西工大组成原理 第1章 计算机系统概论.ppt

1、2007.7.2,计算机组成原理,1,第1章 计算机系统概论,计算机组成原理,2007.7.2,计算机组成原理,2,第1章 计算机系统概论,计算机是一种能够自动、高速解决数学问题及逻辑问题的现代化电子装置。一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，硬件构成了计算机系统的物质基础，软件则是计算机系统的应用基础。自从1946年第一台计算机 ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）诞生到第五代计算机的出现，计算机的硬件和软件正朝着相互渗透、相互融合的方向发展，计算机的应用领域也已经涉及到了各行各业，现代计算机的设计理念和设计

2、技术更是日新月异。,2007.7.2,计算机组成原理,3,计算机系统的分类 计算机硬件的组成及功能 计算机软件的分类 计算机的分类及应用领域 现代计算机应用技术,本章要点：,2007.7.2,计算机组成原理,4,1.1 计算机的硬件系统,计算机硬件（Hardware）是指计算机系统使用的电子线路和电子元件等物理设备的总称。硬件是构成计算机的物质基础，是计算机系统的核心。,2007.7.2,计算机组成原理,5,1.1.1 冯诺依曼计算机,计算机硬件（Hardware）是指计算机系统使用的电子线路和电子元件等物理设备的总称。硬件是构成计算机的物质基础，是计算机系统的核心。,20世纪40年代中期，美

3、国科学家冯诺依曼大胆的提出了采用二进制作为数字计算机的数制基础的理论。同时，他还提出了计算机组成结构、程序存储和程序设计等思想。人们把冯诺依曼的这些理论总结为冯诺依曼体系结构。,2007.7.2,计算机组成原理,6,从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。 冯诺依曼指出计算机硬件系统应由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分构成，基本结构框图如图1-1所示。根据冯诺依曼体系结构构成的计算机必须具有如下特征： 程序和数据在计算机中以二进制的方式执行。 必须能够记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果。,2007.7.2,计算机

4、组成原理,7,具有完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。 指令由操作码和地址码组成。 能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。,图1-1 冯诺依曼型计算机的基本结构,2007.7.2,计算机组成原理,8,半个世纪以来，计算机已发展为一个庞大的家族，尽管各种类型的计算机的性能、结构、应用等方面存在着差别，但是它们的基本组成结构却是相同的。现代计算机仍然采用的是冯诺依曼体系结构，硬件系统仍由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备构成。,1.1.2 计算机硬件组成,2007.7.2,计算机组成原理,9,在计算机中，运算器是一种执行部件。其主要任务是完成信息

5、的加工处理。这些处理主要有加、减、乘、除等算术运算和与、或、非、异或、同或等逻辑运算。运算器主要由运算逻辑单元ALU和寄存器两部分组成，寄存器部件用来提供参与运算的操作数，并暂时存放运算结果，执行流程如图1-2所示。图中寄存器A和寄存器B主要保存从内存储器取来的操作数，然后运算逻辑单元ALU对两个寄存器中的数据进行算术或逻辑运算，并将运算结果送给寄存器A暂时存放。,1. 运算器,2007.7.2,计算机组成原理,10,图1-2 运算器结构图,2007.7.2,计算机组成原理,11,数据在计算机中通常以二进制数形式存储和运算，这是因为二进制数的运算规律较为简单。二进制数就是以2为基数来计数，即逢

6、二进一，在二进制中只有0和1两个独立的数符，而这恰好能够与电子器件中电压的高低、脉冲的有无对应起来，在电路中容易实现。,2007.7.2,计算机组成原理,12,控制器是计算机的控制中心。控制器作为CPU（中央处理器）的核心部件主要用来协调计算机的工作，完成程序信息的处理和数据的输入/输出。 控制器的实现方法有两种，即组合逻辑方法和微程序控制方法。组合逻辑方法的特点是以集成电路来产生指令执行的微操作信号。具有程序执行的速度快，控制单元的体积小等优点。近年来随着集成电路技术的迅速发展，组合逻辑方法得到了广泛的应用。,2. 控制器,2007.7.2,计算机组成原理,13,微程序控制方法相对于组合逻辑

7、方法来说设计过程比较复杂，但并不像设计组合逻辑控制电路那么烦琐、不规则，而是有一定规律可循，修改起来也方便。尤其是可编程只读存储器的应用，为微程序控制器的设计提供了更大的灵活性和适用性，进而使微程序设计技术的应用越来越广泛。目前已在中、小型和微型计算机中得到广泛的应用，只是在一些巨型、大型计算机中，由于速度的限制不宜采用微程序控制技术。,2007.7.2,计算机组成原理,14,存储器的主要功能是存放程序与数据。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。程序和数据在存储器中都是以二进制的形式表示，每8位二进制划分为一个存储单元。访问存储单元中程序与数据必须先给出该单元地址。 存储器主要由存

