從存儲器取出指令，送到控制器中；再對指令譯碼產(chǎn)生命令出指令，送到控制器中；再對指令譯碼產(chǎn)生命令, ,控控制執(zhí)行指令的任務(wù)，制執(zhí)行指令的任務(wù)，依次周而復(fù)始。，依次周而復(fù)始。 計(jì)算機(jī)的硬件計(jì)算機(jī)的硬件控制器是計(jì)算機(jī)中控制各部件有條不紊地進(jìn)行工控制器是計(jì)算機(jī)中控制各部件有條不紊地進(jìn)行工作的器件。其任務(wù)是對從內(nèi)存中逐條取出的指令加以作的器件。其任務(wù)是對從內(nèi)存中逐條取出的指令加以分析，然后依次向有關(guān)部件發(fā)出相關(guān)操作命令，以實(shí)分析，然后依次向有關(guān)部件發(fā)出相關(guān)操作命令，以實(shí)現(xiàn)各指令的功能?，F(xiàn)各指令的功能。 名詞與基本概念 若干名詞與基本概念若干名詞與基本概念 （1 1） 計(jì)算程序計(jì)算程序

23、計(jì)算機(jī)求解任何問題，都是化成一步一步簡單的計(jì)算機(jī)求解任何問題，都是化成一步一步簡單的加、減、乘、除等算術(shù)或邏輯基本操作來做。每一加、減、乘、除等算術(shù)或邏輯基本操作來做。每一步基本操作就用一條步基本操作就用一條指令指令來控制實(shí)現(xiàn)。而解算某一來控制實(shí)現(xiàn)。而解算某一問題的一串指令序列問題的一串指令序列, ,叫做該問題的叫做該問題的計(jì)算程序計(jì)算程序, ,簡稱簡稱為為程序程序。 見書見書P8-9給出的一個簡單運(yùn)算程序例子給出的一個簡單運(yùn)算程序例子: : cbxay（2 2） 指令的形式指令的形式 每條指令必須明確告訴控制器每條指令必須明確告訴控制器, ,從何處取出操作從何處取出操作數(shù)數(shù), ,并進(jìn)行何種操

24、作；操作結(jié)果送到何處；等等。并進(jìn)行何種操作；操作結(jié)果送到何處；等等。指令基本格式指令基本格式： 操作碼操作碼地址碼地址碼。操作碼功能操作碼功能： 表示指令所要進(jìn)行的操作，如加、減、表示指令所要進(jìn)行的操作，如加、減、乘、除、移位、取數(shù)、存數(shù)、乘、除、移位、取數(shù)、存數(shù)、等等等等; 地址碼功能地址碼功能： 表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)應(yīng)從哪個單元取表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)應(yīng)從哪個單元取,運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個單元，運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個單元，等等。等等。 注意到注意到：存儲器中保存的數(shù)據(jù)或指令（程序），都是：存儲器中保存的數(shù)據(jù)或指令（程序），都是二進(jìn)制形式的數(shù)碼。二進(jìn)制形式的數(shù)碼。（CAI演示演示）名詞與基本概念（3）

25、馮馮. .諾伊曼型計(jì)算機(jī)諾伊曼型計(jì)算機(jī)的工作特征的工作特征 馮馮. .諾伊曼諾伊曼型計(jì)算機(jī)型計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)總是根據(jù)事先編制好：計(jì)算機(jī)總是根據(jù)事先編制好并放在存儲器中的計(jì)算程序（即：并放在存儲器中的計(jì)算程序（即：存儲程序存儲程序），依次），依次執(zhí)行該程序指令，進(jìn)而完成所對應(yīng)的任務(wù)。執(zhí)行該程序指令，進(jìn)而完成所對應(yīng)的任務(wù)。 所以說：所以說：“存儲程序控制存儲程序控制”-馮馮. .諾伊曼型計(jì)算機(jī)諾伊曼型計(jì)算機(jī)的的主要特點(diǎn)。主要特點(diǎn)。(4) (4) 指令字和數(shù)據(jù)字指令字和數(shù)據(jù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算機(jī)中的“字字”：指一串由：指一串由0和和1（二進(jìn)制）數(shù)字（二進(jìn)制）數(shù)字組成的代碼組成的代碼,一位一位(bit)代碼

