计算机系统基础.ppt

1、第1章 计算机系统基础,主讲教师郭松涛,Email： ,高校计算机基础教育系列课程,本章教学计划理论教学（课堂教学）：4学时实验教学（上机实习）：0学时 本章教学重点 1. 计算机特点、分类、应用 2. 计算机基本工作原理 存储程序控制原理 3. 计算机系统组成及硬件组成,第1章计算机系统基础,1.1 计算机的概述 1.2 计算机的基本工作原理 1.3 计算机系统的组成 1.4 微型计算机的硬件组成,第1章计算机系统基础,1.1.1计算机的发展 计算机原意为“计算”的机器，这是发明者当初为之其计算为目的。而发展到今天，它的触角延伸向了社会的各个领域，对推动当今物质文明的进步，起着决定性的作用。

2、 1642年，法国物理学家帕斯卡（Blaise Pascal 16231662）发明了齿轮式加减器； 1673年德国数学家莱布尼兹（G.N.Won Leibniz，16461716）在帕斯卡的齿轮加减器上增加了乘、除法，制成了能进行四则运算的机械式运算器； 1822年，1834年英国数学家查尔斯巴贝奇（Charles Babage 17911871）先后设计了差分机与分析机，准备以蒸汽为动力，由于工艺与技术所限而没有成功，但其设计思想构成了当今计算机硬件系统的基本框架输入、处理、存储、输出及控制5个基本装量。 1936年美国人霍德华艾肯（Howard Aiken，19001973）提出了用机电

3、方法而不是纯机械方法来实现巴贝奇分析机的想法，并在1944年造制成功MARK-I计算机，MARK-1是世界上最早的通用型自动机电式计算机，这就是国际计算机界称巴贝奇为“计算机”之父的原因。,1.1 计算机的概述,1.1.1 计算机的发展 在数字式电子计算机的发展过程中，在理论上作出杰出贡献的要数英国的艾兰图灵（Alan Mathison Turing，19121954）和美籍匈牙利人冯诺依曼（Johon Von Neumann，19031957），艾兰图灵建立了图灵机的理论模型，对数字计算机的一般结构、可实现性和局限性产生了深远影响。冯诺依曼首先提出了计算机“存储程序”的概念，其“存储程序”工

4、作原理奠定了当今计算机的基础。,1.1 计算机的概述,1) 第一台电子计算机 世界上第一台数字式电子计算机是于1946年由美国宾夕法尼亚大学的物理学家约翰莫契利（Johon Mauchly）和工程师普雷斯伯埃克特(Preper Eckert)领导研制的取名为“ENIAC”（Electronic Numerical Integrator And Calculator ,电子数字积分计算机）的计算机。运算速度达5000次/s加法运算，3ms就可进行一次乘法运算，将原来需要20min计算的弹道缩短到仅用30s。ENIAC计算机是一个庞然大物，它有17465多只电子管、1500多只继电器,耗电174k

5、w、占地170m2、重30t、运算速度：5000次加法运算/s，存储量很小，只能存20个字长为10位的十进制数，但它具有划时代的意义，它宣告了电子计算机时代的到来，为半个多世纪来计算机的高速发展迈出了的第一步。 在计算机发展的这50多年中，人类不断克服它的缺点，计算机技术就不断的得到发展，其中影响最大的就是冯诺依曼。他提出了在计算机中设“存储器”，将符号化的计算机步骤存放在“存储器”中，然后依次取出存储内容进行译码，并按译码的结果进行计算，从而实现计算机工作的自动化，这种理论最终由英国剑桥大学的莫斯威尔克斯（M.V.Wilkes）于1949年完成的“EDSAC”（The Electronic

6、Delay Storage Automatic Calculator）计算机所实现，它是第一台真正的存储程序计算机 。,1.1 计算机的概述,1) 第一台电子计算机,1.1 计算机的概述,第二代电子计算机,1.1 计算机的概述,2)计算机的发展 按照计算机硬件发展的分法，可将计算机的发展分为四个阶段。 第一代计算机（19461959年）：以电子管作为计算机的基本逻辑电路元件，主存储器采用延迟线和静电存储管，容量非常小，仅1000-4000B。外存储器采用纸带、卡片、磁鼓和磁带，运算速度一般为每秒数千次至数万次。典型机器是：ENIAC、UNIVAC 虽然电子管计算机代替了机电式计算机，其计算能力

7、，计算速度，体积等有了很大提高。但其电子器件存在很多缺点，电子管功耗大、体积大、工作速度抵、延迟线和静电存储管体积大、存储容量小等。不适应社会不断的更高的要求。因此新的器件就不断的发明出来。最典型的就是：晶体管、磁芯存储器、硬盘。从而产生了,1.1 计算机的概述,2)计算机的发展 第二代计算机（19591965年）：第二代计算机采用半导体晶体管作为逻辑开关元件，内存采用了磁芯存储器，其容量达几十万B。外存采用磁盘、磁带。运算速度达几十万次/每秒。软件方面出现了一系列的高级程序设计语言(如 FORTRAN，COBOL等)，有了系统软件（监控程序），提出了操作系统的概念，且提出了多道程序设计、并行

