第1周小課 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

1、回 顧計(jì)算機(jī)的分類 模擬計(jì)算機(jī) / 數(shù)字計(jì)算機(jī) 單片機(jī) / 微型機(jī) / 工作站 / 服務(wù)器 / 大型機(jī)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史 電子管 、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路教學(xué)內(nèi)容 1.3 計(jì)算機(jī)硬件 1.4 計(jì)算機(jī)軟件 1.5 計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)教學(xué)要求掌握計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)。掌握計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成的概念。熟練掌握馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)硬件的五個(gè)主要部分。了解計(jì)算機(jī)軟件的組成與分類。計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)吞吐量: 表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）。響應(yīng)時(shí)間: 表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間度量，用時(shí)間單位來度量， 例如微秒（10-6

2、s）、納秒（10-9s）。計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)利用率: 表示在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占的比率，一般用百分比表示。處理機(jī)字長: 指處理機(jī)運(yùn)算器中一次能夠完成二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算的位數(shù)。當(dāng)前處理機(jī)的字長有8位、16位、32位、64位。字長越長，表示計(jì)算的精度越高。計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)總線寬度: 一般指CPU中運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行互連的內(nèi)部總線二進(jìn)制位數(shù)。存儲(chǔ)器容量: 存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。 其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1個(gè)字節(jié)）。 存儲(chǔ)器容量越大，記憶的二進(jìn)制數(shù)越多。 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)存儲(chǔ)器帶寬: 存儲(chǔ)器的速度指標(biāo)，

3、單位時(shí)間內(nèi)從存儲(chǔ)器讀出的二進(jìn)制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。 主頻/時(shí)鐘周期:CPU的工作節(jié)拍受主時(shí)鐘控制，主時(shí)鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘，主時(shí)鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機(jī)為60MHz266MHz，而Pentium 4則升至。 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)主頻的倒數(shù)稱為: CPU時(shí)鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。CPU執(zhí)行時(shí)間：表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時(shí)間，可用下式計(jì)算：CPU執(zhí)行時(shí)間 CPU時(shí)鐘周期數(shù) CPU時(shí)鐘周期長計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)CPI:表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)。用下式

4、計(jì)算：MIPS：是單位時(shí)間內(nèi)的執(zhí)行指令數(shù)，所以MIPS值越高說明機(jī)器速度越快。計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)程序執(zhí)行時(shí)間Te為： MFLOPS：表示每秒百萬次浮點(diǎn)操作次數(shù)，用來衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能，該技術(shù)指標(biāo)一般在超級(jí)計(jì)算機(jī)中使用。 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.3 計(jì)算機(jī)的硬件一、硬件組成要素通過一個(gè)例子我們來了解數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要組成和工作原理。假設(shè)給一個(gè)算盤、一張帶有橫格的紙和一支筆，要求我們計(jì)算y=ax+b-c這樣一個(gè)題目。解題步驟和數(shù)據(jù)記錄在橫格紙上，請(qǐng)看過程。1.3 計(jì)算機(jī)的硬件1.3 計(jì)算機(jī)的硬件二、數(shù)字計(jì)算機(jī)基本組成控制器：人的大腦的操作控制功能運(yùn)算器：人的大腦的計(jì)算功能存儲(chǔ)器：人的大腦記憶功能輸入設(shè)

5、備：交互接口，筆輸出設(shè)備：交互接口，紙1.3 計(jì)算機(jī)的硬件三、馮諾依曼型計(jì)算機(jī) 存儲(chǔ)程序按地址自動(dòng)執(zhí)行 五大部件：包括控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以運(yùn)算器為中心1.3 計(jì)算機(jī)的硬件馮諾依曼型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器輸出輸入運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)信號(hào)控制信號(hào)地址信號(hào)1.3 計(jì)算機(jī)的硬件四、運(yùn)算器算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中參與運(yùn)算的數(shù)是二進(jìn)制的運(yùn)算器的長度一般是8、16、32或64位1.3 計(jì)算機(jī)的硬件五、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序（指令）容量（存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)單元地址、容量單位）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存存儲(chǔ)器單位：210 1K210 K1M210 M1G210 G1T1.3 計(jì)算機(jī)的硬件六、控制器

