西工大組成原理 第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論.ppt

1、2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,1,第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,計(jì)算機(jī)組成原理,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,2,第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,計(jì)算機(jī)是一種能夠自動(dòng)、高速解決數(shù)學(xué)問題及邏輯問題的現(xiàn)代化電子裝置。一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，硬件構(gòu)成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件則是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)。自從1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī) ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）誕生到第五代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的硬件和軟件正朝著相互滲透、相互融合的方向發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也已經(jīng)涉及到了各行各業(yè)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)

2、技術(shù)更是日新月異。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,3,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類 計(jì)算機(jī)硬件的組成及功能 計(jì)算機(jī)軟件的分類 計(jì)算機(jī)的分類及應(yīng)用領(lǐng)域 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù),本章要點(diǎn)：,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,4,1.1 計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng),計(jì)算機(jī)硬件（Hardware）是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用的電子線路和電子元件等物理設(shè)備的總稱。硬件是構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,5,1.1.1 馮諾依曼計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)硬件（Hardware）是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用的電子線路和電子元件等物理設(shè)備的總稱。硬件是構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。,20世紀(jì)40年代中期，美

3、國科學(xué)家馮諾依曼大膽的提出了采用二進(jìn)制作為數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)制基礎(chǔ)的理論。同時(shí)，他還提出了計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)、程序存儲(chǔ)和程序設(shè)計(jì)等思想。人們把馮諾依曼的這些理論總結(jié)為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,6,從ENIAC到當(dāng)前最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)都采用的是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。所以馮諾依曼是當(dāng)之無愧的數(shù)字計(jì)算機(jī)之父。 馮諾依曼指出計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。根據(jù)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)必須具有如下特征： 程序和數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中以二進(jìn)制的方式執(zhí)行。 必須能夠記憶程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及最終運(yùn)算結(jié)果。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)

4、組成原理,7,具有完成各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工處理的能力。 指令由操作碼和地址碼組成。 能夠根據(jù)需要控制程序走向，并能根據(jù)指令控制機(jī)器的各部件協(xié)調(diào)操作。,圖1-1 馮諾依曼型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu),2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,8,半個(gè)世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)已發(fā)展為一個(gè)龐大的家族，盡管各種類型的計(jì)算機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用等方面存在著差別，但是它們的基本組成結(jié)構(gòu)卻是相同的。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仍然采用的是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，硬件系統(tǒng)仍由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備構(gòu)成。,1.1.2 計(jì)算機(jī)硬件組成,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,9,在計(jì)算機(jī)中，運(yùn)算器是一種執(zhí)行部件。其主要任務(wù)是完成信息

5、的加工處理。這些處理主要有加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算和與、或、非、異或、同或等邏輯運(yùn)算。運(yùn)算器主要由運(yùn)算邏輯單元ALU和寄存器兩部分組成，寄存器部件用來提供參與運(yùn)算的操作數(shù)，并暫時(shí)存放運(yùn)算結(jié)果，執(zhí)行流程如圖1-2所示。圖中寄存器A和寄存器B主要保存從內(nèi)存儲(chǔ)器取來的操作數(shù)，然后運(yùn)算邏輯單元ALU對兩個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果送給寄存器A暫時(shí)存放。,1. 運(yùn)算器,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,10,圖1-2 運(yùn)算器結(jié)構(gòu)圖,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,11,數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中通常以二進(jìn)制數(shù)形式存儲(chǔ)和運(yùn)算，這是因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)律較為簡單。二進(jìn)制數(shù)就是以2為基數(shù)來計(jì)數(shù)，即逢

6、二進(jìn)一，在二進(jìn)制中只有0和1兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)符，而這恰好能夠與電子器件中電壓的高低、脈沖的有無對應(yīng)起來，在電路中容易實(shí)現(xiàn)。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,12,控制器是計(jì)算機(jī)的控制中心?？刂破髯鳛镃PU（中央處理器）的核心部件主要用來協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)的工作，完成程序信息的處理和數(shù)據(jù)的輸入/輸出。 控制器的實(shí)現(xiàn)方法有兩種，即組合邏輯方法和微程序控制方法。組合邏輯方法的特點(diǎn)是以集成電路來產(chǎn)生指令執(zhí)行的微操作信號(hào)。具有程序執(zhí)行的速度快，控制單元的體積小等優(yōu)點(diǎn)。近年來隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，組合邏輯方法得到了廣泛的應(yīng)用。,2. 控制器,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,13,微程序控制方法相對于組合邏輯

7、方法來說設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜，但并不像設(shè)計(jì)組合邏輯控制電路那么煩瑣、不規(guī)則，而是有一定規(guī)律可循，修改起來也方便。尤其是可編程只讀存儲(chǔ)器的應(yīng)用，為微程序控制器的設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性和適用性，進(jìn)而使微程序設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。目前已在中、小型和微型計(jì)算機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用，只是在一些巨型、大型計(jì)算機(jī)中，由于速度的限制不宜采用微程序控制技術(shù)。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,14,存儲(chǔ)器的主要功能是存放程序與數(shù)據(jù)。程序是計(jì)算機(jī)操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)操作的對象。程序和數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中都是以二進(jìn)制的形式表示，每8位二進(jìn)制劃分為一個(gè)存儲(chǔ)單元。訪問存儲(chǔ)單元中程序與數(shù)據(jù)必須先給出該單元地址。 存儲(chǔ)器主要由存

8、儲(chǔ)體、地址寄存器與譯碼線路、讀寫電路與數(shù)據(jù)寄存器、控制線路等構(gòu)成，包括ROM（只讀存儲(chǔ)器）和RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）兩種。,3. 存儲(chǔ)器,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,15,輸入設(shè)備的任務(wù)是輸入用戶提供的原始信息，并且將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的信息。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。,4. 輸入設(shè)備,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,16,輸出設(shè)備的任務(wù)是將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果以能被人們接受的或能為其他計(jì)算機(jī)所接受的形式輸出。常用的輸出設(shè)備有：打印機(jī)、顯示器、繪圖儀等。 一般情況下，由于輸入、輸出設(shè)備種類繁多而且速度各異，因此它們一般不是直接同高速工作的主機(jī)相連接，而是通過適配器部件與主機(jī)

