1、1,北京邮电大学 计算机科学与技术学院 通信软件工程中心,2,第一章 计算机系统概述,1.1 计算与计算工具 1.2 计算机发展简史 1.3 计算机的应用 1.4 计算机的基本原理和组成 1.5 计算机系统,3,1.1 计算与计算工具,提纲 计算的定义 计算工具的发展历史,4,1.1 计算与计算工具,一、计算的定义 以数字为基础、遵循一定的计算规则进行; 如：数的加减乘除，函数的微分、积分、方程的求解、定理的证明推导; 广义：计算就是把一个符号串f变换成另一个符号串g； 更广义：计算就是对信息的变换 ； 由于计算规则的机械化、公式化，可以借助计算工具来实现计算。,5,1.1 计算与计算工具,二
2、、计算工具的发展历程算筹 (中国，春秋战国时代 ，最早 )算盘 (中国，六、七百年前，流传广泛，轻巧灵便） 计算尺（英国，1614年）根据对数原理，简单的推拉实现复杂乘除,6,1.1 计算与计算工具,机械式计算器（复杂计算使传统计算工具无法胜任）- 1642年，法国数学家布莱斯-帕斯卡设计出史上第一台机械计算器,可进行加减法计算(当时他19岁);向人们证明:用一种纯粹机械的装置去代替人们的思考和记忆，是完全可以做到的。- 德国数学家、物理学家和哲学家莱布尼茨对上述机器加以改进， 1673年研制成能进行加减乘除及开平方功能的通用计算器；莱布尼兹是第一个认识到二进制记数法重要性的人，1716年发表
3、了论中国的哲学一文，专门讨论八卦与二进制，指出二进制与八卦有共同之处，并系统地提出了二进制数的运算法则。,7,1.1 计算与计算工具,二、计算工具的发展历程巴贝奇分析机(齿轮式)-英国数学家查尔斯-巴贝奇(1791-1871)-历经10年于1822年设计出差分机，能进行加减计算并完成数表编制，能按照设计者的控制自动完成一连串的运算，体现了计算机最早的程序设计思想 ；-1834年提出分析机构想:一台通用的数学计算机，不仅可以进行数字运算，而且还能进行逻辑运算（进行逻辑判断的非数值运算 ）。,1822 差分机,1834 分析机,8,逻辑：逻辑是对逻辑真理进行系统性研究的学科，任务：判别一个语句是否
4、逻辑真理 ，判别正确的推理和错误的推理 例： (1) 凡运动员都热爱运动。 (2) 孔子是运动员。 所以，孔子热爱运动。 如果“凡运动员皆热爱运动”并且“孔子是运动员”皆为真，则 “孔子热爱运动”亦必然为真。,1.1 计算与计算工具,9,巴贝奇分析机,巴贝奇的分析机由四部分构成：第一部分：保存数据的齿轮式“存贮仓库”(Store)；第二部分：对数据进行各种运算的装置(“作坊”)；第三部分：对操作顺序进行控制、并对所要处理的数据及输出结果加以选择的装置；第四部分：送入和取出数据、以及在“存贮仓库”和“作坊”之间运输数据的输入输出部件。,分析机工作过程：通过输入部件将要处理的数据输入并存储到“存储
5、仓库“中，在控制装置控制下，从存储仓库依次取出数据运输到运算装置进行运算，最终运算结果由输出部件进行输出。,10,巴贝奇分析机,阿达奥古斯塔: 诗人拜伦的女儿，巴贝奇的战友，为分析机编制一批函数计算程序, 公认为世界上第一个软件工程师（为美国国防部 开发的Ada语言）巴贝奇和阿达为分析机付出了毕生的努力和财富，但由于当时机械制作工艺的局限性，这个分析机未能最终完成；但这种天才的思想，划时代地提出了类似于现代电脑五大部件的逻辑结构，也为后世的通用处理器的诞生奠定了坚实的基础！ -巴贝奇被认为是现代计算机的创始人,11,1.1 计算与计算工具,机电式计算机 美国哈佛大学应用数学教授霍德华.艾肯受巴
6、贝奇思想启发， 在IBM公司资助下，于1944年研制成功机电式计算机马克一号，采用继电器代替齿轮等机械零件，实现了巴贝奇的夙愿，是世界上第一台大型自动数字计算机（已经是一种电动的机器）电子计算机第二次世界大战结束后，真空管得到普遍使用， 电子器件的采用使计算机进入了电子时代,注意：此处是计算机而不是计算器！,思考题：计算机和计算器的区别在哪里？,12,1.1 计算与计算工具,计算工具的发展历程总结：算筹、算盘、计算尺机械式计算器(帕斯卡、莱布尼茨)机械式计算机（ 巴贝奇）机电式计算机（艾肯）电子计算机(美国埃克特和莫契利)?,13,1.2 电子计算机发展简史 过去、现在和将来,14,1.2 电