8、处理和可变的微程序设计思想。典型机器是：1955年， 贝尔实验室研制出世界上第一台全晶体管计算机TRADIC， 装有800只晶体管，仅100瓦功率，占地也只有3立方英尺。,1.1 计算机的概述,2)计算机的发展 第三代计算机（19651971）：1958年制造出了人类第一个半导体集成电路（IC），1961年美国德克萨斯仪器公司与美国军方合作，研制出第一台试验型半导体集成电路作为主要电子器件的集成电路电子计算机。1964年IBM生产出了由混合集成电路制成的IBM 350系统，这成为第三代计算机的主要里程碑。典型机器是：IBM 360,1.1 计算机的概述,2)计算机的发展 第四代计算机（1971

9、至今）：1971年美国Intel公司生产了第一块单片微处理器Intel4004，同时INTER公司用其组成了世界上第一台微机MSC-，这标志新一代计算机的产生。由于集成电路不断提高，集成度也越来越高，大规模集成电路与超大规模集成电路相继出现，中央处理器CPU高度集成是这一代微机的主要特征。从Inter4004到目前的P4，芯片集成了上千万只晶体管。处理速度每秒可执行几亿条指令，微机的主存扩展到512MB。并且存储技术从SDRAM到DDR到RDRAM，光盘存储容量从650MB到几个GB。由于相应技术的不断提高，导致计算机的性能飞跃前进。随着计算机性能的进步，各种应用软件也相继推出。软件的丰富，计

10、算机性能的不断提高，特别是个人计算机（PC）进入家庭，将计算机的应用变得空前的普及。这几年来计算机技术与通讯技术结合而出现的网络技术，使世界变成了“地球村”。网络、微机、多媒体成为当今计算机技术发展的主流。,1.1 计算机的概述,3) 微型计算机的发展 （1）世界上第一个微处理器-INTER4004，在1971年1月，Intel公司研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。4004（图1.8）包含2300个晶体管，支持45条指令，指令执行速度为0.05MIPS(每秒百万条指令，芯片尺寸规格为3mm4mm，功能其实比较弱，且计

11、算速度较慢，只能用在Busicom计算器上，更不用说进行复杂的数学计算了。不过比起第一台电子计算机ENIAC来说，它已经轻巧太多太多了。计算性能远远超过当年的ENIAC。而且最大的历史意义是，它是第一个通用型处理器，这在当时专用集成电路设计横行的时代是难得的突破。所谓专用集成电路就是为不同的应用设计独特的产品，一旦应用条件变化，就需要重新设计；当然在商业盈利上，对设计公司是很有好处的。但是英特尔公司的目光并没有这么短浅，霍夫做出大胆的设想：使用通用的硬件设计加上外部软件支持来完成不同的应用，这就是最初的通用微处理器的设想。微处理器的问世，是微电子领域有史以来最重要的发明之一，微处理器时代的到来

12、预示着微型计算机将获得广泛的应用，更多计算机的出现将对人类社会产生翻天覆地的影响,1.1 计算机的概述,3) 微型计算机的发展 (2) 第一个8位微处理器Intel 8008，4004微处理器推出不久，1972年4月，Inter公司开发出第一个8位微处理器Intel 8008。采用P沟道MOS技术。从Intel 8008开始，微处理器已经能够每次处理一个完整的字节。1973年8月8位微处理器Intel 8080问世，拥有16位地址总线和8位数据总线，包含7个8位寄存器(A,B,C,D,E,F,G,其中BC,DE,HL组合可组成16位数据寄存器)，支持16位内存，同时它也包含一些输入输出端口，这

13、是一个相当成功的设计，还有效解决了外部设备在内存寻址能力不足的问题。它标志着微处理器的发展进入第二代，8080采用N沟道MOS技术，主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。为微型计算机的诞生做好了最后的准备，微机已然呼之欲出。与次同时Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器、Motorola公司的MC6800、Rockwell公司的R6502等。,1.1 计算机的概述,3) 微型计算机的发展 （3）1978年推出的Inter8086/8088微处理器，它是第三代微处理器的标志。其内部包

14、含29000个3m技术的晶体管，工作频率4.77MHz采用16位寄存器和16位数据总线，能够寻址1MB的内存储器。这个处理器标志着x86王朝的开始，从8086开始，才有了目前应用最广泛的PC行业基础。,1.1 计算机的概述,3) 微型计算机的发展 （4）1985年研制成功了32位的微处理器-80386系列，其内部包含了27.5万个晶体管，工作频率为12.5MHz，后逐步提高到40 MHz。可寻址4GB内存，并可管理64TB的虚拟存储空间。同时也是第一种具有“多任务”功能的处理器这对微软的操作系统发展有着重要的影响，所谓“多任务”就是说处理器可以在同时处理几个程序的指令。随着半导体技术不断进步，

15、新的、功能更强大的微处理器相继问世；80486：80486处理器集成了125万个晶体管，时钟频率由25MHz逐步提升到33MHz、40MHz、50MHz及后来的100Mhz。80486也是英特尔第一个内部包含数字协处理器的CPU，并在x86系列中首次使用了RISC(精简指令集)技术，从而提升了每时钟周期执行指令的速度。486还采用了突发总线方式，大大提高了处理器与内存的数据交换速度。1993年，英特尔发布了Pentium(奔腾)处理器。接下来Pentium(奔腾)家族处理器：Pentium MMX、Pentium Pro、Pentium II、Pentium III、Pentium 4。,1.

