計(jì)算機(jī)組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作業(yè)一

1、計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 上海交通大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院 陳澤宇 博士 副教授 2 本課程與計(jì)算機(jī)專業(yè)其他課程的關(guān)系 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課 離散數(shù)學(xué) 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課 計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)（國(guó)家統(tǒng)考） 計(jì)算機(jī)專業(yè)課 硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)3 計(jì)算機(jī)專業(yè)課 軟件類 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（學(xué)位課） 操作系統(tǒng)（學(xué)位課） 程序設(shè)計(jì)（ C） 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（ Java） 應(yīng)用軟件開發(fā)（ C#） 數(shù)據(jù)庫(kù)原理與應(yīng)用 網(wǎng)絡(luò)類 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)與信息安全 硬件類計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用 講座信息技術(shù)前沿專題講座 選修課軟件工程與項(xiàng)目管理 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理與維護(hù) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理維護(hù) 網(wǎng)絡(luò)攻擊與防御技術(shù) 可視計(jì)算及應(yīng)用4第 1 章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

2、概論 第 2 章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器 第 3 章 存儲(chǔ)系統(tǒng) 第 4 章 指令系統(tǒng) 第 5 章 中央處理器（ CPU ） 第 6 章 總線系統(tǒng) 第 7 章 輸入輸出（ I/O ）系統(tǒng) 第 8 章 并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 5第 1 章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1 計(jì)算機(jī)的分類、發(fā)展與應(yīng)用1.2 計(jì)算機(jī)的基本組成1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念61.1 計(jì)算機(jī)的分類、發(fā)展與應(yīng)用1.1.1 計(jì)算機(jī)的分類1.1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1.1.3 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用7電子數(shù)字計(jì)算機(jī)( Electronic Digital Computer ) 通常簡(jiǎn)稱為計(jì)算機(jī)( Computer ) 是按照一系列指令來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的機(jī)器 計(jì)算機(jī)擁有眾

3、多的物理形態(tài)個(gè)人計(jì)算機(jī)( Personal Computer， PC) 便攜計(jì)算機(jī)( Portable Computer ) 又稱膝上型計(jì)算機(jī)( Laptop Computer ) 嵌入式計(jì)算機(jī)( Embedded Computer ) 使用最為廣泛的計(jì)算機(jī)形態(tài)8 根據(jù) Church Turing 理論， 任何一臺(tái)具有最基本功能的計(jì)算機(jī)，原則上都能夠執(zhí)行任何其他計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的任務(wù) 只要不考慮時(shí)間和存儲(chǔ)容量， 性能和復(fù)雜度均相差甚遠(yuǎn)的各種計(jì)算機(jī)， 都能夠執(zhí)行相同的運(yùn) 算任務(wù)9 美國(guó) SGI 公司為 NASA 制造 的 Columbia 超級(jí)計(jì)算機(jī)GNUX ( GNU+Linux )操作系統(tǒng)下

4、運(yùn)行視頻會(huì)議軟件的手表計(jì)算機(jī)101.1.1 計(jì)算機(jī)的分類1計(jì)算機(jī)分類2通用計(jì)算機(jī)分類111計(jì)算機(jī)分類根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、 速度、價(jià)格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來(lái)劃分， 計(jì)算機(jī)可分為通用計(jì)算機(jī) 和專用計(jì)算機(jī)兩大類通用計(jì)算機(jī) 功能齊全，通用性強(qiáng)，適應(yīng)面廣，可完成各種各樣的工作 但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性12 專用計(jì)算機(jī) 是專為某些特定問(wèn)題而設(shè)計(jì)的功能單一的計(jì)算機(jī)，一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 具有可靠性高、速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī) 但是其適應(yīng)性很差132通用計(jì)算機(jī)分類通用計(jì)算機(jī)分為 6 類，其區(qū)別在于體積、復(fù)雜度、功耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、指令系 統(tǒng)規(guī)模和價(jià)格超級(jí)計(jì)算機(jī)( Super

