1-计算机系统概述-2016

1、方淼方淼东北大学秦皇岛分校东北大学秦皇岛分校 ?1.1 1.1 计算机的发展计算机的发展?1.2 1.2 计算机系统组成计算机系统组成?1.3 1.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构?1.4 1.4 计算机系统结构计算机系统结构?1.5 1.5 计算机系统性能分析计算机系统性能分析 ?了解计算机的发展；了解计算机的发展；?理解计算机的技术指标；理解计算机的技术指标；?掌握冯诺依曼机的特点；掌握冯诺依曼机的特点；?掌握计算机的硬件组成；掌握计算机的硬件组成；?掌握计算机系统的多级层次结构；掌握计算机系统的多级层次结构； ?1.1.计算机的发展概况计算机的发展概况F1 1）在逻辑器件方面

2、）在逻辑器件方面：电子管、继电器存储电子管、继电器存储晶体管、磁介质存储晶体管、磁介质存储集成电路、多层印刷电路集成电路、多层印刷电路大规模和超大规模集成电路、半导体存储器大规模和超大规模集成电路、半导体存储器VLSIVLSI、高密度、高速度处理机、存储器芯片、高密度、高速度处理机、存储器芯片 ?1.1.计算机的发展概况计算机的发展概况F2 2）在存储设备方面）在存储设备方面，主存储器从磁鼓、磁芯发展，主存储器从磁鼓、磁芯发展到现在的半导体存储器，辅助存储器从磁盘、磁到现在的半导体存储器，辅助存储器从磁盘、磁带发展到光盘存储器等。带发展到光盘存储器等。F3 3）在器件更新的同时，）在器件更新的

3、同时，计算机的系统结构也在不计算机的系统结构也在不断地改进断地改进。许多新的概念不断产生，新的组成方。许多新的概念不断产生，新的组成方式不断得以实现。式不断得以实现。 单个单个CPUCPU组成的单机系统组成的单机系统 流水线机流水线机大规模的并行处理机大规模的并行处理机 多处理机多处理机 ?1.1.计算机的发展概况计算机的发展概况F4 4）在技术方面）在技术方面：变址技术变址技术 中断技术中断技术 微程序技术微程序技术 缓冲技术、共享缓冲技术、共享 重用技术重用技术 虚拟技术虚拟技术 ?2 2计算机的发展方向计算机的发展方向F巨型计算机：巨型计算机：运算速度在每秒一万亿次以上，数据存储容运算速

4、度在每秒一万亿次以上，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵，具有很强的计算和处理数量很大，结构复杂，价格昂贵，具有很强的计算和处理数据的能力据的能力F微型计算机：微型计算机：CPUCPU采用大规模集成电路，具有体积小、重采用大规模集成电路，具有体积小、重量轻、成本低、性能稳定、可靠性高等特点。微型机的发量轻、成本低、性能稳定、可靠性高等特点。微型机的发展可以说是计算机发展史上的一个里程碑。展可以说是计算机发展史上的一个里程碑。F计算机网络：计算机网络：现代通信技术与计算机技术相结合的产物，现代通信技术与计算机技术相结合的产物，已在政治、军事、生产、管理及人们生活等领域发挥着越已在政治、军事、生

5、产、管理及人们生活等领域发挥着越来越重要的作用。来越重要的作用。F智能计算机：智能计算机：具有智能接口，能模拟人的智能，有语音识具有智能接口，能模拟人的智能，有语音识别、图形识别、视觉、感知、理解能力；具有学习和解题别、图形识别、视觉、感知、理解能力；具有学习和解题推理能力；具有知识库管理能力，能完成知识的获取、检推理能力；具有知识库管理能力，能完成知识的获取、检索和更新。索和更新。 1.2 1.2 计算机系统组成计算机系统组成?1.2.1 1.2.1 硬件系统硬件系统?1.2.2 1.2.2 软件系统软件系统 计算机系统计算机系统硬硬件件软软件件系统软件系统软件( (操作系统，编辑、编译程序