26、是數(shù)字計(jì)算機(jī)的最小信息單代碼是數(shù)字計(jì)算機(jī)的最小信息單位。位。 通常，通常，CPU向存儲器送入或從存儲器取出信息時，向存儲器送入或從存儲器取出信息時，用字節(jié)用字節(jié) (B)或字或字 (W)等基本信息單位來計(jì)算。等基本信息單位來計(jì)算。 字節(jié)字節(jié)：一個一個“字節(jié)字節(jié)”由由8位二進(jìn)制代碼組成位二進(jìn)制代碼組成 字長字長：一個一個“字字”一般由一個或多個字節(jié)組成。通一般由一個或多個字節(jié)組成。通常常把組成一個字的二進(jìn)制位數(shù)叫做把組成一個字的二進(jìn)制位數(shù)叫做字長字長。計(jì)算機(jī)字既可以代表指令計(jì)算機(jī)字既可以代表指令, ,也可以代表數(shù)據(jù)。也可以代表數(shù)據(jù)。 代表數(shù)據(jù)的稱為代表數(shù)據(jù)的稱為數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)據(jù)字；表示指令的稱為；表示指

27、令的稱為指令字指令字。 名詞與基本概念 問題問題 ： 所有所有指令指令和和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)都是二進(jìn)制數(shù)碼形式放在內(nèi)存中。都是二進(jìn)制數(shù)碼形式放在內(nèi)存中。那么，計(jì)算機(jī)如何來加以區(qū)分呢？那么，計(jì)算機(jī)如何來加以區(qū)分呢？ 計(jì)算機(jī)對指令和數(shù)據(jù)的區(qū)分計(jì)算機(jī)對指令和數(shù)據(jù)的區(qū)分 ： 一般來講：一般來講： 1 1、時間上時間上：在：在取指周期取指周期中，中，CPU從內(nèi)存讀出的信息從內(nèi)存讀出的信息一定是一定是指令指令；而；而執(zhí)行周期執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出或?qū)懭氲男畔⒅袕膬?nèi)存讀出或?qū)懭氲男畔⒁欢ㄊ且欢ㄊ菙?shù)據(jù)數(shù)據(jù)。 2 2、空間上空間上：指令指令一定流向控制器；而一定流向控制器；而數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)則是在內(nèi)則是在內(nèi)存（或寄存器）與運(yùn)算器之

28、間流動。存（或寄存器）與運(yùn)算器之間流動。 指令周期分為：取指周期指令周期分為：取指周期+執(zhí)行周期執(zhí)行周期11. 馮諾依曼計(jì)算機(jī)中指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制形式存馮諾依曼計(jì)算機(jī)中指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制形式存放在存儲器中，放在存儲器中，CPU區(qū)分它們的依據(jù)是區(qū)分它們的依據(jù)是_ A. 指令操作碼的譯碼結(jié)果指令操作碼的譯碼結(jié)果 B. 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 C. 指令周期的不同階段指令周期的不同階段 D. 指令和數(shù)據(jù)所在的存儲單元指令和數(shù)據(jù)所在的存儲單元例例: 2009年考研題年考研題:答案：答案：C 考點(diǎn)：馮諾依曼思想的基本概念考點(diǎn)：馮諾依曼思想的基本概念 指令流與數(shù)據(jù)流指令流與數(shù)據(jù)流 ：

29、 當(dāng)一個取指周期內(nèi)同時取出多條指令時，即內(nèi)當(dāng)一個取指周期內(nèi)同時取出多條指令時，即內(nèi)存向控制器送出存向控制器送出“指令流指令流”； 當(dāng)在一個執(zhí)行周期內(nèi)同時處理多個數(shù)據(jù)時，則當(dāng)在一個執(zhí)行周期內(nèi)同時處理多個數(shù)據(jù)時，則形成所謂的形成所謂的“數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流”。 這種概念常出現(xiàn)在流水線結(jié)構(gòu)或分布式處理計(jì)這種概念常出現(xiàn)在流水線結(jié)構(gòu)或分布式處理計(jì)算機(jī)的分析與討論中。算機(jī)的分析與討論中。適配器與輸入設(shè)備4. 4. 輸入輸出（輸入輸出（I/OI/O）設(shè)備與適配器）設(shè)備與適配器輸入設(shè)備輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種形式的信息變換：把人們所熟悉的某種形式的信息變換為機(jī)器所能接收和識別的二進(jìn)制信息形式。為機(jī)器所能接收和識別

