1、主要内容： 计算机的基本概念 系统硬、软件组成 层次结构模型 计算机的工作过程 计算机的性能指标,第 1 章 绪论,生活中常见的计算机,计算机系统应该包含些什么呢？,对计算机我们了解多少？,它们是如何工作的？?,计算机系统概述,计算机系统由硬件和软件两大部分组成,硬件部分,磁盘接口,典型PC机主板结构,一块常见的主板,第1节 计算机的基本概念, 用二进制代码表示程序和数据；, 计算机采用存储程序的工作方式；, 计算机硬件由存储器、运算器、控制,器、输入设备和输出设备组成。,冯 诺依曼思想：P2,1.1.1 存储程序工作方式,1. 事先编制程序,其主要含义有三点：P3, 指令：计算机硬件一步执行
2、的操作命令，如加法指令。, 计算机最终执行的程序：指令序列。, 事先编好的求解问题的程序最终变成： 指令序列和需处理的数据。,2. 事先存储程序,3. 自动、连续地执行程序,将编好的程序变成最终可执行的程序即二进制指令代码序列存放在存储器中。,在程序已存放在存储器后，计算机就可以运行该程序，即按一定的顺序通常是指令存放的顺序，从存储器中逐条取出指令，按指令的要求执行操作，直到该程序执行结束。,1.1.2 信息的数字化表示P3,1. 在计算机中用数字代码表示各种信息,二进制代码,例1 用数字代码表示数据 (四位二进制原码),5,- 5,表示为 0 101 B,表示为 1 101 B,B为二进制后
3、缀,例2 用数字代码表示字符,A,B,表示为 100 0001 B,表示为 100 0010 B,例3 用数字代码表示命令、状态,启动,停止,正在工作,工作结束,表示为 00,表示为 01,表示为 10,表示为 11,2. 在物理机制上用数字信号表示数字代码,数字型电信号,例1 用电平信号表示数字代码,高电平,1,低电平,高电平,0,1,例2 用脉冲信号表示数字代码,有脉冲,无脉冲,有脉冲,1,0,1,实现并行操作,实现串行操作,第 2 节 计算机系统的硬、软件组成,1.2.1 计算机硬件系统P5,CPU,M,I/O设备,I/O设备,系 统 总 线,单总线计算机硬件系统结构,I/O接口,I/O
4、接口,CPU结构示意图,主存 及 辅存,8 0 8 6系统结构简图,20位物理地址,16位数据,运算器,寄存器组,CPU内部总线,系统总线,8086 CPU 硬件实例,80188应用板,1. CPU 功能：负责读取与执行指令，即执行程序。,基本组成：寄存器、ALU、控制器及连接 1）寄存器,用于存放控制信息，如PC、IR、PSW,用于存放数据信息，如通用寄存器、暂存器,2）算术逻辑部件ALU：按指令的要求对有关数据进行指定的算术或逻辑运算。,3）控制器：主要根据指令信息产生控制信号(微命令)序列， 控制全机操作。,微命令产生方式（指令执行控制方式）：,组合逻辑控制方式：,微程序控制方式：,由组
5、合逻辑电 路产生微命令,由微指令产生微命令,2. 主存储器 1）功能: 存放需执行的程序及需要处理的数据，CPU能直接读出或写入。 2）逻辑组成：由连续的单元组成。通常每个单元存放8位二进制数即一个字节。每个单元有一个惟一的地址。,00000H,00001H,00002H,00003H,FFFFEH,FFFFFH,主存逻辑组成示意图,地址,7 0,主存储器,：,：,指令1,指令2,指令2,指令3,操作数, 指令序列按执行顺序存放在连续的单元中。由CPU中的PC提供指令地址，寻找对应主存单元读取指令到CPU执行。, 指令需要处理的操作数也可存放在主存单元中。由指令提供地址寻找对应单元读取操作数。
6、,主存的一个重要特点：能按地址存放或读取单元内容，即允许CPU直接编址访问。,3. 输入/输出（I/O）设备 功能：转换信息。,输入：原始信息,二进制代码，送入主机。,输出：处理结果,人所能接受的形式并输出。,例如：输入设备键盘，输出设备显示器。,4. 总线 功能：一组能为多个部件分时共享的信息传送线路。,硬盘等外部存储器只是I/O设备的一部分。,CPU,M,I/O设备,I/O设备,系 统 总 线,用一组系统总线连接CPU、主存、多个输入/输出设备，它们通过总线传送信息。,地址总线 数据总线 控制总线,系统总线,例如：CPU从主存单元读取操作数如何通过总线实现,I/O接口,I/O接口,5. I
