第1章计算机系统概论

1计算机系统概论第1章2本章论述基本知识和基本概念，包括:1.1计算机系统发展简史1.2计算机硬件的主要组成部分1.3计算机系统的主要技术指标1.4软件概述1.5计算机系统层次结构1.6计算机的应用需要重点讲解的是计算机硬件的主要组成部分、计算机系统的主要技术指标和计算机系统层次结构3部分内容。第1章计算机系统概论31.1计算机系统发展简史1.1.1计算机 古代的计算工具 机械式和机电式计算机 现代电子计算机41.古代的计算工具

我国最早出现的计算工具是“算筹”，采用十进制计数法可进行加、减、乘、除等运算。5古代的计算工具

替代算筹的新的计算工具——“算盘”，还创造了一整套珠算口诀，运算速度快捷，以后还传到日本、韩国等东亚各国以及欧州，一直延续到现代。62.机械式和机电式计算机17世纪开始，欧州一些数学家设计制造出一些机械式或机电式的计算工具——数字运算机。1642年，法国数学家帕斯卡（BPascal）制成第一台机械加法器——十进制加法器……1944年，美国人霍华德·艾肯（HAiken）制成了自动程序控制计算机——马克1号。73.现代电子计算机技术基础——电子元器件的发明、应用和电子技术的迅速发展理论基础——二进制计数制和布尔代数社会基础——第二次世界大战对先进的、高速的计算工具的迫切需求8技术基础1883年，发明白炽灯的美国科学家爱迪生在白炽灯泡中加入第二个电极，发现电极与灯丝之间有电流飞渡——这就是爱迪生效应。1897年，物理学家汤姆逊用实验证实了真空管（电子管）中导电的粒子——电子是从阴极逸出的。汤姆逊因发现电子而获得诺贝尔物理学奖。1904年，英国科学家弗莱明（Fleming）发明了真空二极管。1906年，福莱斯特（Forrester）发明了具有电信号放大作用的真空三极管。9理论基础1847年，英国数学家乔治·布尔认为逻辑中各种命题能够使用数学符号来表示，这些符号能依据固定的规则推导出适当的结论。他设计了一套表示逻辑理论中基本概念的符号，建立了应用这些符号进行运算的法则，从而把形式逻辑归结为一种代数——建立了逻辑代数（布尔代数）两种逻辑值——“真”与“假”三种逻辑关系——“与”、“或”和“非”10理论基础1938年，美国数学家香农在其硕士论文中提出，可以用二进制系统来表示布尔代数中的逻辑关系：用“1”表示“真”用“0”表示“假”二进制计算的引入对电子计算机的诞生具有极其重要的意义。采用二进制数码进行的计算只有“1”和“0”两个状态，任何一个物理状态都可以表示为“有”和“无”，比如： 电信号——电压或电流的有无（高、低） 磁信号——磁性的有无 实现二种状态的机电元器件也容易制造。若采用十进制数时要用10个不同状态表示0～9十个数，而要找到同时具有10个不同稳定状态的机电元器件是极困难的11理论基础 英国24岁的青年数学家阿兰·图灵在其论文中，严格地描述了计算机的逻辑结构，首次提出了计算机的通用模型——图灵机，为近代电子数字计算机的发展奠定了理论基础。

