计算机系统组成原理计算机基础

1、1.21.1作业作业1.3第第1 1章章 计算机系统组成基础计算机系统组成基础1.21.1作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业1.3ENIAC电子管计算机电子管计算机1.21.1作业作业作业作业1.3TRADIC全晶体管计算机全晶体管计算机 1.21.1作业作业作业作业1.3 IBM360集成电路计算机集成电路计算机 1.21.1作业作业作业作业1.3IBM 370系列机系列机 （LSI或或VLSI）1.21.1作业作业作

2、业作业作业作业作业作业1.319861986年之后的年之后的1616年，计算机系统性能的提高更以年，计算机系统性能的提高更以50%50%的速度持续增长。进入新世纪以来，基于微处理器的的速度持续增长。进入新世纪以来，基于微处理器的计算机占据了统治地位，工作站和计算机占据了统治地位，工作站和PCPC成为计算机产品成为计算机产品的主流。基于微处理器的服务器取代了基于逻辑电路的主流。基于微处理器的服务器取代了基于逻辑电路或门阵列的小型机，由多个微处理器构成的多处理器或门阵列的小型机，由多个微处理器构成的多处理器系统已经取代了大型机。甚至以复杂计算为主的高端系统已经取

3、代了大型机。甚至以复杂计算为主的高端的超级计算机也由多个高性能微处理器构成。的超级计算机也由多个高性能微处理器构成。1.21.1作业作业作业作业作业作业作业作业1.3超级计算机超级计算机“星云星云”1.21.1作业作业1.3天河一号超级计算机天河一号超级计算机1.21.1作业作业1.3微处理器（微处理器（Microprocessor，简称，简称P）集成）集成了计算机的主要部件了计算机的主要部件控制器和运算器。控制器和运算器。微处理器的出现为微型计算机的诞生奠定了微处理器的出现为微型计算机的诞生奠定了基础，为计算机技术的发展和普及开辟了崭基础

4、，为计算机技术的发展和普及开辟了崭新的途径，是计算机科学技术发展史上的一新的途径，是计算机科学技术发展史上的一个新的里程碑。个新的里程碑。 1.21.1作业作业1.31971年，诞生了最早的微处理器年，诞生了最早的微处理器Intel 4004，字长，字长4位。位。基本特点：基本特点： 采用采用 PMOS 工艺，集成度低（工艺，集成度低（4000个晶体管个晶体管/片）。片）。 系统结构和指令系统简单，指令数目较少（系统结构和指令系统简单，指令数目较少（20 多多条指令），基本指令周期为条指令），基本指令周期为2050s。 主要采用机器语言或简单的汇编语言。主要采用机器语言或简单的汇编语言。 用于

5、家电和简单的控制场合。用于家电和简单的控制场合。 1.21.1作业作业1.31974年至年至1977年是年是8位中高档微机的兴旺时期，其位中高档微机的兴旺时期，其典型产品是苹果公司的典型产品是苹果公司的Apple IIe（采用（采用6502微处理微处理器）器）基本特点：基本特点： 采用采用NMOS工艺。工艺。 指令系统比较完善，具有典型的计算机体系结构和指令系统比较完善，具有典型的计算机体系结构和中断、中断、DMA等控制功能。等控制功能。 采用汇编语言、采用汇编语言、BASIC、FORTRAN等高级语言和等高级语言和相应的解释程序和编译程序，在后期还出现了操作相应的解释程序和编译程序，在后期还

6、出现了操作系统，如系统，如CM/P就是当时流行的操作系统。就是当时流行的操作系统。1.21.1作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业1.