7、子计算机发展简史,提纲 ENIAC（世界上第一台电子计算机） 电子计算机发展历程与分类 计算机科学史上几个重要人物 布尔与布尔逻辑 仙农与开关电路 图灵与图灵机 冯.诺依曼与存储程序的计算机体系结构,15,1.2电子计算机发展简史,一、ENIAC 1946年2月14日，在美国宾夕法尼亚大学诞生世界上第一台电子管(真空管)的数字积分计算机（ENIAC）；,重量：30吨面积：170平米电子管：18000电阻：70000电容：1000耗电：140千瓦,每秒可做5000次加法，或者500次乘法，或者50次除法,16,ENIAC：The Electronic Numerical Integrator A
8、nd Computer 电子管的数字积分计算机,ENIAC的编程：通过将电线插入配线板上来进行,1.2电子计算机发展简史,17,1.2电子计算机发展简史,存储容量小； 在外部通过开关和插线安排计算程序，程序无法重用； 故障率高；（每15分钟烧掉一个真空管，15分钟才能找到。耗电惊人！）运行了9年。,ENIAC的缺点：,宾州大学莫奇来（Mauchly）博士和他的 学生爱克特（Eckert）,18,第一代 （19461958） 电子管 5千4万（次/秒）,第二代 （19581964） 晶体管 几十万百万（次/秒）,第三代 （19641974） 集成电路 百万几百万（次/秒）,第四代 （1974）
9、大规模集成电路 几百万几亿（次/秒）,电子管的缺点： 体积大； 耗能高、散热量大。,晶体管的优点： 体积小； 耗能低； 性能稳定。,二、计算机发展历程(根据电子计算机的电子器件划分),1.2电子计算机发展简史,19,1.2电子计算机发展简史,第一代 (19461958) ：电子管，主要用于科学计算，用机器语言编程，体积大、速度慢、能耗高、使用不便且经常发生故障 ，只供少数计算机专家使用； 第二代 (19581964) ：晶体管，使用汇编语言及高级语言，出现了系统软件，操作和使用开始普遍化； 第三代 (19641974) ：集成电路，不同种类的软件出现（操作系统、编译程序、网络软件等）； 第四代
10、 (1974至今) ：大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路(VLSI)，微机，并行处理、多机系统、分布式计算机，软件（数据库、分布式操作系统、软件工程标准）； 未来计算机：智能计算机（具有人的思维、推理和判断能力 ）、神经网络计算机（模拟人脑神经网络工作原理，能自学习和联想记忆）、生物计算机（替代现在的半导体技术）,20,晶 体 管 数,摩尔定律：半导体上的晶体管数目，大约每隔18个月就会增加一倍，或者体积缩小50,计算机第一定律摩尔定律,Gordon Moore :Intel公司的创始人之一,1971年，英特尔第一款微处理器,21,计算机的六大分类,巨型机 小巨型机 大型机 小型机 工
11、作站 微机,22,计算机的六大分类,巨型机（Super Computer） 是一种超大型电子计算机。具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务。如大范围天气预报，整理卫星照片，原子核物的探索，研究洲际导弹、宇宙飞船等;制定国民经济的发展计划，项目繁多，时间性强，要综合考虑各种各样的因素，依靠巨型计算机能较顺利地完成。 计算机的运算速度平均每秒1000万次以上；其次，存贮容量在1000万位以上。（相对于时代） Cray-1,Cray-2,Cray
12、-3, 国产银河I, 银河II, 银河III,23,计算机的六大分类,小巨型机（Mini Super Computer）功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速,美国Convex公司的C系列机为其代表产品。体系结构简洁；工程结构紧凑；机器处理能力约为巨型机的1/101/4；价格约为巨型机的1/10；使用维护方便；工作稳定可靠。 大型机（Mainframe）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IBM360，370，4300等。,zSeries 900大型机,24,计算机的六大分类,小型机（Minicomputer） 指运行原理类似于PC（个人电脑）和服务器，但