16、1 计算机的概述,3) 微型计算机的发展,1.1 计算机的概述,3) 微型计算机的发展 （5）2003年6月64位Macintosh G5诞生了（但只能运行32位的Mac OSX，2003年9月AMD推出了Athlon 64芯片、标志桌面PC64位计算的时代到来，Inter公司在2005年2月也推出用于支持64位计算的奔腾4处理器6XX型产品（和Pentium4 Extreme Edition）。这标志着桌面开始全面转向64位计算。,1.1 计算机的概述,最新的微机,4) 我国计算机的发展 我国的计算机事业始于20世纪50年代。1952年我国第一个电了计算机科研小组在中科院数学所内正式成立。1

17、956年国家制定了发展我国科学事业的12年远景规划，把开创我国的计算技术事业项目列为四大紧急措施之一。1958年在中科院建立了我国第一个计算技术研究所。1960年我国第一台自行设计的通用电子计算机107机问世。1964年我国研制成功了大型通电子计算机119机，用于我国第一颗氢弹研制工作的计算任务。 在20世纪50、60年代，我国的计算机应用已在水坝应力分析、天气数值预、大地测量、石油勘探以及卫星、火箭及核物理研究方面取得了重大成果，解决了许多复杂计算问题，为新中国的建设事业作出了重要贡献。,1.1 计算机的概述,4) 我国计算机的发展 20世纪70年代以后，我国生产的计算机跨入集成电路计算机时

18、期。1974年由高等院校、研究近几所和工厂联合设计的DJS-130机通过了鉴定并投入了批量生产。70年代中后期我国又相继研制出了多种每秒数达百万级的大型电子计算机，这些大型机的研制普遍采用了先进的设计思想和技术。 进入20世纪80年代，我国又研制成功了巨型机。1983年每秒运算1亿次的银河巨型计算机问世，它的诞生标志着我国计算机技术水平又踏上了一个新台阶。银河机的问世有利地促进了国家的经济建设，打破了少数国家对我国实行的高新技术垄灯断。我国的计算机技术不仅在巨型机的研制方面取得了本质性的突破，而且在微型机的生产与应用方面也取得了成绩。1985年联想汉字微机系统LX-PC研制成功，长城0520C

19、H微机投产。标志我国已掌握了第四代计算机技术。而我国的银河系列计算机已走到了世界巨型机的前列。在微型计算机方面，已与世界同步。,1.1 计算机的概述,5) 计算机的发展趋向 主要表现在巨型化、微型化、多媒体、网络化、智能化以及非冯诺依曼式计算机。 （1）巨形化的发展是发展高速、大存储容量与功能强大的超级计算机。主要用于天文、气像、原子、核子反应等尖端技术、以及探索新兴科学，如宇宙工程、生物工程的需要。 （2）微型化是借助于半导体集成电路技术的发展。使单片速度变得越来越快，所完成的功能越来越强，使计算机微型化成为可能，从而渗透到如仪器仪表、家用电器、工业控制等。今后微机的性价比将进一步提高，逐步

20、发展到对存储器、通道处理机、高速运算器件、图形卡、声卡、网卡的系统集成。 （3）多媒体化即对图像、声音的处理是目前计算机所具有的功能。 （4）网络化：计算机网络将在不同地点、不同计算机之间，在网络软件的协调下，共享信息、共享资源、共享数据。为适应网络上通讯的要求，计算机对信息处理速度、存储量的大小均有较高的要求。计算机的发展将适应网络发展。,1.1 计算机的概述,5) 计算机的发展趋向 （5）智能化：计算机正在突破“计算”这一初级含义，拓宽应用能力，越来越多的代替人类某些方面的劳动。我们希望计算机应有“观赏”、“视听”、“语言”、“学习”等能力。在这方面人类正在前进。 （6）非冯诺依曼计算机：

21、随着计算机应用领域不断的扩大。采用存储方式进行工作的冯诺依曼型的计算机逐渐显露出其局限性。从而出现了新思维，这就是非冯诺依曼计算机构想。在软件方面，非冯诺依曼语言主要有三种：Lisp，rolog和.。而硬件方面，提出了与人脑神经网络相类似的，新型超大规模集成电路-分子芯片，在20世纪80年代，人们根据某些有机化合物的分子结构像计算机的开关电路一样，存在着继合和离开两种类似于二进制“0”和“1”的状态，从而提出生物计算机，美国在1994年公布了对生物计算机研究的成果。利用光子代替电子、光互连替代导线的电互联的光子计算机，1984年5月在欧州就已研制出来，而量子计算机的设想是由美国阿贡实验室提出来

22、的，在实验室内证实了量子逻辑门的存在，从而在理论上可以进行量子计算，制成量子计算机是可行的。,1.1 计算机的概述,1.1.2计算机的特点 计算机之所以发展得如此迅速，得益于其高速、高精度、存储能力强、能自动运行等特点。由于有如此优秀的特点，才能广泛地应用于各行各业。可以说无处不用计算机 。 1) 处理速度快 2) 精度高 3) 记忆、存储能力强 4) 具有自动运行的能力 5) 具有逻辑判断能力 6）支持人机交互,1.1 计算机的概述,1.1.3计算机的分类 计算机的分类按其标准有不同的分法。根据用途不同，计算机可分为专用机和通用机。根据计算机中信息的表示方式与工作原理，计算机又可分为摸似电子

23、计算机与数字电子计算机等。目前国内、外教科书一般沿用国际公认的一种分类方法，即在1989年11月美国电气和电子工程师协会（IEEE）的一个委员会根据当时的发展趋势而提出的一个分类标准，将计算机划分为巨型机、小巨型机、主机、小型机、工作站、个人计算机6类。但这种分法是有时间性的，某种计算机在今天属于工作站，可能由于技术的发展明天又属于个人计算机了。如第一台电子计算机ENIAC，在当时它可以说“超级”了，但在今天其功能还比不上一台普通的个人计算机 。,1.1 计算机的概述,1.1.3计算机的分类 1）巨型机（Super Computer） 巨型（亦称超级）计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存