7、31.21.1作业作业作业作业作业作业1.3 计算机网络的发展，特别是计算机网络的发展，特别是WWWWWW网的普及，服务网的普及，服务器在提供大规模文件及计算服务方面作用日趋明显。器在提供大规模文件及计算服务方面作用日趋明显。服务器基本上取代了传统的大中型机而成为企业进服务器基本上取代了传统的大中型机而成为企业进行大规模信息处理的中枢。服务器的关键特性一个行大规模信息处理的中枢。服务器的关键特性一个是可靠性，很难想象，一个管理重要网站的服务器是可靠性，很难想象，一个管理重要网站的服务器系统出现故障会带来的灾难性的损失。另一个是可系统出现故障会带来的灾难性的损

8、失。另一个是可扩展性，服务需求或功能需求的增长，要求服务器扩展性，服务需求或功能需求的增长，要求服务器在存储容量、在存储容量、I/OI/O带宽、处理能力等方面应能进行有带宽、处理能力等方面应能进行有效升级。效升级。 服务器的主要设计目标就是高效的吞吐量，即服务器的主要设计目标就是高效的吞吐量，即以每分钟处理的事务数或每秒提供的页面数来衡量。以每分钟处理的事务数或每秒提供的页面数来衡量。1.21.1作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业1.31.

9、21.1作业作业作业作业1.3（5 5）针对特定应用需要而研制了各种专用计算机，）针对特定应用需要而研制了各种专用计算机，如快速傅里叶变换机器、过程控制计算机、嵌入式计如快速傅里叶变换机器、过程控制计算机、嵌入式计算机等。算机等。（6 6）出现了全新的处理非数值化信息的智能计算机，）出现了全新的处理非数值化信息的智能计算机，主要的处理方法不再是依靠精确的算法进行数值运算主要的处理方法不再是依靠精确的算法进行数值运算而是依靠有关的知识进行逻辑推理。而是依靠有关的知识进行逻辑推理。 1.21.1作业作业作业作业1.3输入设备输出设备存储器运算器控制器图图1.7计

10、算机硬件系统的基本计算机硬件系统的基本组成组成CPU主机主机程序程序数据数据送其他设送其他设备或显示备或显示1.21.1作业作业作业作业1.3寄存器寄存器B累加器累加器A运算状态寄存器运算状态寄存器图图1.8运算器结构示意图运算器结构示意图ALU1.21.1作业作业1.3（a）（b）8个开关保存个开关保存8位信息的情况位信息的情况1.21.1作业作业作业作业1.3地址译码器地址译码器存储单元存储单元存储单元存储单元存储体存储体存储单元存储单元地址总线地址总线图图1.10存储器组成框图存储器组成框图数据总线数据总线000001111读读/写命令写命令读写控制电

11、路读写控制电路存储器存储器1.21.1作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业作业1.3 第第0 0级级 硬联逻辑机硬联逻辑机 硬操作时序硬操

12、作时序硬联逻辑硬联逻辑 逻辑线路内核逻辑线路内核硬件维护员硬件维护员设计员设计员 第第1 1级微程序控制机级微程序控制机 机器指令机器指令 时序时序微程序微程序 控制控制 寄存器传送门寄存器传送门 逻辑设计员逻辑设计员 第第2 2级机器语言级机器语言 计算机计算机机器指令机器指令 系统系统中央中央处理机处理机 机器程序机器程序 机器语言程序员机器语言程序员 第第3 3级级 操作系统机操作系统机 键盘命令键盘命令 系统原语系统原语 操作系统操作系统 系统资源系统资源 操作员操作员 第第4 4级汇编语言级汇编语言 计算机计算机汇编语言汇编语言 汇编程序汇编程序 运行程序运行程序 汇编语言程序员汇编

13、语言程序员 第第5 5级高级语言级高级语言 计算机计算机高级语言高级语言 解释程序解释程序 编译程序编译程序 运行程序运行程序 高级语言程序员高级语言程序员 第第6 6级级 应用程序机应用程序机 应用语言应用语言 应用程序应用程序 信息处理系统信息处理系统 用户用户 1.21.1作业作业1.3软件软件实现实现1.21.1作业作业作业作业1.3 “虚拟机器虚拟机器”的特征是由软件实现机器功能，体的特征是由软件实现机器功能，体现了由机器语言、汇编语言、高级语言到应用程序现了由机器语言、汇编语言、高级语言到应用程序语言的层次性。一般来说，上层语言语句或命令的语言的层次性。一般来说，