13、性能及用途又与它们截然不同的一种高性能计算机，它是70年代由DCE（数字设备公司）公司首先开发的一种高性能计算产品。 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IBM-AS/400，DEC-VAX系列，国产太极。,25,计算机的六大分类,工作站（workstation） 工作站是一种高档的微型计算机，通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内存储器和外部存储器，并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能以及联网功能。 用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。,戴尔 Precision 490 图形工作站,26,计算
14、机的六大分类,微型机（microcomputer） 简称“微型机”、“微机”，也称“微电脑”。由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。由微处理机(核心)、存储片、输入和输出片、系统总线等组成。特点是体积小、灵活性大、价格便宜、使用方便。 个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉。,27,计算机发展趋势,微型化,巨型化,网络化,智能化,ENIAC,28,Altair 8800,计算机发展微型化,计算机不再是单一的计算机器，而是一种 信息机器，一种个人的信息机器。 PDA:Personal Digital Assistant，掌上电脑,29,计算机发展巨型化,世界上第一台超级计算机：19
15、75年 “Cray-I”，每秒2.4亿次 世界上最快的超级计算机(截止2009年6月)： IBM的“Roadrunner”，突破每秒1000万亿次浮点运算 中国最快的超级计算机(截止2008年9月) ：曙光5000A，每秒百万亿次，标志着中国成为继美国后世界上第二个自主设计并制造百万亿次高性能计算机的国家 超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。,IBM的“Roadrunner”,30,计算机发展网络化,计算机网络： 计算机技术与通信技术结合 的产物。 计算机网络的发展动力： 使用远程资源，共享程序、 数据、信息资源和服务， 网络用户的通
16、讯和合作。,31,计算机发展智能化,“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的 没有灵魂的机械来”。笛卡尔（1637）,人类第一个“工业机器人”： 一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年） 第一代机器人 机械手（1962年出现） 第二代机器人 具有“感觉”的机器人 第三代机器人 装有启发式计算机的“智能机器人”,32,1.2 计算机发展简史,三、重要人物 布尔与布尔逻辑 仙农与开关电路理论 艾伦.图灵与图灵机 冯.诺伊曼与存储程序的计算机体系结构,33,1.2 计算机发展简史布尔与布尔逻辑,英国数学家布尔 G.Boole,建立了一门新的数学学科-布尔代数,1847年布尔出版了第一部著作逻辑的数学
17、分析,1854年出版思维规律的研究逻辑与概率的数学理论基础,1、布尔与布尔逻辑,34,1.2 计算机发展简史布尔与布尔逻辑,在布尔代数里，布尔构思出一个关于0和1的代数系统，用基础的逻辑符号系统描述物体和概念。 0和1是自变量的定义域，也是函数的值域。,35, 二值代数，只有0和1两个值,三种基本运算：,组合运算：,逻辑与（）、或（）、非（或）,与非、或非、与或非、异或（）和异或非,布尔代数,这种代数不仅广泛用于概率和统计等领域，更重要的是，它为今后数字计算机开关电路设计提供了最重要的数学方法和理论基础。,36,2.仙农和开关电路理论,1938年发表了继电器和开关电路的符号分析,首次以布尔代数
18、为工具进行开关电路分析、设计。,证明可以通过继电器电路来实现布尔代数的逻辑运算。,明确地给出了实现加、减、 乘、除等运算的电子电路的设计方法。,为数字计算机奠定了基础,美国数学家 克劳德 仙农 claude shannon 1916 - 2001,后来，进一步证明了可以采用能实现布尔代数运算的继电器或电子元件来制造计算机 ，使计算机具有算术运算和逻辑运算功能。,37,1.2 计算机发展简史仙农和开关电路理论,1948年，仙农又发表了另一篇至今还在闪烁光芒的论文通信的数学基础， 从而给自己赢来“信息论之父”的桂冠。 通信的数学基础一书，明确了信息量的定量表示方法，即信息以二进制符号（0或1）表示
