第1章计算机系统概论 内容提要 计算机系统是一个由软件和硬件组成的、用以实现数据处理的、非常复杂的自动化设备 本章讲述:计算机的分类和应用,计算机硬件、软件的概念和组成,计算机系统主要性能指 标及按功能划分的多级层次结构 1.1计算机的发展、分类和应用 1.1.1计算机的发展 1.电子计算机,人类计算工具的伟大发明 2.电子数字计算机的飞速发展 50多年来计算机发展经历的五个阶段。 小结:前四代分代的主要标志是按所使用的主要逻辑元件分。 1.12计算机的分类 1.电子模拟计算机( Analogical Computer) 2.电子数字计算机( Digital Computer) 用断续(离散)的物理状态(如电压高低等)代表运算的数字、符号的计算装置 特点:不连续量,不连续地跳动计算 1.1.3计算机的应用 凡能归结为算术运算的计算或能严格规格化的数都可由计算机来求解。 1.2计算机的硬件 1.2.1冯·诺依曼计算机的设计思想 1.采用二进制数表示指令、数据及其它非数据信息 2.存储程序控制 存储程序——将解题程序(连同必须的原始数据)预先存入存储器 程序控制——控制器依据存储的程序,控制全机自动、协调的完成解题任务。 3.计算机系统的组成 (1)硬件:计算机系统使用的电子线路和物理装置。 (2)软件:计算机系统中使用的各种程序及全部文档的总称。 1.22硬件各部件的组成及主要功能 存储器( Memory):存储程序和数据信息的部件。 (1)功能:存储信息 (2)组成: ①存储体MB——存储元件的有序集合,存储二进制代码 ②地址寄存器AR——寄存访问内存储器的地址码 ③数据寄存器DR——暂存要写入MB或从MB读出的代码; ④读写控制电路——一控制存储器进行读或写的操作
第 1 章 计算机系统概论 内容提要： 计算机系统是一个由软件和硬件组成的、用以实现数据处理的、非常复杂的自动化设备。 本章讲述：计算机的分类和应用，计算机硬件、软件的概念和组成，计算机系统主要性能指 标及按功能划分的多级层次结构。 1.1 计算机的发展、分类和应用 1.1.1 计算机的发展 1．电子计算机，人类计算工具的伟大发明 2. 电子数字计算机的飞速发展 50 多年来计算机发展经历的五个阶段。 小结：前四代分代的主要标志是按所使用的主要逻辑元件分。 1.1.2 计算机的分类 1.电子模拟计算机(Analogical Computer) 2.电子数字计算机(Digital Computer) 用断续(离散)的物理状态(如电压高低等)代表运算的数字、符号的计算装置。 特点:不连续量，不连续地跳动计算。 1．1．3 计算机的应用 凡能归结为算术运算的计算或能严格规格化的数都可由计算机来求解。 1．2 计算机的硬件 1．2．1 冯·诺依曼计算机的设计思想 1． 采用二进制数表示指令、数据及其它非数据信息 2. 存储程序控制 存储程序——将解题程序(连同必须的原始数据)预先存入存储器； 程序控制——控制器依据存储的程序，控制全机自动、协调的完成解题任务。 3. 计算机系统的组成 (1) 硬件：计算机系统使用的电子线路和物理装置。 (2) 软件：计算机系统中使用的各种程序及全部文档的总称。 1.2.2 硬件各部件的组成及主要功能 1.存储器(Memory)：存储程序和数据信息的部件。 （1）功能：存储信息。 （2）组成： ① 存储体 MB——存储元件的有序集合，存储二进制代码； ② 地址寄存器 AR——寄存访问内存储器的地址码； ③ 数据寄存器 DR——暂存要写入 MB 或从 MB 读出的代码； ④ 读写控制电路——控制存储器进行读或写的操作。 1