6、指令和程序:指令的形式（操作和地址碼、存儲(chǔ)程序的概念、指令中程序和數(shù)據(jù)的存放、指令系統(tǒng)）指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)1.3 計(jì)算機(jī)的硬件七、控制器的基本任務(wù)控制器的基本任務(wù)：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。取指周期和執(zhí)行周期控制器完全可以區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字。一般來講，取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；而在執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運(yùn)算器。1.3 計(jì)算機(jī)的硬件八、適配器與I/O設(shè)備輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式輸出設(shè)備：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器設(shè)備所能接收和識(shí)別的信息形

7、式適配器：它使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，以便使主機(jī)和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作總線：構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。總之，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。這也是人們常說的計(jì)算機(jī)硬件。1.4 計(jì)算機(jī)的軟件一、軟件的組成與分類計(jì)算機(jī)軟件相對(duì)計(jì)算機(jī)硬件來說是看不見，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可少的無形部件。主要有兩大類：系統(tǒng)軟件：用來簡化程序設(shè)計(jì)，簡化使用方法，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。它包括以下四類：各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯(cuò)程序、練習(xí)程序等語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等

8、操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件：用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題而編制的程序，如工程設(shè)計(jì)程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動(dòng)控制程序、企業(yè)管理程序、情報(bào)檢索程序、科學(xué)計(jì)算程序等1.4 計(jì)算機(jī)的軟件二、軟件的發(fā)展演變編程語言的發(fā)展手編程序：機(jī)器語言程序，手工編譯二進(jìn)制碼匯編程序：符號(hào)語言程序，匯編程序匯編高級(jí)程序：算法語言/高級(jí)語言，機(jī)器編譯程序/解釋程序系統(tǒng)軟件的發(fā)展操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)軟件1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一、多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)不能簡單地認(rèn)為是一種電子設(shè)備，而是一個(gè)十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體。它通常由五個(gè)以上不同的級(jí)組成，每一級(jí)都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，如圖所示。1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、五

9、級(jí)計(jì)算機(jī)層次系統(tǒng)第一級(jí)是微程序設(shè)計(jì)級(jí)。這是一個(gè)實(shí)在的硬件級(jí)，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個(gè)應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級(jí)上運(yùn)行應(yīng)用程序。第二級(jí)是一般機(jī)器級(jí)，也稱為機(jī)器語言級(jí)，它由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)。這一級(jí)也是硬件級(jí)。第三級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機(jī)器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級(jí)也稱為混合級(jí)。1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、五級(jí)計(jì)算機(jī)層次系統(tǒng)第四級(jí)是匯編語言級(jí)，它給程序人員提供一種符號(hào)形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫時(shí)，則機(jī)器必須要有這一級(jí)的功能；

10、如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級(jí)可以不要。第五級(jí)是高級(jí)語言級(jí)，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級(jí)由各種高級(jí)語言編譯程序支持和執(zhí)行。1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)三、軟件與硬件邏輯等價(jià)性隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因?yàn)槿魏尾僮骺梢杂绍浖韺?shí)現(xiàn)，也可以由硬件來實(shí)現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。任何操作可以由軟件來實(shí)現(xiàn)也可以有硬件來實(shí)現(xiàn)（設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮各個(gè)方面的因素：價(jià)格、速度、可靠性、存儲(chǔ)容量、變更周期）實(shí)體硬件機(jī)功能的擴(kuò)大固件的概念（功能上是軟件，形態(tài)上是硬件）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：是指程序員所看到的機(jī)器的屬性，即機(jī)器的概念性結(jié)構(gòu)和功能表現(xiàn)。 程序員主要是指匯編程序員。同一廠家生產(chǎn)的具有相同計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)被稱為系列計(jì)算機(jī)，簡稱系列機(jī)。 計(jì)算機(jī)組成 計(jì)算機(jī)組成：是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。一種計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以有多種不同的計(jì)算機(jī)組成。 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種計(jì)算機(jī)