8、储体、地址寄存器与译码线路、读写电路与数据寄存器、控制线路等构成，包括ROM（只读存储器）和RAM（随机存取存储器）两种。,3. 存储器,2007.7.2,计算机组成原理,15,输入设备的任务是输入用户提供的原始信息，并且将其转换为计算机能识别的信息。常用的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪等。,4. 输入设备,2007.7.2,计算机组成原理,16,输出设备的任务是将计算机的处理结果以能被人们接受的或能为其他计算机所接受的形式输出。常用的输出设备有：打印机、显示器、绘图仪等。 一般情况下，由于输入、输出设备种类繁多而且速度各异，因此它们一般不是直接同高速工作的主机相连接，而是通过适配器部件与主机

9、相联系，适配器的作用相当于一个转换器。,5. 输出设备,2007.7.2,计算机组成原理,17,说明：除了上述五个部件外，计算机系统中还必须有总线。计算机通过总线将五大部件连接起来，总线是它们相互通信的公共通路，主要任务是在各部件之间传送地址信息、数据信息和控制信息。因此，总线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。,思考：联系实际应用，请列举你所熟知计算机的输入/输出设备都有那些？,2007.7.2,计算机组成原理,18,1.2 计算机的软件系统,监控程序计算机软件系统语言处理程序应用软件科学计算 数据处理自动控制系统软件操作系统工程设计 软件（Software）是计算机系统中使用的各种程序，

10、而软件系统是指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合。软件系统所包含的内容非常丰富，因而对其分类也较为困难。图1-3给出了现代计算机系统的软件分类，整个软件系统按其功能分为系统软件和应用软件两大类。,2007.7.2,计算机组成原理,19,图1-3 计算机的软件系统,2007.7.2,计算机组成原理,20,系统软件主要功能是对整个计算机系统进行调度、管理、监视及服务等。它能够使系统的各种资源得到合理的调度和高效的使用，并能监视系统的运行状态，一旦出现故障就能自动保护现场信息使之不受破坏，并诊断出故障部位。它还可以帮助用户调试程序、查找程序中的错误等。,1.2.1 系统软件,系统软件主要分类及其基本

11、功能如下：,2007.7.2,计算机组成原理,21,操作系统是一组控制程序的总称。可以用它控制和管理计算机的各种资源，实现计算机系统运行自动化。它是系统软件中最核心的组成部分，其主要任务有两个：一是管好计算机系统的全部资源，使它们能充分发挥作用、高效率的工作。在这里所提及的资源是指计算机系统的各种功能部件，主要包括微处理器、存储器、各种外部设备、各种软件。二是为计算机系统和用户之间提供接口，使用户利用操作系统提供的功能去使用计算机，进而在用户面前展现的是一台功能强、使用方便的计算机。,1. 操作系统（Operating System）,2007.7.2,计算机组成原理,22,一台计算机可以配置

12、不同类型的操作系统，常用的操作系统类型有： （1）单用户操作系统，用于系统规模不大又要求完成较广泛任务的场合，例如：MS-DOS、PC-DOS、CP/M等。,操作系统由执行程序、调度程序、中断处理和中断服务程序、设备处理程序、存储管理程序、程序库管理程序等模块组成。,2007.7.2,计算机组成原理,23,（2）多用户操作系统，又称为分时系统，用于多个用户需要同时使用计算机的场合，例如：Unix、Linux、OS/2、Windows 98/2000/XP、Windows Vista等。 （3）网络操作系统，用于需要对网络信息进行管理，实现信息共享的场合，例如：NetWare、Windows N

13、T等。 （4）实时操作系统，用于在严格时间范围内，对外部请求做出反应，系统具有高度可靠性的场合，例如：Windows CE、UcLinux、Rdos等。,2007.7.2,计算机组成原理,24,目前，新一代操作系统 Windows Vista已投入使用。Windows Vista是美国微软公司开发代号为长角(Longhorn)的下一版本Microsoft Windows操作系统的正式名称。它是继Windows XP和Windows Server 2003之后的又一重要的操作系统。该系统带有许多新的特性和技术，改进或新增加了包括Windows防火墙、无线网络链接、家长控制、安全中心、Window

14、s Movie Maker、图片库、反病毒、间谍软件、网络映射、搜索、图片收藏夹、Windows Media Player、支持RSS的Outlook Express、P2P Messenger等更多功能。,2007.7.2,计算机组成原理,25,用户往往是用某一种程序设计语言来编写程序，也就是常说的源程序。但计算机只能识别二进制信息，语言处理程序的实质就是完成翻译计算机各种语言的一组程序。其主要任务是对用户使用的各种语言进行处理，进而使计算机能完成用户以各种语言所描述的任务。在软件分类中，除了将语言处理程序划分为系统软件外，各种程序设计语言也被视为系统软件。在计算机应用中，程序设计语言主要包

15、括以下种类。,2. 语言处理程序,2007.7.2,计算机组成原理,26,（1）机器语言：是一种用二进制形式表示的，并且能够直接被计算机硬件识别和执行的语言。机器语言与计算机的逻辑结构相关，也就是说，机器语言因计算机不同而异。利用机器语言编写的程序称之为机器语言程序。机器语言的缺点是：不易书写，可阅读性差，出错也不易修改。 （2）汇编语言：是一种将机器语言符号化的语言，它用形象、直观、便于记忆的字母、符号来代替数字编码的机器指令。汇编语言的语句与机器指令一一对应，不同的计算机具有不同的汇编语言。用汇编语言写的程序称为汇编语言程序。例如：Nasm、Masm、Tasm等都属于汇编语言程序。,200