19、，比特（bit）是信息的最小单位。所有的通讯信息，都可以编码成数字和传输出去，接收后再进行解码。,将在后面介绍,38,英国数学家， 1912年生于英国伦敦， 1931年考入剑桥皇家学院，22岁当选皇家学院的研究员，妇孺皆知的怪才； 思考数学函数的“可计算性”问题(即什么样的问题是可计算的) ：数学上的一些函数，是不是只要给人以足够时间来进行演算，通过有限次机械步骤就能求得解答？ 1936年，图灵发表论文论可计算数在判定问题中的应用，给“可计算性” 下了一个严格的数学定义，并提出著名的“图灵机”(Turing Machine)的设想。,1.2 计算机发展简史艾伦.图灵和图灵机,3.艾伦.图灵和图
20、灵机,39,1.2 计算机发展简史艾伦.图灵和图灵机,图灵机的组成： 一个无限长的纸带 一个读写头（中间那个大盒子） 内部状态（盒子上的方块，比如A,B,E,H）， 一个程序，用于对这个盒子进行控制。 工作原理：根据程序的命令以及它的内部状态进行磁带的读写、移动 （详见课本154页），直至得到最后的 结果。,图灵机,图灵机不是一种具体的机器，而是一种思想模型,40,1.2 计算机发展简史艾伦.图灵和图灵机,图灵机理论上证明了研制通用数字计算机的可行性 ，是图灵一生最重要的科学贡献，图灵被誉为“计算机科学之父”,计算机界的诺贝尔奖 图灵（Turing）奖,1966年由美国计算机协会（ACM，As
21、sociation for Computing Machinery）设立, 偏重授予在计算机科学理论和软件方面有突出贡献的科学家,41,1.2 计算机发展简史,匈牙利数学家； 具备坚实的数理基础和广博的知识，不仅是个数学天才，在物理和经济上也有建树，誉为：全才科学大师； 得知ENIAC的研制消息加入计算机研制者的行列； ENIAC问世后，敏锐地捕捉到ENIAC的最大弱点：没有真正的存储器，程序是外插型的 ，导致计算的高速与编写程序的手工化存在着很大的矛盾 ； 针对ENIAC存在的问题，提出了存储程序的思想 ：要求程序和数据一样，也必须存储在计算机的主存储器中，这样计算机就能够自动重复地执行程序
22、，而不必每个问题都重新编程，从而大大加快运算进程。,4.冯.诺伊曼和存储程序的计算机体系结构,42,1.2 计算机发展简史-冯.诺依曼机体系结构,冯.诺依曼机体系结构的特点： 指令和数据采用二进制表示，从而简化机器的逻辑线路；指令和数据的表示 指令和数据一样存储在主存储器中；指令和数据的存储 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。第一台基于冯.诺伊曼思想的计算机于1950年在美国宾西法尼亚大学诞生，名为EDVAC。,由于冯.诺伊曼在计算机逻辑结构设计上的伟大贡献，他被誉为“计算机之父” ！,43,44,1.3 计算机应用,计算机有哪些应用？,45,1.3 计算机应用,
23、网上定票、图书馆借书、银行取款、打电话、视屏会议、使用家用电器、卫星定位、车上的控制系统计算机对人类科学技术的发展产生了深远的影响，极大的增强了人类认识世界、改造世界的能力，在国民经济和社会生活的各个领域有着广泛的应用。 按照应用领域划分，计算机有以下几个方面用途：科学计算、数据处理、自动控制、人工智能、互联网上的应用、计算机辅助工程和辅助教育等。,计算机的应用无处不在,46,1.3 计算机应用-科学计算,所谓科学计算是指使用计算机来完成科学研究和工程技术中所遇到的数学问题的计算，又称为数值计算。 在科学研究和工程技术中通常要将实际问题归结为某一数学模型，这些数学模型内容复杂、计算量大、要求的
24、精度高，只有以计算机为工具来计算才能快速地取得满意的结果。诸如天气预报、宇宙飞船和火箭的发射与控制、人造卫星的研制、原子能的利用、生命科学、材料科学、海洋工程等现代科学技术研究成果无一不是在计算机地帮助下才取得的。,47,1.3 计算机应用-数据处理,所谓数据处理是指对数据进行变换、加工、分析和综合处理。 大量的计算机应用于金融、保险、电信、交通等领域；此外，数字图书馆、科技情报检索以及飞机和火车的自动定票系统等也都属于数据处理范畴。,48,1.3 计算机应用-数据管理,在当今信息化的社会中，每时每刻都在生成大量的信息，只有利用计算机才能管理和充分利用浩如烟海的信息。 例如,利用数据库技术开发