30、的二進(jìn)制信息形式。 輸出設(shè)備輸出設(shè)備：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其它：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其它機(jī)器所能接收和識別的信息形式。機(jī)器所能接收和識別的信息形式。 I/O 設(shè)備設(shè)備：通常又統(tǒng)稱為通常又統(tǒng)稱為外圍設(shè)備外圍設(shè)備。 由于種類繁多且速度各異，因而，由于種類繁多且速度各異，因而，I/O設(shè)備一般設(shè)備一般不能直接地同高速工作的主機(jī)相連接，而需要通過不能直接地同高速工作的主機(jī)相連接，而需要通過適配器適配器（接口）（接口）部件與主機(jī)相連接。部件與主機(jī)相連接。 總線的概念總線的概念： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還必須有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還必須有總線總線。系統(tǒng)總線構(gòu)成。系統(tǒng)總線構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信息鏈接，是多個系統(tǒng)部件

31、之間進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信息鏈接，是多個系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送行數(shù)據(jù)傳送的的公共通路公共通路。 借助于系統(tǒng)總線借助于系統(tǒng)總線, ,計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間可以實(shí)現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的傳送操作?？梢詫?shí)現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的傳送操作。 1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程 現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)模型是現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)模型是1932年由英國的數(shù)學(xué)家年由英國的數(shù)學(xué)家圖靈圖靈（Turing)提提出來的。圖靈提出的是一個數(shù)學(xué)模型，它具有如圖所示的結(jié)構(gòu)：出來的。圖靈提出的是一個數(shù)學(xué)模型，它具有如圖所示的結(jié)構(gòu)：0 01010202030304040505060607070808090

32、90第一季度第一季度 第二季度第二季度 第三季度第三季度 第四季度第四季度東部東部西部西部北部北部確定型圖靈機(jī)確定型圖靈機(jī) (1932) （有窮狀態(tài)集）（有窮狀態(tài)集）（有窮符號集）（有窮符號集）轉(zhuǎn)移函數(shù)轉(zhuǎn)移函數(shù)F：F： Q，PQ，P 0，1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展:1946年年 美國美國 ENIAC十進(jìn)制運(yùn)算十進(jìn)制運(yùn)算18 0001 500150301 500多個電子管多個電子管多個繼電器多個繼電器千瓦千瓦噸噸平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)

33、 ENIAC(1946)(1955年退役年退役)硬件技術(shù)對計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的影響硬件技術(shù)對計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的影響 1億以上億以上 超大規(guī)模超大規(guī)模 集成電路集成電路 1978 五五 1000萬萬 大規(guī)模大規(guī)模 集成電路集成電路 19721977 100萬萬 中小規(guī)模中小規(guī)模 集成電路集成電路 19651971 20萬萬 晶體管晶體管 19581964 4萬萬 電子管電子管 19461957 速度速度 /（次（次/秒）秒） 硬件技術(shù)硬件技術(shù) 時間時間 代代三三四四二二一一 可見：可見：20世紀(jì)世紀(jì)50年代出現(xiàn)了晶體管，年代出現(xiàn)了晶體管，60年代和年代和70年年代以后，微電子技術(shù)的發(fā)展使得整個情況發(fā)生

34、了根本代以后，微電子技術(shù)的發(fā)展使得整個情況發(fā)生了根本的變化。的變化。 20世紀(jì)世紀(jì)70年代以后，微電子芯片的集成度每年代以后，微電子芯片的集成度每18個月就個月就翻一番，這就是著名的翻一番，這就是著名的莫爾定律莫爾定律。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 比如比如1971年年Intel的的4004微處理器剛剛出現(xiàn)時，在一微處理器剛剛出現(xiàn)時，在一個芯片中集成了個芯片中集成了2300個晶體管，到發(fā)展到個晶體管，到發(fā)展到90年代的奔騰年代的奔騰6（Pentium-6）一個芯片里就含有）一個芯片里就含有600萬個晶體管。萬個晶體管。 在短短的在短短的20幾年里，晶體管數(shù)提高了將近幾年里，晶體管數(shù)提高了將近3千倍。千倍。