24、储容量最大和价格最 贵的一类计算机。多用于国家高科技领域和国防尖端技术的研究，如核武器设计、核爆炸模拟、反导弹武器系统、空间技术、空气动力学、大范围气象预报、石油地质勘探等。具有代表性的产品有1987年由美国Cray公司研制的Cray-3，其计算速度可达几十亿次秒。1998年IBM公司开发出被称为“蓝色太平洋”的超级计算机，每秒能进行3.9万亿次浮点运算。巨型计算机的研制水平生产能力及其应用是衡量一个国家科技实力与经济实力的重要标志。 超级计算机通常分为6种实际机器模型：单指令多数据流（SIMD）机，并行向量处理机（PVP），对称多处理机（SMP），大规模并行处理机（MPP），工作站群（COW

25、），以及分布共享存储器（DSM）多处理机。,1.1 计算机的概述,1.1.3计算机的分类 1）巨型机（Super Computer） 巨型机技术主要是提高单机性能，缩短时钟周期。目前时种周期已达ns(Cray-4) ，另一方面采用并行多处理器结构来提高巨型机性能。如Cray-4采用了64个处理器。 巨型机主要的生产国家是美国、日本，其代表机型为Cray Reseack公司的Cray系列机器。Cray-4的速度已达到1TFPLOPS（Floating point Operations Per Second, T代表Tera）,2002年美国IBM公司推出了ASCI White超级计算机，其运算速

26、度达每秒12万亿次。 我国先后在1983、1992和1997年推出了自行研制的银河系列巨型机：银河I（100MFLOPS，M代表Million，106），银河-II（1GFLOPS，G代表Gige，109）和银河-III（10GFLOPS），2000年我国著名巨型机专家金怡濂院士主持研究成功高性能的计算机“神威”，其浮点运算能力为每秒3840亿次。从而成为世界上少数掌握了研制巨型机的国家之一。目前我国已经形成“银河”、“神威”、“曙光”三大系列的巨型机。,1.1 计算机的概述,1.1.3计算机的分类,1.1 计算机的概述,1.1.3计算机的分类,1.1 计算机的概述,我国目前运行最快的超级计算

27、机每秒峰值运算速度11万亿次的曙光4000在上海超级计算中心正式启动。这标志着我国成为世界上继美、日之后第三个跨越10万亿次计算机研发和应用的国家。,1.1.3计算机的分类 2）小巨型机（Minisuper） 巨型机性能很好，但价格昂贵。20世纪80年代中期一些公司开始研制小巨型机，性能上保持或略低于巨型机的性能，但价格相对而言大幅度降低。这类计算机采用高性能的微处理器组成并行多处理系统，使巨型机小型化。目前生产小巨型机的厂商主要是美国的Convex公司(C系列，C-1、C-2、C-3等)和Aliant公司，其中Aliant公司的FX系列(FX/8，FX/80，FX-2800)系统的处理速度已

28、从第一代机的低于100MFLOPS提高到25GFLOPS，价格只有其1/10。,1.1 计算机的概述,1.1.3计算机的分类 3）主机(Mainframe) 此类计算机具有大型通用、内外储容量大、多种类型的I/O通道、能同时支持批处理和分时处理等多种工作方式。近几年来出现的新机型还采取了多处理、并行处理等新技术使整机性能大大提高，处理速度可达300750MIPS（即每秒可处理亿7.5亿条指令）。内存容量可达1GB以上，从而具有很强的处理与管理能力。这类计算机主要用于数据量大、数据须作集中处理的部门，如大银行、大公司、规模较大的科研院所等。,1.1 计算机的概述,4）小型机（Minicomput

29、er） 小型计算机广泛应用在工业自动控制系统、大型分析仪器、高级测量仪器以及医疗设备中的数据采集、实时分析计算，并广泛用于企业管理和高等学校、科研院所的科学计算。 小型机的代表是美国的DEC公司。在1965年提出了12位的PDP-8小型机，1970年又提出了16位的PDP-11系列机，1995年该公司就开始研制32位的高级小型机，这些机器在过程控制、数据监控、数据通信、计算机辅助设计等领域都获得极广泛的应用。 小型机以及下面介绍的工作站、个人计算机，就技术而言是一个相对的概念。今天个人计算机的主要性能就是多年前小型机的性能，而今天小型机的性能已经赶上或超过了多年前的巨型机，小巨型机的性能。技术

30、在发展。大家都同步在前进。,1.1 计算机的概述,IBM 5xx、8xx系列,5）工作站（Workstation） 工作站（工程工作站）是一种高级的微型计算机，是介于个人计算机与小型计算机之间的一种机型。其运行速度快、配以高级的CPU、高分辨的大屏幕显示器和大容量的内外存储器，成为专门用来处理某些特殊任务的一类计算机，如，图像处理、计算机辅助设计等。 工作站与网络系统中的“工作站”在用词上相同，但词义不同。网络上的“工作站”指联网用户的结点，该结点上联结了一台个人计算机。而这儿说的工作站是指一台高级微型计算机。,1.1 计算机的概述,SUN 工作站,IBM-64位工作站44P-170,HP-R