25、的管理信息系统和决策支持系统等,可大大提高企业或政府部门的现代化管理水平。 数据挖掘技术：是指从大量、随机的数据中，通过设置一定的学习算法，提取隐含在其中的，人们事先不知道但又是潜在有用的信息。,49,1.3 计算机应用-自动控制,所谓自动控制是指及时地采集检测数据、使用计算机快速地进行处理并自动地控制被控对象的动作，实现生产过程的自动化。此外，在计算机应用于实时控制中还具有故障检测、报警和诊断等功能。 在钢铁、石油、化工、制造业等工业企业都需要进行实时自动控制，以提高生产效率和产品质量。 通信系统中的程控交换机：随时响应用户的呼叫请求并进行处理，完成自动接续等一系列控制功能 。,50,1.3
26、 计算机应用-人工智能,人工智能、简称AI、它是让计算机模拟人的某些智能行为 。 研究方向： 机器人。 专家系统。需要时只须由用户输人要查询的问题和有关数据，专家系统通过推理判断向用户作出解答。 模式识别，它的实质是抽取被识别对象的特征，即所谓模式，与事先存在于计算机中的已知对象的特征进行比较与判别。如文字识别、声音识别、邮件自动分检、指纹识别、机器人景物分析等。 智能检索 。事实+规则，智能检索具有一定的推理能力。,51,互联网上的应用 电子邮件、网上购物、资料检索等,Internet,办公自动化（OA）、人工智能、 计算机辅助设计（ CAD）、计算机辅助教学（CAI）,1.3 计算机应用,
27、52,1.3 计算机应用,思考题：未来计算机还将有哪些重要应用？,53,1.4 计算机的基本原理和组成,提纲 信息处理的步骤 计算机基本组成与工作原理 走进微机机箱,54,1.4 计算机的基本原理和组成,一、信息处理的步骤,接收信息（眼、耳、鼻、舌、身 ） 存储信息（大脑、便条、书籍、录音磁带 ） 处理信息（分类、分析、推理、计算 ） 输出信息（当面陈述、书面报告、打电话 ）信息处理的控制（操作何时开始、何时结束、操作顺序）,计算机的本质是模拟人类的信息处理过程；,人类的信息处理过程 ：,55,1.4 计算机的基本原理和组成,二、计算机基本组成,数据总线,控制路线,地址总线,先不用关注连线的含
28、义,接收信息,输出信息,存储信息,处理信息,处理过程的控制,56,举例：键盘、扫描仪、鼠标、触摸屏、麦克、磁带机、磁盘机、光盘机,功能：接收输入操作者给计算机提供的原始信息（如文字、图形、图像、声音等），将其转换成计算机能够识别和接收的信息方式（二进制），然后顺序地把它们送入存储器中 。,1.4 计算机的基本原理和组成,57,举例：显示器、打印机、绘图仪、磁带机、磁盘机、光盘机,功能：接收来自于存储器的计算机处理的数据、计算结果等，将其从二进制形式转换成人们习惯接受的信息形式（如文字、曲线、图像、表格、声音等）、或能为其他机器所接受的形式，然后输出。,1.4 计算机的基本原理和组成,58,1.
29、4 计算机的基本原理和组成,存储器：存放数据和程序。,数据：数字、文字、图像、声音、动画等。,如何将数据转换成二进制形式将在后续章节中介绍,数据和程序的存储形式：0或1，二进制。,其实是通过存储介质的两种不同的稳定状态来分别代表0或1。,59,存储系统的层次结构,1.4 计算机的基本原理和组成,主存/内存:(半导体) 优:存取速度快 缺:容量受限,单位成本高,断电丢失信息辅存/外存:(光盘,磁盘) 优:容量大,单位成本低,信息长久保存 缺:存取速度慢,正在运行的程序和需要的数据存放在主存,暂时不用的程序和数据存放在辅存,辅存只与主存进行数据交换,让存储系统有主存的速度，辅存的容量,60,1.4
30、 计算机的基本原理和组成,61,1.4 计算机的基本原理和组成,寄存器：用于临时存放数据的少量高速专用存储器，存取速度比主存快。主要存在于CPU、输入输出设备中。 存储地址寄存器（MAR）存放待访问的存储单元的地址。 存储数据寄存器（MDR）缓存主存储器与CPU交换的读写数据。,MAR,MDR,存储单元,CPU,数据总线,控制总线,地址总线,读/写,62,1.4 计算机的基本原理和组成,存储器的组成单元，存放8位二进制信息,用于标识和识别每一个存储单元，也是二进制形式,存储器的最小单位，存放一位二进制数,衡量存储器空间大小的指标，以字节(Byte)为基本单位，一个字节由八个位（Bit）组成，即
