计算机系统概论

第1幸计算机系髭猫卷

目录

1.0预备知识

1.1计算机的分类

1.2计算机的发展简史

1.3计算机的硬件

1.4计算机的软件

1.5计算机系统的层次结构

2012年10月4日星期四2

学习要求

•了解计算机的发展历程；

・清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成（五大部

件的构成）、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程；

・了解计算机性能评价指标和相关参数；

。吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPUCPU执行时间;

MIPS、MFLOPS等。

•要求

。初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构，为进一步深入学习

打下基础。

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1.0预备知识

•问题彳小二台计算机二般有哪几部分组成？

。显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等；

O主机箱中有：主梃、CPU、光驱、硬盘、内存、显卡、声卡等;

•问题2:如何对以上设备分类？

O输入输出设备显不器，键盘，鼠标，首箱

O中央处理设备CPU（集处理和控制于一身）

。存储设备光驱、硬盘、内存

。接口转换卡显卡、声卡

。部件连接线主板上的印制总线、部件连接总线

•问题3:有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？

O一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两部分。

2012年10月4日星期四4

5

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SDRAM内存条

DDR内存条

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80G硬盘

硬盘数据线

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DVD光马区

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机内电源插头

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：如P2图1.1

1.1计算机的分类।_J________I____*

/石田二：皆用是针对某一任务设计的最有效、

厂专用计舁机最经济彳口最快遑的计算凯，但

适应性很差。

低高

r数字计算机单片机

处理数字量信息微型机体积

按位运算，功能

分简

不连续地跳动计算媪用计算机＜小型机数据存储量

类］易

指令系统

适应性很大，但中型机性

是牺牲了双率、价格

大型机

I模拟计算机速度和经济性。

处理模拟量信息

.超级计算机I高低

数值连续、运算过程连续

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1.2计算机的发展简史

1.2.1计算机的五代变化

工946~1957年，第一代计算机

电子管

日状警

日日怦目1958~1964^摩尔定律

第二代计算机

1965~1971^

中小规模^=^1972~1990^

集成电路1991■年~至今

［超大规模集成电跖巨大规模

集成电路

16

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第一代计算机

・第一代计算机（1945年—1958年）

O采用电子管。

•代表机型：ENIAC

01941年美国宾夕法尼亚大学开始研制；

O主要是为了解决美陆军提出的弹道计算

问题；

。花费40万美元；

01955年10月2日最后切断电源。

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ENIAC

第二代计算机(1958—1964)

FIRSTSILICONTRANSISTOR

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*

摩尔定律

A1964年，英特尔公司创始人戈登・摩尔(GordonMoore)在

一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一

倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。

A作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被

集成电路40多年的发展历史准确无误地验证着。

A摩尔定律有另外一种表述方法，即每过10年计算机系统性能将

会增加100倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费的资金不会增

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1.2.2半导体存储器的发展

•20世纪50~60年代，磁芯存储器

。价格昂贵，体积大，破坏性读出

•1970年，半导体存储器

。价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写

•1974年之后，半导体存储器

。价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。

•有关存储器的介绍详见第3章

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1.2.3微处理器的发展

•20世纪70星代的处理器

040046800898080今808698088

•20世纪80年代的处理器

080286个386TMDX今386TMSX9486TMDX

・20世纪90年代的处理器

O486TMSX-PentiumPentiumProPentiumII今

PentiumIII

•最近10年的处理器

OPentium4Itanium今Itanium2

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Intel4004Intel8088

Intel的发展史就是从这块CPU起步的

Intel80286

Intel最后一块16位CPU

Intel386

ZU叱午IU/j4口生现由

Intel80386,Intel第一代32位CPU

Intel486

这是Intel最后一代以数字编号的CPUIntelPentium

IntelPentiumII

IntelPentiumPro

IntelCeleron

工ntelPentiijjnIII

IntelPentiumlllTualatin/Coppermine

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双核CPU三核CPU

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1.2.4计算机的性能指标(1/3)

•吞吐量

O表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。

•响应时间

O从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。

•利用率

O在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分

比表示。

•处理机字长(机器字长)

。处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位；

。机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。

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1.2.4计算机的性能指标(2/3)

■总线宽度

。一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。

♦注意课本上的表述错误！

•主存储器容量

O主存储器所能存储二进制数据的位数。

♦或者说“主存储器中所有存储元的总数目。”，而非“存储单元”!

•主存储器带宽

。单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示O

•主频/时钟周期

OCPU主时钟的频率——主频；其倒数为CPU的时钟周期(T周期)。

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1.2.4计算机的性能指标（3/3）

•CPU的运算速度

OCPU执行时间：CPU执行一般程序所占用的CPU时间；

OCPI:执行一条指令所需的平均时钟周期数；

OMIPS:每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；

♦针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果）

OMFLOPS:每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。

♦针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果）

•其他的性能指标

。主存储器的读写速度、I0的数据传送率、带宽的均衡性……

2012年10月4日星期四30

1.3计算机的硬件•纸

O相当于存储器；'一

1.3.1硬件的组成要素

O保存源数据和结果数据;