7、/O接口 系统总线与I/O设备之间的转换逻辑部件 基本功能：实现CPU与I/O设备之间控制信息、数据、状态信息的转换和传送；还可实现主存与I/O设备之间的数据转换和传送。,计算机硬件系统由三大子系统：CPU、存储系统、输入/输出系统及连接它们的总线构成。,CPU,M,I/O设备,I/O设备,系 统 总 线,I/O接口,I/O接口,主机,输入输出系统,1.2.2 计算机软件系统P9,按软件配置与功能分为,系统软件,应用软件,1、系统软件,1）操作系统 功能：管理和控制计算机系统硬、软件资源及运行的程序，合理地组织计算机的工作流程，为用户提供软件的开发环境和运行环境。,命令行用户接口（如DOS）和
8、图形用户接口（如Windows X）,系统功能调用（如DOS的INT 21H，Windows API）,提供的用户界面, 机器语言：计算机硬件能直接识别的语言，由二进制代码表示的指令组成，它是面向特定机器结构的内部语言。相应的指令称为机器指令。, 汇编语言：用符号表示的与机器指令对应的程序设计语言。它是面向特定机器结构的程序设计语言，不能通用。如80X86汇编语言、8051汇编语言。,2）编译程序与解释程序 指令与指令系统：一条指令规定了一种基本操作（如传送、加、减），并提供操作数地址或操作数，这些信息用二进制代码表示。指令系统是指一台计算机所有指令的集合。, 源程序：用某种高级语言或汇编语言
9、编写的程序，它们由相应语言的语句组成。源程序必须通过这种语言的语言处理程序将其转换为机器语言程序（即二进制指令代码序列），才能在计算机上执行。,2）编译程序与解释程序 高级程序设计语言：是面向用户，与特定机器属性相分离的通用语言。每种语言都有自己的语法规定与格式，也有适用范围。如C、PASCAL、C+。, 编译方式：将源程序输入计算机后，启动并执行这种语言的编译程序（编译器），将源程序全部翻译成机器语言程序（目标程序）后，才由硬件执行。如，汇编器。, 语言处理方式有两种类型：解释与编译, 解释方式：边解释边执行。将源程序输入计算机后，启动并执行这种语言的解释程序（解释器），由它逐句分析源程序，
10、并翻译成与该语句等价的机器指令序列由硬件执行，直到整个源程序的语句被解释执行完毕。如，BASIC解释程序。,3）各种软件平台 将开发及运行过程中所需的各种软件集成为一个综合的软件系统，称为软件平台。如：以某种高级语言编译系统为核心的开发平台。,、应用软件：解决某一应用领域问题的软件，如科学计算软件、财会软件等。,总之，系统软件是负责系统调度管理，提供开发和运行环境，为用户提供各种服务的一类软件。,按任务需要编制成的各种程序,用来管理整个计算机系统,语言处理程序,操作系统,服务性程序,数据库管理系统,网络软件,软 件,1.1,用层次的观点看到的计算机,用户,第 3 节 层次结构模型P12,1.3
11、.1 从计算机系统组成角度划分层次结构,计算机系统以硬件为基础，通过配置软件扩充功能，形成一个相当复杂的系统。通常采用层次结构的观点去分析、设计和构建它。本节将列举两种典型的层次结果模型。,下面的图给出了构成计算机系统的硬件层和多个软件层，以及它们之间的关系。每层都在下一层的基础上增加功能。,右图是从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型。,面向问题语言层,第5层,翻译(编译器),汇编语言层,第4层,翻译(汇编器),操作系统层,第3层,部分解释(操作系统),指令系统层,第2层,直接执行/解释(微程序),微体系结构层,第1层,1、微体系结构层,微体系结构层是硬件层次，它主要是从寄存器级观察CP