14、上层语言语句或命令的功能，是由下层语言翻译或解释来实现的。功能，是由下层语言翻译或解释来实现的。翻译翻译（translation）是先用转换程序将高一级机器是先用转换程序将高一级机器上的程序整个地变换为低一级机器级上等效的程序，上的程序整个地变换为低一级机器级上等效的程序，然后再在低一级机器级实现的技术；然后再在低一级机器级实现的技术；解释解释（interpretation）则是在低一级机器级上用它则是在低一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能，是通过对高一级的机器级语言程序或指令的功能，是通过对高一级的机器级语言程

15、序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。越往中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。越往上层，越接近最终用户而远离实际机器。上层，越接近最终用户而远离实际机器。 1.21.1作业作业1.3 “实际机器实际机器”的使用者，其主要任务是设的使用者，其主要任务是设计和维护机器。计和维护机器。 第第1 1级机器由微程序（固件）实现。级机器由微程序（固件）实现。所谓固所谓固件（件（firmware）是一种具有软件功能的硬件）是一种具有软件功能的硬件. 例如将软件固化在例如将软件固化在ROM上。一个微程序往往对上。一个微程序往往对应一条机器指令，它根据该指令操作所需要的控制应一条机器指令，它根据该指令操

16、作所需要的控制时序，配备一套微指令，编写出微程序，控制信息时序，配备一套微指令，编写出微程序，控制信息在寄存器、运算器等之间的传送。第在寄存器、运算器等之间的传送。第0级机器是具体级机器是具体的硬联逻辑电路，实现各个微指令的功能或微操作的硬联逻辑电路，实现各个微指令的功能或微操作信号的要求。这些硬件，往往是大规模集成电路及信号的要求。这些硬件，往往是大规模集成电路及其连接通路。其连接通路。1.21.1作业作业1.3这里有两点要指出，这里有两点要指出，一是上述层次的划分及其层次间的相互关系并一是上述层次的划分及其层次间的相互关系并非绝对的，它们之间可能有交叉。非绝对的，它们之间可能有交叉。 例如

17、，高级语言程序经编译后可能跳过汇编语例如，高级语言程序经编译后可能跳过汇编语言程序直接以机器语言程序实现；操作系统程序有言程序直接以机器语言程序实现；操作系统程序有可能用高级语言（如可能用高级语言（如C语言）编写，而不是汇编语言语言）编写，而不是汇编语言编写；有些机器指令可以直接用组合逻辑电路实现，编写；有些机器指令可以直接用组合逻辑电路实现，不一定非要微程序解释实现不一定非要微程序解释实现。1.21.1作业作业1.3二是软件和硬件在逻辑上是等效的。原理上，二是软件和硬件在逻辑上是等效的。原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成

18、，只是性能、价格、实现也可用软件模拟完成，只是性能、价格、实现的难易程度不同。的难易程度不同。例如，一条逻辑运算指令，可直接用组合电路实现；例如，一条逻辑运算指令，可直接用组合电路实现；反过来，一次复杂的逻辑运算，即使没有具体对应反过来，一次复杂的逻辑运算，即使没有具体对应的逻辑电路，仍可用一条或若干条机器指令来完成。的逻辑电路，仍可用一条或若干条机器指令来完成。又如，早期的又如，早期的8位计算机很多没有乘除法指令，实现位计算机很多没有乘除法指令，实现乘除法必须用加减移位指令编程来实现。以后的计乘除法必须用加减移位指令编程来实现。以后的计算机有了乘除法器硬件，可以直接执行乘除法运算。算机有了乘除法器硬件，可以直接执行乘除法运算。今天，很多复杂的计算机硬件电路，都可以采用软今天，很多复杂的计算机硬件电路，都可以采用软件方法编程来完成硬件或固件形式。如现代基于件方法编程来完成硬件或固件形式。如现代基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的）的SOPC（System On Programmable Chip）技术。）技术。1.21.1作业作业1.3计算机系统发展到今天，计算机系统发展到今天，软硬件的界限软硬件的界限变得愈来愈模糊。变得愈来愈模糊。具有相同功能的计算具有相同功能的计算机系统，很难