16、7.7.2,计算机组成原理,27,（3）高级语言：是一种与具体计算机逻辑结构不相关的，表达方式接近于被描述的问题的程序设计语言。高级语言程序具可书写性和可阅读性强等优点。高级语言程序在计算机并不能直接执行，需要利用编译程序或解释程序将其翻译成机器语言程序后再执行。例如：Basic、Fortran、Pascal、C语言、Delphi、C+、Java等都属于高级语言程序。 （4）面向对象语言：是当今软件开发的主流方法和技术。面向对象语言具有的抽象性、封装性、模块性、继承性和多态性，以及支持自顶向下和自底向上的软件开发风范和良好的可维护性日益被人们重视。,2007.7.2,计算机组成原理,28,并且

17、面向对象的思想已经渗透到了计算机科学的其他领域，如操作系统、人工智能、数据库、分布式计算和并行计算等领域，并成为这些领域的研究热点。例如：Java、C+、Visual Basic、Visual C+、Delphi等都属于面向对象语言。,注意：面向对象语言均属于高级语言，但并不是所有的高级语言都是面向对象语言，例如：C语言是高级语言但不是面向对象语言。,2007.7.2,计算机组成原理,29,服务性程序又称实用程序，是为系统提供各种服务性手段而设置的一组程序。其主要功能是完成对用户程序的装入、连接、编辑、查错和纠错以及硬件故障诊断等工作。服务性程序执行的过程和详细功能如下：,3. 服务性程序,（

18、1）装入计算机。在使用计算机时，首先必须将程序从机器的外部经由各种外部设备（如磁盘驱动器等）装入内存，这个功能由装入程序完成。,2007.7.2,计算机组成原理,30,（2）连接程序。在实际应用中，一个大的源程序常被分成若干个相对独立的程序模块，分别编译为相应的目标模块，这些独立的目标模块必须连成一个程序后才能投入运行。完成这一功能的程序叫做连接程序。,（3）编辑程序。编辑程序是为用户编制源程序提供的一种编辑手段，利用它用户可以方便的编写、修改、删除或补充源程序。,2007.7.2,计算机组成原理,31,（4）数制转换程序。数制转换程序可以使用户直接用十进制数输入，由计算机自动转换成所能识别的

19、二进制数。,（5）诊断程序。诊断程序用于诊断硬件的故障。当机器在运行中出现故障时，诊断程序启动运行，查出机器的故障部位。,2007.7.2,计算机组成原理,32,数据库管理系统（Database Management Systems），简称DBMS，是管理数据库的软件。数据库是为适应大型企业的数据处理和信息管理的需要而在文件系统的基础上发展起来的。,4. 数据库管理系统,文件是一组相互关联的信息（称之为记录）的集合，即文件描述具有相同性质的一组记录。对这些文件的组织和管理的程序构成了文件系统，它是操作系统的一个组成部分，但由于各个用户建立的文件系统其数据不能共享，造成大量重复，容易产生数据的结

20、构不一致性，而且各种文件缺乏统一的管理机构。,2007.7.2,计算机组成原理,33,为了克服上述缺点，数据库用一个单独的系统软件来集中管理所有的文件，实现数据共享，这就是数据库管理系统。例如：FoxPro、Access、 Oracle、SQL Server等都属于数据库管理系统。,1.2.2 应用软件,应用软件是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序，是指除了系统软件以外的所有软件，由各种应用软件包和面向问题的各种应用程序组成。由于计算机已渗透到了各个领域，因此，应用软件是多种多样的。,2007.7.2,计算机组成原理,34,应用软件主要是为用户提供在各个具体应

21、用领域中的辅助功能，它也是绝大多数用户学习、使用计算机时最感兴趣的内容。如计算机辅助绘图软件Auto CAD、办公软件Office、图形图像处理软件Photoshop、网络下载软件网际快车、迅雷等。,说明：对计算机软件分类，系统软件和应用软件的划分并不是一成不变的，一些具有通用价值的应用程序也可纳入系统软件之中，作为一种资源提供给用户。,2007.7.2,计算机组成原理,35,现代计算机是一个十分复杂的硬件、软件结合的整体。计算机系统的工作过程是软硬件分层次相互配合完成的，计算机系统的层次结构如图1-4所示的。图中表明了计算机系统的硬件与软件之间的相互关系，同时也说明了从用户提出任务到硬件执行