6、，操作系统，编辑、编译程序， 故障诊断故障诊断, ,监控程序监控程序) )应用软件应用软件( (科学计算，工业控制，数据处理，科学计算，工业控制，数据处理， ) )程序设计语言程序设计语言( (机器语言、汇编语言、高级语言机器语言、汇编语言、高级语言) )外部外部设备设备辅助辅助设备设备 输入设备输入设备( (键盘、扫描仪、语音识别仪键盘、扫描仪、语音识别仪) ) 输出设备输出设备( (显示器、打印机、绘图仪显示器、打印机、绘图仪) ) 辅助存储器辅助存储器( (磁带、磁带、磁盘、光盘磁盘、光盘) )电源电路电源电路时钟电路时钟电路运算器运算器控制器控制器RAMRAMROMROM外围外围设备设

7、备主机主机主存主存 ( (内存内存) )输入输入/ /输出接口输出接口 总线总线 (AB(AB、DBDB、CB)CB)CPUCPU1.2 1.2 计算机系统组成计算机系统组成 1.2 1.2 计算机系统组成（续）计算机系统组成（续）?冯冯. .诺依曼机的特点诺依曼机的特点F组成：组成：计算机由计算机由控制器、运算器、存储器、输入控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备设备、输出设备组成组成F存储方式：存储方式：指令和数据同时存放在存储器中，并指令和数据同时存放在存储器中，并可按地址访问，指令象数据一样可以修改可按地址访问，指令象数据一样可以修改F数据表示：数据表示：指令和数据用二进制编码指令

8、和数据用二进制编码F指令组成：指令组成：指令由操作码与操作数两部分组成指令由操作码与操作数两部分组成F指令执行：指令执行：指令在存储器中按执行顺序存放，通指令在存储器中按执行顺序存放，通常程序是顺序执行常程序是顺序执行 F数据传输：数据传输：机器以运算器为中心（机器以运算器为中心（现代计算机以现代计算机以存储器为中心存储器为中心），以运算器为数据流动中枢，以），以运算器为数据流动中枢，以控制器为控制命令中枢控制器为控制命令中枢 输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器存储器存储器计算结果计算结果程序和数据程序和数据控制流控制流CSCS 数据流数据流DSDS控制流（反馈）控制流（

9、反馈）l以存储器为中以存储器为中心的计算机结构心的计算机结构框图框图1.2.1 1.2.1 硬件系统（硬件系统（? 冯冯诺依曼型计算机组成结构图诺依曼型计算机组成结构图 ?计算机中最主要的工作是运算，大量的数据运算任务是在运计算机中最主要的工作是运算，大量的数据运算任务是在运算器中进行的。算器中进行的。?运算器的主要功能运算器的主要功能是进行算术运算和逻辑运算。算术运算是是进行算术运算和逻辑运算。算术运算是指加、减、乘、除等基本运算，逻辑运算是指逻辑判断、逻指加、减、乘、除等基本运算，逻辑运算是指逻辑判断、逻辑比较以及其它的基本逻辑运算。因此，运算器又称算术逻辑比较以及其它的基本逻辑运算。因此

10、，运算器又称算术逻辑单元（辑单元（Arithmetic and logic UnitArithmetic and logic Unit，简称，简称ALUALU）。）。?运算器中的数据取自内存，运算的结果又送回内存。运算器中的数据取自内存，运算的结果又送回内存。?运算器对内存的读写操作是在控制器的控制之下进行的。运算器对内存的读写操作是在控制器的控制之下进行的。?运算器基本组成电路：运算器基本组成电路：寄存器寄存器累加器累加器运算电路运算电路B AB A1.2.1 1.2.1 硬件系统（续）硬件系统（续）运算器运算器 ?控制器是计算机的神经中枢，只有在它的控制之下整个计算控制器是计算机的神经中枢

