第1章计算机系统概述

1计算机系统概述

行1.1计算机的概念和功能

行1.2计算机系统组成

行1.3计算机组成与系统结构

61.4计算机的分类

存1.5计算机发展史上的里程碑

61.6性能设计

行1.7Pentium和PowerPC的进展

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1.1计算机的概念和功能

6什么是计算机

6计算机的功能

6计算机的层次结构

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1.1

>,、什么是计算机

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外处

界程序理

信数据>结

息果

计算机的概念

1.1

计算机系统

计

件

硬

算r计算机的实体

机

I

系Y:如主机、外设等

1

统

<软件由具有各类特殊功能

的信息（程序）组成

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二、计算机的功能1.1

操作环境

1.1

:、计算机的功能

»数据处理

»数据存储

»数据传送

»操作控制

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1.1

:、计算机的功能

1数据处理

，多种数据形式

/多种处理要求

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传送

存储

传送

控制

存储处

1.1

:、计算机的功能

2数据存储

,必要性

，临时存储

,长期存储

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传送

存储

传送

控制

存储

传送

控制

存储处

《二、计算机的功能1'1

*―3数据传送

/外围设备

/远程设备

/输入/输出（I/O）

/数据通信

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传送

控制

（处理

存储

传送

存储

传送

控制

存储

传送

控制

存储处

1.1

:、计算机的功能

4操作控制

计算机控制的主体是

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1.1

三、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

、f

机器语言实际机器Ml

微指令系统微程序机器M0

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1.1

用编译程序翻译

虚拟机器M4

成汇编语言程序

■、，

用汇编程序翻译

虚拟机器M3

成机器语言程序

软_______33

件I虚拟机器MT用机器语言解释操作系统

、，

硬实际机器Ml用微指令解释机器指令

件“

微程序机器M0

由硬件直接执行微指令

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1.2计算机系统组成

计

件

硬

算计算机的物理实体

机

系如主机、外设等

统

软件由具有各类特殊功能的信息（程

序）组成，软件是各种程序和相

关资料的总称。

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1.2

、硬件结构

,计算机与外部环境

,计算机内部结构

/计算机总线结构

,硬件组件

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外围设备^通信线路

/计算机

,・存储1

\•处理7

计算机与外部环境

外

围

设

备

构

计算机内部结

I-----------------------------1I-------------------------------------r设备设备

：ALU：1控制器;

HMBI^BB^BBII^HiMBJ

K,n1

系总线

计算机的组成总线结构

计算机的组成总线结构

1.2

硬件组件

»CPU=运算器+控制器

»内存储器

AI/O接口和外围设备

A系统总线

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A2

运算器U

几LU

cUCP

控制器主机

个

主

J存

件

硬

辅

L存>

概存储器

念I

输入设备/0

输出设备

I/O

ComputerSystemComponents

Input/Output

(Serial.USB)

Mtmitor

1.2

:、计算机软件

/软件

/分类

/程序设计语言

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匚2算机组成与系统结构

一、系统结构

程序员可见的属

性，这些属性直接影响

程序的逻辑执行。

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《这些属性包括:

/指令率统

/数据主型及格式

/内存访问技术

/I/O机制

/程序可用寄存器

/性能的改进

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1.3计算机组成与系统结构

:、计算机组织

部件的构造及相互

连接，是对程序员透明

的硬件细节。

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计算机组织研究的内容

/控制信号

/接口技术

,各模块的实现

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1.3计算机组成与系统结构

:、组织与结构的关系

/结构相同，组织可以不同。

,系列计算机具有相同的结构。

/微型计算机组织与结构关

系紧密。

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1.3计算机组成与系统结构

四、发展趋势

组织与结构关系越来越紧密

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1.4计算机的分类

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分类原则类型

组成及机械计算机、机电计算机

实现电子计算机

处理的量模拟计算机、数字计算机

功能通用计算机、专用计算机

巨型机（超级计算机）

规模和

大型机、中型机、小型机、

功能

工作站、微型机、单片机

系统结构SISD、SIMD、MISD、MIMD

SingleInstructionStreamSingleDataStream

IS

IS：指令流CU:控制部件

cs：控制流MM：数存储部件

DS:数据流PU：处理部件

SingleInstructionStreamMultipleDataStream

IS

'PUiMMi

CS

cu'PU2MM2

is指令流'PUn.MMn

cs控制流

DS数据流PU处理部件

cu控制部件MM主存储器

MultipleInstructionStreamSingleDataStream

DS

IS指令流

cs控制流

DS数据流

PU处理部件

CU控制部件

MM主存储器

DS

MultipleInstructionStreamMultipleDataStream

IS指令流DS数据流CU控制部件

CS控制流PU处理部件MM主存储器

《研究内容

通用电子数字计算机

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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Ml

微指令系统微程序机器M0

1.5计算机发展史上的里程碑

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按硬件技术进步划分各代

电子管：1946〜1958

分立晶体管：1958〜1964

IC:1964〜…

——SSI/MSI:1964〜1974

——LS1/VLS1:1974〜1990

——USI/GSI:1990-...