22、的过程。,1.2.3计算机系统的层次结构,2007.7.2,计算机组成原理,36,计算机系统的层次结构共分为五级。第1级是微程序设计级，这是一个实际存在的硬件级，由硬件直接执行微指令。第2级是机器语言级，它由微程序解释机器指令系统，该级也属于硬件级。第3级是操作系统级，该级采用机器语言解释执行，既涉及软件资源，也涉及硬件资源，即在操作系统的控制之下调用系统的硬件与软件资源。第4级是汇编语言级，这一级由汇编程序支持和执行。第5级是高级语言级，这一级由各种高级语言编译程序支持和执行，它是面向用户的，所编写的程序称之为用户程序，这一级也属于软件级。,2007.7.2,计算机组成原理,37,图1-4

23、计算机系统层次结构,2007.7.2,计算机组成原理,38,总之，随着大规模集成电路技术的发展和计算机系统结构的不断改进，计算机的应用范围越来越广。现在已经产生了一种固件技术，可以把一些常用的程序直接制作成硬件的器件，以硬件方式来实现软件功能。固件技术的研究已成为重要的研究课题，随着固件技术的发展，现代计算机的软件和硬件都将得到进一步的简化。,思考：结合软件分类的方法，请对你日常生活、学习所用的软件进行合理的分类，并说明原因。,2007.7.2,计算机组成原理,39,1.3 计算机系统的发展与应用,1.3.1 计算机的发展简史,1946年，美国宾夕法尼亚大学研制出了世界上第一台电子数字计算机，

24、这台计算机的名字称为ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator)，即电子数值积分计算机。它采用了18000个电子管，重30吨，占地170平方米。该机的字长为10位十进制，计算速度每秒5000次，每次最多只能存储20个字长为10位的十进制数。计算程序是通过“外接”的线路实现的。这台ENIAC是一个专用机，它是最早诞生的一台电子数字计算机，是现代计算机始祖。,2007.7.2,计算机组成原理,40,自1946年第一台电子数字计算机问世以来，计算机的发展以计算机硬件的逻辑元器件为标志，大致经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模和超

25、大规模集成电路等4个发展阶段。,2007.7.2,计算机组成原理,41,从1946年至1956年是电子管数字计算机时代。计算机的逻辑元件采用电子管。主存储器采用磁芯、磁鼓，外存采用磁带。电子管数字计算机主要特点是体积大、功耗大、运算速度每秒只有几千次到几万次、价格昂贵、可靠性差。程序设计主要采用机器语言和汇编语言。主要应用于科学计算。虽然，电子管数字计算机有很多缺陷，但是它的体系结构和程序设计思想为以后计算机的高速发展奠定了科学基础。,1第一代计算机,2007.7.2,计算机组成原理,42,从1957年至1964年是晶体管数字计算机时代。计算机的逻辑元件采用晶体管。主存储器采用磁芯，外存储器采

26、用先进的磁盘。晶体管数字计算机主要特点是体积小、重量轻、耗电少、运算速度每秒达十万次以上、可靠性好。晶体管数字计算机的出现使软件有了很大的发展，出现了多种用途的操作系统，以及各种各样的高级语言，如FORTRAN、COBOL等高级语言。应用以各种数据处理、事务处理为主，并开始用于工业控制。,2第二代计算机,2007.7.2,计算机组成原理,43,从1965年至1970年是集成电路计算机时代。计算机的逻辑元件采用中、小规模集成电路；用半导体存储器代替磁芯存储器，采用流水线、多道程序和并行处理技术。集成电路计算机主要特点是体积更小、速度快、精度高、功能强、计算机成本进一步下降。在此期间软件向系列化、

27、多样化发展，软件逐渐完善，分时操作系统、会话式语言等多种高级语言已经出现，并且提出了模块化与结构化程序设计的思想。在发展大型机的同时，“小型计算机”开始出现。计算机品种开始向多样化、系列化发展，应用领域不断扩大。,3第三代计算机,2007.7.2,计算机组成原理,44,从1971年以后是大规模和超大规模集成电路计算机时代。计算机的逻辑元件以大、超大规模集成电路为主要功能器件。大规模和超大规模集成电路计算机主要特点是速度更快、集成度更高、软件丰富、有通讯功能、软硬密切配合。在此期间硬件和软件的技术日益完善，计算速度每秒千万次/亿次以上，计算机结构也开始以分布式处理来组织系统。同时，大型机、中型机

28、、超小型机、计算机网络、智能模拟、软件工程等都有了新的发展。应用开始进入尖端科学、军事工程、空间技术和大型事务处理等社会技术和社会生活各个领域。,4第四代计算机,2007.7.2,计算机组成原理,45,随着大规模集成电路的发展，20世纪70年代计算机开始向微型化方向展。1971年美国Inter公司设计生产出了第一个微处理器，而后与IBM公司合作生产了第一台微型计算机，开创了微型计算机的新时代。 微型计算机具有体积小、重量轻、功耗低、功能强、可靠性高、结构灵活、使用环境要求低、价格低廉等一系列特点和优点，得到了广泛的应用和飞速的发展。目前，微型计算机已进入双核心甚至多核心时代。传统单核处理器相比