5、computer) 大型機(jī)( Mainframe ) 服務(wù)器( Server) 工作站( Workstation ) 微型機(jī)( Microcomputer )單片機(jī)( Single-Chip Computer )14 超級(jí)計(jì)算機(jī) 主要用于科學(xué)計(jì)算 運(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴 單片機(jī)是只用單片集成電路( Integrated Circuit ， IC)做成的計(jì)算機(jī) 體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能指標(biāo)較低，價(jià)格便宜大型機(jī)、服務(wù)器、工作站、微型機(jī) 結(jié)構(gòu)規(guī)模和性能指標(biāo)依次遞減隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展， 今天的工作站可能是明天的微型機(jī)， 而今天的微型機(jī)也 可能是明天的

6、單片機(jī)151.1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況 1第一臺(tái)通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)2數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展史 3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程4數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)16“Computer ”一詞 最初指的是從事數(shù)值運(yùn)算的人，他們往往借助于某種機(jī)械運(yùn)算裝置來(lái)完成數(shù)值運(yùn)算工作 現(xiàn)在專指計(jì)算機(jī)，即電子數(shù)字計(jì)算機(jī)171第一臺(tái)通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Computer ，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)) 矚慫潤(rùn)厲釤瘞睞 櫪廡賴。1946 年，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)18000 多個(gè)電子管 占地 170 平方米 總重量達(dá) 30 噸 耗電 140 千瓦 每秒能做 5000

7、次加減運(yùn)算 是科學(xué)史上一次劃時(shí)代的創(chuàng)新，奠定了現(xiàn)代電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ) 最初的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠靈活，每一次重新編程都必須重新連線( Rewiring )18 存儲(chǔ)程序體系結(jié)構(gòu)( Stored-Program Architecture ) 給計(jì)算機(jī)一個(gè)指令序列(即程序) ，計(jì)算機(jī)會(huì)存儲(chǔ)它們，并在未來(lái)的某個(gè)時(shí)間里，從計(jì)算機(jī) 存儲(chǔ)器中讀出，依照程序給定的順序執(zhí)行它們 聞創(chuàng)溝燴鐺險(xiǎn)愛(ài)氌譴凈。 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)區(qū)別于其他機(jī)器的主要特征，就在于這種可編程能力 馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)( von Neumann Architecture )早在 ENIAC 完成之前，數(shù)學(xué)家約翰馮諾伊曼( John von Neumann )

8、就在其論文中提出 了存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想 殘騖樓諍錈瀨濟(jì)溆塹籟。因此，存儲(chǔ)程序體系結(jié)構(gòu)又稱為馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu) 大多數(shù)當(dāng)代計(jì)算機(jī)仍然采用馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)19 2數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展史 從使用器件的角度來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了 5 代的變化時(shí)間使用器件執(zhí)行速度(次 / 秒)典型應(yīng)用第1代19461957電子管幾千至幾萬(wàn)數(shù)據(jù)處理機(jī)第2代19581964晶體管幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)工業(yè)控制機(jī)第3代19651970小規(guī)模 / 中規(guī)模集成電路幾十萬(wàn)至幾百萬(wàn)小型計(jì)算機(jī)第4代19711985大規(guī)模 / 超大規(guī)模集成電路幾百萬(wàn)至幾千萬(wàn)微型計(jì)算機(jī)第5代1986甚大規(guī)模集成電路幾億至上百億單片計(jì)算機(jī)20第一代計(jì)算機(jī)194

9、6 年到 1957 年 使用電子管( Vacuum Tube)作為電子器件 使用機(jī)器語(yǔ)言與符號(hào)語(yǔ)言編制程序 體積龐大，存儲(chǔ)容量小，成本很高，可靠性較低 主要用于科學(xué)計(jì)算在此期間，形成了計(jì)算機(jī)的基本體系結(jié)構(gòu)，確定了程序設(shè)計(jì)的基本方法21第二代計(jì)算機(jī)1958 年到 1964 年 使用晶體管( Transistor )作為電子器件 開始使用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言體積縮小，存儲(chǔ)容量擴(kuò)大，成本降低，可靠性提高 不僅用于科學(xué)計(jì)算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理，并逐漸用于工業(yè)控制 “工業(yè)控制機(jī)”開始得到應(yīng)用22第三代計(jì)算機(jī)1965 年到 1970 年使用小規(guī)模集成電路( Small-Scale Integration