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一一分74〜90

电立

64〜7490〜

子晶

_SSI_LSI_ULSI

管-体

MSIVLSIGSI

V-----------------------------------J

管----------------V----------------

IC

58〜64

I第一代：电子管

W-----------------

1946-1958

1ENIAC

2IAS

3计算机工业IBM

4新技术

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电子管

/结构：导线、金属片、玻璃外壳、真空环境组成

/管脚数：6或更多个

/功耗：几个瓦特

晶体管

A结构：由硅制成的固态器件

»管脚数：3个管脚（3个级）

»功耗：几百毫瓦

》可靠性：平均无故障时间是电子管的若干倍

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世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)

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1946年美国ENIAC1955年退役

十进制运算

18000多个电子管

1500多个继电器

150千瓦

30吨

1500平方英尺

5000次加法/秒

用手工搬动开关和拔插电缆来编程

EckertandMauchly

IAS计算机结构

第一台vonNeumann系统结构的计算机2d

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冯・诺依曼计算机

A程序存储

A二进制运算

新技术

/磁芯存储器

/计算机图形

/中断

/微程序

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,第二代：分立晶体管

W-----:------

1958-1964

1晶体管的优点

2IBM7090,IBM7094

3计算机工业DEC

4新技术

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晶体管

，1947在Bell实验室发明

/1958大量生产，用于商业

，19641c技术成熟，分立晶体管的生命周期结束

电子管（真空管）晶体管

/结构：导线、金属片、玻璃外壳»结构：由硅制成的固态器件

真空环境组成»管脚数：3个管脚（3个级）

/管脚数：6或更多个»功耗：几百毫瓦

/功耗：几个瓦特»可靠性：平均无故障时间是电子管的若干倍

工业大学一一王丽芳

晶体管

1947在Bell实验室发明一

1958大量生产，用于商业

19641c技术成熟，分立晶体管的生命周期结束

晶体管计算机

»体积I»体积I

»价格I»速度T

»功耗I»存储容量t

»发热I»功能更强f

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磁带机

卡片穿孔机

CPU数据通道

行式打印机

多卡片阅读机

路

磁鼓

器

数据通道

磁盘

数据通道磁盘

存储器超小型磁带机

数据通道电传设备

IBM7094

新技术

,数据通道

/多路开关

/高级语言

/系统软件

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第三代：IC(SSI/MSI)

1964-1974

1集成电路de)

2IBMSystem360

3计算机工业PDP-8

4新技术

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IBMSystem/3602.1

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DECPDP-8

4新技术

系列计算机

磁盘驱动器

多道程序

分时多用户系统

总线技术

OEM（原是设备制造商）

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第四代：微处理器

1974〜1990

1Intel8080...

2Intel80x86

3计算机工业(PC)

4新技术

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IntelMPU的发展演变

/70年代的MPU

/80年代的MPU

/90年代的MPU

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70年代40048008808080868088

19711972197419781979

推出

1101010801

时间

1504040606

5MHz

时钟10810825MHz

8MHz

频率KHzKHzMHz8MHz

10MHz

数^^总线488168

宽度bitsbitsbitsbitsbits

晶体管

2,3006,00029,00029,000

数目3,500

(microns)(10)(6)(3)(3)

可寻址640166411

空间bytesKbytesKbytesMbytesMbytes

Intel386TMIntel386TMInte486TM

80286

80年代DXMPUSXMPUDXMPU

推出1982198519881989

时间02/0110/1706/1604/10

时钟6MHz-6MHz-16MHz-25MHz

频率12.5MHz33MHz33MHz50MHz

DB16bits32bits16bits32bits

晶体管

134,000275,000275,0001.2million

数目

(1.5)(1)(1)(0.8—1)

(microns)

可寻址

16MB4GB4GB4GB

空间

1GB64TB64TB64TB

存储器

90年代Inte486TMSXPentiumPentiumProPentium