29、，又双核心处理器加入了五项主要改革：宽动态指令执行、智能电源管理（、智能缓存技术、智能缓存加速及高级数字媒体增强。新技术的应用使双核心处理器在工作效率、节能、多媒体操作以及网络操作方面表现的更为优越。,2007.7.2,计算机组成原理,46,从80年代开始，日本、美国和欧洲纷纷进行第五代计算机的研制工作，目前第五代计算机有以下几个研究方向：,（2）生物计算机运用生物工程技术，蛋白分子作芯片，可以使计算机体积更小，存储量更大，智能化更强；,（1）神经网络计算机模拟人的大脑思维，可同时并行处理大量实时变化的数据，并引出结论；,2007.7.2,计算机组成原理,47,小知识：生物计算机一旦研制成功，

30、其运算速度是目前传统计算机根本无法比拟的，它几十小时的运算量就相当于目前全球所有计算机运算量的总和。生物计算机的存储量也大得惊人。科学家采用有机的蛋白质分子构成的生物芯片代替由无机材料制作的硅芯片，其大小仅为现在所用的硅芯片的十万分之一，而集成度却极大地提高，如用血红素制成的生物芯片，1平方毫米能容纳10亿个门电路，其开关速度达到10微微秒。此外生物芯片具备的低阻抗、低能耗的性质使他们摆脱了传统半导体元件散热的困扰，从而克服了长期以来集成电路制作工艺复杂、电路因故障发热熔化以及能量消耗大等弊端，给计算机的进一步发展开拓了广阔的前景。此外，生物计算机的元件密度比人的神经密度还要高100万倍，而且

31、其传递信息的速度也比人脑进行思维的速度快100万倍。它即快捷，又准确，可以直接接受人脑的指挥，成为人脑的外延或扩充部分，它以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量，而不需要外界的任何其他能量。,2007.7.2,计算机组成原理,48,（3）光子计算机用光作为信息载体，通过对光的处理来完成对信息的处理，可提高运算速度、降低耗能。 新一代计算机与前四代计算机的本质区别是：计算机的主要功能将从信息处理上升为知识处理，使计算机具有人类的某些智能，所以又称为人工智能计算机。通常认为，第五代计算机具有以下几个方面的功能： （1） 具有处理各种信息的能力。除目前计算机能处理离散数据外，第五代计算机还能对声音、文

32、字和图象等形式的信息进行识别处理。,2007.7.2,计算机组成原理,49,（2）具有学习、联想、推理和解释问题的能力。 （3）具有对人的自然语言的理解能力。即只需把要处理或计算的问题，用自然语言写出要求及说明，计算机就能理解其意，按人的要求进行处理或计算，而现在的计算机需要使用专门的计算机语言把处理过程与数据描述出来。对第五代计算机来说，只需告诉它“做什么”，而不必告诉它“怎么做”。 总之，第五代计算机将采用多媒体技术把声音、图形、图象系统、计算机系统和通讯系统集成为一个整体，使计算机具有像人一样的能听、能看、能想、能说、能写等功能，甚至研制生产出具有某些“情感”、“智力”的计算机产品。,思

33、考：请结合智能计算机的发展情况，智能计算机在实际生活中的应用有那些？,2007.7.2,计算机组成原理,50,电子计算机是一种由电子线路构成的设备，它能对信息进行记忆、传送和处理，从而实现计算的功能。计算机的分类方法一般有如下几种。,1.3.2 计算机的分类,2007.7.2,计算机组成原理,51,一般可分为数字计算机、模拟计算机。 数字计算机处理的是离散的数字量。通常用脉冲的有无或电平的高低表示二进制数字“1”和“0”，其不同的组合表示大小不同的数值，只要增加组合的位数就可增加表示数的范围和精度。因此，只要不考虑设备的代价，数字计算机所表示的数值范围与精度几乎没有限制。我们通常所说的计算机，

34、如未特别说明，均指的是数字计算机，简称为计算机。,1. 按信息的形式及处理方式,2007.7.2,计算机组成原理,52,模拟计算机处理的信息是连续变化的模拟量，如温度、压力、距离、速度等等。,模拟计算机的运算速度快，但精度不高，且每做一次运算需重新设计和编排线路，故通用性不强，信息的存储也较为困难。模拟计算机多用于解数学方程或自动控制模拟系统的连续变化过程。目前，在很多应用领域数字计算机已经取代模拟计算机。,2007.7.2,计算机组成原理,53,数字计算机按其用途即应用特点可分为通用计算机和专用计算机。 通用计算机就是我们通常所说的计算机。它通常根据不同的计算机系列型号配备一定的外设，配备多

35、种系统软件，如操作系统、数据库管理系统及多种工具软件。只要再配备相应的应用软件，就可应用于各种领域。通用机的特点是通用性强，功能全。,2. 按计算机的用途,2007.7.2,计算机组成原理,54,专用计算机是针对某一特定应用领域或面向某种算法的计算机，这种机器由于功能单一，结构简单，成本较低，可靠性较高，使其在军事和工业控制等领域得到了广泛的应用。如某一工业过程控制计算机，军事上特定武器装备的控制指挥仪，以及目前已广泛应用的嵌入式系统计算机。专用机的系统结构及专用软件是专门针对其应用领域设计的，因而对该领域是高效的。专用机若用于其他领域，则效率极低甚至无法运行。,2007.7.2,计算机组成原

