計算機系統(tǒng)(第4版)chp1課件

1、計算機系統(tǒng)(第4版)chp1計算機系統(tǒng)(第4版)chp11.1計算機的分類一、電子計算機從總體上來說分為兩大類。電子模擬計算機?！澳M”就是相似的意思。模擬計算機的特點是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算過程也是連續(xù)的。電子數(shù)字計算機，它是在算盤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是用數(shù)目字來表示數(shù)量的大小。數(shù)字計算機的主要特點是按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算。9/10/202221.1計算機的分類一、電子計算機從總體上來說分為兩大類。9/1.1計算機的分類數(shù)字計算機模擬計算機數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0/1電壓計算方式數(shù)字計數(shù)電壓組合和測量值控制方式程序控制盤上連線精度高低數(shù)據(jù)存儲量大小邏輯判斷能力強無數(shù)字計算機與模擬計算機的

2、主要區(qū)別9/10/202231.1計算機的分類數(shù)字計算機模擬計算機數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0/11.1計算機的分類二、數(shù)字計算機分類 數(shù)字計算機根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應(yīng)性來劃分，可以劃分為兩類：專用計算機：專用機是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但是它的適應(yīng)性很差。通用計算機：通用計算機適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。9/10/202241.1計算機的分類二、數(shù)字計算機分類 9/31.1計算機的分類三、通用計算機分類 通用計算機根據(jù)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)模和機器價格等可以分為：超級計算機大型機服務(wù)器工作站微型機單片機9/10/202

3、251.1計算機的分類三、通用計算機分類 9/1.2計算機發(fā)展簡史一、計算機的五代變化第一代為19461957年，電子管計算機：數(shù)據(jù)處理第二代為19581964年，晶體管計算機：工業(yè)控制第三代為19651971年，中小規(guī)模集成電路計算機：小型計算機第四代為19721990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機：微型計算機第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計算機：單片機9/10/202261.2計算機發(fā)展簡史一、計算機的五代變化9/3/20228計算機的發(fā)展是伴隨著微電子器件的發(fā)展而發(fā)展的。集成電路芯片 (Integrated Circuits) （1959年）按晶體管集成度SSI(小規(guī)模集成

4、電路) 100個以下MSI(中規(guī)模集成電路) 1003000LSI(大規(guī)模集成電路) 30003萬VLSI(超大規(guī)模集成電路) 10萬1億ULSI(甚大規(guī)模集成電路) 1億以上9/10/20227計算機的發(fā)展是伴隨著微電子器件的發(fā)展而發(fā)展的。9/3/2021.2計算機發(fā)展簡史二、半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展20世紀5060年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán)1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半導(dǎo)體存儲器從1970年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。其中1K=210,1M=220,

5、1G=2309/10/202281.2計算機發(fā)展簡史二、半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展9/3/202211.2計算機發(fā)展簡史三、微處理器的發(fā)展1971年Intel公司開發(fā)出Intel 4004。這是第一個將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品，于是，微處理器誕生了。微處理器演變中的另一個主要進步是1972年出現(xiàn)的Intel 8008，這是第一個8位微處理器，它比4004復(fù)雜一倍。 1974年出現(xiàn)了Intel 8080。這是第一個通用微處理器，而4004和8008是為特殊用途而設(shè)計的。8080是為通用微機而設(shè)計的中央處理器。20世紀70年代末才出現(xiàn)強大的通用16位微處理器，8086便是其中之一。這一發(fā)展

6、趨勢中的另一階段是在1981年，貝爾實驗室和HP公司開發(fā)出了32位單片微處理器。Intel于1985年推出了32位微處理器Intel 80386。到現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器9/10/202291.2計算機發(fā)展簡史三、微處理器的發(fā)展9/3/2022112.4 計算機的性能指標吞吐量表征一臺計算機在某一時間間隔內(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（10-9S）。利用率表示在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，一般用百分比表示。處理機字長指處理機運算器中一次能夠完成二進制數(shù)