9、相聯(lián)系，適配器的作用相當(dāng)于一個(gè)轉(zhuǎn)換器。,5. 輸出設(shè)備,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,17,說明：除了上述五個(gè)部件外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還必須有總線。計(jì)算機(jī)通過總線將五大部件連接起來，總線是它們相互通信的公共通路，主要任務(wù)是在各部件之間傳送地址信息、數(shù)據(jù)信息和控制信息。因此，總線通常包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。,思考：聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用，請列舉你所熟知計(jì)算機(jī)的輸入/輸出設(shè)備都有那些？,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,18,1.2 計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng),監(jiān)控程序計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)語言處理程序應(yīng)用軟件科學(xué)計(jì)算 數(shù)據(jù)處理自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)工程設(shè)計(jì) 軟件（Software）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用的各種程序，

10、而軟件系統(tǒng)是指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)工作的程序集合。軟件系統(tǒng)所包含的內(nèi)容非常豐富，因而對其分類也較為困難。圖1-3給出了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件分類，整個(gè)軟件系統(tǒng)按其功能分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,19,圖1-3 計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng),2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,20,系統(tǒng)軟件主要功能是對整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度、管理、監(jiān)視及服務(wù)等。它能夠使系統(tǒng)的各種資源得到合理的調(diào)度和高效的使用，并能監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)故障就能自動(dòng)保護(hù)現(xiàn)場信息使之不受破壞，并診斷出故障部位。它還可以幫助用戶調(diào)試程序、查找程序中的錯(cuò)誤等。,1.2.1 系統(tǒng)軟件,系統(tǒng)軟件主要分類及其基本

11、功能如下：,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,21,操作系統(tǒng)是一組控制程序的總稱。可以用它控制和管理計(jì)算機(jī)的各種資源，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)化。它是系統(tǒng)軟件中最核心的組成部分，其主要任務(wù)有兩個(gè)：一是管好計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部資源，使它們能充分發(fā)揮作用、高效率的工作。在這里所提及的資源是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種功能部件，主要包括微處理器、存儲(chǔ)器、各種外部設(shè)備、各種軟件。二是為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和用戶之間提供接口，使用戶利用操作系統(tǒng)提供的功能去使用計(jì)算機(jī)，進(jìn)而在用戶面前展現(xiàn)的是一臺(tái)功能強(qiáng)、使用方便的計(jì)算機(jī)。,1. 操作系統(tǒng)（Operating System）,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,22,一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以配置

12、不同類型的操作系統(tǒng)，常用的操作系統(tǒng)類型有： （1）單用戶操作系統(tǒng)，用于系統(tǒng)規(guī)模不大又要求完成較廣泛任務(wù)的場合，例如：MS-DOS、PC-DOS、CP/M等。,操作系統(tǒng)由執(zhí)行程序、調(diào)度程序、中斷處理和中斷服務(wù)程序、設(shè)備處理程序、存儲(chǔ)管理程序、程序庫管理程序等模塊組成。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,23,（2）多用戶操作系統(tǒng)，又稱為分時(shí)系統(tǒng)，用于多個(gè)用戶需要同時(shí)使用計(jì)算機(jī)的場合，例如：Unix、Linux、OS/2、Windows 98/2000/XP、Windows Vista等。 （3）網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，用于需要對網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)信息共享的場合，例如：NetWare、Windows N

13、T等。 （4）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用于在嚴(yán)格時(shí)間范圍內(nèi)，對外部請求做出反應(yīng)，系統(tǒng)具有高度可靠性的場合，例如：Windows CE、UcLinux、Rdos等。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,24,目前，新一代操作系統(tǒng) Windows Vista已投入使用。Windows Vista是美國微軟公司開發(fā)代號(hào)為長角(Longhorn)的下一版本Microsoft Windows操作系統(tǒng)的正式名稱。它是繼Windows XP和Windows Server 2003之后的又一重要的操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)帶有許多新的特性和技術(shù)，改進(jìn)或新增加了包括Windows防火墻、無線網(wǎng)絡(luò)鏈接、家長控制、安全中心、Window

14、s Movie Maker、圖片庫、反病毒、間諜軟件、網(wǎng)絡(luò)映射、搜索、圖片收藏夾、Windows Media Player、支持RSS的Outlook Express、P2P Messenger等更多功能。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,25,用戶往往是用某一種程序設(shè)計(jì)語言來編寫程序，也就是常說的源程序。但計(jì)算機(jī)只能識(shí)別二進(jìn)制信息，語言處理程序的實(shí)質(zhì)就是完成翻譯計(jì)算機(jī)各種語言的一組程序。其主要任務(wù)是對用戶使用的各種語言進(jìn)行處理，進(jìn)而使計(jì)算機(jī)能完成用戶以各種語言所描述的任務(wù)。在軟件分類中，除了將語言處理程序劃分為系統(tǒng)軟件外，各種程序設(shè)計(jì)語言也被視為系統(tǒng)軟件。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中，程序設(shè)計(jì)語言主要包

15、括以下種類。,2. 語言處理程序,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,26,（1）機(jī)器語言：是一種用二進(jìn)制形式表示的，并且能夠直接被計(jì)算機(jī)硬件識(shí)別和執(zhí)行的語言。機(jī)器語言與計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)相關(guān)，也就是說，機(jī)器語言因計(jì)算機(jī)不同而異。利用機(jī)器語言編寫的程序稱之為機(jī)器語言程序。機(jī)器語言的缺點(diǎn)是：不易書寫，可閱讀性差，出錯(cuò)也不易修改。 （2）匯編語言：是一種將機(jī)器語言符號(hào)化的語言，它用形象、直觀、便于記憶的字母、符號(hào)來代替數(shù)字編碼的機(jī)器指令。匯編語言的語句與機(jī)器指令一一對應(yīng)，不同的計(jì)算機(jī)具有不同的匯編語言。用匯編語言寫的程序稱為匯編語言程序。例如：Nasm、Masm、Tasm等都屬于匯編語言程序。,200