12、U的结构，分析CPU分步执行指令的详细过程。 微体系结构层可看作是第2层指令系统层指令的解释器。,从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型,面向问题语言层,第5层,翻译(编译器),汇编语言层,第4层,翻译(汇编器),操作系统层,第3层,部分解释(操作系统),指令系统层,第2层,直接执行/解释(微程序),微体系结构层,第1层,2、指令系统层,指令系统层及上层都是抽象层次。指令系统层定义了硬件与编译器的接口。 一方面，指令系统规定了由硬件实现的各种指令功能；另一方面，各种源程序必须通过编译器或解释器转换为硬件能识别与执行的指令序列。,从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型,面向问题语言层,第
13、5层,翻译(编译器),汇编语言层,第4层,翻译(汇编器),操作系统层,第3层,部分解释(操作系统),指令系统层,第2层,直接执行/解释(微程序),微体系结构层,第1层,3、操作系统层,从系统程序员的观点来看，操作系统层指令集包括指令系统层的指令和新增的指令。 这些新指令称为系统调用。它们由操作系统解释，该层的其余指令(即与第2层指令相同的指令)由微体系结构层执行。,从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型,面向问题语言层,第5层,翻译(编译器),汇编语言层,第4层,翻译(汇编器),操作系统层,第3层,部分解释(操作系统),指令系统层,第2层,直接执行/解释(微程序),微体系结构层,第1层,4
14、、汇编语言层,汇编语言层及上层是提供给解决应用问题的程序员使用的。 汇编语言程序通过汇编器翻译成机器语言程序，再由微体系结构层执行。,从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型,面向问题语言层,第5层,翻译(编译器),汇编语言层,第4层,翻译(汇编器),操作系统层,第3层,部分解释(操作系统),指令系统层,第2层,直接执行/解释(微程序),微体系结构层,第1层,5、面向问题语言层,这一层使用高级语言编程解决问题。 高级语言程序通常由编译器翻译成第3层或第4层语言，个别有解释执行的。,本书第二篇将分别从微体系结构层、指令系统层、汇编语言层来讨论计算机系统的组成。,1.3.2 从语言功能角度划分层
15、次结构 P14,虚拟机：指通过配置软件（如某种语言的编译器或解释器）扩充机器功能后所形成的一台计算机。,机器语言物理机：指能识别与执行机器语言的计算机硬件。,下图是从语言功能角度划分的层次结构模型,专用语言虚拟机,高级语言虚拟机,汇编语言虚拟机,机器语言物理机（实际机器）,程序,第 4 节 计算机的工作过程P16,1.4.1 处理问题的步骤,目前，大型的应用软件的开发都采用软件工程的方法。但如要解决规模较小的应用问题，可采用以下的基本步骤：,1、系统分析,2、建立数学模型与设计算法,3、编写应用程序,4、编译为目标程序,5、由硬件执行目标程序,1.4.2 指令执行过程,加法指令“ADD AX，
16、1000H”的功能是，将主存1000H单元的内容（源操作数）与CPU中AX寄存器的内容（目的操作数）相加，结果送回AX中。,1、取指令与分析指令,下面以加法指令为例，说明一条指令的执行过程。,按CPU的程序计数器PC中的指令地址，从主存单元读取加法指令到指令寄存器IR中，这时PC的内容修改为下一条指令地址。然后由指令译码器分析IR中的指令，作为产生对应微命令序列的依据。,2、读取操作数,在本例中，源操作数存放在主存1000H单元中，因此需要读取地址为1000H单元的内容，并送入CPU的一个暂存器中供下一步计算用。,3、运算,本例中ADD是指令的操作码，表示要进行加法运算。将上一步得到的在CPU