。使用计算器计算y=ax+b・c

・计算器

O已知a=1,b=2,c=3,x=4

。解题步骤：O相当于运算器；

运算、暂存中间结果；

①获取数据a和数据x；O

•笔和手

②输入计算器，得出结果；

O相当于输入/输出设备;

③继续获取数据b,送入计算器;

。将数据的输入/输出；

④得到结果，继续获取数据c；

•人

⑤送入计算器，获得结果；

。相当于控制器；

⑥在纸上记录结果；

O协调整个计算过程；

2012年10月4日星期四31

冯•诺依曼计算机的特点

1.计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和

输出设备五个部分组成；

2.存储器以二进制形式存储指令和数据；

3.指令由操作码和地址码组成；

4.计算机能够存储程序并按地址顺序执行；

o冯•诺依曼体系结构的核心设计思想，机器自动

化工作的关键；

5.以运算器为中心。

2012年10月4日星期四32

现代计算机的特点

1.将运算器、控制器和片内高速缓存，统称为CPU;

而将CPU、主存储器、输入/输出接口和系统总线统

称为主机；其余的设备均为外设。

。主机内仅包含主存储器，即内存；

。硬盘、光盘等辅助存储器属于I/O设备；

2.以存储器为中心。

。减轻了CPU的数据传送负担，提高系统的整体性

2012年10月4日星期四34

1.3.2运算器

处理所有的算术及逻辑运

。通常称为ALU（算术逻辑单，

•特点：

O采用二进制数据进行运算；

O运算器一次可以处理的数据

位数称为机器字长；

。机器字长一般为8、16、32图L3运算器结构示意图

64位，机器字长直接决定着运算的精度和能力;

O运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成。

•运算器结构示意图演示

2012年10月4日星期四35

1.3.3存储器(1/2)

•功能?保存所有的程序和数据。v

•特点：

o二进制形式保存程序和数据；

O存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址;

•相关的概念

。存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件；

。存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成;

。单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从。开始编号；

。存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。

•注意：不同系统中的存储器组织方式并不一定相同；

2012年10月4日星期四36

1.3.3存储器（2/2）

•存储器的分类：J"

。外存（辅助存储器）

♦磁盘存储器、光盘存储器；

♦CPU不可直接访问；

。内存（主存储器）

♦半导体存储器；

♦CPU直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。

•两个与主存相关的寄存器

OMAR（存储器地址寄存器）：接收由CPU送来的地址信息；

OMDR（存储器数据寄存器）：作为外界与存储器之间的数据通路。

2012年10月4日星期四37

1.3.4控制器

O根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算

机各个部件的工作。

•主要任务：

。解释并执行指令；

O控制指令的执行顺序；

O负责指令执行过程中，操作数的寻址；

。根据指令的执行，协调相关部件的工作

♦如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。

•指令的形式

。操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；

。地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。

2012年10月4日星期四38

1.3.4控制器（续）

■控初Q作的周期『J

o取指周期：取指令的一段时间控制器功能示意图演示

。执行周期：执行指令的一段时间

•指令按顺序执行的控制部件：指令计数器

。每取出一条指令，指令计数器就加1；

。遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值;

•相关概念

。数据字：该字代表要处理的数据；

。指令字：该字为一条指令；

。指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；

。数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。

2012年10月4日星期四39

1.3.5适配器与输入输出设备

•输入设备

。将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二

进制信息形式的设备。

•输出设备

。把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信

息形式的设备。

•适配器

O保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。

•系统总线

。构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公

共通路。

2012年10月4日星期四40

用简化模型描述使用计算机工作过程

假定机器字长8位，主存容量24x8bit;

使用计算机的工作过程

(1)提出问题：计算y=ax2+bx+c

(2)按照指令系统编制程序

(3)将指令变为机器代码，送入主存储器

(4)控制器控制执行程序

2012年10月4日星期四41

乘商寄存器

MQ

注意图中的以下内容:

运

1、各部件的作用、构成及其关系;

控

2、每一部分的位数及数据流动方向;

42

举例：

假设简化计算机模型的指令格式如下:

操作码地址码

4位4位

(1)指令系统，设有6条指令

汇编语言助记符操作码地址码功能

LMAn0001n[M]-ACC

SAMn0010n[ACC]一M

ADDn0011n[ACC]+[M]-ACC

MULn0100n[ACC]*[M]-ACC

OUTn0101n输出M

HLT0110停机

**假定该简化模型乘法运算中的乘积位数与乘数相同。

2012年10月4日星期四43

⑵试编制程序，计算y=ax2+bx+c汇编后内存分配情况

指令注释

oLMAx;[M]^ACC000011010

1MULx;[ACC]*[M]^ACCX01001010

2MULa;[ACC]*[M]^ACC201001011

3SAMy;[ACC]->[M]300101110

4LMAx400011010

5MULb501001100

6ADDy指令系统600111110

7ADDcLMA0001n700111101

8SAMySAMn^0010n800101110

9HLTADDnf0011n901100000

10Xdb?MULn^0100n10x

11Adb?OUTn-0101n11a

12Bdb?HLTnf0110n12b

13Cdb?13c

14Ydb?14y

2012年10月4日星期四44

请思考：计算机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据?

运

算

器

存!

储!

器!

45

简化模型演示

2012年10月4日星期四

1.4计算机的软件

•系统程序

。用来简化程序设