16、7.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,27,（3）高級(jí)語言：是一種與具體計(jì)算機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)不相關(guān)的，表達(dá)方式接近于被描述的問題的程序設(shè)計(jì)語言。高級(jí)語言程序具可書寫性和可閱讀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。高級(jí)語言程序在計(jì)算機(jī)并不能直接執(zhí)行，需要利用編譯程序或解釋程序?qū)⑵浞g成機(jī)器語言程序后再執(zhí)行。例如：Basic、Fortran、Pascal、C語言、Delphi、C+、Java等都屬于高級(jí)語言程序。 （4）面向?qū)ο笳Z言：是當(dāng)今軟件開發(fā)的主流方法和技術(shù)。面向?qū)ο笳Z言具有的抽象性、封裝性、模塊性、繼承性和多態(tài)性，以及支持自頂向下和自底向上的軟件開發(fā)風(fēng)范和良好的可維護(hù)性日益被人們重視。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,28,并且

17、面向?qū)ο蟮乃枷胍呀?jīng)滲透到了計(jì)算機(jī)科學(xué)的其他領(lǐng)域，如操作系統(tǒng)、人工智能、數(shù)據(jù)庫、分布式計(jì)算和并行計(jì)算等領(lǐng)域，并成為這些領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。例如：Java、C+、Visual Basic、Visual C+、Delphi等都屬于面向?qū)ο笳Z言。,注意：面向?qū)ο笳Z言均屬于高級(jí)語言，但并不是所有的高級(jí)語言都是面向?qū)ο笳Z言，例如：C語言是高級(jí)語言但不是面向?qū)ο笳Z言。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,29,服務(wù)性程序又稱實(shí)用程序，是為系統(tǒng)提供各種服務(wù)性手段而設(shè)置的一組程序。其主要功能是完成對用戶程序的裝入、連接、編輯、查錯(cuò)和糾錯(cuò)以及硬件故障診斷等工作。服務(wù)性程序執(zhí)行的過程和詳細(xì)功能如下：,3. 服務(wù)性程序,（

18、1）裝入計(jì)算機(jī)。在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，首先必須將程序從機(jī)器的外部經(jīng)由各種外部設(shè)備（如磁盤驅(qū)動(dòng)器等）裝入內(nèi)存，這個(gè)功能由裝入程序完成。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,30,（2）連接程序。在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)大的源程序常被分成若干個(gè)相對獨(dú)立的程序模塊，分別編譯為相應(yīng)的目標(biāo)模塊，這些獨(dú)立的目標(biāo)模塊必須連成一個(gè)程序后才能投入運(yùn)行。完成這一功能的程序叫做連接程序。,（3）編輯程序。編輯程序是為用戶編制源程序提供的一種編輯手段，利用它用戶可以方便的編寫、修改、刪除或補(bǔ)充源程序。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,31,（4）數(shù)制轉(zhuǎn)換程序。數(shù)制轉(zhuǎn)換程序可以使用戶直接用十進(jìn)制數(shù)輸入，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成所能識(shí)別的

19、二進(jìn)制數(shù)。,（5）診斷程序。診斷程序用于診斷硬件的故障。當(dāng)機(jī)器在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，診斷程序啟動(dòng)運(yùn)行，查出機(jī)器的故障部位。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,32,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Database Management Systems），簡稱DBMS，是管理數(shù)據(jù)庫的軟件。數(shù)據(jù)庫是為適應(yīng)大型企業(yè)的數(shù)據(jù)處理和信息管理的需要而在文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。,4. 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),文件是一組相互關(guān)聯(lián)的信息（稱之為記錄）的集合，即文件描述具有相同性質(zhì)的一組記錄。對這些文件的組織和管理的程序構(gòu)成了文件系統(tǒng)，它是操作系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，但由于各個(gè)用戶建立的文件系統(tǒng)其數(shù)據(jù)不能共享，造成大量重復(fù)，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)的結(jié)

20、構(gòu)不一致性，而且各種文件缺乏統(tǒng)一的管理機(jī)構(gòu)。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,33,為了克服上述缺點(diǎn)，數(shù)據(jù)庫用一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)軟件來集中管理所有的文件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，這就是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。例如：FoxPro、Access、 Oracle、SQL Server等都屬于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。,1.2.2 應(yīng)用軟件,應(yīng)用軟件是用戶利用計(jì)算機(jī)及其提供的系統(tǒng)軟件為解決各種實(shí)際問題而編制的計(jì)算機(jī)程序，是指除了系統(tǒng)軟件以外的所有軟件，由各種應(yīng)用軟件包和面向問題的各種應(yīng)用程序組成。由于計(jì)算機(jī)已滲透到了各個(gè)領(lǐng)域，因此，應(yīng)用軟件是多種多樣的。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,34,應(yīng)用軟件主要是為用戶提供在各個(gè)具體應(yīng)

21、用領(lǐng)域中的輔助功能，它也是絕大多數(shù)用戶學(xué)習(xí)、使用計(jì)算機(jī)時(shí)最感興趣的內(nèi)容。如計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件Auto CAD、辦公軟件Office、圖形圖像處理軟件Photoshop、網(wǎng)絡(luò)下載軟件網(wǎng)際快車、迅雷等。,說明：對計(jì)算機(jī)軟件分類，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的劃分并不是一成不變的，一些具有通用價(jià)值的應(yīng)用程序也可納入系統(tǒng)軟件之中，作為一種資源提供給用戶。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,35,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是一個(gè)十分復(fù)雜的硬件、軟件結(jié)合的整體。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過程是軟硬件分層次相互配合完成的，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1-4所示的。圖中表明了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件之間的相互關(guān)系，同時(shí)也說明了從用戶提出任務(wù)到硬件執(zhí)行

22、的過程。,1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,36,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)共分為五級(jí)。第1級(jí)是微程序設(shè)計(jì)級(jí)，這是一個(gè)實(shí)際存在的硬件級(jí)，由硬件直接執(zhí)行微指令。第2級(jí)是機(jī)器語言級(jí)，它由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)，該級(jí)也屬于硬件級(jí)。第3級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)，該級(jí)采用機(jī)器語言解釋執(zhí)行，既涉及軟件資源，也涉及硬件資源，即在操作系統(tǒng)的控制之下調(diào)用系統(tǒng)的硬件與軟件資源。第4級(jí)是匯編語言級(jí)，這一級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行。第5級(jí)是高級(jí)語言級(jí)，這一級(jí)由各種高級(jí)語言編譯程序支持和執(zhí)行，它是面向用戶的，所編寫的程序稱之為用戶程序，這一級(jí)也屬于軟件級(jí)。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,37,圖1-4