10、， SSI )與中規(guī)模集成電路(Medium-ScaleIntegration，MSI )作為電子器件 釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。操作系統(tǒng)開始出現(xiàn) 計(jì)算機(jī)小型化、微型化 不僅用于科學(xué)計(jì)算，還用于文字處理、企業(yè)管理和自動(dòng)控制等領(lǐng)域 出現(xiàn)了管理信息系統(tǒng)( Management Information System ，MIS ) “小型計(jì)算機(jī)”開始出現(xiàn)23第四代計(jì)算機(jī)1971 年到 1985 年使用大規(guī)模集成電路( Large-Scale Integration ， LSI)與超大規(guī)模集成電路( Very-Large-Scale Integration ，VLSI )作為電子器件 彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。

11、計(jì)算機(jī)在辦公自動(dòng)化、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別和專家系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域大顯身手 由幾片大規(guī)模集成電路組成的“微型計(jì)算機(jī)”開始出現(xiàn)，并進(jìn)入家庭24第五代計(jì)算機(jī)1986 年開始采用甚大規(guī)模集成電路 ( Ultra-Large-Scale Integration ，ULSI )作為電子器件 謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣 薔。由一片甚大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的“單片計(jì)算機(jī)”開始出現(xiàn)25 總體而言 電子管計(jì)算機(jī)在整個(gè) 20 世紀(jì) 50 年代居于統(tǒng)治地位20 世紀(jì) 60 年代，晶體管計(jì)算機(jī)逐漸取而代之20 世紀(jì) 70 年代，集成電路技術(shù)的采用和其后微處理器的產(chǎn)生，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)有了一次新的飛 躍20 世紀(jì) 80年代，計(jì)算機(jī)被

12、個(gè)人廣泛使用，成為現(xiàn)在無(wú)處不在的個(gè)人計(jì)算機(jī)20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，幾乎所有的現(xiàn)代電子設(shè)備都會(huì)包含某種形式的計(jì)算機(jī)在內(nèi)263計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程在馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上， 以提高速度、 擴(kuò)大存儲(chǔ)容量、 降低成本、 提高系統(tǒng)可靠性、 方便用戶使用為目的，不斷采用新的器件、研制新的軟件 廈礴懇蹣駢時(shí)盡繼價(jià)騷。 主要是指令系統(tǒng)、微程序設(shè)計(jì)、流水線結(jié)構(gòu)、多級(jí)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)、輸入/ 輸出體系結(jié)構(gòu)、并行體系結(jié)構(gòu)、 分布式體系結(jié)構(gòu)、 多媒體體系結(jié)構(gòu)、 操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的形成和發(fā) 展煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。274數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)1）多處理2）網(wǎng)絡(luò)化3）智能化4）微型化5）巨型化6）多媒體28

13、1）多處理 多處理（ Multiprocessing ） 在一個(gè)或多個(gè) CPU 之間劃分工作 傳統(tǒng)上用于超級(jí)計(jì)算機(jī)、大型機(jī)和服務(wù)器這類大型、強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)上 超級(jí)計(jì)算機(jī)經(jīng)常擁有幾千個(gè) CPU、定制的高速互連網(wǎng)絡(luò)和專門的計(jì)算硬件 低端市場(chǎng)應(yīng)用配備多處理器（ Multiprocessor ）和多核（ Multi-Core ）處理器的臺(tái)式 /便攜式計(jì)算機(jī)292）網(wǎng)絡(luò)化20 世紀(jì) 70 年代， 美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（ ARPA ）資助形成 ARPANET 此后，該網(wǎng)絡(luò)傳播開來(lái)，最終形成了互聯(lián)網(wǎng)（ Internet）20 世紀(jì) 90 年代，電子郵件（ e-Mail ）和萬(wàn)維網(wǎng)（ World Wide

14、Web ， WWW ）等應(yīng)用普及以太網(wǎng)（ Ethernet）和非對(duì)稱數(shù)字用戶線路（ Asymmetric Digital Subscriber Line ， ADSL ）等 廉價(jià)、快速聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展 鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)變得無(wú)處不在303）智能化 人們將用自然語(yǔ)言和機(jī)器對(duì)話 計(jì)算機(jī)將從數(shù)值計(jì)算為主過(guò)渡到知識(shí)推理為主，進(jìn)入知識(shí)處理階段4）微型化 微型計(jì)算機(jī)將向更加微型化、網(wǎng)絡(luò)化、高性能、多用途方向發(fā)展5）巨型化 超級(jí)計(jì)算機(jī)將向更加巨型化、超高速、并行處理、智能化方向發(fā)展316) 多媒體多媒體信息文本、圖像、圖形、聲音、視頻等多媒體計(jì)算機(jī) 將真正改善人機(jī)界面 使計(jì)算機(jī)向著人類接受和處理信