35、現(xiàn)代微電子芯片，一個芯片里則已含有現(xiàn)代微電子芯片，一個芯片里則已含有10001000萬個晶體管以上。萬個晶體管以上。0 0101020203030404050506060707080809090第一季度第一季度第二季度第二季度第三季度第三季度第四季度第四季度東部東部西部西部北部北部 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從計(jì)算機(jī)的存儲器發(fā)展來看，從計(jì)算機(jī)的存儲器發(fā)展來看，存儲器的容量提高存儲器的容量提高的速度更快。的速度更快。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 19711971年的內(nèi)存儲器才是年的內(nèi)存儲器才是1Kb1Kb（信息單位信息單位），到了），到了19941994年就變成了年就變成了64Mb64Mb，提高了六萬倍。，提高了六萬倍

36、。 到到90年代末，集成度年代末，集成度109，也就是進(jìn)入所謂，也就是進(jìn)入所謂“ “G”（G；千兆）芯片年代，它的密度差不多達(dá)到人腦中；千兆）芯片年代，它的密度差不多達(dá)到人腦中神經(jīng)元密度水平。神經(jīng)元密度水平。（人腦是由（人腦是由1010-1011個神經(jīng)細(xì)胞組成的（個神經(jīng)細(xì)胞組成的（100億個）億個） 但是須指出的但是須指出的：CMOS元件的開關(guān)速度比人腦神經(jīng)元元件的開關(guān)速度比人腦神經(jīng)元的傳輸速度要快的傳輸速度要快108。當(dāng)其密度可以同人腦神經(jīng)元相當(dāng)時，。當(dāng)其密度可以同人腦神經(jīng)元相當(dāng)時，可以想象計(jì)算機(jī)的功能將是何等的強(qiáng)大。所以過去一臺可以想象計(jì)算機(jī)的功能將是何等的強(qiáng)大。所以過去一臺大型計(jì)算機(jī)，現(xiàn)

37、在就可以變成臺式機(jī)、掌上機(jī)，象筆記大型計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在就可以變成臺式機(jī)、掌上機(jī)，象筆記本一樣大。另外，利用嵌入式技術(shù)，本一樣大。另外，利用嵌入式技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)非常小的可以實(shí)現(xiàn)非常小的嵌入式計(jì)算機(jī)芯片嵌入式計(jì)算機(jī)芯片。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度也是突飛猛進(jìn)地發(fā)展計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度也是突飛猛進(jìn)地發(fā)展 中國超級計(jì)算機(jī)發(fā)展年譜中國超級計(jì)算機(jī)發(fā)展年譜中國超級計(jì)算機(jī)發(fā)展年譜中國超級計(jì)算機(jī)發(fā)展年譜型號型號(峰值峰值) 面世時間面世時間 每秒運(yùn)算速度每秒運(yùn)算速度銀河銀河 1983年年 1億次億次曙光一號曙光一號 1992年年 6.4億次億次銀河銀河 1994年年 10億次億次銀河銀河 1997年年 130億次億次神威神威 1

38、999年年 3840億次億次深騰深騰1800 2002年年 1萬億次萬億次曙光曙光4000A 2004年年11萬億次萬億次神威神威3000A 2007年年18萬億次萬億次深騰深騰7000 2008年年 106.5萬億次萬億次曙光曙光5000A 2008年年230萬億次萬億次天河天河-I2009年年 1000萬億次萬億次 新排名：全球第三新排名：全球第三 然而，經(jīng)過近然而，經(jīng)過近7070年的快速發(fā)展，目前的主流計(jì)算機(jī)仍年的快速發(fā)展，目前的主流計(jì)算機(jī)仍然采用然采用“馮馮. . 諾依曼諾依曼”結(jié)構(gòu)和圖靈式數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)和圖靈式數(shù)學(xué)模型“存儲存儲程序程序”結(jié)構(gòu)。即：結(jié)構(gòu)。即： 按地址讀出存儲程序和數(shù)據(jù)，

39、并依次加以執(zhí)行或計(jì)算。按地址讀出存儲程序和數(shù)據(jù)，并依次加以執(zhí)行或計(jì)算。 0 0101020203030404050506060707080809090第一季度第一季度第三季度第三季度東部東部西部西部北部北部 任務(wù)須任務(wù)須首先編首先編制成程制成程序和數(shù)序和數(shù)據(jù)存入據(jù)存入計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)處理器依次處處理器依次處理指令，最終理指令，最終完成任務(wù)。完成任務(wù)。 原因在于原因在于：計(jì)算機(jī)本身的性能得到飛速發(fā)展。這種性計(jì)算機(jī)本身的性能得到飛速發(fā)展。這種性能上的變化可以概括為：能上的變化可以概括為： 從從4K4K到到4G4G的變化的變化， 即：即：運(yùn)算速度運(yùn)算速度: 1K 1G bits/sec 存