(3)几个术语 ①单元地址:存储单元的地址编号 ②存储单元:存放一个字(或字节)的编址单元 ③存储容量:存储单元的总数。 例如64KB即64×1024×8位 常用容量单位:1KB=20B=1024B IMB=2KB 1GB=20MB 1TB=21°GB 2.运算器(ALU):实现算术运算和逻辑运算功能的部件。 (1)功能:运算——一完成数字信息的加工、寄存、移位等。 (2)组成: ①加法器(或还有乘、除法器) ②寄存器组;输入输出门 3.控制器( Control unit):向计算机各部件发出控制信息的部件 (1)功能:控制指令的读出、解释和执行、中断事件的处理等 (2)组成 ①指令部件: 程序计数器PC—提供要执行的指令地址 指令寄存器IR——寄存现行指令 指令译码器ID—一解释现行指令,产生相应的控制电位 ②时序部件:产生计算机运行所需的时序信号 ③微操作信号发生器:产生执行指令的微操作控制信号 (3)有关术语和概念 ①中央处理器(CPU)——包括运算器(ALU)和控制器(CU) ②主机一一指CPU和内存储器 ③计算机中的信息流 指令流——在取指令周期,从内存→控制器(R)的信息流 数据流——在执行周期,内存∈→运算器的信息流 4.输入/输出(O)设备 5适配器(WO接口):WO设备与主机之间互相连接(缓冲)的部件 此外,硬设备还有控制台( Console)、电源( Power Supply)等。 1.3计算机系统的软件(图1.5) 主中央处理「运算器 控制器 1.3.1软件的组成与分类 内存储器 外存储器 1.系统程序:使用和管理计算机系统的程 外部设备{输入设备 序 计算机系统 输入设备 2.应用程序:用户开发并使用的各种程 操作系统 系统软件语言处理程序 序 服务性程序 1.3.2软件的发展 应用软件∫通用软件 用户程序 计算机语言发展的方向: 标准化、积木化、产品化,最终是向自然语言发展,并能自动生成程序
（3）几个术语： ① 单元地址：存储单元的地址编号； ② 存储单元：存放一个字(或字节)的编址单元； ③ 存储容量：存储单元的总数。 例如 64KB 即 64×1024×8 位； 常用容量单位：1KB = 210 B = 1024B 1MB = 210KB 1GB = 210MB 1TB = 210GB 2.运算器(ALU)：实现算术运算和逻辑运算功能的部件。 （1）功能: 运算——完成数字信息的加工、寄存、移位等。 （2）组成: ① 加法器(或还有乘、除法器)； ② 寄存器组；输入输出门。 3.控制器(Control Unit)：向计算机各部件发出控制信息的部件。 （1）功能：控制指令的读出、解释和执行、中断事件的处理等 。 （2）组成： ① 指令部件： 程序计数器 PC——提供要执行的指令地址； 指令寄存器 IR——寄存现行指令； 指令译码器 ID——解释现行指令，产生相应的控制电位。 ② 时序部件：产生计算机运行所需的时序信号。 ③ 微操作信号发生器：产生执行指令的微操作控制信号。 （3）有关术语和概念： ① 中央处理器（CPU）——包括运算器（ALU）和控制器（CU）； ② 主机——指 CPU 和内存储器； ③ 计算机中的信息流： 指令流——在取指令周期，从内存Æ控制器(IR)的信息流； 数据流——在执行周期，内存ÅÆ运算器的信息流。 4.输入/输出(I/O)设备 5.适配器（I/O 接口）： I/O 设备与主机之间互相连接(缓冲)的部件。 此外，硬设备还有控制台(Console)、电源(Power Supply)等。 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ 用户程序 通用软件 应用软件 服务性程序 语言处理程序 操作系统 系统软件 软件 输入设备 输入设备 外存储器 外部设备 内存储器 控制器 运算器 中央处理器 主机 硬件 计算机系统 1．3 计算机系统的软件（图 1.5） 1．3．1 软件的组成与分类 1.系统程序：使用和管理计算机系统的程 序。 2.应用程序：用户开发并使用的各种程 序。 1．3．2 软件的发展 计算机语言发展的方向： 标准化、积木化、产品化，最终是向自然语言发展，并能自动生成程序。 2