12社会基础1939年9月，第二次世界大战爆发，1941年，太平洋战争爆发，美国对日宣战。军事上的迫切需要加速了电子计算机研制的步伐。宾夕法尼亚大学莫尔学院和美国陆军军械部签署了合作项目——“弹道表”的计算工作。13社会基础1945年年底第一台实用的通用电子数字计算机“埃尼阿克”（ENIAC，ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，电子数字积分器和计算器）1946年2月15日ENIAC计算机在宾夕法尼亚大学正式投入运行14社会基础制作成本高达1000万美元共用18800个电子管1500个继电器重达30吨，占地170平方米，耗电150千瓦运算速度为：每秒钟能进行5000次加法运算（或330次乘法运算或100次除法运算），用来进行弹道计算，几分钟能完成一条弹道的计算。15现代电子计算机的奠基人——冯·诺依曼冯·诺依曼生于匈牙利，苏黎士大学数学博士，1930年赴美，1933年与爱因斯坦一起受聘为普林斯顿大学终身教授。1944年底～1945年初他参加ENIAC计算机研制小组，成为研制小组的顾问研制成笫一台实用的通用电子数字计算机16“冯·诺依曼机”计算机的主要改进有：①采用二进制计数；②采用延时线作内部存储器，容量为1024字节；③提出了“存储程序”的概念，程序设计者按计算要求编制好程序，将程序和运行程序中所用的数据以二进制代码的形式存入计算机的存储器中，由计算机自动执行程序。使电子计算机有了通用性，只要能写出正确的指令，计算机执行时就无须人工干预。按此方案构成的计算机称为“冯·诺依曼机”。171.1.2电子计算机电子计算机4代电子计算机电子数字计算机分类我国计算机事业发展概况18电子计算机电子计算机（electroniccomputer）能自动地、高速地进行大量运算的电子设备，能通过对输入的数据进行指定的数值运算和逻辑运算来求解各种算题，也能用来处理各种数据和事务，是一种自动化信息处理工具，当它与一定的机电设备或仪器设备相结合时，能实现对生产过程和实验过程的控制。192.4代电子计算机第一代——电子管计算机：从1946年第一台计算机研制成功开始到50年代后期，以电子管为基本器件，运算速度为每秒几千次运算。特点是精度低、存储容量小、稳定性差以及体积庞大等。其主要应用于军事及国防领域。204代电子计算机第二代——晶体管计算机：从20世纪50年代中期到60年代后期，以晶体管为基本器件，开始使用磁芯存储器，运算速度在每秒几万次运算以上后期的晶体管计算机已达每秒千万次运算其特点是精度较高、存储容量较大、稳定性较好以及体积较小等。应用领域已扩大到工程设计和科学研究。214代电子计算机第三代——集成电路计算机：从20世纪60年代中期到70年代前期采用小规模或中规模集成电路为基本器件，后期开始使用半导体存储器，运算速度在每秒几十万次运算以上，后期的集成电路计算机速度已达每秒千万次运算，其特点是功耗、体积和价格等进一步下降，而速度及可靠性相应地提高224代电子计算机第四代——大规模和超大规模集成电路计算机：从20世纪70年代中期开始采用大规模集成电路和超大规模集成电路器件，高密度、高速度的处理器芯片和存储器芯片。运算速度可达每秒几千万次～上亿次。特点：精度更高、存储容量更大、稳定性更好、体积更小（在实现相同功能的条件下）等。233.电子数字计算机分类巨型机大型机小型机微型机工程工作站24（1）小型机规模小、结构简单、设计试制周期短具有硬件和软件成本低、操作和维护容易以及可靠性高等特点，管理机器和编制程序都比较简单，便于计算机的普及和推广使用小型机进行数据采集、整理、分析、计算等工作可使小型机的应用领域扩展到控制领域。25（2）大型机具有高可靠性、高吞吐能力、高安全性、高可扩展能力以及防病毒和防黑客能力。它用作一个安全的、开放的大型服务器，作为企业的计算平台。大型机软件开发成本很高，为了减少研发的软件开发成本，大型机一般具有系列化的特点IBM公司于1998年推出的IBMS/390系列的第5代产品，其主机速度为每秒10亿次。26（3）巨型机需要有很高的运算速度、很大存储容量的计算机以Cray-1计算机为例，针对天气预报、飞行器设计和核物理研究中存在大量向量运算的特点，Cray-1计算机的向量运算速度达每秒8000万次，并兼顾了一般的标量运算。1983年研制成功的CrayX-MP机向量运算速度达每秒4亿次。27（4）微型机产生于20世纪60年代末至70年初由于集成电路工艺和计算机技术的发展，袖珍计算器得到了普遍的应用。1971年10月，美国Intel公司首先推出Intel4004微处理器实现4位并行运算的单片处理器构成运算器和控制器的所有元件都集成在一片大规模集成电路芯片上，是第一片微处理器。28微型机微型机（Microcomputer，微型计算机）是指以微处理器为基础，配以内存储器以及输入/输出接口电路和相应的辅助电路而构成的计算机。微型机的出现与发展，掀起了计算机普及的大浪潮。29个人计算机PC20世纪70年代后期，出现了一种通用微机系统——个人计算机(PersonalComputer，PC)。最早的、在个人计算机发展史中有重大影响的是1977年Apple公司推出的AppleII型微机，1981年8月12日IBM公司推出了IBMPC机，后来又推出IBMPC/XT机（扩充型PC），IBMPC/AT机（先进型PC）。30个人计算机PC具有设计先进、软件丰富、功能齐全、价格低廉等特点，成为微型机市场主流。国内外许多计算机厂家相继生产了与IBMPC兼容的个人计算机。个人计算机是一类通用计算机，可应用于多种领域，低档的个人计算机可供家庭娱乐和业余爱好者使用，高档的个人计算机用于经营管理、科学计算以及教育等方面。31（5）工程工作站工程工作站EWS（EngineeringWorkStation）简称工作站，一种微型化的功能强的计算机系统。速度快、内存大、图像处理能力强、联网适合于进行较复杂的科学和工程计算。由高性能主机（包括高性能处理器和大容量内存）、高分辨率显示器、高速I/O设备以及其他必要的仪器设备组合而成。它置于终端台上，并可通过网络连接起来。本身可作为一台计算机使用，能完成工程业务、技术业务和管理业务，并能作为一个工作站加入网络中。32我国电子计算机事业发展的三个阶段：第一阶段：1956～1970年主要应用于国防、军事和科研单位，用来进行高速计算。第二阶段：1971～1980年应用开始扩展到经济领域，并开始从国外引进电子计算机。第三阶段：从1981年开始主要是面向应用，使计算机应用覆盖到各个领域。5.我国计算机事业发展概况33计算机系统的组成