40、儲密度存儲密度： 1K 1G bits/inch 傳輸速度傳輸速度: 1K 1G bits/sec 計(jì)算機(jī)數(shù)量：計(jì)算機(jī)數(shù)量：0.1K 0.1G 臺臺 （數(shù)百臺數(shù)百臺數(shù)億臺數(shù)億臺） 人們預(yù)計(jì)到人們預(yù)計(jì)到21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)的性能將實(shí)現(xiàn)世紀(jì)，計(jì)算機(jī)的性能將實(shí)現(xiàn)從從4G到到4個個“T”的變化的變化（1T=1,000G），），“T”的中文譯為的中文譯為“太太”。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從從20世紀(jì)世紀(jì)40年代到現(xiàn)在，主流計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)原理年代到現(xiàn)在，主流計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)原理并沒有發(fā)生大的變化，那么計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為什么會發(fā)并沒有發(fā)生大的變化，那么計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為什么會發(fā)生如此大的變化呢？生如此大的變化呢？系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展計(jì)算

41、機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢： 將進(jìn)入以通信為中心將進(jìn)入以通信為中心的多網(wǎng)共享體系結(jié)構(gòu)。的多網(wǎng)共享體系結(jié)構(gòu)。 計(jì)算機(jī)智能化將進(jìn)計(jì)算機(jī)智能化將進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)入知識一步發(fā)展，進(jìn)入知識推理、自學(xué)習(xí)階段。推理、自學(xué)習(xí)階段。 非非諾伊曼型諾伊曼型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)研究日趨成熟，計(jì)算機(jī)研究日趨成熟，如：生物計(jì)算機(jī)、神如：生物計(jì)算機(jī)、神經(jīng)元計(jì)算機(jī)經(jīng)元計(jì)算機(jī)、量子計(jì)量子計(jì)算機(jī)等。算機(jī)等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢： 不僅用多處理機(jī)技不僅用多處理機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算術(shù)來實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算機(jī)，而且會出現(xiàn)計(jì)機(jī)，而且會出現(xiàn)計(jì)算機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)算機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)（如：近期（

42、如：近期IntelIntel公公司多內(nèi)核計(jì)算機(jī)技司多內(nèi)核計(jì)算機(jī)技術(shù)等）。術(shù)等）。 多媒體技術(shù)將有重大突破和發(fā)展多媒體技術(shù)將有重大突破和發(fā)展。 1.4 1.4 計(jì)算機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)包括：包括： 軟件的組成和分類軟件的組成和分類 軟件的發(fā)展歷程軟件的發(fā)展歷程 計(jì)算機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)1.4.1 軟件的組成和分類軟件的組成和分類 軟件軟件：計(jì)算機(jī)中的各種程序，統(tǒng)稱為這臺計(jì)算機(jī)的軟計(jì)算機(jī)中的各種程序，統(tǒng)稱為這臺計(jì)算機(jī)的軟件或軟件系統(tǒng)。件或軟件系統(tǒng)。軟件類別軟件類別： 系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序和和應(yīng)用程序應(yīng)用程序。 軟件的組成和分類軟件的組成和分類系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序：用來簡化程序設(shè)計(jì)用來簡化程

43、序設(shè)計(jì), ,簡化使用方法簡化使用方法, ,提高計(jì)提高計(jì)算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途的軟件。的軟件。應(yīng)用程序應(yīng)用程序：用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題所編用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題所編制的程序，隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，這類程序的制的程序，隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，這類程序的種類越來越多。種類越來越多。 1.4.2 軟件的發(fā)展歷程軟件的發(fā)展歷程 以系統(tǒng)程序?yàn)槔?，簡要說明軟件的發(fā)展演變過程。以系統(tǒng)程序?yàn)槔喴f明軟件的發(fā)展演變過程。1. 1. 機(jī)器語言機(jī)器語言程序程序 直接用直接用機(jī)器語言機(jī)器語言編寫的程序編寫的程序(早期手編早期手編)，這種程序