15、息的最自然的方式發(fā)展321.1.3 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用1科學(xué)計(jì)算2自動(dòng)控制3測(cè)量測(cè)試4信息處理5教育衛(wèi)生6電子電器7人工智能331科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域數(shù)學(xué)、化學(xué)、原子能、天文學(xué)、地球物理學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究 航天飛行、飛機(jī)設(shè)計(jì)、橋梁設(shè)計(jì)、水力發(fā)電、地質(zhì)找礦、天氣預(yù)報(bào)等方面的大量計(jì)算 益處大大減輕計(jì)算工作量一些以往無(wú)法解決、無(wú)法及時(shí)解決或無(wú)法精確解決的問(wèn)題得到圓滿的解決342自動(dòng)控制有了體積小、 價(jià)廉、 可靠的微型機(jī)和單片機(jī)作為工具， 自動(dòng)控制進(jìn)入了以計(jì)算機(jī)為主要控制 設(shè)備的新的發(fā)展階段353測(cè)量測(cè)試提高測(cè)量精度提高工作效率完成非人力所能完成的測(cè)量和測(cè)試任務(wù)如高溫、低溫、有毒、輻射環(huán)境的測(cè)量和測(cè)試

16、，核爆炸時(shí)的數(shù)據(jù)采集等等364信息處理人本身就是一個(gè)非常高級(jí)的信息處理系統(tǒng) 一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)際上就是一臺(tái)信息處理機(jī) 可用來(lái)處理文字、表格、圖像、聲音等各類信息 信息處理的典型應(yīng)用辦公自動(dòng)化、管理信息系統(tǒng)、電子銀行( e-Banking )、電子購(gòu)物( e-Shopping )、網(wǎng)上訂票、 虛擬圖書館、網(wǎng)絡(luò)流媒體( Streaming Media )籟叢媽羥為贍僨蟶練淨(jìng)。375教育衛(wèi)生計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)( Computer-Aided Instruction ， CAI ) 基于網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)( Distance Learning ，或 e-Learning ) 38使用計(jì)算機(jī)的各種醫(yī)療設(shè)備CT 圖

17、像處理設(shè)備、心腦電圖分析儀、血液分析儀專家系統(tǒng)中醫(yī)專家診療系統(tǒng)、各種疾病的電子診療系統(tǒng)396電子電器 電子電器產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用了各種嵌入式計(jì)算機(jī) 微波爐、洗衣機(jī)、家用空調(diào)、 DVD 播放機(jī)、電子玩具、游戲機(jī) 電子電器產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化許多家用電器可以通過(guò)各種有線或無(wú)線的網(wǎng)絡(luò)連接(如Internet、紅外線、藍(lán)牙等) ，完成自身程序的自動(dòng)更新、遠(yuǎn)程控制等復(fù)雜任務(wù) 預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。407人工智能人工智能簡(jiǎn)而言之就是使計(jì)算機(jī)模仿人的高級(jí)思維活動(dòng) 文字識(shí)別、圖形識(shí)別、景物分析、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成、語(yǔ)言理解 機(jī)器人人工智能研究中最突出的成就41工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)線上完成簡(jiǎn)單重復(fù)的工作 代替人類在高溫、有毒、輻

