第1章 计算机系统概论

第1章计算机系统概论陈敏目录1.1计算机系统简介1.3计算机硬件的主要技术指标1.2计算机的基本组成1.1计算机系统简介什么是计算机系统？Windows系列：Windows8Window7Windows2000Linux系列：Fedora、suselinuxUBUNTUMac系列Unix系列:BSD、SOLARISNo!1.1计算机系统简介由具有各类特殊功能的信息（程序）组成，如Windows系统，QQ充分发挥硬件功能、提供计算机工作效率，甚至模拟人的局部思维活动，其地位和作用已成为评判计算机系统性能好坏的重要标志需要硬件的支撑1.计算机系统计算机系统计算机的实体，如主机、键盘、显示器等通常存在于各类媒体，如ROM、RAM、光盘、磁盘，这些又主要存在于计算机的主存或辅存中一、计算机的软硬件概念硬件软件按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统系统软件应用软件语言处理程序:汇编程序(高级语言->汇编语言)、编译程序(高级语言->机器语言)操作系统：分时系统、实时系统、批处理系统服务性程序：诊断程序、调试程序、连接程序数据库管理系统网络软件软件1.1科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、事务管理程序计算机用户编写的高级语言程序（源程序）目标程序计算机结果翻译成机器语言程序运行1.12.现代计算机的解题过程二、计算机系统的层次结构1.1语言类型特点对用户的要求机器机器语言用0、1代码表示机器语言程序可直接在机器上执行用二进制编写程序熟悉计算机硬件及其指令系统编程难度大操作过程极易出错直接执行机器语言的机器成为实际机器M1汇编语言（面向机器的语言）20世纪50年代符号式的程序设计语言用符号ADD、SUB、MUL、DIV等分别表示加、减、乘、除等操作，并用符号表示指令或数据所在存储单元的地址需被翻译成机器语言才能被机器接受并自动运行不再用二进制代码来编程具有将汇编程序翻译成机器语言的翻译功能的汇编程序的计算机看做一台机器M2并非实际机器，是虚拟机

高级语言（面向问题）20世纪60年代对问题的描述十分接近人的习惯，具有较强的通用性需被翻译成汇编语言或其他中间语义，再翻译机器语言；或直接翻译成机器语言无需了解M1的机型、内部组成和指令系统只需掌握高级语言的语法和语义完成将高级语言翻译成汇编语言或其他中间语言或直接翻译成机器语言的工作的机器M3并非实际机器，是虚拟机

二、计算机系统的层次结构1.1将高级语言程序翻译成机器语言程序的软件成为“翻译程序”。编译程序将用户编写的高级语言程序（源程序）全部语句一次性全部翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序。只要源程序不变即无须再次进行翻译。如FORTRAN\PASCAL等语言就是用编译程序来完成翻译的。解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的一条语句并且立即执行这条语句接着翻译源程序的下一条语句，并执行这条语句，如此重复直至完成源程序的全部翻译任务。它的特点是翻译一次执行一次，即使下一次重复执行该语句时，也必须重新翻译。如BASIC语义的翻译就有解释程序和编译程序两种翻译程序二、计算机系统的层次结构高级语言虚拟机器M3汇编语言虚拟机器M2机器语言实际机器M1微指令系统微程序机器M01.1二、计算机系统的层次结构1.1微程序机器M0直接将机器M1中的每条机器指令翻译成一组微指令，即构成一个微程序M0执行完对应于一条极其指令的一个微程序后，便由M1的下一条机器指令使机器M0自动进入与其对应的另一个微程序饿执行。M0可看做是对M1的分解，即用M0的微程序解释并执行M1的每一条机器指令。M0也是实际机器，为了与M1区别，M1成为传统机器，M0成为微程序机器。二、计算机系统的层次结构高级语言虚拟机器M3汇编语言虚拟机器M2操作系统虚拟机器机器语言实际机器M1微指令系统微程序机器M01.1用编译程序翻译成汇编语言程序用汇编程序翻译成机器语言程序用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令软件硬件1.1虚拟机器M4虚拟机器M3虚拟机器M2实际机器M1微程序机器M0常见的五级计算机系统的层次机构程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性计算机系统属性：指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理，大都是抽象的属性。不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性也各不相同。高级语言程序员：IBMPC与RS6000是同一属性的机器，而汇编语言程序员则认为是不同属性的机器。计算机体系结构计算机组成实现计算机体系结构所体现的属性，包含许多对程序员来说是透明的硬件细节有无乘法指令如何实现乘法指令例如指令系统提醒了机器的属性，是结构问题，而如何取指令、分析指令、取操作数、运算、送结果等，属于组成问题，即组成是具体指令的实现1.1三、计算机体系结构和计算机组成两台机器结构相同，不一定组成也相同，性能也不一定相同。1.1三、计算机体系结构和计算机组成同一系列型号A型号B型号D型号C组成不同，性能、价格相差大；只知结构，不知组成，选不好性价比高的机器一种机器的体系结构可能维持许多年但机器组成却会随着计算机技术的发展而不断奶变化，如1970年推出的IBMSystem/370结构，它包含了许多机型。一般用户买低速机，需求高的用户可以买升级的价格稍贵的机型，而不必抛弃已开发的软件。故许多年可不断推出性价比高，价格低的新机型，新机型总是保留原来机器的机构。一般的计算机升级大都是计算机组成的升级1.2计算机的基本组成1.

计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备由五大部件组成3.指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成，操作码表示操作的性质，地址码表示操作数在存储器中的位置6.以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成2.指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访5.