31、:1Byte8Bit,63,1024（210）个字节称作 K 字节,简称KB(Kilo Byte) 1024K（220）个字节称作 M 字节,简称MB(Mega Byte) 1024M（230）个字节称作 G 字节,简称GB(Giga Byte) 1024G（240）个字节称作 T 字节,简称TB(Tera Byte),1.4 计算机的基本原理和组成,其他一些存储容量单位,64,磁带、磁盘工作原理：利用磁头进行”电磁”转换来进行信息的读写。 写数据时，加正向脉冲电流，电流消失后磁介质会处于正剩磁状态；加负向脉冲电流 ，电流消失后磁介质会处于负剩磁状态。这两个稳定的状态可以分别用来表示0和1。读
32、取：磁电 。,光盘工作原理：刻盘时使用激光在光盘表面形成一系列的坑（如坑代表1）。读盘时利用从光滑表面和坑反射回的光线不同来区分0和1。,65,完成各种算术运算和逻辑运算。,运算器的核心部件是算术逻辑单元（ALU）和若干个寄存器。ALU用于执行算数运算和逻辑运算，寄存器用于存放参加运算的各种数据以及运算后的结果。,1.4 计算机的基本原理和组成,66,控制器是计算机中的控制中心，用来安排操作次序、翻译指令代码、向其他部件发出控制信号、指挥计算机部件协同工作。,在介绍控制器结构之前，我们先来了解几个概念：指令、指令系统、程序,1.4 计算机的基本原理和组成,67,计算机任务实现过程总是被分解成若
33、干个简单的、基本的操作逐步实现的（基本操作的重用性）。 指令:是能够被计算机硬件直接识别的、命令计算机进行某种基本操作的二进制代码串。 程序一定是先转化（编译或解释）成指令的序列，然后再被计算机执行。,1.4 计算机的基本原理和组成,68,一般计算机包括如下几类指令： 1）算术运算类。执行加、减、乘、除等算术运算的指令类； 2）逻辑运算类。执行与、或、非、移位、比较等逻辑运算的指令类； 3）传送类。执行取数、存数、传送等操作的指令类； 4）程序控制类。执行无条件转移、条件转移、调用程序、返回等操作的指令类； 5）输入/输出类。执行输入、输出、输入/输出等实现内存和外部设备之间传输信息操作的指令
34、类； 6）其他类指令。执行停机、空操作、等待等操作的指令类。,1.4 计算机的基本原理和组成,69,1.4 计算机的基本原理和组成,操作码：用来表明本条指令要求计算机完成的操作； 操作数地址：CPU根据该地址取得所需的操作数；可能直接给出操作数，可能是内存地址，也可能是寄存器地址（即寄存器名）； 操作结果的存储地址：将对操作数的操作结果保存在该地址中，以便再次使用；可能是内存地址，也可能是寄存器地址； 下一条指令的地址：一般的，如果程序是顺序执行，则下一条指令的地址由程序计数器PC（存放下一条指令地址的寄存器）指出；仅当改变程序的运行顺序（转移、调用子程序）时，下条指令的地址才由转移类指令给出
35、。,指令的组成：,操作码 地址码,地址码,70,计算机能直接识别和执行的全部指令的集合，称为该种计算机的指令系统。 不同类型的计算机具有不同的指令系统，其中指令种类和数目也不同。,1.4 计算机的基本原理和组成,71,1.4 计算机的基本原理和组成,#include /*程序示例：读取两整数，输出乘积*/ main()int number1;int number2;int result;printf(“please input the two numbers:n“); scanf(“%d %d”, ,程序运行,本程序涉及：输入输出指令、传送类指令、算数运算指令，程序将被翻译成这些指令的序列，然
36、后依次执行这些指令,72,程序是按事先设计的功能和性能要求编制的指令序列。 注意：这种提法并不都是指程序必须是二进制代码,而是指程序最终会转换为指令序列！,1.4 计算机的基本原理和组成,73,1.4 计算机的基本原理和组成,OK，现在，我们已经清楚了计算机的五大组成部件 可是，这五大组成是如何协同工作的？ 程序是如何自动执行的？,74,程序的运行就是不断地 取指令、分析指令、执行指令的过程，这3个步骤均由控制器来控制。控制器取指令、分析指令，产生操作控制信号发给输入输出设备、运算部件或者主存，完成指令的执行。,输入类操作信号,输出类操作信号,传送类操作信号,算术运算/逻辑运算操作信号,转移类
37、操作信号,75,程序计数器PC,地址形成逻辑,指令寄存器,控制器结构图,微操作：一条指令的执行实际是通过按一定次序执行一系列基本操作完成的，这些基本操作称为“微操作”。因此指令需要转换成微操作，这个转换是由微操作控制部件完成的。,76,1.4 计算机的基本原理和组成,中断：在指令的执行过程中或执行结束，外部设备或者计算机内部可能会发来急需处理的数据或其他紧急事件处理信号，这就需要CPU暂停正在执行的程序，转去处理相应的紧急事件，待处理完毕后再回到原处继续执行，这一过程称为中断。 中断的实现需要软件和硬件综合完成，硬件部分叫做中断装置，软件部分称为中断处理程序。 中断装置和中断处理程序统称为中断