31、S/9000 工作站：C3000/j5000,6）个人计算机（Personal Computer） 世界上第一台个人计算机系统是IBM PC。该机采用了主频为4.77MHz的Intel公司的8088微处理器、运行微软公司专门为IBM PC开发的MS-DOS 操作系统。IBM公司首创了个人计算机概念，并为PC 制定了全球通用的工业化标准，对所有厂商开放PC工业化标准，从而使得PC产业快速发展。今天的Wintel（Windows操作系统+Intel处理器）系统，是直接从IBM PC继承下来的。在过去的20年中PC机使用的CPU 芯片平均每两年集成度增加一倍，处理速度提高一倍，价格却降低一半，随着芯

32、片性能的提高及各种新技术的使用如虚拟存储、高速缓存（Cache）、精简指令集(RISC)等的使用，使个人计算机的性能大幅提高。今天PC 已广泛使用在全社会的各个领域，几乎无处不在，无所不用。,1.1 计算机的概述,1.1.4计算机的应用 电子计算机特别是个人计算机已经渗透到社会的每一个角落，正在改变着人们的工作方式和生活方式，推动社会的发展。计算机的应用是多方面的，这儿仅就几个方面的应用进行介绍。 1）科学计算 2）数据处理 3）辅助工程 4）人工智能,1.1 计算机的概述,1.1 计算机的概述 1.2 计算机的基本工作原理 1.3 计算机系统的组成 1.4 微型计算机的硬件组成,第1章计算机

33、系统基础,1.2 计算机的基本工作原理,1.2.1 存储程序控制原理 1）指令 计算机是一种“机器”，每一种“机器”都要听从人的指挥，按照人的指挥来完成规定的动作。当我们利用计算机来完成某项工作时，例如完成复杂的数学计算或进行资料的检索，都必先制定好该项工作的解决方案，进而再将其分解成计算机能够识别并能执行的基本操作命令，这些命令在计算机中称为机器指令，每条指令规定了计算机要执行的一种基本操作。 机器指令是一组二进制形式的代码，是由一串“0”和“1”排列组成。一条指令通常包括两大部分内容，即操作码与地址码。，操作玛指出机器执行什么操作，例如加法，存数，取数，移行等，地址码指出参与操作的数据在存

34、储器中的地址（可以是内存地址或寄存器的地址）,1.2 计算机的基本工作原理,1）指令 每台计算机都规定了一定数量的基本指令，这批指令的总和称为计算机的指令系统（Instruction Set），不同种类计算机的指令系统拥有的指令种类和数目是不同的，可能存在很大差异，但一台计算机的指令越多、越丰富，则该计算机的功能就越强。作为一台计算机的指令系统，就其功能而言都可分为最基本的五类指令： 数据传递类指令：这类指令的任务是在各部件之间传递数据； 算术运算与逻辑运算类指令：算术运算指令一般有加法、减法、乘法、除法、位移指令，逻辑运算指令指对字、字节进行逻辑操作处理，如逻辑与、逻辑或、逻辑位移等； 程序

35、控制类指令（也称转移指令）：这类指令的功能是根据指令中给定的条件改变程序执行的顺序，包括条件转移、无条件转移、转子程序、返回、调用及循环控制指令等： 输入输出指令：这类指令使主机与外设之间进行各种信息交换； 控制管理机器的指令：这类命令有停机、启动、交换、清除等。,1.2 计算机的基本工作原理,2）程序 为完成一定处理功能的所有指令的有序集合称为程序。 人们使用计算机解决问题，必须规定计算机的操作步骤，告诉计算机“干什么”和“怎么干”，也就是按照任务的要求写出一系列的指令。当然，这些指令必须是计算机能够识别和执行的指令，即每一条指令是一台特定计算机的指令系统中具有的指令。一台计算机的指令是有限

36、的，但用它们可以编制出各种不同的程序，计算机的工作就是执行程序，在程序运行中能自动连续地执行程序中的指令，主要就是因为这些计算机的工作原理是按“存储程序”原理进行的。,1.2 计算机的基本工作原理,3）存储程序原理 “存储程序控制”原理的其本内容是： （1）用二进制形式表示数据与指令； （2）指令与数据都存放在存储器中，使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令加以执行。程序中的指令通常是按一定顺序一条条存放，计算机工作时，只要知道程序中第一条指令放在什么地方，就能依次取出每一条指令，然后按指令规定的操作执行相应的操作。 （3）计算机系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备等五大

37、基本部件组成。,1.2 计算机的基本工作原理,4）计算机的工作原理 计算机的工作过程就是执行指令的过程。指令通过计算机的输入设备并在操作系统的统一控制下送入计算机的内存储器，然后有CPU按照其在内存中的存放地址，依此取出并执行。执行的结果再有输出设备输出。 计算机只认识“机器语言”，所有通过输入设备输入的指令都首先有计算机“翻译”成计算机能够识别的机器指令，再根据指令的顺序逐条执行。指令的执行过程分为取指令、分析与取数、执行三个过程。,1.2 计算机的基本工作原理,4）计算机的工作原理,1.2 计算机的基本工作原理,4）计算机的工作原理 程序在装入存储器时由是连续成片存放的，因此，每执行完一条

38、指令后，PC（程序计数器）“加1”就获得下一条指令的地址，从而保证程序的自动连续的执行。 取指令：按照程序计数器的地址，从内存中取出指令，并送往指令寄存器。 分析指令：对指令寄存器存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制信号；由地址码确定操作数的地址。 执行指令：指令的操作码指明了该指令要完成的操作类型或性质，所以由操作控制线路发出完成该操作所须的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。,1.2 计算机的基本工作原理,4）计算机的工作原理 一条指令执行完成后，程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后由开始取指令，分析指令，执行指令，一直到所有的指令