11、，只有在它的控制之下整个计算机才能有条不紊地工作，并自动执行程序。机才能有条不紊地工作，并自动执行程序。?控制器的工作过程控制器的工作过程是：首先从内存中取出指令，并对指令进是：首先从内存中取出指令，并对指令进行分析，然后根据指令的功能向有关部件发出控制命令，控行分析，然后根据指令的功能向有关部件发出控制命令，控制它们执行这条指令规定的操作。制它们执行这条指令规定的操作。?当各部件执行完控制器发来的命令后，都会向控制器反馈执当各部件执行完控制器发来的命令后，都会向控制器反馈执行的情况。行的情况。?这样逐一执行一系列指令，就使计算机能够按照由这一系列这样逐一执行一系列指令，就使计算机能够按照由这

12、一系列指令组成的程序的要求自动完成各项任务。指令组成的程序的要求自动完成各项任务。?控制权基本组成电路：控制权基本组成电路：时序电路时序电路控制信号产生逻辑控制信号产生逻辑指令寄存器指令寄存器状态触发器状态触发器操作命令操作命令1.2.1 1.2.1 硬件系统（续）硬件系统（续）控制器控制器 ?存储器是计算机的记忆部件，主要功能是存放程序和数据，存储器是计算机的记忆部件，主要功能是存放程序和数据，并根据控制命令提供这些程序和数据。并根据控制命令提供这些程序和数据。?存储器分两大类：存储器分两大类：u一类和计算机的运算器、控制器直接相连，称为主存储一类和计算机的运算器、控制器直接相连，称为主存储

13、器（内部存储器），简称器（内部存储器），简称主存（内存）主存（内存）；u另一种存储设备称为辅助存储器（外部存储器），简称另一种存储设备称为辅助存储器（外部存储器），简称辅存（外存）辅存（外存）。?主存储器主存储器的基本组成电路：的基本组成电路： 000 地地址址译译码码器器读读/ /写控制电路写控制电路存储单元存储单元存储体存储体111读读/ /写命令写命令地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线1.2.1 1.2.1 硬件系统（续）硬件系统（续）存储器存储器 ?输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序，并输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们转变为计算机可以识别的二进制形

14、式存放到将它们转变为计算机可以识别的二进制形式存放到内存中。内存中。?常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪、麦克风等。字化仪、麦克风等。运算器运算器存储器存储器控制器控制器输出设备输出设备输入设备输入设备程序程序, ,数据数据结果结果1.2.1 1.2.1 硬件系统（续）硬件系统（续）输入设备输入设备 ?输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式。果转变为人们所能接受的形式。?常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪、常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪、音箱等。音

15、箱等。运算器运算器存储器存储器控制器控制器输出设备输出设备输入设备输入设备程序程序, ,数据数据结果结果1.2.1 1.2.1 硬件系统（续）硬件系统（续）输出设备输出设备 l以总线连接的计算机框图以总线连接的计算机框图输入设备输入设备存储器存储器输出设备输出设备中央中央处理器处理器（控制器）（控制器）（运算器）（运算器）I/OI/O接口接口地址总线地址总线ABAB数据总线数据总线DBDB控制总线控制总线CBCB1.2.1 1.2.1 硬件系统（续）硬件系统（续） 1.2.1 1.2.1 硬件系统（续）硬件系统（续）?系统总线系统总线F数据总线（数据总线（Data BusData Bus）：用

16、于传送数据信息：用于传送数据信息n双向三态逻辑，线宽（位数）表示了线数据传双向三态逻辑，线宽（位数）表示了线数据传输的能力输的能力F地址总线（地址总线（Address BusAddress Bus）：专门用来传送地址：专门用来传送地址的，地址只能从的，地址只能从CPUCPU传向外部存储器或传向外部存储器或I IO O端口端口n单向三态逻辑，线宽决定了系统的寻址能力单向三态逻辑，线宽决定了系统的寻址能力F控制总线（控制总线（Control BusControl Bus）：用来传送控制信号：用来传送控制信号和时序信号和时序信号n控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一控制总线的传送方向由具体控制信