36、理,55,所谓规模，是综合计算机的多方面因素而言，通常涉及运算速度、机器字长、存储容量、外部设备等硬件配置，以及软件、价格等诸多方面。因此，按规模分类实际也即按计算机的性能来分类。由于计算机科学技术的飞速发展，这种规模或性能的概念也是在不断变化的。昔日的大型机，其性能可能赶不上现在的微型机。尽管如此，计算机业界仍习惯将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机等几种类型。,3. 按计算机的规模,2007.7.2,计算机组成原理,56,也称为超级计算机，它是一个国家科技水平、经济实力和军事威力的象征。巨型机速度最快，性能最强，技术最复杂，具有巨大的数值计算和信息处理能力，是每个时代计算机高

37、精尖技术的集中代表。目前巨型计算机一般字长64位，每秒平均执行上百亿次浮点运算，主存容量14百万字以上，其高速数据通道每秒可传送数据几千万个字以上，具有丰富的系统软件。目前世界上最快速的计算机都采用大规模并行处理MPP（Massively Parallel Processing）技术，每台现代巨型机都拥有数百至上万个处理器。1983年我国自行研制出了第一台银河巨型机，如图1-5所示。此后，我国自行研制的银河型巨型机每秒运算可达到120亿次，如图1-6所示。现在，我国正在研制更高性能的巨型机。,（1）巨型机,2007.7.2,计算机组成原理,57,图1-5 第一台银河巨型机,图1-6 银河巨型机

38、,2007.7.2,计算机组成原理,58,大型计算机（Lang Scale Computer/Mainframe）是计算机家族中通用性最强，功能也很强的计算机。一般字长3264位，每秒执行数百万到数千万条指令，主存容量几十万到几百字，有较多的外设和通信接口，有很强的I/O处理能力和丰富的系统软件及应用软件。大型机示例图如图 1-7,（2）大型计算机,图1-7 IBM大型机,2007.7.2,计算机组成原理,59,小型计算机（Minicomputer）是性能较好、价格便宜、应用领域十分广泛的计算机。一般字长32位，速度每秒几十万到几百万次，内存容量几万到几十万字，配有一定数量的外设与通信接口，支

39、持多种高级语言和汇编语言编写的程序，有功能较强的操作系统。,（3）小型计算机,HP的小型机,2007.7.2,计算机组成原理,60,微型计算机（Microcomputer）简称微型机或微机，是以微处理器为中央处理器而组成的计算机系统。,（4）微型计算机,它是性能价格比最高、应用领域最广的一种计算机。近年来，微型机的发展最快、市场占有率最高，其许多性能达到甚至超过了小型机的水平。微型计算机正不断向微型化、网络化、高性能、多用途发展。,2007.7.2,计算机组成原理,61,微型计算机的分类方法很多。按字长可分为8位、16位、32位、64位微型机计算机;按组装形式可分为非便携式和便携式微型计算机，

40、前者如台式机（如图1-8所示），后者是一种可移动的微型机，如笔记本和掌上计算机（如图1-9所示）。,图1-8台式机,图1-9笔记本,2007.7.2,计算机组成原理,62,2007.7.2,62,按使用方式，一般将计算机分为工作站和服务器，这也是目前广泛采用的实用的分类方法。这种分类方法是以网络和分布式计算环境为背景的。,4. 按使用的方式,工作站,服务器,2007.7.2,计算机组成原理,63,2007.7.2,63,工作站（Workstation）是以个人计算环境和分布式网络计算环境为基础，具有良好的性能价格比。所谓个人计算环境是指为个人使用计算机创造一个尽可能易学易用的工作环境，为面向特

41、定应用领域的人员提供一个具有友好人机界面的高效率工作平台。分布式网络计算环境是指工作站在进行信息处理时，可以通过网络与服务器和其他工作站或计算机互通信息和共享资源。工作站的多功能是指它的高速运算功能，适应多媒体的应用功能和知识处理功能，如图1-10所示。,（1）工作站,2007.7.2,计算机组成原理,64,2007.7.2,64,服务器（Server）是网络环境或在具有客户服务器结构的分布计算环境中，为客户的请求提供服务的结点计算机。客户服务器是实现资源共享的一种结构，客户是服务器的对象。在网络和分布式计算环境中，服务器提供大量公用的服务，如数据库服务、WWW服务、文件服务、打印服务等。在设

42、计上，要求服务器具有更好的数据交换性能、极高的可用度、良好的安全性、很强的扩展能力，网络和分布式计算环境中的工作站多充当信息中心，如图1-11所示。,（2）服务器,2007.7.2,计算机组成原理,65,2007.7.2,65,图1-10 工作站,图1-11服务器,2007.7.2,计算机组成原理,66,2007.7.2,66,数字计算机问世以来，计算机得到高速发展的原因主要是它的普及与应用。如今，计算机的应用与普及已从军事、科研、经济领域不断向教育、文化、商业、贸易、以至娱乐、生活诸方面进军，所到之处均引起了巨大的变革。在应用实践中，人们对计算机的功能及特性不断提出新的要求。正是基于这一原因