指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或射到的条件改变执行顺序存储程序一、冯·诺依曼计算机的特点1945年，数学家冯·诺依曼在研究EDVAC机时提出了“存储程序”的概念，以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机。算术运算、逻辑运算，中间结果存在其中存放数据和程序将信息转换成机器能识别的形式将结果转换成人们熟悉的形式控制、指挥程序和数据的输入、运行及处理运算结果1.2冯·诺依曼计算机硬件框图存储器输入设备运算器控制器输出设备1.2冯·诺依曼计算机硬件框图存储器输入设备运算器控制器输出设备二、计算机硬件框图1.21.以存储器为中心的计算机硬件框图程序存储器输出设备输入设备运算器控制器数据结果计算ALU：算逻部件，完成算术逻辑运算主存：存放程序、数据，可与CPU直接交换信息辅存：外存CPU（核心）主机I/O设备：外部设备，受CU控制，完成相应的输入输出工作硬件CU：控制单元，解释存储器中的质量，并发出各种操作命令来执行指令2.现代计算机硬件框图存储器输入设备运算器输出设备控制器1.2ALUCPU主机I/O设备CU主存1.上机前的准备建立数学模型：构建一系列反应研究问题/对象变化规律的数学方程组-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…编制解题程序：将运算步骤用一一对应的机器指令描述确定计算方法：将复杂的数学方程式变成适合计算机的加减乘除四

则运算的方法程序——

运算的全部步骤0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——

每一个步骤1.2三、计算机的工作步骤用计算机解决实际问题通常包括两大步骤：1、上机前准备；2、上机运行取x

至运算器中乘以x

，得x2

，存于运算器中乘以a

，得ax2

，存于在运算器中存ax2

存于存储器中取b

至运算器中乘以x

，得bx，存于运算器中从存储器中取出ax2与bx相加，得ax2+bx，存于运算器中取c与

ax2+bx

相加，得ax2+bx+c，存于运算器中=(ax

+

b)x

+

c

取x

至运算器中乘以a

在运算器中加b

在运算器中乘以x

在运算器中加c

在运算器中计算ax2+bx+c1.2编程举例将上述步骤编写成某计算机一一对应的机器指令，就完成了运算呈现的编写000001

0000001000打印

停机取数α[α]ACC存数β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式举例1.2操作码地址码

[

]打印机000010000011000100000101000110指令和数据存于主存单元的地址指令注释操作码地址码00000010000001000取数x至ACC10001000000001001乘a得ax

,存于ACC中20000110000001010加b得ax+b

,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c

,存于ACC50000100000001100将ax2+bx+c

,存于主存单元60001010000001100打印7000110停机8

x原始数据x9

a原始数据a10

b原始数据b11

c原始数据c12存放结果1.2计算ax2+bx+c

程序清单存储体大楼存储单元存放一串二进制代码存储字存储单元中二进制代码的组合

可代表：二进制数、一串字符、一条指令存储字长存储单元中二进制代码的位数，8位、16位、32位每个存储单元赋予一个地址号按地址存取–存储单元–存储元件（0/1）–

房间–

床位（无人/

有人）(1)存储器的基本组成1.2MDR主存储器存储体MAR2.计算机的解题过程按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存、取存储体M+各种逻辑部件+控制电路MARMDR存储单元个数

16存储字长

8

设MAR

=

4

位

MDR

=

8

位1.2存储器地址寄存器反映存储单元的个数存储器数据寄存器反映存储字长(1)存储器的基本组成MDR主存储器存储体MARACCMQX(2)运算器的基本组成及操作过程1.2运算器MQACCALUX被加数被减数被除数乘数商加数减数被乘数除数加法减法乘法除法和差余数乘积高位乘积低位运算器MQACCALUXACC

被加数ACC初态①加法操作过程1.2[ACC]+[X]ALU[M]

XXACCACC指令加M1.2②减法操作过程运算器MQACCALUX指令减MACC

被减数ACC初态[M]

XX[ACC]-[X]ALUACCACC运算器MQACCALUXACCACC

被乘数初态1.2MQ[M]MQ指令乘M③乘法操作过程X[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ运算器MQACCALUXACC

被除数ACC初态1.2[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余数在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作过程取指令分析指令执行指令PCIRCUPCIRCU取指执行程序计数器PC

：存放当前欲执行指令的地址，

具有计数功能（PC），能自动加1，形成下一条指令地址，与MAR之间有一条直接通路指令寄存器IR：

存放当前欲执行的指令，IR的内容来自主存的MDR。访存访存完成一条指令1.2(3)控制器的基本组成控制器是计算机的神经中枢，由它指挥各部件自动、协调地工作。命令存储器读出一条指令指出该指令要完成什么样的操作，并按寻址特征指明操作数的地址，称为分析过程根据操作数所在的地址以及指令的操作码完成某种操作，称为执行过程IR中的操作码（OP(IR)）送至CU，记作OP（IR）CU,用来分析指令IR中的地址码（Ad(IR)）作为操作数的地址送至存储器的MAR，记作Ad（IR）MARCU用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控制对象1.2(3)I/OI/O子系统包括各种I/O设备及其相应的接口。每一张I/O设备都由I/O接口与主机联系，它接收CU发出的各种控制命令，并完成相应的操作。

例如：键盘由键盘接口电路与主机联系，打印机由打印机接口电路与主机联系12356789以取数指令为例4(4)主机完成一条指令的过程1.2CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O设备12356798以存数指令为例41.2(4)主机完成一条指令的过程CU控制单