44、運(yùn)，這種程序運(yùn)行速度最快。行速度最快。 2. 匯編程序匯編程序 用一些約定的文字、符號和數(shù)字按規(guī)定的格式來表用一些約定的文字、符號和數(shù)字按規(guī)定的格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，這就是所謂的令來編寫程序，這就是所謂的匯編語言匯編語言。（。（需要熟悉需要熟悉機(jī)器語言格式機(jī)器語言格式）軟件的發(fā)展和演變軟件的發(fā)展和演變二進(jìn)制代碼語言二進(jìn)制代碼語言3. 源程序源程序?yàn)榱诉M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序自動化和便于程序交流，使為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序自動化和便于程序交流，使不熟悉具體計(jì)算機(jī)的人也能很方便地使用計(jì)算機(jī)，不熟悉具體計(jì)算機(jī)的人也能很方便地

45、使用計(jì)算機(jī)，人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語言的人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語言的算法語言算法語言。 算法語言算法語言是指按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符是指按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則。比較接近號以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學(xué)語言，直觀通用，與具體機(jī)器無關(guān)，只要稍加數(shù)學(xué)語言，直觀通用，與具體機(jī)器無關(guān)，只要稍加學(xué)習(xí)就能掌握，便于推廣使用計(jì)算機(jī)。學(xué)習(xí)就能掌握，便于推廣使用計(jì)算機(jī)。 源程序 用算法語言編寫的程序稱為用算法語言編寫的程序稱為源程序源程序，注意到：這，注意到：這種源程序是不能由機(jī)器直接識別和執(zhí)行的，必須把種源程序是不能由機(jī)器直接識別和執(zhí)行的，必須

46、把源程序翻譯為機(jī)器語言。源程序翻譯為機(jī)器語言。 通常采用通常采用編譯系統(tǒng)法編譯系統(tǒng)法或或解釋系統(tǒng)法解釋系統(tǒng)法來完成轉(zhuǎn)換。來完成轉(zhuǎn)換。編譯系統(tǒng)法編譯系統(tǒng)法： 計(jì)算機(jī)配置一套用機(jī)器語言寫的計(jì)算機(jī)配置一套用機(jī)器語言寫的編譯編譯程序程序，它把源程序翻譯成目的程序，然后由機(jī)器去，它把源程序翻譯成目的程序，然后由機(jī)器去執(zhí)行。但由于目的程序一般不能獨(dú)立運(yùn)行，還需要執(zhí)行。但由于目的程序一般不能獨(dú)立運(yùn)行，還需要一種叫做一種叫做運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行系統(tǒng)的輔助軟件來幫助。通常，把的輔助軟件來幫助。通常，把“編譯程序編譯程序+運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行系統(tǒng)”稱為稱為編譯系統(tǒng)編譯系統(tǒng)。解釋系統(tǒng)法解釋系統(tǒng)法：源程序通過所謂的源程序通過所謂的解

47、釋系統(tǒng)解釋系統(tǒng)進(jìn)行解釋進(jìn)行解釋執(zhí)行，特點(diǎn)是對源程序的語句直接邊解釋、邊執(zhí)行執(zhí)行，特點(diǎn)是對源程序的語句直接邊解釋、邊執(zhí)行語句，進(jìn)而逐步得出計(jì)算結(jié)果。它不是先編出目的語句，進(jìn)而逐步得出計(jì)算結(jié)果。它不是先編出目的程序后再執(zhí)行。程序后再執(zhí)行。操作系統(tǒng)4.4.操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) ( (見教材見教材P13)P13) 操作系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種操作系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)資源管理軟件資源管理軟件，專，專用來管理計(jì)算機(jī)資源和自動調(diào)度用戶的作業(yè)程序用來管理計(jì)算機(jī)資源和自動調(diào)度用戶的作業(yè)程序, ,解決解決人人- -機(jī)之間的不協(xié)調(diào)機(jī)之間的不協(xié)調(diào), ,充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)資源的效率充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)資源的效率, ,甚至甚至可使多個

48、用戶可使多個用戶或多個任務(wù)或多個任務(wù)能有效地共用一套計(jì)算機(jī)系能有效地共用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)，進(jìn)而大大提高計(jì)算機(jī)的工作效率。（，進(jìn)而大大提高計(jì)算機(jī)的工作效率。（管家管家） 無操作系統(tǒng)的機(jī)器通常被稱作無操作系統(tǒng)的機(jī)器通常被稱作“裸機(jī)裸機(jī)”。 操作系統(tǒng)目前大致分為操作系統(tǒng)目前大致分為批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)、分時分時操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、實(shí)時操作系統(tǒng)實(shí)時操作系統(tǒng) 等多種。等多種。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)5.5.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 隨著計(jì)算機(jī)在信息處理、情報檢索及各種管理系隨著計(jì)算機(jī)在信息處理、情報檢索及各種管理系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展，要求大量處理某些數(shù)據(jù)，建立和統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展，要