43、，计算机技术得到了极大的发展。 目前，计算机的应用领域已达数千种。按照计算机的应用特点，计算机的应用可以大体上分为科学计算、数据处理、实时控制、计算机辅助工程、办公自动化、数据通信和智能应用等几大类.,1.3.3 计算机的应用领域,2007.7.2,计算机组成原理,67,2007.7.2,67,科学研究和工程计算领域是计算机应用最早的领域。计算机的发明和发展，首先是为了解决科学技术和工程设计中大量的数学计算问题。因此，科学计算是计算机应用的一个重要领域。例如大范围的地区气象预报信息，如果用人工计算需要几天的时间完成，而用计算机处理这些信息很短时间就可以完成，使气象预报具有实用价值。,1. 科学

44、计算,2007.7.2,计算机组成原理,68,2007.7.2,68,目前，有效地使用数字计算机来求解数学问题，已经形成一个专门的学科数值计算。许多计算领域的问题，如计算物理、计算力学、计算化学、计算经济学等均可归结为数值计算问题。这类计算往往涉及到较复杂的数学公式，如求解上千阶的微分方程组、大型的矩阵运算等等。,2007.7.2,计算机组成原理,69,2007.7.2,计算机组成与结构,69,人类已进入信息化社会，各种信息浩如烟海。为认识掌握这些信息，就需要对大量的信息进行分析加工。计算机的应用使信息处理工作实现起来非常快捷，准确。使科学实验、生产控制、组织管理、国防建设、文化教育、医疗服务

45、等领域的工作实现起来更加轻松。 数据处理的主要功能，是将输入设备送来的数据及时记录、整理、分类、加工、以得到所需要的信息。如企业管理、库存管理、帐目计算、情报检索、图像处理等等，它们的特点是原始数据量大，算术运算比较简单，有大量的逻辑与判断，处理的结果多以报表或文件形式存储或输出。,2. 数据处理,2007.7.2,计算机组成原理,70,2007.7.2,70,实时控制是计算机在过程控制中的重要应用。最初的过程控制主要应用于导弹、卫星等现代化武器系统和航空航天等领域，而现在已广泛应用于工业生产过程。过程控制发挥着神经系统的功能，由于高灵敏度、高精确度的控制，使得上述领域的工作能在人的意志控制下

46、准确无误地达到目的。例如由雷达和导弹发射器组成的防空系统，地铁指挥控制系统，自动化生产线等，都需要在计算机控制下运行。,3. 实时控制,2007.7.2,计算机组成原理,71,2007.7.2,计算机组成与结构,71,计算机辅助工程是近几年来迅速发展的一个计算机应用领域，它包括计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design)、计算机辅助制造CAM（Computer Aided Manufacture)和计算机辅助教学CAI(Computer Assisted Instruction)等多个方面。 CAD广泛应用于船舶、飞机、汽车、建筑、电子等方面的设计。由计算机辅助产生的设计

47、结果通过图形设备与设计人员交互，可及时对设计做出判断和修改，最终完成设计工作。因此，采用CAD技术，提高了设计的自动化水平，缩短了设计周期，减轻了设计人员的劳动，也大大提高了设计质量。,4. 计算机辅助工程,2007.7.2,计算机组成原理,72,2007.7.2,计算机组成与结构,72,CAM则是使用计算机进行生产设备的管理和生产过程的控制，例如，计算机控制的全自动汽车装配生产线。,CAI使教学手段达到一个新的水平，即利用计算机模拟一般教学设备难以表现的物理或工作过程，并通过交互操作极大的提高了教学效率。,2007.7.2,计算机组成原理,73,2007.7.2,计算机组成与结构,73,办公

48、自动化OA（Office Automation)指用计算机帮助办公室人员处理日常工作。例如，用计算机进行文字处理，文挡管理，资料，图象，声音处理和网络通信等。它既属于信息处理的范围，又是目前计算机应用的一个较独立的领域 。,5. 办公自动化,2007.7.2,计算机组成原理,74,2007.7.2,计算机组成与结构,74,数据通信主要是利用通信卫星群和光导纤维构成的计算机应用网络，实现信息双向交流，同时利用多媒体技术扩大计算机的应用范围。通信卫星的覆盖面广，光导纤维传输的信息量大，保密性好，他们的优势互补，利用计算机将二者结合起来可在全球范围内双向传送包括电视图象在内的各种信号，把整个地球网络

49、连接起来，使人们在家里就可以收看世界上任何一家电视台的节目，通过屏幕与远在千里之外的友人面对面地通话。总之，以计算机为核心的信息高速公路的实现，将进一步改变人们的生活方式。,6. 数据通信,2007.7.2,计算机组成原理,75,2007.7.2,计算机组成与结构,75,人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）是用计算机来模拟、延伸、扩展人类的某些智力活动，使计算机具有学习和推理能力。如今，人工智能的研究与应用已在模式识别、景物分析、自然语言的理解与生成、博弈、自动定理证明、自动程序设计、专家系统、模拟训练系统、智能决策系统、机器人等领域得到了重大的突破和快速的发展