23、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu),2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,38,總之，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍越來越廣?，F(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了一種固件技術(shù)，可以把一些常用的程序直接制作成硬件的器件，以硬件方式來實(shí)現(xiàn)軟件功能。固件技術(shù)的研究已成為重要的研究課題，隨著固件技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的軟件和硬件都將得到進(jìn)一步的簡化。,思考：結(jié)合軟件分類的方法，請對你日常生活、學(xué)習(xí)所用的軟件進(jìn)行合理的分類，并說明原因。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,39,1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用,1.3.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史,1946年，美國賓夕法尼亞大學(xué)研制出了世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，

24、這臺(tái)計(jì)算機(jī)的名字稱為ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator)，即電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī)。它采用了18000個(gè)電子管，重30噸，占地170平方米。該機(jī)的字長為10位十進(jìn)制，計(jì)算速度每秒5000次，每次最多只能存儲(chǔ)20個(gè)字長為10位的十進(jìn)制數(shù)。計(jì)算程序是通過“外接”的線路實(shí)現(xiàn)的。這臺(tái)ENIAC是一個(gè)專用機(jī)，它是最早誕生的一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)始祖。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,40,自1946年第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)的發(fā)展以計(jì)算機(jī)硬件的邏輯元器件為標(biāo)志，大致經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路到大規(guī)模和超

25、大規(guī)模集成電路等4個(gè)發(fā)展階段。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,41,從1946年至1956年是電子管數(shù)字計(jì)算機(jī)時(shí)代。計(jì)算機(jī)的邏輯元件采用電子管。主存儲(chǔ)器采用磁芯、磁鼓，外存采用磁帶。電子管數(shù)字計(jì)算機(jī)主要特點(diǎn)是體積大、功耗大、運(yùn)算速度每秒只有幾千次到幾萬次、價(jià)格昂貴、可靠性差。程序設(shè)計(jì)主要采用機(jī)器語言和匯編語言。主要應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算。雖然，電子管數(shù)字計(jì)算機(jī)有很多缺陷，但是它的體系結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計(jì)思想為以后計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。,1第一代計(jì)算機(jī),2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,42,從1957年至1964年是晶體管數(shù)字計(jì)算機(jī)時(shí)代。計(jì)算機(jī)的邏輯元件采用晶體管。主存儲(chǔ)器采用磁芯，外存儲(chǔ)器采

26、用先進(jìn)的磁盤。晶體管數(shù)字計(jì)算機(jī)主要特點(diǎn)是體積小、重量輕、耗電少、運(yùn)算速度每秒達(dá)十萬次以上、可靠性好。晶體管數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使軟件有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了多種用途的操作系統(tǒng)，以及各種各樣的高級(jí)語言，如FORTRAN、COBOL等高級(jí)語言。應(yīng)用以各種數(shù)據(jù)處理、事務(wù)處理為主，并開始用于工業(yè)控制。,2第二代計(jì)算機(jī),2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,43,從1965年至1970年是集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代。計(jì)算機(jī)的邏輯元件采用中、小規(guī)模集成電路；用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器代替磁芯存儲(chǔ)器，采用流水線、多道程序和并行處理技術(shù)。集成電路計(jì)算機(jī)主要特點(diǎn)是體積更小、速度快、精度高、功能強(qiáng)、計(jì)算機(jī)成本進(jìn)一步下降。在此期間軟件向系列化、

27、多樣化發(fā)展，軟件逐漸完善，分時(shí)操作系統(tǒng)、會(huì)話式語言等多種高級(jí)語言已經(jīng)出現(xiàn)，并且提出了模塊化與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的思想。在發(fā)展大型機(jī)的同時(shí)，“小型計(jì)算機(jī)”開始出現(xiàn)。計(jì)算機(jī)品種開始向多樣化、系列化發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。,3第三代計(jì)算機(jī),2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,44,從1971年以后是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代。計(jì)算機(jī)的邏輯元件以大、超大規(guī)模集成電路為主要功能器件。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)主要特點(diǎn)是速度更快、集成度更高、軟件豐富、有通訊功能、軟硬密切配合。在此期間硬件和軟件的技術(shù)日益完善，計(jì)算速度每秒千萬次/億次以上，計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)也開始以分布式處理來組織系統(tǒng)。同時(shí)，大型機(jī)、中型機(jī)

28、、超小型機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、智能模擬、軟件工程等都有了新的發(fā)展。應(yīng)用開始進(jìn)入尖端科學(xué)、軍事工程、空間技術(shù)和大型事務(wù)處理等社會(huì)技術(shù)和社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域。,4第四代計(jì)算機(jī),2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,45,隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，20世紀(jì)70年代計(jì)算機(jī)開始向微型化方向展。1971年美國Inter公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)出了第一個(gè)微處理器，而后與IBM公司合作生產(chǎn)了第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，開創(chuàng)了微型計(jì)算機(jī)的新時(shí)代。 微型計(jì)算機(jī)具有體積小、重量輕、功耗低、功能強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)靈活、使用環(huán)境要求低、價(jià)格低廉等一系列特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用和飛速的發(fā)展。目前，微型計(jì)算機(jī)已進(jìn)入雙核心甚至多核心時(shí)代。傳統(tǒng)單核處理器相比

29、，又雙核心處理器加入了五項(xiàng)主要改革：寬動(dòng)態(tài)指令執(zhí)行、智能電源管理（、智能緩存技術(shù)、智能緩存加速及高級(jí)數(shù)字媒體增強(qiáng)。新技術(shù)的應(yīng)用使雙核心處理器在工作效率、節(jié)能、多媒體操作以及網(wǎng)絡(luò)操作方面表現(xiàn)的更為優(yōu)越。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,46,從80年代開始，日本、美國和歐洲紛紛進(jìn)行第五代計(jì)算機(jī)的研制工作，目前第五代計(jì)算機(jī)有以下幾個(gè)研究方向：,（2）生物計(jì)算機(jī)運(yùn)用生物工程技術(shù)，蛋白分子作芯片，可以使計(jì)算機(jī)體積更小，存儲(chǔ)量更大，智能化更強(qiáng)；,（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)模擬人的大腦思維，可同時(shí)并行處理大量實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)，并引出結(jié)論；,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,47,小知識(shí)：生物計(jì)算機(jī)一旦研制成功，