7、運算的位數(shù)。當前處理機的字長有8位、16位、32位、64位。字長越長，表示計算的精度越高。9/10/2022102.4 計算機的性能指標吞吐量表征一臺計算機在某一2.4 計算機的性能指標總線寬度一般指CPU中運算器與存儲器之間進行互連的內(nèi)部總線二進制位數(shù)。存儲器容量存儲器中所有存儲單元的總數(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個字節(jié)）。存儲器容量越大，記憶的二進制數(shù)越多。存儲器帶寬存儲器的速度指標，單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。主頻/時鐘周期CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的

8、時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz、GHz。例如Pentium系列機為60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。主頻的倒數(shù)稱為CPU時鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。 9/10/2022112.4 計算機的性能指標總線寬度一般指CPU中運算器與存2.4 計算機的性能指標CPU執(zhí)行時間表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間，可用下式計算：CPU執(zhí)行時間 CPU時鐘周期數(shù) CPU時鐘周期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鐘周期數(shù)。用下式計算：CPI 執(zhí)行某段程序所需的CPU時鐘周期數(shù)該程序包含的指令條數(shù) MIPS表示每

9、秒百萬條指令數(shù)。MFLOPS表示每秒百萬次浮點操作次數(shù)，用下式計算：MIPS是單位時間內(nèi)的執(zhí)行指令數(shù)，所以MIPS值越高說明機器速度越快。MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用來衡量機器浮點操作的性能，而不能體現(xiàn)機器的整體性能。9/10/2022122.4 計算機的性能指標CPU執(zhí)行時間表示CPU執(zhí)行一段1.3計算機的硬件一、硬件組成要素通過一個例子我們來了解數(shù)字計算機的主要組成和工作原理。假設(shè)給一個算盤、一張帶有橫格的紙和一支筆，要求我們計算y=ax+b-c這樣一個題目。解題步驟和數(shù)據(jù)記錄在橫格紙上，請看過程。9/10/2022131.3計算機的硬件一、硬件組成要素9/3/202215手工

10、模仿計算機工作（1）9/10/202214手工模仿計算機工作（1）9/3/2022161.3計算機的硬件二、數(shù)字計算機基本組成控制器：人的大腦的操作控制功能運算器：人的大腦的計算功能存儲器：人的大腦記憶功能輸入設(shè)備：交互接口，筆輸出設(shè)備：交互接口，紙9/10/2022151.3計算機的硬件二、數(shù)字計算機基本組成9/3/202217計算機發(fā)展史上的重要里程碑存儲程序概念的提出 1945，馮諾依曼（John Von Naumann）“存儲程序控制計算機結(jié)構(gòu)”(即諾依曼機）五大部件采用二進制程序和原始數(shù)據(jù)先存入存儲器，然后再啟動計算機工作。奠定了現(xiàn)代計算機的體系結(jié)構(gòu)9/10/202216計算機發(fā)展史

11、上的重要里程碑存儲程序概念的提出9/3/2022計算機發(fā)展史上的重要里程碑18000個電子管總體積約90立方米重達30噸占地170平方米每秒5000次加法無程序存儲器第一臺電子數(shù)字計算機1946， ENIAC，美國賓夕法尼亞大學(xué)，設(shè)計與制造人：莫契利、?？?。 設(shè)計目的：陸軍試炮場的彈道計算。9/10/202217計算機發(fā)展史上的重要里程碑18000個電子管第一臺電子數(shù)字計1.3計算機的硬件馮諾依曼型計算機存儲器輸出輸入運算器控制器數(shù)據(jù)信號控制信號地址信號9/10/2022181.3計算機的硬件馮諾依曼型計算機存儲器輸出輸入運算器控制1.3 計算機的硬件19計算機的組成結(jié)構(gòu)9/10/202219