49、求大量處理某些數(shù)據(jù)，建立和檢索大量的表格。檢索大量的表格。 所謂所謂數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫就是實(shí)現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲或就是實(shí)現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲或查詢大量相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計(jì)算機(jī)軟、查詢大量相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計(jì)算機(jī)軟、硬件資源組成的系統(tǒng)。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)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件一起，組成了數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理系統(tǒng)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，軟件設(shè)計(jì)技術(shù)也隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，軟件設(shè)計(jì)技術(shù)也在不斷豐富和完善。在不斷豐富和完善。1.5 1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)

50、構(gòu)組成的基本模式現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成的基本模式 程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì) 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件硬硬 件結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 計(jì)算問題計(jì)算問題算法與數(shù)算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)據(jù)結(jié)構(gòu) 高級語言高級語言 性能評價性能評價 聯(lián)聯(lián) 接接 ( ( 編編 譯譯, ,加加 載載 ) )1.5.1 1.5.1 多級組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多級組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個由硬件現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個由硬件/固件和軟固件和軟件組成的復(fù)雜的多層次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其層次結(jié)構(gòu)件組成的復(fù)雜的多層次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其層次結(jié)構(gòu)示意圖，見書示意圖，見書P14圖圖1.7及及CAI演示演示 。 各級結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)各級結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn) （書（書P14P14）多級

51、組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多級組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)典型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)典型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) ： 應(yīng)應(yīng) 用用 語語 言言 級級高高 級級 語語 言言 級級匯匯 編編 語語 言言 級級操操 作作 系系 統(tǒng)統(tǒng) 級級傳傳 統(tǒng)統(tǒng) 機(jī)機(jī) 器器 級級微程序機(jī)器級微程序機(jī)器級硬件邏輯電路硬件邏輯電路 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 翻譯翻譯( (編譯程序編譯程序) ) 翻譯翻譯( (編譯程序編譯程序) ) 軟硬件界面軟硬件界面 物理機(jī)物理機(jī)(硬件硬件) 解釋解釋翻譯翻譯( (匯編程序匯編程序) )虛擬機(jī)虛擬機(jī)(軟件軟件)硬件硬件固件固件翻譯翻譯( (應(yīng)用程序包應(yīng)用程序包) )1.5.2 軟件與硬件的邏輯等價性軟

52、件與硬件的邏輯等價性 軟件的特點(diǎn)軟件的特點(diǎn) 易于實(shí)現(xiàn)各種邏輯和復(fù)雜運(yùn)算功能，易于實(shí)現(xiàn)各種邏輯和復(fù)雜運(yùn)算功能，但是常受到速度指標(biāo)和軟件容量的制約；但是常受到速度指標(biāo)和軟件容量的制約；硬件的特點(diǎn)硬件的特點(diǎn) 可以高速實(shí)現(xiàn)邏輯和運(yùn)算功能，但是可以高速實(shí)現(xiàn)邏輯和運(yùn)算功能，但是難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能或計(jì)算，受到控制復(fù)雜性指標(biāo)的難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能或計(jì)算，受到控制復(fù)雜性指標(biāo)的制約。制約。軟件與硬件的邏輯等價性軟件與硬件的邏輯等價性 各類容量大、價格低、體積小、可以改寫的各類容量大、價格低、體積小、可以改寫的只讀存只讀存儲器儲器提供了軟件固化的良好手段。現(xiàn)在已經(jīng)可以把許提供了軟件固化的良好手段?，F(xiàn)在已經(jīng)可以把許多復(fù)雜的

