计算机系统概论课件

计算机组成原理信息管理教研部赵森茂第一章计算机系统概论第2页课程说明：计算机系统为单处理机系统（主要为80x86系统）。主要内容：计算机系统概论运算方法和运算器存储系统指令系统中央处理器总线系统外围设备输入输出系统第一章计算机系统概论第一章计算机系统概论第5页1．1计算机的分类和应用1．1．1计算机的分类电子计算机从总体上来说分为两大类。电子模拟计算机模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。电子数字计算机数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。电脑—电子数字计算机。数字计算机可进一步分为：专用计算机通用计算机可分：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六类它们的区别在于体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格。第一章计算机系统概论第6页第一章计算机系统概论第7页1．1．2计算机的应用计算机的应用归纳为以下七个方面：1．科学计算方法不很复杂，但计算工作量实在太大，以致于根本无法计算的问题。人工计算太慢，算出来也失去了实际意义的问题。用人工计算不一定能选出最佳方案的问题。2．自动控制用计算机控制各种加工机床，不仅可以减轻工人的劳动强度，而且生产效率高，加工精度高。还可以用一台或多台计算机控制很多台设备组成的生产线，还可以控制一个车间以至整个工厂的生产，其经济和技术效果更为显著。“计算机是提高生产力最简便的办法”。1．2计算机的硬件第一章计算机系统概论第9页第一章计算机系统概论第10页1．2．1数字计算机的硬件组成实例：计算：y=ax+b-c组成:运算器存储器控制器适配器与输入输出设备输入设备存储器输出设备运算器控制器第一章计算机系统概论第11页1．运算器主要功能：算术运算：加减乘除逻辑运算2．存储器在运算前把由输入设备送来的需要参加运算的数据和解题步骤保存起来。目前采用半导体器件为内存储器。通常，在存储器中把保存一个数的若干个触发器称为一个存储单元。存储器是由许多存储单元组成的。每个存储单元都有编号，称为地址。存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量，用单位KB、MB来表示。第一章计算机系统概论第13页指令的操作码和地址码是用二进制代码来表示。存储程序：将解题的程序(指令序列)存放到存储器。程序控制：控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务。一台计算机通常有几十种甚至上百种基本指令，从而构成了这台计算机的指令系统。指令系统不仅是硬件设计的依据，而且是软件设计的基础。因此，指令系统是衡量计算机性能的一个重要标志。第一章计算机系统概论第14页(3)控制器的基本任务控制器的基本任务是：按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行这第二条指令。依次类推。通常把取指令的一段时间叫做取指周期，而把执行指令的一段时间叫做执行周期。因此，控制器反复交替地处在取指周期与执行周期之中。每取出一条指令，控制器中的指令计数器就加1，从而为取下一条指令做好准备。在早期的计算机术语中，通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器，简称CPU。CPU与存储器被称为主机。第一章计算机系统概论第15页(4)指令流和数据流数字计算机使用“位”(bit)作为最小的信息单位。当CPU向存储器送入或从存储器取出信息时，不能存取单个的“位”，而用B(字节)和W(字)等较大的信息单位来工作。一个“字节”由8位二进制信息组成。通常把组成一个字的二进制位数叫做字长。例如微型机的字长可以少至8位，而大型机的字长可以达到64位。计算机字既可以代表指令，也可以代表数据。如果某字代表要处理的数据，则称为数据字如果某字为一条指令，则称为指令字取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。某些指令进行过程中需要两次访问内存，一次是取指令，另一次是取数据，第一章计算机系统概论第17页第一章计算机系统概论第18页1．2．2计算机系统结构的过去和未来世界上第一台电子数字计算机是1946年在美国宾夕法尼亚大学制成的。计算机的发展大致经历了五代的变化：第—代为1946年开始的电子管计算机。计算机运算速度一般为每秒几千次至几万次，体积庞大，成本很高，可靠性较低。在此期间，形成了计算机的基本体系，确定了程序设计的基本方法，“数据处理机”开始得到应用。第二代为1958年开始的晶体管计算机。运算速度提高到几万次至几十万次，可靠性提高，体积缩小，成本降低。在此期间，“工业控制机”开始得到应用。第三代为1965年开始的中小规模集成电路计算机。可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步下降，运算速度提高到几十万次至几百万次。在此期间形成机种多样化，生产系列化，使用系统化，“小型计算机”开始出现。第一章计算机系统概论第19页第四代为1971年开始的大规模和超大规模集成电路计算机。可靠性更进一步提高，体积更进一步缩小，成本更进一步降低，速度提高到每秒几百万次至几千万次。“微型计算机”开始出现。第五代为1986年开始的巨大规模集成电路计算机。运算速度提高到每秒几亿次至上百亿次。由一片巨大规模集成电路实现的“单片计算机”开始出现。50多年来计算机体系结构的发展过程，是在冯·诺依曼型结构的基础上，围绕如何提高速度、扩大存储容量、降低成本、提高系统可靠性和方便用户使用为目的，不断采用新的器件和研制新的软件的过程。就系统结构本身来说，主要是指令系统、微程序设计、流水线结构、多级存储器体系结构、输入／输出体系结构、并行体系结构、分布式体系结构、多媒体体系结构、操作系统和数据库管理系统的形成和发展。

第一章计算机系统概论第21页1．3计算机的软件1．3．1软件的组成与分类电子计算机进行计算、控制或做其他工作时，需要有各种用途的程序。凡是用于一台计算机的各种程序，统称为这台计算机的程序或软件系统。计算机软件一般分为两大类：系统程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类：(1)各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；(2)语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；(3)操作系统；(4)数据库管理系统。应用程序应用程序是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等等。第一章计算机系统概论第22页1．3．2软件的发展演变机器语言(即机器指令代码)：目的程序汇编语言：汇编程序（汇编源程序）算法语言（BASIC、C、C++、JAVA…）：源程序编译系统：编译程序及运行系统解释系统：逐一解释并计算。操作系统数据库系统（DB、DBMS）….第一章计算机系统概论第23页1．4计算机系统的层次结构1．4．1多级组成的计算机系统计算机是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计，如图所示。第一章计算机系统概论第25页第一级到第三级编写程序采用的语言，基本是二进制数字化语言，机器执行和解释容易。第四、五两级编写程序所采用的语言是符号语言，用英文字母和符号来表示程序，便于大多数不了解硬件的人们使用计算机。第一章计算机系统概论第26页第一章计算机系统概论第29页本章小结电子数字计算机分为：专用计算机和通用计算机两大类。专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。通用计算机又分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机六类。其结构复杂性、性能、价格依次递减。计算机的应用范围包括：科学计算、自动控制、测量与测试、信息处理、教育卫生、家用电器、人工智能等领域等等。计算机的硬件是由有形的电子器件等构成的，包括：运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备。运算器和控制器称为CPUCPU和存储器称为主机。第一章计算机系统概论第30页存储程序并按地址顺序执行，这是冯·诺依曼型计算机的工作原理，也是计算机自动化工作的关键。计算机软件一般分为：系统程序和应用程序两大类。系统程序