17、号而定，一般是双向的般是双向的n控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定，主要取决于定，主要取决于CPUCPU 1.2.1 1.2.1 硬件系统（续）硬件系统（续）?Pentium Pentium （奔腾）主板（奔腾）主板Socket7 插槽键盘插座CACHE控制芯片CMOS主板电池ISA 插槽PCI 插槽内存插槽串行/并口插槽 1.2.1 1.2.1 硬件系统（续）硬件系统（续）?计算机基本工作过程计算机基本工作过程输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器存储器存储器计算结果计算结果程序和数据程序和数据2+3“输入输入”计算计算2+3

18、并输出并输出控制器控制器“取指取指/取数取数”2，3+5“输出输出” 52+3冯冯.诺依曼机的诺依曼机的工作工作原理的核心：原理的核心：存储程序存储程序与与程序控制程序控制（顺序存储程序顺序存储程序,按按地址顺序执行地址顺序执行） ?1 1系统软件系统软件F系统软件是指控制和协调计算机及外部设备，支系统软件是指控制和协调计算机及外部设备，支持应用软件开发和运行的系统，是无需用户干预持应用软件开发和运行的系统，是无需用户干预的各种程序的集合。的各种程序的集合。?2 2应用软件应用软件F应用软件是用户利用计算机软、硬件资源为解决应用软件是用户利用计算机软、硬件资源为解决各类应用问题而编写的软件，如

19、科学计算程序、各类应用问题而编写的软件，如科学计算程序、自动控制程序、数据处理程序、辅助设计自动控制程序、数据处理程序、辅助设计/ /制造制造程序等。程序等。 实际机器（硬联逻辑）实际机器（硬联逻辑）控制单元控制单元机器语言计算机机器语言计算机操作系统操作系统汇编语言计算机汇编语言计算机高级语言计算机高级语言计算机硬件维护员设计员硬件维护员设计员逻辑设计员（使用微逻辑设计员（使用微指令语言）指令语言）机器语言程序员（使用机器语言程序员（使用二进制机器语言）二进制机器语言）操作员（使用操作系操作员（使用操作系统原语）统原语）汇编语言程序员（使用汇编语言程序员（使用汇编语言）汇编语言）高级语言程序

20、员（使高级语言程序员（使用通用高级语言）用通用高级语言）虚虚拟拟机机器器实实际际机机器器M3M3M2M2M1M1M4M4M5M5M0M0应用语言计算机应用语言计算机应用程序，面向用户应用程序，面向用户M6M6 ?“机器机器”的作用和组成的作用和组成广义语言广义语言解释器解释器作用对象作用对象 计算机计算机 观察者观察者控制信息控制信息状态信息状态信息例如：高级语言计算机例如：高级语言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运行程序程序高级语言高级语言计算机计算机高级语言高级语言程序员程序员l 计算机系统多级结构包括：计算机系统多级结构包括：微程序设计级微程序设计级机器语言级机

21、器语言级操作系统级操作系统级汇编语言级汇编语言级高级语言级高级语言级 ?软件和硬件逻辑功能上的等效性软件和硬件逻辑功能上的等效性F从原理上讲，软件实现的功能完全可以用硬件或从原理上讲，软件实现的功能完全可以用硬件或固件（将程序固定存放在其中的部件）完成；同固件（将程序固定存放在其中的部件）完成；同样，硬件实现的逻辑功能也可以通过软件完成样，硬件实现的逻辑功能也可以通过软件完成 F具有相同功能的计算机系统，其软、硬件的功能具有相同功能的计算机系统，其软、硬件的功能分配比例可以在很宽的范围内变化，且这种变化分配比例可以在很宽的范围内变化，且这种变化是动态的是动态的 F随着器件技术的高速发展，特别是

22、半导体集成技随着器件技术的高速发展，特别是半导体集成技术的飞速发展，以前由软件来实现的功能，越来术的飞速发展，以前由软件来实现的功能，越来越多的由硬件来实现，软件硬化（或固化）是目越多的由硬件来实现，软件硬化（或固化）是目前计算机系统发展的一种主要趋势前计算机系统发展的一种主要趋势 ?“机器机器”的透明性的透明性F一种本来存在的有差异的事物和属性，从某种角一种本来存在的有差异的事物和属性，从某种角度上看又好像不存在的现象，被称为是度上看又好像不存在的现象，被称为是“透明性透明性的的” 。F低层机器级的概念性结构和功能特性，对高层机低层机器级的概念性结构和功能特性，对高层机器程序员来说是透明的器