12、1.3 計算機的硬件21計算機的組成結(jié)構(gòu)9/3/202221.3計算機的硬件四、運算器算術(shù)運算和邏輯運算在計算機中參與運算的數(shù)是二進制的運算器的長度一般是8、16、32或64位運算單元電路寄存器B累加器A9/10/2022201.3計算機的硬件四、運算器運算單元電路寄存器B累加器A9/1.3計算機的硬件五、存儲器存儲數(shù)據(jù)和程序（指令）容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存存儲器單位：210 byte1K210 K1M210 M1G210 G1T9/10/2022211.3計算機的硬件五、存儲器9/3/202223完成y= ax+b-c的過程1、取數(shù)；1012、

13、乘法；0113、加法；0014、減法；0105、存數(shù)；1106、打??；1117、停止；000第一步：取數(shù)9單元中的a送入累加器A；第二步：完成ax第三步：完成ax+b9/10/202222完成y= ax+b-c的過程9/3/2022241.3計算機的硬件六、控制器指令和程序:指令的形式（操作和地址碼、存儲程序的概念、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)存儲演示計算機執(zhí)行模擬過程9/10/2022231.3計算機的硬件六、控制器演示計算機執(zhí)行模擬過程9/3/21.3計算機的硬件七、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

14、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)存流向運算器。9/10/2022241.3計算機的硬件七、控制器的基本任務(wù)9/3/202226控制器的基本任務(wù)開始取指令執(zhí)行指令分析指令取指周期執(zhí)行周期控制器如何區(qū)分從內(nèi)存取出的是指令還是數(shù)據(jù)？從時間上看取指發(fā)生在取指周期，取數(shù)發(fā)生在執(zhí)行周期。從空間上看取指送向控制器，取數(shù)送向運算器。9/10/202225控制器的基本任務(wù)開始取指令執(zhí)行指令分析指令取指周期執(zhí)行周期控1.3計算機的硬件八、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

15、式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器設(shè)備所能接收和識別的信息形式適配器：它使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機進行聯(lián)系，以便使主機和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作總線：構(gòu)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。總之，現(xiàn)代電子計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。這也是人們常說的計算機硬件。9/10/2022261.3計算機的硬件八、適配器與I/O設(shè)備9/3/2022281.4計算機的軟件一、軟件的組成與分類計算機軟件相對計算機硬件來說是看不見，是計算機系統(tǒng)中不可少的無形部件。主要有兩大類：系

16、統(tǒng)軟件：用來簡化程序設(shè)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(wù)性程序，如診斷程序、排錯程序、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：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序，如工程設(shè)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(xué)計算程序等9/10/2022271.4計算機的軟件一、軟件的組成與分類9/3/2022291.4計算機的軟件二、軟件的發(fā)展演變編程語言的發(fā)展手編程序：機器語言程序，手工編譯二進制碼匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編高級程序：算法語言/高級語言，機器編

17、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9/10/2022281.4計算機的軟件二、軟件的發(fā)展演變9/3/2022301.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一、多級計算機系統(tǒng) 計算機不能簡單地認為是一種電子設(shè)備，而是一個十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體。它通常由五個以上不同的級組成，每一級都能進行程序設(shè)計。第3級（操作系統(tǒng)級）：由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。第4級（匯編語言級）：由匯編程序支持和執(zhí)行第5級（高級語言級）：由高級語言的翻譯程序支持和執(zhí)行。9/10/2022291.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一、多級計算機系統(tǒng)第3級（操作系統(tǒng)1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、五級計算機層次系統(tǒng)第一級是微程序設(shè)計級。這

18、是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級上運行應(yīng)用程序。第二級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。這一級也是硬件級。第三級是操作系統(tǒng)級，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機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，所以這一級也稱為混合級。第四級是匯編語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級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，則機器必須要有這一級的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。第五級是高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。9/10/2022301.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、五級計算機層次系統(tǒng)9/3/201.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)三、軟件與硬件邏輯等價性隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)的軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因為任何操作可以由軟件來實