系统软件应用软件计算级系统分为：硬件系统+软件系统硬件软件主机外设34计算机系统的组成

输入设备：键盘、鼠标、扫描仪

输出设备：显示器、打印机

外

存：软、硬盘、光盘、闪存

网络设备：网卡、调制解调器等

计算机系统软件外部设备系统软件应用软件硬件运算器寄存器控制器主机内存CPU随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)高速缓冲存储器

操作系统：Windows、Unix、Linux办公软件包、数据库管理系统

351.2电子计算机硬件的主要组成部分1.2.1运算器1.2.2控制器1.2.3存储器1.2.4输入设备1.2.5输出设备36硬件的主要组成部分电子计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备输出设备五部分组成37电子计算机的组成部分其中运算器和控制器合称中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU），CPU与存储器(内存储器)合称为主机而输入设备和输出设备合称为外部设备381.2.1运算器运算器是直接完成各种算术、逻辑运算的部件，主要部件是ALU（算术逻辑部件）。算术运算就是加、减、乘、除等运算。逻辑运算是按照逻辑代数规律进行的运算，如逻辑与、逻辑或等。391.2.2控制器控制器是整个计算机的指挥系统。对所要操作的程序中的每一条指令进行分析和判断。向机器各部件发出控制信号来指挥整个机器自动地、协调地进行工作。40控制器的主要功能①在控制器的控制下，将程序和原始数据送入内存；②控制运算器和内存等部件实现自动计算和处理，并将结果送到输出设备；③控制内存与外存之间的信息交换；④控制随机事件的处理。411.2.3存储器计算机之所以能够自动地、高速地进行各种复杂的运算，其原因之一是它能把算题所需的各种数据和程序事先存放在一个记忆装置中，这个记忆装置就是存储器。存储器的职能是存储程序、数据以及中间结果，而在运算和处理过程中由存储器快速地提供给运算器进行加工处理，这就是“程序存储”的工作方式。42存储器存储器通常分为内存储器（简称“内存”）和外存储器（简称“外存”）两类。内存设置在主机内部，用来存放当前运行所需要的程序和数据，以便向中央处理机高速传送信息。内存一般容量较小，但存取速度较高，它由半导体存储器组成。内存储器又称为主存储器（简称“主存”）外存设置在主机外部，用来存放当前暂时不参加运算的程序和大量数据，在需要时可与内存成批交换数据。外存容量较大，但存取速度较低。常用的外存储器有磁盘机（包括硬磁盘机和软磁盘机）、磁带机和光盘机等。外存储器又称为辅助存储器（简称“辅存”）。431.2.4输入设备向主机送入信息（数据、程序以及各种字符信息）的设备，是人机联系的主要设备。人的意图、原始数据等通过输入设备进入计算机，常用的输入设备有键盘、鼠标器、数字化仪、光笔、扫描仪以及触摸屏等。441.2.5输出设备接受主机输出的信息（机器工作的中间结果或最终结果），并把它显示出来的设备。常用的输出设备有打印机、CRT终端（视频数据终端）、自动绘图机等。451.3电子计算机系统的主要技术指标1.3.1字长1.3.2运算速度1.3.3存储容量1.3.4主频461.3.1字长