17、暂存器中的源操作数与寄存器AX中的目的操作数，通过ALU相加，结果送回AX中。,4、后继指令地址,本例中，在读取指令时PC的内容已修改为下一条指令地址。,其他指令的执行过程与上述过程是类似的。计算机正是通过逐条地执行指令来完成整个程序的运行。,第5节 计算机系统的性能指标P19,1. 基本字长 指参与一次运算的操作数的位数。 它影响计算精度、指令功能。,2. 运算速度 （1） CPU时钟频率（MHz） （2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）定点/浮点四则运算时间,3. 存储容量 （1）主存容量 指存储单元个数位数。,决定地址位数,表明编址单位,表示为：字节数（按字节编址）或 字数字长
18、（按字编址）,（2）外存容量 常表示为字节数。 外存容量与地址码位数无关。,4. 配置的I/O设备及性能,5. 处理功能 （1）指令系统功能（寻址方式、指令类型） （2）系统软件配置,1.6 计算机的发展与应用史,一、计算机的产生和发展,1946年 美国 ENIAC,1955年退役,用手工搬动开关和拔插电缆来编程,世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946),2.1,硬件技术对计算机更新换代的影响,2.1,二、微型计算机的出现和发展,微处理器芯片,存储器芯片,1971年,1970年,2.1,Moore 定律,Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出,2.1,Intel 公
19、司的典型微处理器产品,8080 8位 1974年 8086 16位 1979年 2.9 万 80286 16位 1982年 13.4 万 80386 32位 1985年 27.5 万 80486 32位 1989年 120.0 万 Pentium 64位（准） 1993年 310.0 万 Pentium pro 64位（准） 1995年 550.0 万 Pentium 64位（准） 1997年 550.0 万以上 Pentium 64位（准） 1999年 800.0 万以上 Pentium 64位 2000年 4 200.0 万,2.1,预计 2007 年 芯片上可集成 3 亿 5 千万,20
20、10 年 芯片上可集成 8 亿 晶体管,晶体管,三、软件技术的兴起和发展,机器语言 面向机器,汇编语言 面向机器,高级语言 面向问题,FORTRAN 科学计算和工程计算,PASCAL 结构化程序设计,C 面向对象,Java 适应网络环境,1. 各种语言,2.1,2. 系统软件,语言处理程序 汇编程序 编译程序 解释程序,操作系统 DOS UNIX Windows,服务性程序 装配 调试 诊断 排错,数据库管理系统 数据库和数据库管理软件,网络软件,2.1,四、 计算机的应用,一、科学计算和数据处理,二、工业控制和实时控制,三、网络技术,1. 电子商务,2. 网络教育,3. 敏捷制造,四、虚拟现
21、实,五、办公自动化和管理信息系统,六、CAD/CAM/CIMS,七、多媒体技术,八、人工智能,2.2,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。
22、 （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。,五、 计算机的展望,（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：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。,未来新型计算机,1光计算机 利用光作为信息的传输媒体,2生物计算机（分子计算机） 生物计算机在20世纪80年代中期开始研制，其最大的特点是采用了生物芯片,3量子计算机 是指利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机，这种多现实态是量子力学的标志。,1.6.2 提高计算机性能的若干技术P23,提高CPU性能 （1）流水线处理技术 （2）RISC技术 （3）超标量技术 （4）数据吞吐率平衡技术 （5）VLIW技术 2. 并行处理与超级计算机,作业：P27,1-1 1-2 1-6 其余选作,