39、执行完。 一般把计算机完成一条指令所化费的时间称为一个指令周期，指令周期越短，计算机执行速度越快。通常我们所说的CPU主频或称为工作频率，就反应了指令执行周期的长短。 计算机在运行时，就是从内存中读出一条指令到CPU内执行，执行完后，再从内存中读出下一条指令到CPU内执行。CPU不断的取指令，执行指令。一个程序完成某一任务，程序是有指令所组成，当一个程序的所有指令都完成，该任务也就完成了。,1.2 计算机的基本工作原理,1.2.2 计算机的构成,1.1 计算机的概述 1.2 计算机的基本工作原理 1.3 计算机系统的组成 1.4 微型计算机的硬件组成,第1章计算机系统基础,1.3 计算机系统的

40、组成,1.3.1计算机硬件系统 计算机硬件系统是指计算机系统所包含的各种机械的、电子的、磁性的或光电的装置和设备。如CPU、磁盘、键盘、显示器、光盘驱动器等。每个功能部件各尽其职，协调工作，缺少任何一个就不能保证计算机正常工作。 下面简要介绍计算机五大部件的功能： 1）存储器 为实现程序与数据的存储，计算机必须设置具有记忆功能的部件，这种部件就是“存储器”，存储的作用就是将计算机所需要记忆的数据信息保存起来，提供原始信息而又不破坏它，还可以把原始信息抹去，从新记录保存新的信息，存储器的主要功能就是存放程序与数据，其中包括原始数据、中间值、最终后果等数据。 “存储器”有“内存”(主存)和“外存”

41、(辅存)之分，“外存”是存放程序和数据的“仓库”，可以长时间地保存大量信息。内存是计算机运行时的主体，内存位于系统主机板上，直接与CPU交换信息。凡是要运行的数据与程序只有调入内存后方可执行。,1.3 计算机系统的组成,1）存储器 (1) 主存储器 RAM(random access memory) RAM又可分为DRAM和SRAM两种：DRAM(dynamic RAM)信息会随时间逐渐消失，因此需要定时对其进行制新（refresh）维持信息不丢失。SRAM（static RAM）在不断电的情况下信息能够一直保持而不会丢失。DRAM的密度大于SRAM且更加便宜，但SRAM速度快，电路简单（勿需

42、刷新电路），然而容量小，价格高。 ROM(read only memory) PROM(programmable ROM) EPROM（erasable PROM） E2PROM(electrically EPROM) 闪速存储器FM(flash memory),1.3 计算机系统的组成,1）存储器 (2)辅助存储器 辅助存储器用于存放当前不需要立即使用的信息。一旦需要，再和主机成批交换数据，是主存储器的后备，因此称之为辅助存储器；它又是主机的外部设备，又称之为“外存储器”。辅助存储器的最大特点是存储器容量大、可靠性高、价格低。其主要可分为磁表面存储器和光存储器。 磁表面存储器 磁表面存储器通

43、过磁头来进行读写。磁头线圈中通入一定方向和大小的脉冲电流，磁化磁头的导磁体，从而建立起一定方向和强度的磁场。当磁介质从磁头下经过时，从磁头间隙处将其磁化。由于剩磁效应的存在，当磁场消失后，磁介质表面仍存在剩磁。线圈中电流方向不同，磁介质上被磁化的方向也不同用以代表“1”和“0”。随着电流的变化以及磁介质磁头间的相对运动，就可以把二进制信息序列转化为介质表面的磁化单元序列。,1.3 计算机系统的组成,(2)辅助存储器 磁表面存储器目前主要有磁带存储器和磁盘存储器两大类。 磁带存储器：磁带存储设备是一种顺序取的设备，存取的时间较长，但存储容量大，便于携带，价格便宜，所以也是一种主要的辅助存储器。磁

44、带的内容由磁带机进行读写（最便宜也最慢）。 按磁带机的读写方式主要可以分为两种：启停式和数据流式。 启停式磁带机 磁带按宽带可以分为1/4英寸、1/2英寸和1英寸三种。磁带上的信息以文件块的形式存放。整盘磁带的开始有一卷标标明，然后有一初始空白块，用以适应磁带从静止到稳定带速所需的时间。文件记录以文件头标志和文件尾标志标识，一个文件由若干数据块组成，每一数据块又由若干记录组成。数据块之间以空白块进行分隔（一个数据块所包括的记录条数叫块因子），文件之间也存在一段空隙。所有的文件都顺序地排列在磁带上，一个文件的长度不仅包括记录信息，也包括块间间隔。 磁带机每一次读写信息的位数与磁带表面并行记录信息

45、的磁道数有关：如7道、9道和16道，则分别有7，9，16个磁头并列，一次可以读写7位、9位或16位。,1.3 计算机系统的组成,(2)辅助存储器 数据流磁带机 其记录格式是串行逐道记录信息，每次读写1位信息，数据连续地写在磁带上，数据块之间以空隙分隔。磁带机不能在块间启停。读写顺序如下：（4个磁道）先从0道的首端（BOT）开始，到其末端EOT；然后第1道反向记录从EOT到BOT，而2道又正向从BOT到EOT，3道又反向。数据流磁带机结构简单，价格低，数据传输速率快。 磁盘存储器：磁盘上的数据都存放于磁道上。磁道就是磁盘上一组同心圆，其宽度与磁头的宽度相同。为了减少干扰，磁道与磁道之间要保持一定