23、程序员来说是透明的 ?1.4.1 1.4.1 计算机组成与系统结构计算机组成与系统结构?1.4.2 1.4.2 计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类 ?1 1计算机系统结构的定义计算机系统结构的定义F计算机体系结构就是程序员所看到的计算机的基计算机体系结构就是程序员所看到的计算机的基本属性，即概念性结构与功能特性。本属性，即概念性结构与功能特性。?2 2计算机组成的定义计算机组成的定义F计算机组成是指实现体系结构功能特性的操作部计算机组成是指实现体系结构功能特性的操作部件及其内在联系，包括机器内部的数据流和控制件及其内在联系，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。流的组成以及逻

24、辑设计等。?3 3计算机实现的定义计算机实现的定义F计算机实现是指计算机组成的物理实现。它着眼计算机实现是指计算机组成的物理实现。它着眼于器件技术与组装技术于器件技术与组装技术 ?4 4计算机系统结构、组成、实现三者的关系计算机系统结构、组成、实现三者的关系F计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。个不同的概念。n计算机系统结构是指计算机系统的软件与硬件计算机系统结构是指计算机系统的软件与硬件之间的接口之间的接口n计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现n计算机实现是指计算机组成的物理实现。计算机实现

25、是指计算机组成的物理实现。F三者包含的内容不同，但却有着紧密的联系。三者包含的内容不同，但却有着紧密的联系。 1.4.2 1.4.2 计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类?按按“流流”分类方法，按照计算机中指令流和数据流分类方法，按照计算机中指令流和数据流的多倍性进行分类。的多倍性进行分类。F指令流是指机器执行的指令序列指令流是指机器执行的指令序列F数据流是指指令流调用的数据序列数据流是指指令流调用的数据序列F多倍性是指在机器中多倍性是指在机器中 在同一时间单位内，部件最在同一时间单位内，部件最多可并行执行的指令条数或处理的数据个数多可并行执行的指令条数或处理的数据个数?计算机系统结构可分

26、成计算机系统结构可分成: :F单指令流单数据流单指令流单数据流(SISD)(SISD)F单指令流多数据流单指令流多数据流(SIMD)(SIMD)F多指令流单数据流多指令流单数据流(MISD)(MISD)F多指令流多数据流多指令流多数据流(MIMD)(MIMD) 实现实现组成组成指令系统指令系统应用程序应用程序操作系统操作系统编译编译外特性外特性设计设计器件，封装、器件，封装、机箱、电源、机箱、电源、冷却设计冷却设计逻辑逻辑设计设计应用应用设计设计 设计级设计级基本部件基本部件信息单元信息单元目标部件目标部件依据和描述方法依据和描述方法处理器级处理器级CPUCPU，IOPIOP，MEMMEM，I

27、/OI/O设设备等备等字块，字块，数据块数据块复杂系统复杂系统用途用途寄存器级寄存器级（硬件组（硬件组成级）成级）寄存器，组寄存器，组合与时序逻合与时序逻辑电路辑电路字字CPUCPU，IOPIOP，MEMMEM，接口电，接口电路，专用功能路，专用功能部件等部件等指令系统指令系统门级门级( (硬件硬件实现级实现级) )逻辑门，逻辑门，触发器触发器位位寄存器，组寄存器，组合与时序逻合与时序逻辑电路辑电路真值表，状态真值表，状态表，布尔代数，表，布尔代数，卡诺图等卡诺图等 计算机组成的任务：计算机组成的任务：是在计算机系统结构确定分配给硬件是在计算机系统结构确定分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后