18、射、深水等惡劣環(huán)境下工作 智能機(jī)器人自己識(shí)別控制對(duì)象和工作環(huán)境 自動(dòng)作出判斷和決策 直接領(lǐng)會(huì)人的命令和意圖 避開障礙物，適應(yīng)環(huán)境變化 靈活機(jī)動(dòng)地完成指定的控制任務(wù)與信息處理任務(wù) 汽車生產(chǎn)中的工業(yè)機(jī)器人421.2 計(jì)算機(jī)的基本組成1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件1.2.2 計(jì)算機(jī)軟件1.2.3 軟件與硬件的邏輯等價(jià)性43計(jì)算機(jī)由硬件( Hardware )和軟件( Software )兩部分組成 硬件是基礎(chǔ)，是軟件活動(dòng)的舞臺(tái)軟件是靈魂，使硬件最大限度地發(fā)揮作用兩者缺一不可計(jì)算機(jī)硬件由物理元器件構(gòu)成的有形實(shí)體 主要是數(shù)字邏輯電路計(jì)算機(jī)軟件 由計(jì)算機(jī)程序構(gòu)成的無(wú)形的東西 需要存儲(chǔ)在有形的硬件(如主存儲(chǔ)器、硬盤

19、等)中 可以實(shí)現(xiàn)更高層次的邏輯功能441.2.1 計(jì)算機(jī)硬件1控制器2運(yùn)算器3存儲(chǔ)器4輸入輸出設(shè)備5總線45 計(jì)算機(jī)硬件是組成計(jì)算機(jī)的所有電子器件和機(jī)電裝置的總稱 馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)：使用二進(jìn)制數(shù)和存儲(chǔ)程序 設(shè)計(jì)思想：存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行 把程序及其操作數(shù)據(jù)一同存儲(chǔ)哈佛體系結(jié)構(gòu)( Harvard Architecture ) 把程序與其操作數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ) 源自 Harvard Mark I 計(jì)算機(jī) 現(xiàn)代的馮諾伊曼計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)中展示出了某些哈佛體系結(jié)構(gòu)的特性，如高速緩存 Cache 46馮諾伊曼計(jì)算機(jī)具有 5 大部件 控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備( CAI 演示) 這些部件

20、用總線相互連接中央處理器( Central Processing Unit ，CPU ) 控制器和運(yùn)算器的合稱 早期由許多分立元件組成，現(xiàn)在通常被制作在單片集成電路上，稱為微處理器 ( Microprocessor )CPU 和存儲(chǔ)器通常組裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，合稱為主機(jī) 除去主機(jī)以外的硬件裝置稱為外圍設(shè)備47計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)， 輸入設(shè)備將程序與數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器 控制器從存儲(chǔ)器中逐條取出指令，將其解釋成控制命令，去控制各部件的動(dòng)作 數(shù)據(jù)在運(yùn)算器中加工處理，處理后的結(jié)果通過(guò)輸出設(shè)備輸出481控制器1) 控制器的基本工作流程2) 控制器的基本任務(wù)3) 指令和數(shù)據(jù)49 控制器是計(jì)算機(jī)的管理機(jī)構(gòu)和指揮中心 按

21、照預(yù)先確定的操作步驟，協(xié)調(diào)控制計(jì)算機(jī)各部件有條不紊地自動(dòng)工作 控制器工作的實(shí)質(zhì)就是解釋程序逐條讀取、分析、執(zhí)行指令，控制各部件動(dòng)作 高級(jí)計(jì)算機(jī)中的控制器可以改變某些指令的順序，以改善性能 程序計(jì)數(shù)器( Program Counter )是一個(gè)特殊的寄存器 記錄著將要讀取的下一條指令在存儲(chǔ)器中的位置501) 控制器的基本工作流程一種簡(jiǎn)化描述 從程序計(jì)數(shù)器所指示的存儲(chǔ)單元中，讀取下一條指令代碼 把指令代碼譯碼為一系列命令或信號(hào)，發(fā)向各個(gè)不同的功能部件 遞增程序計(jì)數(shù)器，以指向下一條指令 根據(jù)指令需要，從存儲(chǔ)器(或輸入設(shè)備)讀取數(shù)據(jù)，所需數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器位置通常保存在指 令代碼中 把讀取的數(shù)據(jù)提供給運(yùn)算器

