1、第 1 章 计算机系统概述,主要内容： （一） 计算机发展历程 （二） 计算机系统层次结构 1. 计算机硬件的基本组成 2. 计算机软件的分类 （三） 计算机性能指标 吞吐量、响应时间；CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；MIPS、MFLOPS。,1.1 计算机的发展历程,1642年，年仅19岁的法国科学家Blaise Pascal(1623-1662)制造出的第一台能工作的计算机器。整台机器是纯机械设备，使用手柄驱动，用齿轮传动，能完成加法和减法。程序设计语言Pascal就是以他的名字命名的。 1945年, 美籍数学家冯.诺依曼博士发表电子计算工具逻辑设计论文，提出二进制表达方式和
2、存储程序控制计算机构想。 1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC。重约30吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每秒5000次加法。,1.1.1 计算机的产生,1.1.2 电子计算机的发展简史,第一代 电子管时代(1946-1958)： 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 第二代 晶体管时代(1958-1965)：变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 第三代 中小规模集成电路时代(1965-1970)：存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒 第四代 大规模集成电路时代(1971至今)：向大型机和微型机两个方向发展 现代计算机发展
3、方向：巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化，多核。,（1）层次结构。计算机系统是一个复杂的软、硬件结合体，它包含硬件系统和软件系统两部分。它通常由6个不同的层次组成，在每一层次上都能够进行程序设计。,硬件部分,硬、软界面,软件部分,站在不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性各不相同。,计算机系统的层次结构,1.2 计算机系统层次结构,电路逻辑门,微程序直接由硬件执行,指令架构,操作系统,汇编程序,编译程序,计算机系统的层次结构,（2）软件和硬件逻辑上的等价性 计算机系统以硬件为基础，通过软件扩充其功能，并以执行程序方式体现其功能。硬件完成最基本的功能，而复杂的功能则通过软件实现。计算机是
4、一个软件和硬件结合的整体系统。 在机器中，许多功能既可由硬件实现，也可由软件实现。 功能分配与设计目标、技术条件有关。 早期主要采用硬件软化方式，即软件完成较复杂的逻辑功能，以降低硬件开销。如依靠软件实现乘、除、浮点运算等更高级一些的功能。 现在存在软件硬化的趋势，即硬件完成较复杂功能，以提高系统处理速度。如浮点运算器等。,1.2.1 计算机硬件组成,基本部件有中央处理器CPU（运算器和控制器）、存储器和输入设备、输出设备。,早期运算器和控制器为两部分，现在集成在一起。,存储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存储和交流中心。存储器可与CPU、输入输出设备交换信息。,输入设备用来输入原始数
5、据和处理这些数据的程序。输入的信息有数字符、字母和控制符等。,输出设备用来输出计算机的处理结果。可以是数字、字母、表格、图形等。,计算机硬件的组成框图,CPU（包括运算器和控制器） 存储器 ROM RAM 输入/输出设备(I/O设备) 总线 DBDATA BUS ABADDRESS BUS CBCONTROL BUS,运算器 和控制 器CPU,存储器,输入/输 出设备,地址总线,数据总线,控制总线,典型冯.诺依曼（Von Neumann）机结构,8,算术运算 逻辑运算,存放数据 和程序,将信息转换成机 器能识别的形式,将结果转换成 人们熟悉的形式,指挥程序 运行,冯.诺依曼机的基本特点,计算机
6、由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改。 数据以二进制码表示 指令由操作码和地址码组成。 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增。 机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。,提高计算机性能,提高计算机性能的方向是采用并行处理技术。近年来人们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。表现在3个方面。,对传统诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水线处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速
7、度。 用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。 从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如采用数据流驱动方式，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行执行。,1.2.2 计算机软件组成,没有配备任何软件的“裸机”无法投入使用。 没有配备足够的软件，其功能就不能很好的发挥。,软件组成,系统软件,应用软件,操作系统或管理软件 汇编程序 高级语言的编译或解释程序 故障诊断或检验程序 系统调试程序 数据库管理程序,使用者根据需要采用各类语言 编写的各种应用程序，包括各 类应用软件包,计算机的语言简介,自然语言：人类相互交流信息所用的语言。,高级语言：一种和自然语言接近并能为计算机接受的语言，这种语
