第01章 计算机系统概论

第1章概论本章概括地描述·计算机的发展史·计算机系统的基本组成、层次结构·计算机的特点、分类和应用重点讨论计算机的组成和工作原理从而了解计算机是由哪些主要部件组成的，它是怎样实现自动解算问题的，以期建立初步的整机概念。第1章概论基本知识点·冯·诺依曼思想·信息的数字化表示·存储程序工作方式·计算机系统的层次结构·计算机的主要特点·计算机的主要性能指标第1章概论重点：·冯·诺依曼思想·信息的数字化表示·存储程序工作方式·计算机系统的层次结构·计算机的主要性能指标第1章概论1.1计算机的基本组成1.2计算机系统的组织1.3计算机的演变和性能1.4计算机的特点与性能指标1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制计算机通过自动、连续地运行程序，能够代替人类完成各种复杂的计算和实现对各类信息的处理。计算机欲模拟人进行自动计算，应设立哪些基本部件？1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制能把解题的原始数据、运算步骤输入到机器的部件；保存、读取和记录原始数据、运算步骤及中间结果、最终结果的部件；能进行各种基本运算，如加、乘等的部件控制计算机按确定的运算步骤运算，控制其他部件正确、协调的工作的部件；将计算结果或其他参考数据以表格、文件或图形等形式输出给用户的设备。程序1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制1.ENIAC在宾夕法尼亚大学的约翰·莫克利和布莱斯特·埃克特的带领下，为美国军队的弹道研究实验室(BRL)设计和建造的ENIAC，是世界上第一台通用电子计算机。注：ENIACElectronicNumericalIntegratorandCalculator，电子数字积分器和计算器——采用真空管?1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制2.冯·诺依曼机

？若程序能够以某种形式与数据一同存于存储器中，编程的过程就可以简化冯·诺依曼在1945年的一份新型计算机EDVAC(ElectronicDiscreteVariableComputer，电子离散变量计算机)的计划中首次公布了这一构想1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制2.冯·诺依曼机

当代计算机几乎都是以诺依曼提出的概念为基础。这种设计称为诺依曼体制。1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制2.冯·诺依曼机

诺依曼机的特点：·用二进制形式表示数据和指令·采用存储程序方式·由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五部分组成计算机硬件系统·指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访·指令在存储器内按顺序存放·机器以运算器为中心1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制2.冯·诺依曼机

诺依曼体制基于以下三个关键性概念：·数据和指令存储在单一的“读写存储器”中·存储器的内容通过位置寻址，而不考虑它容纳的数据是什么·以顺序的形式从一条指令执行到下一条指令，除非有明确的修改1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制2.冯·诺依曼机1946年，冯·诺依曼和他的同事在普林斯顿高级研究院开始设计一种新的程序存储计算机：IAS计算机。该机成为了后来通用计算机的原型。

1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制IAS计算机结构：主存储器(M)算术逻辑单元(CA)程序控制器(CC)I/O设备(I,O)1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制IAS计算机结构包括：主存储器，用于存储数据和指令能够操作二进制数的算术逻辑单（ALU）控制器，翻译内存中的指令并执行由控制器操纵的输入、输出设备（I/O）1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制输入设备存储器输出设备运算器控制器程序数据结果命令、状态命令、状态数据指令计算机基本组成示意图1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制运算器对数据进行算术和逻辑运算存储器存放程序和数据的记忆装置控制器控制指令的执行，控制计算机中各部件有条不紊地工作输入设备把人所熟悉的某种信息形式变换为机器所能接收和识别的二进制信息形式输出设备把计算机处理的结果变换为人或其他设备所能接收和识别的信息形式1.1计算机的基本组成1.1.1计算机与诺伊曼体制计算机作为一个处理信息的工具，要解决哪些问题？1.

信息的表示2.

信息的存储3.信息的传送4.信息的变换5.信息的加工处理6.对上述过程的控制1.1计算机的基本组成1.1.2信息的数字化表示计算机中的信息分为两大类：控制信息用来控制计算机的工作数据信息计算机加工处理的对象？计算机中如何表示信息1.1计算机的基本组成1.1.2信息的数字化表示电子数字计算机中采用数字化表示方法：用数字代码表示各种信息用数字信号表示数字代码1.1计算机的基本组成1.1.2信息的数字化表示1.在计算机中用数字代码表示各种信息数字代码是指一组数字(二进制数字代码)的集合。可以根据需要描述的信息(控制信息、数据信息)，用一组约定含义的数字代码来表示它。1.1计算机的基本组成1.1.2信息的数字化表示2.