30、其運(yùn)算速度是目前傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)根本無法比擬的，它幾十小時(shí)的運(yùn)算量就相當(dāng)于目前全球所有計(jì)算機(jī)運(yùn)算量的總和。生物計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量也大得驚人?？茖W(xué)家采用有機(jī)的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的生物芯片代替由無機(jī)材料制作的硅芯片，其大小僅為現(xiàn)在所用的硅芯片的十萬分之一，而集成度卻極大地提高，如用血紅素制成的生物芯片，1平方毫米能容納10億個(gè)門電路，其開關(guān)速度達(dá)到10微微秒。此外生物芯片具備的低阻抗、低能耗的性質(zhì)使他們擺脫了傳統(tǒng)半導(dǎo)體元件散熱的困擾，從而克服了長期以來集成電路制作工藝復(fù)雜、電路因故障發(fā)熱熔化以及能量消耗大等弊端，給計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展開拓了廣闊的前景。此外，生物計(jì)算機(jī)的元件密度比人的神經(jīng)密度還要高100萬倍，而且

31、其傳遞信息的速度也比人腦進(jìn)行思維的速度快100萬倍。它即快捷，又準(zhǔn)確，可以直接接受人腦的指揮，成為人腦的外延或擴(kuò)充部分，它以從人體細(xì)胞吸收營養(yǎng)的方式來補(bǔ)充能量，而不需要外界的任何其他能量。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,48,（3）光子計(jì)算機(jī)用光作為信息載體，通過對光的處理來完成對信息的處理，可提高運(yùn)算速度、降低耗能。 新一代計(jì)算機(jī)與前四代計(jì)算機(jī)的本質(zhì)區(qū)別是：計(jì)算機(jī)的主要功能將從信息處理上升為知識(shí)處理，使計(jì)算機(jī)具有人類的某些智能，所以又稱為人工智能計(jì)算機(jī)。通常認(rèn)為，第五代計(jì)算機(jī)具有以下幾個(gè)方面的功能： （1） 具有處理各種信息的能力。除目前計(jì)算機(jī)能處理離散數(shù)據(jù)外，第五代計(jì)算機(jī)還能對聲音、文

32、字和圖象等形式的信息進(jìn)行識(shí)別處理。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,49,（2）具有學(xué)習(xí)、聯(lián)想、推理和解釋問題的能力。 （3）具有對人的自然語言的理解能力。即只需把要處理或計(jì)算的問題，用自然語言寫出要求及說明，計(jì)算機(jī)就能理解其意，按人的要求進(jìn)行處理或計(jì)算，而現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)需要使用專門的計(jì)算機(jī)語言把處理過程與數(shù)據(jù)描述出來。對第五代計(jì)算機(jī)來說，只需告訴它“做什么”，而不必告訴它“怎么做”。 總之，第五代計(jì)算機(jī)將采用多媒體技術(shù)把聲音、圖形、圖象系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，使計(jì)算機(jī)具有像人一樣的能聽、能看、能想、能說、能寫等功能，甚至研制生產(chǎn)出具有某些“情感”、“智力”的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。,思

33、考：請結(jié)合智能計(jì)算機(jī)的發(fā)展情況，智能計(jì)算機(jī)在實(shí)際生活中的應(yīng)用有那些？,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,50,電子計(jì)算機(jī)是一種由電子線路構(gòu)成的設(shè)備，它能對信息進(jìn)行記憶、傳送和處理，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算的功能。計(jì)算機(jī)的分類方法一般有如下幾種。,1.3.2 計(jì)算機(jī)的分類,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,51,一般可分為數(shù)字計(jì)算機(jī)、模擬計(jì)算機(jī)。 數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的是離散的數(shù)字量。通常用脈沖的有無或電平的高低表示二進(jìn)制數(shù)字“1”和“0”，其不同的組合表示大小不同的數(shù)值，只要增加組合的位數(shù)就可增加表示數(shù)的范圍和精度。因此，只要不考慮設(shè)備的代價(jià)，數(shù)字計(jì)算機(jī)所表示的數(shù)值范圍與精度幾乎沒有限制。我們通常所說的計(jì)算機(jī)，

34、如未特別說明，均指的是數(shù)字計(jì)算機(jī)，簡稱為計(jì)算機(jī)。,1. 按信息的形式及處理方式,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,52,模擬計(jì)算機(jī)處理的信息是連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、距離、速度等等。,模擬計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度快，但精度不高，且每做一次運(yùn)算需重新設(shè)計(jì)和編排線路，故通用性不強(qiáng)，信息的存儲(chǔ)也較為困難。模擬計(jì)算機(jī)多用于解數(shù)學(xué)方程或自動(dòng)控制模擬系統(tǒng)的連續(xù)變化過程。目前，在很多應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)字計(jì)算機(jī)已經(jīng)取代模擬計(jì)算機(jī)。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,53,數(shù)字計(jì)算機(jī)按其用途即應(yīng)用特點(diǎn)可分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)。 通用計(jì)算機(jī)就是我們通常所說的計(jì)算機(jī)。它通常根據(jù)不同的計(jì)算機(jī)系列型號(hào)配備一定的外設(shè)，配備多

35、種系統(tǒng)軟件，如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及多種工具軟件。只要再配備相應(yīng)的應(yīng)用軟件，就可應(yīng)用于各種領(lǐng)域。通用機(jī)的特點(diǎn)是通用性強(qiáng)，功能全。,2. 按計(jì)算機(jī)的用途,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,54,專用計(jì)算機(jī)是針對某一特定應(yīng)用領(lǐng)域或面向某種算法的計(jì)算機(jī)，這種機(jī)器由于功能單一，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，可靠性較高，使其在軍事和工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如某一工業(yè)過程控制計(jì)算機(jī)，軍事上特定武器裝備的控制指揮儀，以及目前已廣泛應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。專用機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及專用軟件是專門針對其應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，因而對該領(lǐng)域是高效的。專用機(jī)若用于其他領(lǐng)域，則效率極低甚至無法運(yùn)行。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原