46、的间隔（inter-track gap），沿磁盘半径方向，单位长度内磁道的数目称之为道密度TPI（道/英寸）。最外层的磁道为0道。 位密度：沿磁道方向，单位长度内存储二进制信息的个数叫位密度。为了简化电路设计，每个磁道存储的bit数都是相同的，所以磁盘的位密度也随着磁道从外向内而增加。 磁盘的数据传输是以块为单位的，所以磁盘上的数据也以块的形式进行存放。这些块就称为扇区（sector）每个磁道通常包括10100扇区。同样为避免干扰，扇区之间也相互留有空隙（inter-record gap）。,1.3 计算机系统的组成,(2)辅助存储器 柱面：n个磁盘组成的磁盘组，所有盘面上相同位置的磁道组称为

47、一个柱面（每个柱面有n个磁道）；若每个磁盘有m个磁道，则该磁盘组共有m个柱面。 为了让磁头读写定位机构能够确定磁盘上某一磁道的具体位置，因此在新磁盘使用之前，必须对其进行格式化，以写入控制数据供磁盘驱动器使用，该数据对用户不可见。从没有格式化过的盘叫做白盘，上面只是记录了有多少磁道，磁道密度等全球统一标准，还不能直接使用。 RAID存储器：因为辅助存储器性能改进的速度远远跟不上处理机以及主存储器性能的改进，所以存储系统也就成为改善整个计算机系统性能的关键。并行系统结构提供了一种采用低成本器件技术获得高性能的方法。 1988年美国加州大学伯克利分校D.A.Patterson 教授提出了廉价磁盘冗

48、余阵列（redundant array of inexpensive disks ,RAID）技术，旨在缩小日益扩大的CPU速度和磁盘存储器速度之间的差距。其策略是用多个较小的磁盘驱动器替换单一的大容量磁盘驱动器，同时合理地在多个磁盘上分布存放数据以支持同时从多个磁盘进行读写，改善了系统的I/O性能。低代价的编码容错方案在保持阵列的速度与容量优势的同时保证了极高的可靠性。同时也能较容易地扩展容量（以后RAID改为Redundant Array of Independent Disk）。,1.3 计算机系统的组成,磁盘阵列实例,磁盘阵列实例,1.3 计算机系统的组成,(2)辅助存储器 光存储器

49、光学存储用激光束以光学方式读取记录在塑料圆盘上的信号坑，其单位面积的记录密度可达到每平方毫米700K，而且进一步提高的潜力尚大，是目前使用的所有数据存储介质中记录密度最高的。 光盘是用极薄的铝质或金质膜加上聚氯乙烯塑料保护层制作而成的。与软盘和硬盘一样，光盘也是以二进制数据(由“0”和“1”组成的数据模式)的形式存储文件和音乐信息。要在光盘上存储数据，首先必须借助电脑将数据转换成二进制，然后用激光将数据模式灼刻在扁平的、具有反射能力的盘片上。激光在盘片上刻出的小坑代表“1”，空白处代表“0”。在从光盘上读取数据的时候，定向光束(激光)在光盘的表面上迅速移动。从光盘上读取数据的电脑或激光唱机会观

50、察激光经过的每一个点，以确定它是否反射激光。如果它不反射激光(那里有一个小坑)，那么电脑就知道它代表一个“1”。如果激光被反射回来，电脑就知道这个点是一个“0”（其实实现“0”与“1”的操作，远非这样简单）。然后，这些成千上万、或者数以百万计的“ l”和“0”又被电脑或激光唱机恢复成音乐、文件或程序。,1.3 计算机系统的组成, 光存储器 光盘（Optical disk）指的是利用光学方式读写信息的圆盘，写入与读出都是使用激光来实现的。光盘是在20世纪70年代末胶木密纹唱片的基础上发展而来的，先是用于存储音乐与电影，即激光视频唱片和数字音频唱片，在此基础上发展而产生了计算机系统中使用的光盘存储

51、器。光盘的存储容量很大；CD-ROM达650MB、而DVD-ROM达4.7GB，盘片的寿命长、通常达几十年、这是因为盘片上有一层很坚固的表面层、同时驱动器的读出光头采用非接触式，盘片的重量很轻、只有几十克、携带方便。应用激光在某种介质上写入信息，然后再利用激光读出信息的技术称为光存储技术，如果光存储使用的介质是磁性材料，亦即利用激光在磁纪录介质上存储信息，就称为磁光存储。,1.3 计算机系统的组成,有关存储器的几个术语介绍如下： 位（Bit） 在数字电子技术和计算机技术中采用二进制，代码只有0和1，其中无论0还是1是计算机存储的最小单位，一个二进位只能表示为2种状态。 字节（Byte）字节是计

52、算机处理数据的基本单位，即以字节为单位解释信息，简写为“B”。通常说某台计算机的内存容量是256M，则表示该机主存储器的容量是256MB，也就是说有256M个存储单元，每个存储单元包含8位二进制数。在计算机内部，数据传送也是按字节的倍数进行的。在计算机中，1K=1024，1B=8b，1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB。 字长 CPU在单位时间内一次处理的二进制数的多少称为字长。即数据总线上一次可同时传送的数据的位数。常用的字长有8位、16位、32位、64位等。也就是说的8位机、16位机、32位机、64位机。 地址 在微型计算机中，整个内存被分成