50、，以机器人的研究为例，现已在机器人的视觉、触觉、声音识别等方面取得了较大的进展，出现了越来越聪明灵巧的新型机器人智能机器人。,7. 人工智能,2007.7.2,计算机组成原理,76,2007.7.2,计算机组成与结构,76,上述七种应用类型虽覆盖了计算机应用的大多数领域，但并未能包括当今计算机的应用范畴。随着计算机网络技术和信息高速公路的发展，计算机的应用几乎渗透到人类活动的各个领域，如电子商务、电子邮件、交互式通信、检索查询、电子游戏、远程医疗、远程教育、电子购物等等，人们可以进入一个五彩缤纷的世界，畅游信息的海洋。计算机的广泛应用正改变着人类的生活方式，它标志着人类进入一个全新的社会信息化

51、社会。,思考：结合生活中你对计算机了解的情况，请分别举例说明那些计算机属于巨型机、小型机、微型机？,2007.7.2,计算机组成原理,77,2007.7.2,计算机组成与结构,77,1.4 现代计算机技术应用,精简指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）是美国加州伯克利分校的帕特逊等人于1979年提出的。RISC结构是相对于传统的采用微程序结构的复杂指令集计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）结构而言的。它的出现是计算机体系结构发展史上一个重要的里程碑。,1.4.1 精简指令集计算机,2007.7.2,

52、计算机组成原理,78,2007.7.2,计算机组成与结构,78,传统的CISC指令集随着计算机的发展而引入了各种各样的复杂指令，使得指令集和为此要实现这些指令功能的计算机体系结构越来越复杂，不堪重负。经过大量的研究和分析，发现在CISC的指令集中，各种指令的使用频度相当悬殊。计算机在运行程序中，大概仅有20%的指令被反复使用，使用量约占整个程序的80%；而有80%的指令则很少使用，其使用量约占整个程序的20%。这就是所谓的“二八定律”。,2007.7.2,计算机组成原理,79,2007.7.2,计算机组成与结构,79,复杂的指令系统必然增加硬件实现的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且由于

53、复杂指令需要进行复杂的操作，很难实现流水线执行，从而影响了机器的速度。为了解决上述问题，RISC微处理器的设计和应用得到了较快的发展。一般来说，RISC处理器比同等的CISC处理器要快50%75%，同时RISC处理器更容易设计和纠错。 RISC是在继承CISC的成功技术并克服CISC的缺点的基础上产生并发展起来的。RISC的着眼点不简单地放在简化指令系统上，而是通过简化指令使计算机的结构更合理，从而提高运算速度。,2007.7.2,计算机组成原理,80,例如：计算机执行程序所需要的时间P可用下式表示： P = I CPI T 其中，I是高级语言编译后在机器上运行的指令数，CPI为执行每条指令所

54、需的平均周期数，T是每个机器周期的时间。 由于RISC指令比较简单，原CISC机中比较复杂的指令在这里用子程序来代替，因此RISC的I要比CISC的多20%40%。但是RISC的大多数指令只用一个机器周期实现，所以CPI的值要比CISC小得多。同时因为RISC结构简单，所以完成一个操作所经过的数据通路较短，使得T值大为减少。后来，RISC的硬件结构有很大改进，一个机器周期平均可完成一条以上指令，甚至可达几条指令。,2007.7.2,计算机组成原理,81,RISC的设计要点为： （1）选取使用频度最高的一些简单指令和很有用但并不复杂的指令； （2）指令的长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少；

55、 （3）只有取数存数指令访问存储器，其余指令操作都在寄存器之间进行； （4）采用指令流水线操作，实现指令并行操作； （5）大部分指令在一个时钟周期内完成； （6）CPU中通用寄存器的数目相当多； （7）以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制，以加快指令执行速度。,2007.7.2,计算机组成原理,82,目前，RISC指令微处理器在嵌入式计算机中得到了广泛的应用，设计生产RISC指令微处理器的公司也越来越多，比如：英国的ARM公司设计的ARM7、ARM9、ARM10、ARM11等系列RISC指令微处理器；IBM公司的Power PC；DEC公司的Alpha；HP公司的HPPA；MIPA公司的R1

56、0000；SUN公司的Ultra SPARC等。,1.4.2 嵌入式计算机,嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。,2007.7.2,计算机组成原理,83,嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括嵌入式微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。,2007.7.2,计算机组成原理,84,1.嵌入式微处理器,嵌入式计算机的核心是嵌入式微处理器（如图

57、1-13所示）。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：,（2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。,（1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。,2007.7.2,计算机组成原理,85,（3）可扩展的处理器结构，能扩展出满足应用需求的高速嵌入式微处理器。,（4）嵌入式微处理器功耗低，适合用于便携式的无线及移动的计算和通信设备。,图1-13 嵌入式微处理器,2007.7.2,计算机组成原理,86,嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了若干个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入