28、，研究各部分内部构造和相互子系统的功能及其概念结构之后，研究各部分内部构造和相互联系，以实现机器指令级（处理器级）的各种功能和特性，包联系，以实现机器指令级（处理器级）的各种功能和特性，包括各功能部件的配置，相互连接和相互作用括各功能部件的配置，相互连接和相互作用 ?计算机系统的逐级生成过程：计算机系统的逐级生成过程：F拟定指令系统拟定指令系统（它是（它是CPUCPU硬、软界面所在）硬、软界面所在）F创建硬件系统创建硬件系统（称为硬核。能实现指令功能）（称为硬核。能实现指令功能）F配置操作系统（它是系统软件的核心和基础）配置操作系统（它是系统软件的核心和基础）F配置语言处理程序及软件资源（将它

29、们置于操作配置语言处理程序及软件资源（将它们置于操作系统的管理调度之下）系统的管理调度之下）F输入用户程序输入用户程序 1.5 1.5 计算机系统性能分析计算机系统性能分析?1.5.1 1.5.1 计算机系统的主要性能指标计算机系统的主要性能指标?1.5.2 CPU1.5.2 CPU性能分析（略）性能分析（略）?1.5.3 1.5.3 系统性能的改进（略）系统性能的改进（略） ?1.1.基本字长基本字长F1 1）位）位（bitbit，比特，简写为，比特，简写为b b）：在数字电路和）：在数字电路和计算机技术中采用二进制，代码只有计算机技术中采用二进制，代码只有“0 0”和和“1 1”，其中无论

30、是，其中无论是“0 0”还是还是“1 1”在计算机中都是一在计算机中都是一“位位”。F2 2）字节）字节（ByteByte，简写为，简写为B B）：每）：每8 8个位（个位（bitbit）组）组成一个字节。成一个字节。F3 3）字）字（WordWord）：一般说来，在同一时间内处理）：一般说来，在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的的一组二进制数称为一个计算机的“字字” 。在。在运算器中进行的数据运算一般是以字为单位。运算器中进行的数据运算一般是以字为单位。F4 4）字长）字长（Word LengthWord Length）：一个数据字包含的二）：一个数据字包含的二进制位数称为字长。进

31、制位数称为字长。 ?2 2存储容量存储容量F存储容量是指存储器中最多所能存储的数据量，存储容量是指存储器中最多所能存储的数据量，是存储器的重要指标。是存储器的重要指标。F主存储器的容量受地址线位数的限制，而辅助存主存储器的容量受地址线位数的限制，而辅助存储器的容量与存储介质有关。储器的容量与存储介质有关。?3 3运算速度运算速度F运算速度用每秒能执行的指令条数来表示，单位运算速度用每秒能执行的指令条数来表示，单位是条秒（是条秒（IPSIPS）或每秒百万条指令（）或每秒百万条指令（MIPSMIPS）。）。 ?4 4吞吐量吞吐量F吞吐量是指单位时间里完成的任务数量。系统的吞吐量是指单位时间里完成的

32、任务数量。系统的吞吐量越大，说明系统在相同时间内完成的用户吞吐量越大，说明系统在相同时间内完成的用户或系统请求越多，系统的处理能力也就越高。或系统请求越多，系统的处理能力也就越高。?5 5响应时间响应时间F响应时间是指从发送请求到完成响应的整个过程响应时间是指从发送请求到完成响应的整个过程所经历的时间。它以某个请求为对象，请求的大所经历的时间。它以某个请求为对象，请求的大小以及复杂程度直接影响到响应时间的长短。小以及复杂程度直接影响到响应时间的长短。?6. 6. 资源利用率资源利用率F资源利用率指系统各种资源的使用情况，如资源利用率指系统各种资源的使用情况，如CPUCPU占占用率、内存占用率。一般使用用率、内存占用率。一般使用“资源实际使用资源实际使用/ /总总的资源可用量的资源可用量”表示资源利用率。表示资源利用率。 ?7.7.可靠性可靠性F平均无故障时间（平均无故障时间（Mean Time Between FailureMean Time Between Failure，MTBFMTBF）是指两次故障之