指CPU中ALU一次能处理二进制数据的位数，

或者CPU与输入/输出设备和存储器之间一次传送二进制数据的位数，通常CPU的数据总线以及运算器的位数同计算机的字长一致。计算机的字长同处理能力和计算精度有关。字长越长，计算精度就越高，处理能力也就越强47字长高档微型计算机字长为32位和64位。对于字长短的计算机，为了提高计算精度，采用多字节的数据结构，用多个字节表示一个数。例如，对16位计算机，可以采用32位精度字进行操作。481.3.2运算速度以每秒钟能执行多少条指令来表示的，用来衡量计算机运算的快慢程度。由于计算机对不同指令的执行时间不同，有的甚至相差极大，因此需要作进一步的规定。最初是以定点加法指令为标准，以后又以加法、乘法、除法指令的平均时间为标准。491.3.3存储容量存储容量是衡量计算机系统中存储器存储能力的一个指标，包括内存（主存）容量和外存（辅存）容量。内存容量以字节为单位，分装机容量（实际容量）和最大容量。50

存储容量外存容量是指磁盘、磁带和光盘等容量，应根据实际需要来配置。目前高档微机系统中采用的硬磁盘的容量为500GB,1T等，光盘的容量也为GB级。511.3.4主频指计算机工作时CPU的时钟频率，其单位为MHz（兆赫，106赫兹）和GHz(千兆赫，109赫兹)，是计算机工作的时间基准，用来协调整机的操作。主频的高低在很大程度上决定了计算机的运算速度。高档微机的主频都在1GHz以上，在新Pentium4芯片的主频高达3.8GHz。521.4软件概述1.4.1软件及其分类1.4.2对“软件”的完整理解1.4.3语言处理程序531.4.1软件及其分类计算机软件是计算机程序、程序所使用的数据以及有关的文档资料的集合。软件是计算机系统的“灵魂”，硬件是计算机系统的“实体”，硬件只是提供了计算机应用的物质基础，仅有硬件的计算机称为“裸机”，裸机必须配上必要的软件，才能使计算机系统具有特定的功能，并得到实际的应用。硬件和软件结合构成一个完整的计算机系统。54软件及其分类从用户角度来看，软件是用户与硬件之间的使用界面，软件能使用户更方便、更有效地利用计算机硬件资源。根据软件的功能及其所面向的工作对象，软件可分为系统软件、支撑软件、应用软件。551.系统软件系统软件是一种为了使用和管理计算机系统，直接控制和协调计算机、通信设备以及其他外部设备，使之发生作用并方便用户使用的软件。系统软件最靠近硬件，其他软件都要通过它发挥作用。系统软件一般由计算机生产厂家和软件厂商提供，它与具体应用领域无关，是在系统一级提供服务。56二类系统软件1）面向计算机本身的软件，操作系统故障处理程序。2）面向用户的软件，语言处理程序辅助加工软件。57语言处理程序用来把各种程序设计语言所编写的源程序翻译为计算机能直接处理的用机器代码所表示的目标程序如各种高级语言的编译程序解释程序汇编程序。58辅助加工程序主要用来为用户编辑和修改源程序、装配和连接目标程序如文本编辑程序屏幕编辑程序字处理程序连接程序各种专用和通用计算程序常用数学库程序和软件包等。592.支撑软件支撑软件是开发与维护的软件，20世纪70年代中后期发展起来的软件开发环境可看成现代支撑软件的代表，主要包括环境数据库各种接口软件工具组（例如，面向计算机维护人员的软件：主要有诊断调试程序、自动纠错程序和测试程序）数据库管理系统和网络系统等也可算作支撑软件。603.应用软件特定应用领域的专用软件，一种直接完成某种具体应用、供最终用户使用的软件。具有通用性的应用软件必须指出的是，系统软件和应用软件之间没有一个很严格的界限，例如各种标准程序库，可以看成是应用软件，也可以看作计算机生产厂家提供的系统软件。611.4.2对“软件”的完整理解按“软件工程”的观点，软件是程序以及开发、使用和维护程序所需的相关文档资料的完整集合。计算机系统软件的完整配置包括四部分①为解决各种特定问题而编制的应用程序；②为支持各种应用程序运行的系统程序；③有关应用程序的设计和开发过程的文档资料；④面向最终用户的有关使用和维护应用程序的文档资料。可归纳为“程序”和“软件文档”两大部分。621.程序程序是使计算机执行特定任务的指令序列。指令的有序集合。在初级语言中，它是一组指令和数据；在高级语言中，它是一组语句和说明。把用任何一种不同于机器语言的其他程序设计语言所编写的程序称为源程序。计算机不能直接执行源程序，必须经过语言加工程序，如汇编程序或编译程序翻译成计算机能识别的用机器代码所表示的目标程序，计算机才能执行。63程序设计主要步骤：1)分析问题，明确任务。2）建立数学模型，把实际问题转化为一个计算机能求解的问题。3）建立算法。4）设计程序流程图。5）按流程图编制程序。6）上机调试、修改，直到能正常运行达到设计要求为止。