36、理,55,所謂規(guī)模，是綜合計(jì)算機(jī)的多方面因素而言，通常涉及運(yùn)算速度、機(jī)器字長、存儲(chǔ)容量、外部設(shè)備等硬件配置，以及軟件、價(jià)格等諸多方面。因此，按規(guī)模分類實(shí)際也即按計(jì)算機(jī)的性能來分類。由于計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，這種規(guī)?；蛐阅艿母拍钜彩窃诓粩嘧兓?。昔日的大型機(jī)，其性能可能趕不上現(xiàn)在的微型機(jī)。盡管如此，計(jì)算機(jī)業(yè)界仍習(xí)慣將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)等幾種類型。,3. 按計(jì)算機(jī)的規(guī)模,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,56,也稱為超級(jí)計(jì)算機(jī)，它是一個(gè)國家科技水平、經(jīng)濟(jì)實(shí)力和軍事威力的象征。巨型機(jī)速度最快，性能最強(qiáng)，技術(shù)最復(fù)雜，具有巨大的數(shù)值計(jì)算和信息處理能力，是每個(gè)時(shí)代計(jì)算機(jī)高

37、精尖技術(shù)的集中代表。目前巨型計(jì)算機(jī)一般字長64位，每秒平均執(zhí)行上百億次浮點(diǎn)運(yùn)算，主存容量14百萬字以上，其高速數(shù)據(jù)通道每秒可傳送數(shù)據(jù)幾千萬個(gè)字以上，具有豐富的系統(tǒng)軟件。目前世界上最快速的計(jì)算機(jī)都采用大規(guī)模并行處理MPP（Massively Parallel Processing）技術(shù)，每臺(tái)現(xiàn)代巨型機(jī)都擁有數(shù)百至上萬個(gè)處理器。1983年我國自行研制出了第一臺(tái)銀河巨型機(jī)，如圖1-5所示。此后，我國自行研制的銀河型巨型機(jī)每秒運(yùn)算可達(dá)到120億次，如圖1-6所示?，F(xiàn)在，我國正在研制更高性能的巨型機(jī)。,（1）巨型機(jī),2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,57,圖1-5 第一臺(tái)銀河巨型機(jī),圖1-6 銀河巨型機(jī)

38、,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,58,大型計(jì)算機(jī)（Lang Scale Computer/Mainframe）是計(jì)算機(jī)家族中通用性最強(qiáng)，功能也很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)。一般字長3264位，每秒執(zhí)行數(shù)百萬到數(shù)千萬條指令，主存容量幾十萬到幾百字，有較多的外設(shè)和通信接口，有很強(qiáng)的I/O處理能力和豐富的系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件。大型機(jī)示例圖如圖 1-7,（2）大型計(jì)算機(jī),圖1-7 IBM大型機(jī),2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,59,小型計(jì)算機(jī)（Minicomputer）是性能較好、價(jià)格便宜、應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛的計(jì)算機(jī)。一般字長32位，速度每秒幾十萬到幾百萬次，內(nèi)存容量幾萬到幾十萬字，配有一定數(shù)量的外設(shè)與通信接口，支

39、持多種高級(jí)語言和匯編語言編寫的程序，有功能較強(qiáng)的操作系統(tǒng)。,（3）小型計(jì)算機(jī),HP的小型機(jī),2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,60,微型計(jì)算機(jī)（Microcomputer）簡稱微型機(jī)或微機(jī)，是以微處理器為中央處理器而組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,（4）微型計(jì)算機(jī),它是性能價(jià)格比最高、應(yīng)用領(lǐng)域最廣的一種計(jì)算機(jī)。近年來，微型機(jī)的發(fā)展最快、市場占有率最高，其許多性能達(dá)到甚至超過了小型機(jī)的水平。微型計(jì)算機(jī)正不斷向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、高性能、多用途發(fā)展。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,61,微型計(jì)算機(jī)的分類方法很多。按字長可分為8位、16位、32位、64位微型機(jī)計(jì)算機(jī);按組裝形式可分為非便攜式和便攜式微型計(jì)算機(jī)，

40、前者如臺(tái)式機(jī)（如圖1-8所示），后者是一種可移動(dòng)的微型機(jī)，如筆記本和掌上計(jì)算機(jī)（如圖1-9所示）。,圖1-8臺(tái)式機(jī),圖1-9筆記本,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,62,2007.7.2,62,按使用方式，一般將計(jì)算機(jī)分為工作站和服務(wù)器，這也是目前廣泛采用的實(shí)用的分類方法。這種分類方法是以網(wǎng)絡(luò)和分布式計(jì)算環(huán)境為背景的。,4. 按使用的方式,工作站,服務(wù)器,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,63,2007.7.2,63,工作站（Workstation）是以個(gè)人計(jì)算環(huán)境和分布式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境為基礎(chǔ)，具有良好的性能價(jià)格比。所謂個(gè)人計(jì)算環(huán)境是指為個(gè)人使用計(jì)算機(jī)創(chuàng)造一個(gè)盡可能易學(xué)易用的工作環(huán)境，為面向特

41、定應(yīng)用領(lǐng)域的人員提供一個(gè)具有友好人機(jī)界面的高效率工作平臺(tái)。分布式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境是指工作站在進(jìn)行信息處理時(shí)，可以通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器和其他工作站或計(jì)算機(jī)互通信息和共享資源。工作站的多功能是指它的高速運(yùn)算功能，適應(yīng)多媒體的應(yīng)用功能和知識(shí)處理功能，如圖1-10所示。,（1）工作站,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,64,2007.7.2,64,服務(wù)器（Server）是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境或在具有客戶服務(wù)器結(jié)構(gòu)的分布計(jì)算環(huán)境中，為客戶的請求提供服務(wù)的結(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)?？蛻舴?wù)器是實(shí)現(xiàn)資源共享的一種結(jié)構(gòu)，客戶是服務(wù)器的對象。在網(wǎng)絡(luò)和分布式計(jì)算環(huán)境中，服務(wù)器提供大量公用的服務(wù)，如數(shù)據(jù)庫服務(wù)、WWW服務(wù)、文件服務(wù)、打印服務(wù)等。在設(shè)

42、計(jì)上，要求服務(wù)器具有更好的數(shù)據(jù)交換性能、極高的可用度、良好的安全性、很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，網(wǎng)絡(luò)和分布式計(jì)算環(huán)境中的工作站多充當(dāng)信息中心，如圖1-11所示。,（2）服務(wù)器,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,65,2007.7.2,65,圖1-10 工作站,圖1-11服務(wù)器,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,66,2007.7.2,66,數(shù)字計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)得到高速發(fā)展的原因主要是它的普及與應(yīng)用。如今，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用與普及已從軍事、科研、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域不斷向教育、文化、商業(yè)、貿(mào)易、以至娛樂、生活諸方面進(jìn)軍，所到之處均引起了巨大的變革。在應(yīng)用實(shí)踐中，人們對計(jì)算機(jī)的功能及特性不斷提出新的要求。正是基于這一原因