38、系统。,77,程序计数器PC,地址形成逻辑,指令寄存器,控制器结构图,程序二进制指令装载到内存第一条指令地址进指令寄存器PC取指令分析指令执行指令取下一条指令程序结束,78,控制器首先从程序计数器中取得当前要执行的指令的地址，根据这个地址从主存储器中取出指令复制到指令寄存器中，并将下一条指令的地址置入程序计数器PC(Program counter)中(取指令）；然后由指令译码器对指令寄存器中存放的指令的操作码部分进行译码（分析指令），根据译码结果由微操作控制部件产生各种最基本的不可再分的微操作的控制信号，即微命令，以控制各计算机部件完成该指令的功能（执行指令）。,控制器工作原理,1.4 计算机
39、的基本原理和组成,79,数据总线,控制路线,地址总线,思考：下图中各线的含义？,80,1.4 计算机的基本原理和组成,数据总线,控制路线,地址总线,输入数据,要求输入,输出数据,要求输出,81,1.4 计算机的基本原理和组成,思考：上页的图显示了CPU和其他组成部件之间的关系。如果要表示出运算部件、控制部件和其他部件之间的关系，需要对图做哪些修改？,82,数据总线,控制路线,地址总线,读/写信号,地址,输入数据,要求输入,输出数据,要求输出,指令,操作数/运算结果,83,电源、软驱、光驱、CPU、内存、硬盘、显卡、声卡、网卡、总线,84,85,86,87,计算机有哪几大组成部分？各部分的作用？
40、,指令和程序的关系？指令都包括哪些类？,思考题：认真思考并研究,结合计算机组成结构，试分析图1.18 控制器结构图中，哪些是数据总线/地址总线/控制总线,1.4 计算机的基本原理和组成,寄存器和存储器（内存）有什么区别？,控制器和运算器有什么区别及关系？你能在生活中找出类似的例子吗？,程序是如何执行的？,88,89,1.5 计算机系统,提纲 计算机系统的组成 计算机软件及其分类 操作系统简介 驱动程序简介,90,一、计算机系统的组成,计算机系统由硬件和软件两大部分组成。 硬件是计算机的物质基础；软件可以发挥和扩大计算机硬件功能，两者相辅相成，缺一不可,1.5 计算机系统,用户,91,二、计算机
41、软件及其分类,软件的定义：是程序、数据、相关文档的完整 集合。,1.5 计算机系统,92,计算机软件通常分为系统软件和应用软件两大类,1.5 计算机系统,93,面对普遍的应用要求、为了充分发挥硬件的特性、维护计算机的硬件和软件系统、平滑用户与硬件设备间的沟坎而设计的软件，不针对具体的应用。如：操作系统、数据库管理系统、设备驱动程序、语言集成开发环境（如Dev-C+）等。是在系统软件的基础上开发出来的、用于解决具体问题所编制的各种具体应用程序，如：飞机定票系统，图书管理系统等 。,1.5 计算机系统,系统软件和应用软件的区分有时并不严格，没有必要死抠！,94,1.5 计算机系统-操作系统,应用软
42、件,用户,硬件,操作系统,硬件,其他系统软件,操作系统是最基本、最重要的系统软件，直接运行在裸机（硬件）上，只有在操作系统的支持下，才可以运行其他软件，故操作系统是计算机软件的核心和基础；,三、操作系统(Operating ystem，简称OS),95,1.5 计算机系统-操作系统,引入操作系统的目的： 从系统管理员的观点来看：引入操作系统是为了合理组织计算机的工作流程，管理和分配计算机系统的硬件和软件资源，使之能为多个用户高效率地共享。因此，操作系统是计算机资源的管理者。 从用户观点来看：引入操作系统是为了给用户使用计算机提供一个良好的界面，使用户无需了解许多有关硬件和系统软件的细节，就可以
43、方便地使用计算机。 从发展的观点来看：引入操作系统是为了给计算机系统的功能扩展提供支撑平台，使之在追加新的服务和功能时能更加容易和不影响原有的服务和功能。,96,1.5 计算机系统-操作系统,操作系统的定义：操作系统是这样一些程序模块的集合它们管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，合理组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口作用。,常见的操作系统有：MS-DOS（又称PC-DOS）、UCDOS、Windows、 UNIX、LINUX等；,97,1.5 计算机系统-操作系统,作业：由程序、数据和作业说明书组成