在物理机制上用数字信号(电平或脉冲)表示数字代码1.1计算机的基本组成1.1.2信息的数字化表示3.

用数字化方法表示信息的主要优点在物理上容易实现信息的表示与存储抗干扰能力强，可靠性高数值的表示范围大，表示精度高表示的信息类型极其广泛能用数字逻辑技术进行信息处理1.1计算机的基本组成1.1.3存储程序工作方式诺依曼思想的核心是存储程序，它表明了计算机的工作方式。其中包含以下3个要点：

事先编制程序

事先存储程序

自动、连续地执行程序1.1计算机的基本组成1.1.3存储程序工作方式电子计算机

能存储程序，能自动地对数字化信息进行连续运算的快速工具。1.2计算机系统的组织1.2.1硬件系统计算机的硬件是指系统中可触摸得到的设备实体。1.常见计算机硬件系统组成CPU主存储器接口接口I/O设备I/O设备系统总线……1.2计算机系统的组织1.2.1硬件系统2.

典型的硬件系统结构⑴以总线为基础的系统结构CPU主存公共接口接口I/O接口I/O主要特点：数据通路简洁数据传送控制方便系统扩展易于实现1.2计算机系统的组织1.2.1硬件系统2.

典型的硬件系统结构⑵采用通道或I/O处理机的大型系统结构··I/OI/OI/OI/OI/O控制器I/O控制器I/OI/OI/OI/OI/O控制器I/O控制器通道通道CPU主存1.2计算机系统的组织1.2.2软件系统软件泛指各类程序和文件。它们实际上是由一些算法及其在计算机中的表示构成，体现为一些触摸不到的二进制信息状态。1.2计算机系统的组织1.2.2软件系统1.系统软件·操作系统·语言处理程序·数据库管理系统·各种维护性支撑软件·各种标准程序库1.2计算机系统的组织1.2.2

软件系统2.

应用软件·科学计算类程序·工程设计类程序·数据处理类程序·信息管理类程序·自动控制类程序·情报检索类程序1.2计算机系统的组织1.2.3系统组成的层次结构?计算机是一个复杂的系统，如何清楚地加以描述关键在于认识包括计算机在内的大多数复杂系统的分层性质。层次系统是一组互相关联的子系统，每个子系统又在结构上分层，直到分成最基本的子系统。复杂系统的层次特性是设计和说明它们的基础。设计者每次只须处理某个特定的层即可。1.2计算机系统的组织1.2.3系统组成的层次结构每一层由一组部件及其相互关系组成。每一层的行为仅依赖于其下一层更为简单的抽象特征。在每一层上，设计者关心的是结构和功能：

结构部件相互关联的方式

功能作为有关结构组成部分的各个部件的操作1.2计算机系统的组织1.2.3系统组成的层次结构1功能本质上，计算机的结构和功能运作都很简单。计算机所能完成的基本功能：·数据处理·数据存储·数据传送·控制只有两种基本类型的元件是必需的：逻辑门和内存位元：逻辑门是实现布尔或逻辑功能的元件内存位元是一个能够存储一位数据的元件1.2计算机系统的组织1.2.3系统组成的层次结构1功能可能的计算机操作传送控制存储处理传送控制存储处理传送控制存储处理传送控制存储处理1.2计算机系统的组织1.2.3系统组成的层次结构2结构

计算机是以某种方式与其外部环境交互的实体。概括地说，与外部环境的所有连接可以划分为外围设备和通信线路。我们关心的是计算机本身的内部结构，有四种主要的结构组件：·中央处理单元·主存储器·I/O

·系统互联1.2计算机系统的组织1.2.3系统组成的层次结构2结构主存储器系统互联CPUI/O计算机算术逻辑单元CPU内部互联寄存器控制器CPU1.2计算机系统的组织1.2.3系统组成的层次结构3.从硬、软件组成角度划分的层次结构模型逻辑部件级(硬件逻辑部件)微程序级(微程序控制器)传统机器级(指令系统)操作系统级(操作系统)语言处理程序(解释、编译)应用程序(软件资源)用户程序级(用户程序)系统分析级(数学模型、算法)硬件部分硬、软件界面软件部分1.2计算机系统的组织1.2.3系统组成的层次结构4.