53、一个个字节，每个字节由一个唯一的地址来标识。CPU能够访问内存的最大寻址范围与CPU的地址线的根数有关。如CPU的地址线有32根，则寻址范围为0232-1,1.3 计算机系统的组成,2）运算器 运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件，运算器由算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)、累加器、状态寄存器和通用寄存器组等组成。 算术逻辑单元用于完成加、减、乘、除等算术运算，与、或、非等逻辑运算，及移位、求补等操作，累加器用于暂时存放操作数及运算结果。状态寄存器也称标志寄存器，用于存放算术逻辑单元在工作中产生的状态信息。通用寄存器是一组寄存器，运算时用于暂存操作数与地址。 3）

54、控制器 控制器是计算机的神经中枢，按计算机主频的节拍产生各种控制信号，指挥整个计算机工作，决定在什么时间、根据什么条件执行什么动作，使整个计算机有条不紊的自动执行程序。 控制器一般包括：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序控制电路已及微操作控制电路等组成。,1.3 计算机系统的组成,程序计数器：用来对程序中的指令进行计数，使控制器能够依次读取指令。 指令寄存器：在指令执行期间暂时保持正在执行的指令。 指令译码器：识别指令，分析指令的操作要求。 时序控制电路：用来产生时序信号，以协调在指令执行周期各部件的工作。 微操作控制电路：用来产生各种控制操作的命令。 在个人计算机中（PC中）运算器与控

55、制器是集成在一块半导体芯片上的，它们组成了计算机的核心，称为中央处理器（Central Processing Unit）。简称CPU。,1.3 计算机系统的组成,4）输入设备 输入设备的任务是输入操作者提供的原始信息，并将它变为机器能识别的信息。根据不同的需要，输入设备的种类较多，最常见的有键盘、鼠标、以及卡片机、光电输入机等，外存储器如磁盘、磁带、光盘从信息传送的角度来看，也属于I/O设备，通过磁头(光头)和读出放大器，从磁介质或光盘中读出信息转换为电信号，再送入主机处理。 在自动检测与自动控制装置中，刚检测出来的原始信号是模拟信号，需要通过A/D（模/数）装置转换成计算机所能认识的数字信号

56、，故A/D装置也属于输入设备。 其它如图形信息识别与输入装置、字符信息的识别与输入、语音信息的识别与输入装置也属于输入装置。近几年来，字符特别是汉字识别与输入及语音识别输入是发展很快的一种输入装置。,1.3 计算机系统的组成,5）输出设备 输出设备用于将计算机的处理结果按人们的要求输出。最常见的是显示器、打印机、绘图设备以及自动控制装置中的数/模（D/A）转换装置。外存储器可以用来存放计算机处理的结果，此时也可看成是输出设备,1.3 计算机系统的组成,1.3.2计算机软件系统 1) 软件概述 计算机系统包括软件系统和硬件系统，没有软件系统的计算机称为“裸机”。 软件一般可分为系统软件和应用软件

57、两大类。系统软件通常是负责管理、控制和维护计算机的各种软硬件资源，并为用户提供一个友好的操作界面，以及服务于一般目的的上机环境。系统软件指操作系统、语言处理系统、数据库管理系统、系统实用程序，各种工具软件等。 应用软件是专业人员为各种应用目的而开发的软件，是为解决各类实际问题而设计的程序，这些程序是利用高级语言编制或使用应用程序的生成工具来生成的。应用软件可以由用户自己来开发，也可在市场上购买。市售应用软件一般是较为成熟的应用软件。,1.3 计算机系统的组成,1.3.2计算机软件系统 1) 软件概述 2）软件分类 IEEE（Institute of electrical and electro

58、nic Engineers美国电气及电子工程师协会组织）在1983年明确给软件下了一个定义：软件是计算机程序，方法、规则、相关的文档以及在计算机上上运行它时所必须的数据。通常，我们把软件系统分为系统软件和应用软件两大类。,1.3 计算机系统的组成, 系统软件 系统软件指为管理、控制和维护计算机系统的软件，它为计算机系统与用户之间提供良好界面，并支持应用软件的开发和运行，系统软件包括操作系统，语言处理程序和编译程序、服务程序，数据库管理程序以及网络通信管理程序。 操作系统 操作系统统管计算机的所有资源，如处理器、存储器、输入/输出设备等硬件设施，以及其他系统软件和应用软件，它确保整个计算机系统有

59、效地运转，并为用户提供良好的使用环境。日前应用得比较广泛的有Windows、Windows Nt、Unix、Linux等。 语言处理程序 语言处理程序用来对各种语言源程序进行翻译，生成计算机可识别的二进制可执行程序，即目标程序，常见的语言处理程序有汇编程序，翻译程序和解释程序。,1.3 计算机系统的组成, 系统软件 汇编程序又称汇编系统，其功能是将用汇编语言编写的源程序翻译成为与之等价的机器语言程序。 编译程序又称编译系统，其功能是将高级语言写的源程序翻译成目标程序。目标程序可以是机器语言程序或汇编语言程序，若为汇编语言程序，则需再经汇编程序处理。 解释程序又称解释系统，其功能是将用高级语言编写的原程序逐句分析并立即执行取得结果。 解释方式和编译方式运行的不同在于：解释方式是将原程序的语句逐句执行。不产生目标程序且运行时间长。编译方式是将原程序全部翻译成目标程序后，再执行这个目标程序。它产生目标程序，且运行时间短。,1.3 计算机系统的组成, 系统软件 服务程序 服务程序的种类很多，通常包括机器的监控管理程序，调试程序，故障检查和诊断程序、连接编译程序等。 数据库管理程序 数据库管理系统用语管理数据库中数据的软件。它对数据库运行描述，管理，查询，操作及原理维护等。 网络通信管