43、，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了極大的發(fā)展。 目前，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已達(dá)數(shù)千種。按照計(jì)算機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用可以大體上分為科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)控制、計(jì)算機(jī)輔助工程、辦公自動(dòng)化、數(shù)據(jù)通信和智能應(yīng)用等幾大類.,1.3.3 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,67,2007.7.2,67,科學(xué)研究和工程計(jì)算領(lǐng)域是計(jì)算機(jī)應(yīng)用最早的領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)的發(fā)明和發(fā)展，首先是為了解決科學(xué)技術(shù)和工程設(shè)計(jì)中大量的數(shù)學(xué)計(jì)算問題。因此，科學(xué)計(jì)算是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。例如大范圍的地區(qū)氣象預(yù)報(bào)信息，如果用人工計(jì)算需要幾天的時(shí)間完成，而用計(jì)算機(jī)處理這些信息很短時(shí)間就可以完成，使氣象預(yù)報(bào)具有實(shí)用價(jià)值。,1. 科學(xué)

44、計(jì)算,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,68,2007.7.2,68,目前，有效地使用數(shù)字計(jì)算機(jī)來求解數(shù)學(xué)問題，已經(jīng)形成一個(gè)專門的學(xué)科數(shù)值計(jì)算。許多計(jì)算領(lǐng)域的問題，如計(jì)算物理、計(jì)算力學(xué)、計(jì)算化學(xué)、計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)等均可歸結(jié)為數(shù)值計(jì)算問題。這類計(jì)算往往涉及到較復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，如求解上千階的微分方程組、大型的矩陣運(yùn)算等等。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,69,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu),69,人類已進(jìn)入信息化社會(huì)，各種信息浩如煙海。為認(rèn)識(shí)掌握這些信息，就需要對大量的信息進(jìn)行分析加工。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使信息處理工作實(shí)現(xiàn)起來非?？旖?，準(zhǔn)確。使科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)控制、組織管理、國防建設(shè)、文化教育、醫(yī)療服務(wù)

45、等領(lǐng)域的工作實(shí)現(xiàn)起來更加輕松。 數(shù)據(jù)處理的主要功能，是將輸入設(shè)備送來的數(shù)據(jù)及時(shí)記錄、整理、分類、加工、以得到所需要的信息。如企業(yè)管理、庫存管理、帳目計(jì)算、情報(bào)檢索、圖像處理等等，它們的特點(diǎn)是原始數(shù)據(jù)量大，算術(shù)運(yùn)算比較簡單，有大量的邏輯與判斷，處理的結(jié)果多以報(bào)表或文件形式存儲(chǔ)或輸出。,2. 數(shù)據(jù)處理,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,70,2007.7.2,70,實(shí)時(shí)控制是計(jì)算機(jī)在過程控制中的重要應(yīng)用。最初的過程控制主要應(yīng)用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星等現(xiàn)代化武器系統(tǒng)和航空航天等領(lǐng)域，而現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程。過程控制發(fā)揮著神經(jīng)系統(tǒng)的功能，由于高靈敏度、高精確度的控制，使得上述領(lǐng)域的工作能在人的意志控制下

46、準(zhǔn)確無誤地達(dá)到目的。例如由雷達(dá)和導(dǎo)彈發(fā)射器組成的防空系統(tǒng)，地鐵指揮控制系統(tǒng)，自動(dòng)化生產(chǎn)線等，都需要在計(jì)算機(jī)控制下運(yùn)行。,3. 實(shí)時(shí)控制,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,71,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu),71,計(jì)算機(jī)輔助工程是近幾年來迅速發(fā)展的一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，它包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD（Computer Aided Design)、計(jì)算機(jī)輔助制造CAM（Computer Aided Manufacture)和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CAI(Computer Assisted Instruction)等多個(gè)方面。 CAD廣泛應(yīng)用于船舶、飛機(jī)、汽車、建筑、電子等方面的設(shè)計(jì)。由計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)生的設(shè)計(jì)

47、結(jié)果通過圖形設(shè)備與設(shè)計(jì)人員交互，可及時(shí)對設(shè)計(jì)做出判斷和修改，最終完成設(shè)計(jì)工作。因此，采用CAD技術(shù)，提高了設(shè)計(jì)的自動(dòng)化水平，縮短了設(shè)計(jì)周期，減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)，也大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。,4. 計(jì)算機(jī)輔助工程,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,72,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu),72,CAM則是使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管理和生產(chǎn)過程的控制，例如，計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)汽車裝配生產(chǎn)線。,CAI使教學(xué)手段達(dá)到一個(gè)新的水平，即利用計(jì)算機(jī)模擬一般教學(xué)設(shè)備難以表現(xiàn)的物理或工作過程，并通過交互操作極大的提高了教學(xué)效率。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,73,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu),73,辦公

48、自動(dòng)化OA（Office Automation)指用計(jì)算機(jī)幫助辦公室人員處理日常工作。例如，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行文字處理，文擋管理，資料，圖象，聲音處理和網(wǎng)絡(luò)通信等。它既屬于信息處理的范圍，又是目前計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)較獨(dú)立的領(lǐng)域 。,5. 辦公自動(dòng)化,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,74,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu),74,數(shù)據(jù)通信主要是利用通信衛(wèi)星群和光導(dǎo)纖維構(gòu)成的計(jì)算機(jī)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息雙向交流，同時(shí)利用多媒體技術(shù)擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍。通信衛(wèi)星的覆蓋面廣，光導(dǎo)纖維傳輸?shù)男畔⒘看?，保密性好，他們的?yōu)勢互補(bǔ)，利用計(jì)算機(jī)將二者結(jié)合起來可在全球范圍內(nèi)雙向傳送包括電視圖象在內(nèi)的各種信號(hào)，把整個(gè)地球網(wǎng)絡(luò)