1.4计算机的工作过程及主要技术指标 1.计算机的工作过程是周而复始地取出指令、解释指令和执行指令的过程。 2.计算机的主要技术指标 1)字长:计算机内参加运算的数所包含的二进制位数。寄存器的位数与之相对应。 字长标志着机器表示数的精度。字长越长,精度越高。 字长通常是8的整倍数,使能存放整数个字符的编码。例如8、16、32、64位 2)存储容量: 决定计算机可以处理的数据量和程序的大小; 存储容量越大,存储的信息越多,解题的功能越强。 3)运算速度:计算机每秒钟执行指令的条数。 运算速度单位:MIPS(百万条指令每秒) 衡量:平均运算速度(吉布森( Gibson)法,混合计算法); 求法:先求平均运算时间T: T=∑f×t 式中:n—指令的种类; 语言级 编译程序 f;—第i种指令出现的频度(%) 第种指令的指令周期(秒)。 则平均运算速度:V=1/ 汇編语言级 汇编程序 1.5计算机系统的层次结构 操作系统级 操作系统 1.5.1多级组成的计算机系统 1.微程序设计级:微指令直接由硬件执行 2级 一般机器级 微程序 2.一般机器级(机器语言级):由微程序 解释机器指令系统,属硬件级。 l级 微程序设计级 3.操作系统级:由操作系统程序实现 微程序直接由硬件执行 4.汇编语言级:由汇编程序支持执行 5.高级语言级:由高级语言编译程序支持执行。 图1.7计算机系统的层次结构示意图 1.5.2软件与硬件的逻辑等价性: 1.机器功能的软硬件划分:取决于价格,速度,可靠性,存储容量,变更周期等 2.软件和硬件在逻辑功能上是等效的:合理分配软硬件之功能是计算机总体结构的重 要内容
1．4 计算机的工作过程及主要技术指标 1. 计算机的工作过程是周而复始地取出指令、解释指令和执行指令的过程。 2. 计算机的主要技术指标 1) 字长：计算机内参加运算的数所包含的二进制位数。寄存器的位数与之相对应。 字长标志着机器表示数的精度。字长越长，精度越高。 字长通常是 8 的整倍数，使能存放整数个字符的编码。例如 8、16、32、64 位 等。 2) 存储容量： 决定计算机可以处理的数据量和程序的大小； 存储容量越大，存储的信息越多，解题的功能越强。 3) 运算速度：计算机每秒钟执行指令的条数。 运算速度单位：MIPS (百万条指令每秒)； 衡量：平均运算速度(吉布森（Gibson）法，混合计算法)； 求法：先求平均运算时间 T： 式中 的频度(%)； 1．5 计 1．5．1 多级组成的计算机系统 由硬件 现。 执行。 1．5．2 软件与硬件的逻辑等价性： 价格，速度，可靠性，存储容量，变更周期等； 要内 图1.7 计算机系统的层次结构示意图 f ti n i i T ∑ ×= =1 ： n ——指令的种类； f i ——第i种指令出现 t i ——第i种指令的指令周期(秒)。 则平均运算速度： V＝1/T； 算机系统的层次结构 1．微程序设计级：微指令直接 执行。 2．一般机器级(机器语言级)：由微程序 解释机器指令系统，属硬件级。 3．操作系统级：由操作系统程序实 4．汇编语言级：由汇编程序支持执行。 5．高级语言级：由高级语言编译程序支持 1．机器功能的软硬件划分：取决于 2．软件和硬件在逻辑功能上是等效的：合理分配软硬件之功能是计算机总体结构的重 容； 高级语言级 汇编语言级 操作系统级 一般机器级 微程序设计级 5 级 编译程序 4 级 汇编程序 3 级 操作系统 2 级 微程序 1 级 微程序直接由硬件执行 3