8、言被称为计算机的高级语言。,汇编语言：符号式程序设计语言，属于低级语言。,机器语言：机器能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由二进制代码表示的指令组成）。,1.3 计算机的分类,巨型机世界几家公司生产，如Cray系列，9千个CPU组成，计算速度每秒2040亿次，IBM，日本富士通,国产银河III每秒100亿次，我国曙光5000系统速度达230万亿次浮点运算/秒。 大型机大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调度主机资源，代表产品有IBM370系列，DEC-VAX8000系列等。 小型机它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用。典型产品有DEC-PDP系列，DEC-VAX系列，IBM
9、的AS/400系列，我国的DJS-130计算机等。 工作站用于特殊的专业领域，例如图像处理和辅助设计等。典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。 微型机个人或家庭使用，包括单片机，单板机，个人计算机，价格低廉。,1.4 计算机性能指标,主频：每台计算机的内部都有一个不断地产生固定频率时钟脉冲的装置，称为主时钟。主时钟的频率通常是机器的主频率，主频率是衡量一台计算机速度的重要参数。 时钟周期：CPU时钟周期是一个时间的量，主频的倒数就是CPU时钟周期，这是CPU中最小的时间元素。每个操作至少需要一个时钟周期。,计算机性能指标,机器处理字长：指参与运算的数的基本位数。 字长标志着精度，字长越
10、长，计算的精度就越高。 影响计算机的处理能力和运行性能。 通常选字节的整数倍：如32、64位等。 主存容量：计算机主存储器所能够存储的信息的全部总量，称为主存容量。以字节数来表示存储容量的计算机称为字节编码计算机；而以字为单位编址的计算机，存储容量等于字数乘以字长。,计算机性能指标,吞吐量、响应时间 （1) 吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息的速率，它主要取决于主存的存取周期。 （2) 响应时间：指用户输入一个作业（或事务）至输出开始之间的间隔时间。周转时间指用户开始输入一个作业（或事务）至输出结束之间的间隔时间。,CPI(Cycle Per Instruction，指令时钟周期数)：每条指
11、令执行需要的时钟周期数。由于不同指令的功能不同，造成指令执行时间不同，即指令执行所用的时钟数不同，所以CPI应该是一个平均值。 CPU执行时间：指CPU执行一般程序所花费的时间。 TCPU=InCPITc In执行程序中指令的总数，CPI指令时钟周期数，Tc时钟周期时间的长度。,计算机性能指标,计算机性能指标,运算速度：运算速度通常反映计算机运算的快慢。对运算速度的衡量有以下几种方法： 根据不同类型指令在计算过程中出现的频率乘上不同的系数，求得统计平均值，这时所指的运算速度是平均运算速度。 直接给出每条指令的实际执行时间。 以MIPS和MFLOPS作为计量单位来衡量运算速度。MIPS表示每秒百
12、万条指令，MFLOPS表示每秒百万次浮点运算。,小结,学习方法 计算机组成原理 单台计算机完整的硬件系统的基本原理与内部运行机制 计算机的层次结构 理解计算机系统和结构的钥匙 计算机的发展历史 计算机的性能指标,20,1.1 什么是计算机系统?说明计算机系统的层次结构。答：计算机系统包括硬件和软件。计算机系统通常有六个层次，由下至上可排序为：第一级数字逻辑层，硬件逻辑部件实现各逻辑功能；第二级微体系结构层，微指令由硬件直接执行；第三级指令系统层，用微程序解释机器指令；第四级操作系统软件层，一般用机器语言程序解释作业控制语句；第五级汇编语言机器级，这一级由汇编程序支持和执行；第六级高级语言机器级
13、，采用高级语言，由各种高级语言编译程序支持和执行。,综合应用题,21,1.2 画出计算机硬件基本组成框图，通过解题过程说明每一功能部件的作用及它们之间的信息流向。答：计算机硬件系统由五大部件组成。控制器指挥各部件协调工作；运算器能完成算术运算和逻辑运算；存储器用来存放程序和数据；输入设备可将人们熟悉的信息转换成机器能识别的信息；输出设备可将机器运行结果转换成人们能接受的信息。,22,计算机硬件系统组成,23,1.3 什么是硬件?什么是软件?两者谁更重要? 为什么？答：硬件是计算机系统的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件及各类光、电、机设备的实物组成，包括主机和外部设备等。软件是指用来充
14、分发挥硬件功能，提高机器工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算机系统工作的程序集合，是无形的。 硬件和软件是不可分割的统一体，前者是后者的物质基础，后者是前者的“灵魂“，它们相辅相成，互相促进。,24,1.4 机器语言、汇编语言、高级语言有何区别？答：机器语言由代码0、1组成，是机器能直接识别的一种语言。汇编语言是面向机器的语言，它用一些特殊的符号表示指令。高级语言是面向用户的语言，它是一种接近于人们使用习惯的语言，直观，通用，与具体机器无关。,25,1.5 什么是机器字长、指令字长、存储字长?答： 机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。 指令字长是指机器指令中二进制代码的总位数。 存储字长是指存储单元中存放二进制代码的总位数。 三者可以相等也可以不等，视不同机器而定。,