49、連接起來，使人們在家里就可以收看世界上任何一家電視臺(tái)的節(jié)目，通過屏幕與遠(yuǎn)在千里之外的友人面對面地通話?？傊?，以計(jì)算機(jī)為核心的信息高速公路的實(shí)現(xiàn)，將進(jìn)一步改變?nèi)藗兊纳罘绞健?6. 數(shù)據(jù)通信,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,75,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu),75,人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）是用計(jì)算機(jī)來模擬、延伸、擴(kuò)展人類的某些智力活動(dòng)，使計(jì)算機(jī)具有學(xué)習(xí)和推理能力。如今，人工智能的研究與應(yīng)用已在模式識(shí)別、景物分析、自然語言的理解與生成、博弈、自動(dòng)定理證明、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、專家系統(tǒng)、模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)、機(jī)器人等領(lǐng)域得到了重大的突破和快速的發(fā)展

50、，以機(jī)器人的研究為例，現(xiàn)已在機(jī)器人的視覺、觸覺、聲音識(shí)別等方面取得了較大的進(jìn)展，出現(xiàn)了越來越聰明靈巧的新型機(jī)器人智能機(jī)器人。,7. 人工智能,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,76,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu),76,上述七種應(yīng)用類型雖覆蓋了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的大多數(shù)領(lǐng)域，但并未能包括當(dāng)今計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范疇。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息高速公路的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用幾乎滲透到人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域，如電子商務(wù)、電子郵件、交互式通信、檢索查詢、電子游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、電子購物等等，人們可以進(jìn)入一個(gè)五彩繽紛的世界，暢游信息的海洋。計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用正改變著人類的生活方式，它標(biāo)志著人類進(jìn)入一個(gè)全新的社會(huì)信息化

51、社會(huì)。,思考：結(jié)合生活中你對計(jì)算機(jī)了解的情況，請分別舉例說明那些計(jì)算機(jī)屬于巨型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)？,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,77,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu),77,1.4 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用,精簡指令集計(jì)算機(jī)RISC（Reduced Instruction Set Computer）是美國加州伯克利分校的帕特遜等人于1979年提出的。RISC結(jié)構(gòu)是相對于傳統(tǒng)的采用微程序結(jié)構(gòu)的復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC（Complex Instruction Set Computer）結(jié)構(gòu)而言的。它的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。,1.4.1 精簡指令集計(jì)算機(jī),2007.7.2,

52、計(jì)算機(jī)組成原理,78,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu),78,傳統(tǒng)的CISC指令集隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而引入了各種各樣的復(fù)雜指令，使得指令集和為此要實(shí)現(xiàn)這些指令功能的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，不堪重負(fù)。經(jīng)過大量的研究和分析，發(fā)現(xiàn)在CISC的指令集中，各種指令的使用頻度相當(dāng)懸殊。計(jì)算機(jī)在運(yùn)行程序中，大概僅有20%的指令被反復(fù)使用，使用量約占整個(gè)程序的80%；而有80%的指令則很少使用，其使用量約占整個(gè)程序的20%。這就是所謂的“二八定律”。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,79,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu),79,復(fù)雜的指令系統(tǒng)必然增加硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時(shí)間和成本，而且由于

53、復(fù)雜指令需要進(jìn)行復(fù)雜的操作，很難實(shí)現(xiàn)流水線執(zhí)行，從而影響了機(jī)器的速度。為了解決上述問題，RISC微處理器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用得到了較快的發(fā)展。一般來說，RISC處理器比同等的CISC處理器要快50%75%，同時(shí)RISC處理器更容易設(shè)計(jì)和糾錯(cuò)。 RISC是在繼承CISC的成功技術(shù)并克服CISC的缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生并發(fā)展起來的。RISC的著眼點(diǎn)不簡單地放在簡化指令系統(tǒng)上，而是通過簡化指令使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更合理，從而提高運(yùn)算速度。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,80,例如：計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所需要的時(shí)間P可用下式表示： P = I CPI T 其中，I是高級(jí)語言編譯后在機(jī)器上運(yùn)行的指令數(shù)，CPI為執(zhí)行每條指令所

54、需的平均周期數(shù)，T是每個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。 由于RISC指令比較簡單，原CISC機(jī)中比較復(fù)雜的指令在這里用子程序來代替，因此RISC的I要比CISC的多20%40%。但是RISC的大多數(shù)指令只用一個(gè)機(jī)器周期實(shí)現(xiàn)，所以CPI的值要比CISC小得多。同時(shí)因?yàn)镽ISC結(jié)構(gòu)簡單，所以完成一個(gè)操作所經(jīng)過的數(shù)據(jù)通路較短，使得T值大為減少。后來，RISC的硬件結(jié)構(gòu)有很大改進(jìn)，一個(gè)機(jī)器周期平均可完成一條以上指令，甚至可達(dá)幾條指令。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,81,RISC的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為： （1）選取使用頻度最高的一些簡單指令和很有用但并不復(fù)雜的指令； （2）指令的長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少；

55、 （3）只有取數(shù)存數(shù)指令訪問存儲(chǔ)器，其余指令操作都在寄存器之間進(jìn)行； （4）采用指令流水線操作，實(shí)現(xiàn)指令并行操作； （5）大部分指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成； （6）CPU中通用寄存器的數(shù)目相當(dāng)多； （7）以硬布線控制為主，不用或少用微程序控制，以加快指令執(zhí)行速度。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,82,目前，RISC指令微處理器在嵌入式計(jì)算機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)生產(chǎn)RISC指令微處理器的公司也越來越多，比如：英國的ARM公司設(shè)計(jì)的ARM7、ARM9、ARM10、ARM11等系列RISC指令微處理器；IBM公司的Power PC；DEC公司的Alpha；HP公司的HPPA；MIPA公司的R1

56、0000；SUN公司的Ultra SPARC等。,1.4.2 嵌入式計(jì)算機(jī),嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,83,嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和IO端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（OS）和應(yīng)用程序編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,84,1.嵌入式微處理器,嵌入式計(jì)算機(jī)的核心是嵌入式微處理器（如圖

57、1-13所示）。嵌入式微處理器一般就具備以下4個(gè)特點(diǎn)：,（2）具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷。,（1）對實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,85,（3）可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，能擴(kuò)展出滿足應(yīng)用需求的高速嵌入式微處理器。,（4）嵌入式微處理器功耗低，適合用于便攜式的無線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備。,圖1-13 嵌入式微處理器,2007.7.2,計(jì)算機(jī)組成原理,86,嵌入式計(jì)算機(jī)在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)，一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了若干個(gè)嵌入式微處理器，鍵盤、鼠標(biāo)、軟驅(qū)、硬盤、顯卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)字相機(jī)、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均是嵌入