642.软件文档软件文档（Document）是用自然语言或形式化语言所编写的，用来描述程序的内容、组成、设计、功能规格、开发情况、测试结果以及使用方法的文字资料和图表。65软件文档软件文档是软件开发、使用、维护和管理中的必备资料，高质量的文档对提高软件开发效率、保障软件的正确、有效的使用和维护，以及保证软件质量是十分重要的。因此从软件的开发开始一直到软件的使用和维护都必须十分重视文档的作用。661.4.3语言处理程序计算机能直接接受和执行的是用机器代码（二进制代码）编制的目标程序。用其他程序设计语言所编制的源程序把源程序翻译成目标程序。这种翻译程序的翻译程序即为语言处理程序，包括汇编程序编译程序解释程序。671.汇编语言与汇编程序（1）机器语言与汇编语言机器语言是一种完全面向机器的程序设计语言，由二进制代码表示的一组指令集合组成，每条指令指挥计算机执行一个基本动作，是计算机硬件能直接执行的语言。用机器语言编制的程序具有计算机能直接识别和执行、程序紧凑、占用内存空间少和执行速度快等优点，能充分发挥和有效利用计算机的硬件资源和功能。缺点是机器指令难记、程序难写、难读和难调试，不利于计算机的推广使用。68汇编语言汇编语言是一种符号语言，其特点是用符号形式表示机器指令，用指令助记符代替机器的操作码、用标识符代替地址码。一种面向具体计算机的语言。汇编语言与机器语言相比，除保留了机器语言的优点外，还具有易懂、易写、易记、易调试和易修改等优点。与高级语言相比，具有执行速度快、节省内存和控制精确等优点。不同的CPU有不同的汇编语言。69（2）汇编语言源程序用汇编语言编制的程序称为汇编语言源程序，其基本单位是汇编语句行。完整的汇编语言源程序应包括基本指令语句、伪指令语句（又称指示性语句）宏指令语句。基本指令语句和机器指令有着一一对应的关系。70基本指令语句格式标号：操作码操作数；注释其中标号是指令的符号地址，当程序被汇编时，被赋予指令在内存中存放单元的物理地址。通常程序分支指令的目标指令前需要加上标号。操作码用来指明该指令的性质。操作数用来指出操作的对象。注释用来说明该指令在程序中的功能，为程序员和用户阅读程序提供说明，增加程序的可读性。71（3）汇编程序由于汇编语言是一种符号语言，计算机不能直接接受和执行，把汇编语言源程序翻译成二进制编码的机器语言所表示的目标程序的一种语言加工程序，称为“汇编程序”。在操作系统的支持下，汇编程序对汇编语言源程序进行两遍扫描。72汇编程序的主要功能1）将汇编语言源程序翻译成机器语言的目标程序。2）按用户指定自动分配存储区域（程序区、数据区和暂存区等）。3）自动地把各种进位制数转换成二进制数。4）把字符转换成ASCII码。5）计算表达式值。6）自动地对源程序进行检查，若有错误给出出错信息73汇编程序PC系列机上能够运行的汇编程序主要有ASM、MASM和TASM等，其调试程序是DEBUG。存放汇编语言源程序的盘文件应取.ASM的扩展名，经汇编后可以有选择地产生扩展名为.LST的源程序请单（即列表文件）以及扩展名为.OBJ的浮动二进制文件，经过连接后才能产生一个可执行的二进制.EXE，这个扩展名为.EXE的二进制文件才是能执行和调试的。74（4）交叉汇编程序利用一台计算机的处理、编辑能力为别的计算机进行汇编工作的程序称为“交叉汇编程序(CrossAssembler)”。75（5）反汇编程序反汇编程序(Disassembler)把二进制编码的机器语言目标程序翻译成汇编语言源程序的翻译程序，是与汇编程序功能相反的程序，即把操作码转换为指令助记符，把地址转换为符号地址。实际上它是一种“破译”的工具程序。762.高级语言与编译程序（1）高级语言独立于计算机之外的、接近于人们的使用习惯的、易为人们理解的面向问题计算过程的通用程序设计语言，称为“高级语言（HighLevelLanguage）”。高级语言的优点是：①表达算法容易，因而易学、易用、易于推广交流；②由于面向问题的求解过程，要说明的是必须完成什么，而不是完成的步骤，表达较简单；③独立于计算机，因此不需要了解计算机的内部结构，使计算机从计算机专业人员手中解放了出来，成为广泛使用的工具。77高级语言高级语