44、，用于完成用户的一个目标。,98,操作系统的发展史： 1. 手工操作阶段早期的计算机没有专门的操作系统，一般由操作人员自己控制计算机上的各种按钮和开关进行操作，且独占计算机资源。手工上机过程：先把程序纸带（或卡片）装上输入机，然后启动输入机把程序和数据送入计算机，接着通过控制台开关启动程序运行。计算完毕，打印机输出计算结果，用户取走结果，卸载纸带（或卡片）。,1.5 计算机系统-操作系统,99,1.5 计算机系统-操作系统,2.批处理系统 第二代，晶体管时代 到第二代计算机诞生以后，计算机的速度和容量都有了很大的提高，使人机之间的速度不匹配的矛盾更为突出，为了解决这一矛盾，把用户提交的作业分类
45、，把一批中的作业编成一个作业执行序列，每一批作业将有一个专门的监督程序自动依次处理。 特征：用户脱机工作，成批处理作业,100,1.5 计算机系统-操作系统,联机批处理过程： 用户提交作业：作业程序和数据，作业说明书； 作业被制作成穿孔纸带或者卡片； 操作员有选择地把若干作业合成一批，通过输入设备（纸带输入机或者读卡机）把它们送入磁带； 监督程序读取一个作业（若系统资源满足该作业要求） 从磁带调入汇编程序或者编译程序，把用户作业源程序翻译成目标代码； 连接装配程序把编译后的目标代码及所需要的子程序装配成一个可执行程序； 启动执行； 执行完毕，由善后处理程序输出计算结果； 再读入一个作业，重复执
46、行59步 一批作业完成，返回到3，处理下一批作业。,101,1.5 计算机系统-操作系统,3. 多道程序系统 第三代，集成电路时代 在单处理机中，多道程序运行特点： 多道：计算机内存中同时存放几个相互独立的程序； 宏观上并行：同时进入内存的几个程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕； 微观上串行：实际上，各个程序轮流使用CPU，交替执行。,102,1.5 计算机系统-操作系统,多道程序系统中要解决的问题： 并行运行的程序要共享计算机系统的软件和硬件资源，既有对资源的竞争，但又须相互同步，因此同步和互斥机制成为操作系统设计的一个重要问题。 随着多个程序的增加，出现了内存
47、不够用的问题，提高内存使用效率也成了关键问题。因此出现了诸如覆盖技术、对换技术和虚拟存储技术等内存管理技术。 由于多个程序存在于内存，为了保证系统程序存储区和各用户程序存储区的安全可靠，提出了内存保护需求。,103,1.5 计算机系统-操作系统,4. 多用户分时操作系统 第四代，大规模和超大规模集成电路时代 一台计算机可同时连接多个用户终端，而每个用户可以在自己的终端上联机使用计算机，就好像自己独占机器一样。 处理机的运行时间被分割成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。如果一个作业在分配给它的时间片中不能完成计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一个作业使用，等待下一轮时再
48、继续运行。 由于计算机速度很快，作业允许轮转得很快，给每个用户的印象使好像他独占了一台计算机。,104,1.5 计算机系统,操作系统的五大功能 作业管理、CPU(进程)管理、内存管理、设备管理、文件管理,进程：是一个具有独立功能的程序对某个数据集在处理机上的执行过程，是资源分配的基本单位。一个程序（作业）的执行总是会产生一个或多个进程。,105,1.5 计算机系统,程序与进程的关系 进程是动态的，强调执行过程，而程序是静态的； 进程具有并发性(宏观上同时运行)，程序没有； 不同的进程可以对应同一程序，只是该程序对应的数据集不同。,作业,程序,进程,106,1.5 计算机系统,进程并发需要考虑的两个问题1.进程互斥 不允许两个以上共享公用资源的并发进程同时访问公用资源（对共有资源的竞争）。2.进程同步 计算进程和打印进程共享一片内存。计算进程将计算结果放入共享内存，打印进程将结果从内存取出并送打印机打印输出。,107,1.5 计算机系统,在多道批处理操作系统中，用户提交要运行的一批作业，这批作业被存放在外部存储器中，由操作系统根据作业的资源要求和一定的调度原则选取几个作业调入内存，让他们交替运行（作业A在进行输入输出时就可以让作业B占用CPU）。若有作业运行结束，可再调入一个或多个作业。在内存中同时存在几个作业，从而提高系统运行效率。 包括作业的调度、控制、处理和报告。,