从语言角度划分的层次结构模型程序专用语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机实际机器（机器语言物理机）1.2计算机系统的组织1.2.4

硬、软件的功能划分与逻辑上的等价·硬件软化为降低造价，只让硬件实现较简单的功能，依靠软件实现更高级一些的功能·软件硬化将原来依靠软件才能实现的一些功能改由大规模、超大规模集成电路直接实现·软件固化将系统软件的核心部分固化在存储芯片中1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·第一代：真空管ENIAC莫克利和埃克特设计和建造了ENIAC。1943年，ENIAC项目开始启动。最终的机器重约30吨，占第1500平方英尺，采用了约18万个真空管，它工作时消耗14万千瓦/小时的电力，每秒钟能执行5000次加法。1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·第一代：真空管冯·诺依曼机1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·第一代：真空管商用计算机1950年，随着计算机工业的产生，同时诞生了两个公司：Sperry和IBM。1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·第一代：真空管商用计算机IBM于1953年生产了自己的首台程序存储计算机：IBM701——主要面向科学应用1955年IBM生产了另一种产品：IBM7021.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·第二代：晶体管1947年，贝尔实验室发明了晶体管。晶体管的使用是第二代计算机的标志。第二代计算机使用了高级编程语言，并为计算机提供了系统软件。这个时期出现了数据设备公司（DEC）。DEC建于1957年。同年，开发出了它们的第一台计算机PDP-1。1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·第二代：晶体管IBM

7094使用了：数据通道（DataChannel）多路器（Multiplexer）多路器是数据通道、CPU、内存的中心连接点。多路器调度CPU和数据通道对内存的访问，允许这些设备独立运行。1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·第三代：集成电路微电子技术计算机包含门、内存位元和它们之间的互联结构。它们由简单的数字电子元件组成。1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史微电子技术用逻辑门和内存位元可以实现4个基本功能：·数据存储由内存位元提供·数据处理由逻辑门电路提供·数据移动部件间的通路用于将数据从内存传送到内存，或从内存通过门电路再传送到内存·控制部件之间的通路传送控制信号

1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·第三代：集成电路IBMSystem/3601964年，IBM发布了System/360360系列与原来的IBM机器不兼容系列机：同一生产厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。兼容机：不同生产厂家生产的具有相同的系统结构计算机。1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·第三代：集成电路IBMSystem/360System/360是工业上第一个计算机系列的发展计划。这一系列覆盖了广泛的性能和价格。各种型号的兼容性体现在：为系列中某个型号写的程序可以在系列中任一个型号上运行，所不同的仅仅是运行时间。1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史IBMSystem/360IBM系列机具有以下特征：·相同的或相似的指令集·相似或相同的操作系统·更高的速度·更多的I/O端口数·更大的内存容量·成本增加。1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·第三代：集成电路IBMSystem/360系列概念如何实现？区别在于如下3个因素：·基本速度·容量·并行程度1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·第三代：集成电路DEC公司的PDP-8PDP-8小型机能完成大型机的工作，但价格低廉。PDP-8的低价格、小型化的系统使得其他制造商可以购买PDP-8，并将它集成到自己的系统中再行出售。这些制造商被称为原始设备制造商（OEM）。1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·后续的几代发展阶段大致时间采用的技术典型速度11946-1957真空管4万次/秒21958-1964晶体管20万次/秒31965-1971SSIMSI100万次/秒41972-1977LSI1000万次/秒51978-1991VLSI1亿次/秒61991-ULSI10亿次/秒1.3计算机的演变和性能1.3.1

计算机简史·后续的几代微处理器1971年，Intel开发出Intel4004。4004是第一个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品。于是，微处理器诞生了1972年出现了Intel8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍1974年出现了Intel8080，这是第一个通用微处理器（8位）1.3计算机的演变和性能1.3.2

性能设计从计算机组织和结构上看：·一方面组成今日计算机的基本模块与ISA计算机基本相同；·另一个方面，从现有材料中挤出最后一丁点性能的技术都变得日益复杂。1.3计算机的演变和性能1.3.2

性能设计考察计算机各组成部件时，我们追求的目标：·解释每个所考察领域的基本功能；·探寻为达到最大性能所要求的技术。1.4计算机的特点与性能指标1.4.1

数字计算机的特点1.自动连续地执行程序

是数字计算机的一个基本特点，也是和其他计算工具最本质上的区别所在2.运算速度快3.运算精度高以二进制作为信息表示的基础，只要增加位数就能提高运算精度4.存储能力强5.通用性好1.4计算机的特点与性能指标1.4.2计算机的主要性能指标1.