53、、常用的程序制作成所謂多復(fù)雜的、常用的程序制作成所謂固件固件。就它的功能。就它的功能來說，是軟件；但從形態(tài)來說，又是硬件。來說，是軟件；但從形態(tài)來說，又是硬件。即：軟件與硬件的界限已日趨模糊即：軟件與硬件的界限已日趨模糊 邏輯等價性邏輯等價性 因此，本來通過軟件手段來實(shí)現(xiàn)的某種功能，現(xiàn)因此，本來通過軟件手段來實(shí)現(xiàn)的某種功能，現(xiàn)在可以通過硬件（固件）來直接解釋執(zhí)行。在可以通過硬件（固件）來直接解釋執(zhí)行。 進(jìn)一步的發(fā)展，就是設(shè)計(jì)所謂進(jìn)一步的發(fā)展，就是設(shè)計(jì)所謂面向高級語言的面向高級語言的計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)。這樣的計(jì)算機(jī)，可以通過硬件直接解釋執(zhí)。這樣的計(jì)算機(jī)，可以通過硬件直接解釋執(zhí)行高級語言的語句，而不需要

54、先經(jīng)過編譯程序的處行高級語言的語句，而不需要先經(jīng)過編譯程序的處理。傳統(tǒng)的軟件部分，今后完全有可能理。傳統(tǒng)的軟件部分，今后完全有可能“固化固化”甚甚至至“硬化硬化”，這將大大提高計(jì)算機(jī)的處理速度。，這將大大提高計(jì)算機(jī)的處理速度。 1.5.3 三個常用術(shù)語的物理概念三個常用術(shù)語的物理概念 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(Computer architecture）： 定義為：機(jī)器語言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級所具有的屬性，包含概念性結(jié)構(gòu)和功能特性兩個方面。這些屬性是機(jī)器語言程序設(shè)計(jì)者（或者編譯程序生成系統(tǒng)）為使其所設(shè)計(jì)（或生成）的程序能在機(jī)器上正確運(yùn)行，所需遵循的計(jì)算機(jī)屬性。 對通用寄存器型機(jī)器來說，

55、這些屬性主要包括：數(shù)據(jù)表示、尋址規(guī)則、寄存器定義、指令集、終端系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、信息保護(hù)、I/O結(jié)構(gòu)等。 (概念結(jié)構(gòu)與功能屬性概念結(jié)構(gòu)與功能屬性)計(jì)算機(jī)組織計(jì)算機(jī)組織(Computer organization）（也稱計(jì)算機(jī)組成）： 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括物理機(jī)器級內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。它著眼于物理機(jī)器級內(nèi)各事件的排序方式與控制方式，各部件的功能以及各部件的聯(lián)系。 (邏輯結(jié)構(gòu)與控制屬性邏輯結(jié)構(gòu)與控制屬性)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(Computer implementation）： 指的是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、

56、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等具體實(shí)現(xiàn)方法。(物理結(jié)構(gòu)屬性物理結(jié)構(gòu)屬性)相互之間的關(guān)系： （1）具有相同體系結(jié)構(gòu)(如指令系統(tǒng)相同)的計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗俣纫蟛煌纫蛩?，例如對指令流的處理，在時間上可以按順序方式進(jìn)行，也可以按重疊方式進(jìn)行，以提高處理速度。即：可以采用不同的計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成。 （2）一種計(jì)算機(jī)組成可以采用多種不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法。例如，主存器件可以采用SRAM芯片，也可以采用DRAM芯片?？梢圆捎么笠?guī)模集成電路單個芯片，也可以采用中小規(guī)模集成電路進(jìn)行構(gòu)建。顯然，這取決于性能/價格比的要求與器件技術(shù)的現(xiàn)狀。 可見：可見：結(jié)構(gòu)、組成、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、組成、實(shí)現(xiàn)三者之

57、間有著緊密的關(guān)系。三者之間有著緊密的關(guān)系。 1.5.4 1.5.4 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本類型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本類型 從計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的并行性能出發(fā)，按照指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式，通常把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為以下四類： (1) 單指令流單數(shù)據(jù)流SISD (2) 單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD (3) 多指令流單數(shù)據(jù)流MISD (4) 多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD 其中：SISD是傳統(tǒng)的單處理計(jì)算機(jī)。SIMD以向量處理機(jī)為代表。MISD找不到實(shí)際計(jì)算機(jī) (不使用）。MIMD的代表是多處理機(jī)和機(jī)群系統(tǒng)。 (見教材P16)1.5.5 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) （教材P5）吞吐量吞吐量表征一臺計(jì)算機(jī)在設(shè)定的時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量 。響應(yīng)時間響應(yīng)時間表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時間度量，用時間單位來度量，例如微秒（10-6s）、納秒（1