22、或寄存器 如果指令需要由運(yùn)算器（或?qū)ｉT硬件）來(lái)完成，則命令運(yùn)算器執(zhí)行所請(qǐng)求的操作 把來(lái)自運(yùn)算器的計(jì)算結(jié)果寫回到存儲(chǔ)器、寄存器或輸出設(shè)備轉(zhuǎn)回第步512）控制器的基本任務(wù) 控制器的基本任務(wù) 按照程序所排的指令序列，從存儲(chǔ)器取出一條指令（簡(jiǎn)稱取指） ， 對(duì)該指令進(jìn)行譯碼分析，根據(jù)指令性質(zhì)，執(zhí)行這條指令 再取指、譯碼、執(zhí)行，52取指周期與執(zhí)行周期 把取指令的一段時(shí)間稱為取指周期 把執(zhí)行指令的一段時(shí)間稱為執(zhí)行周期 控制器反復(fù)交替地處在取指周期與執(zhí)行周期之中指令順序存放每取出一條指令，程序計(jì)數(shù)器就加 1，為取下一條指令做好準(zhǔn)備 正因?yàn)槿绱?，指令在存?chǔ)器中必須順序存放533）指令和數(shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)中有兩股信息在

23、流動(dòng) 控制信息 即操作命令發(fā)源地是控制器，分散流向各個(gè)部件數(shù)據(jù)信息 受控制信息的控制，從一個(gè)部件流向另一個(gè)部件，邊流動(dòng)邊加工處理 如何區(qū)分存放在一起的指令和數(shù)據(jù)？ 取指周期中從存儲(chǔ)器讀出的信息流是指令流由存儲(chǔ)器流向控制器 執(zhí)行周期中從存儲(chǔ)器讀出的信息流是數(shù)據(jù)流由存儲(chǔ)器流向運(yùn)算器542運(yùn)算器運(yùn)算器是一個(gè)用于信息加工的部件，用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算 運(yùn)算器通常由算術(shù)邏輯單元 （ Arithmetic Logic Unit ，ALU ）和一系列寄存器組成 （ CAI 演示） 滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。ALU是具體完成算術(shù)與邏輯運(yùn)算的單元是運(yùn)算器的核心 由加法器和其他邏輯運(yùn)算單元組成 寄存器用于存

24、放參與運(yùn)算的操作數(shù)累加器一個(gè)特殊的寄存器除了存放操作數(shù)之外，還用于存放中間結(jié)果和最后結(jié)果55ALU 所支持的算術(shù)運(yùn)算 可能僅局限于加法和減法，也可能包括乘法、除法，甚至三角函數(shù)和平方根 有些只支持整數(shù)，有些則可以使用浮點(diǎn)來(lái)表示有限精度的實(shí)數(shù)任何計(jì)算機(jī)都可以通過(guò)編程來(lái)執(zhí)行任何的算術(shù)運(yùn)算 簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)可以通過(guò)編程，把復(fù)雜的運(yùn)算分解成它可以執(zhí)行的簡(jiǎn)單步驟 如果 ALU 不能從硬件上直接支持，則可把復(fù)雜運(yùn)算用軟件方式實(shí)現(xiàn)，但需要花費(fèi)較多的時(shí) 間56ALU 所支持的邏輯運(yùn)算與（ AND ）、或（ OR）、異或（ XOR ）、非（ NOT ）等布爾運(yùn)算 比較數(shù)值 新型 ALU 超標(biāo)量（ Superscal

25、ar）計(jì)算機(jī)包含多個(gè) ALU 可以同時(shí)處理多條指令 圖形處理器和具有并行特性的計(jì)算機(jī)的 ALU 可以執(zhí)行矢量和矩陣算術(shù)運(yùn)算573存儲(chǔ)器1）主存儲(chǔ)器2）寄存器3）閃速存儲(chǔ)器4）高速緩沖存儲(chǔ)器 Cache5）輔助存儲(chǔ)器58 存儲(chǔ)器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù) 程序和數(shù)據(jù)都用二進(jìn)制數(shù)表示，統(tǒng)稱為信息 向存儲(chǔ)器存入或從存儲(chǔ)器取出信息，都稱為訪問(wèn)存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器由一系列存儲(chǔ)單元組成 每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)稱為地址 要按給定的地址來(lái)尋找所選擇的存儲(chǔ)單元 信息單位位（ bit，簡(jiǎn)寫成 b） 數(shù)字計(jì)算機(jī)的最小信息單位 包含 1 位二進(jìn)制信息（ 0 或 1） 字節(jié)（ Byte，簡(jiǎn)寫成 B） 由 8 位二進(jìn)制信息組成 字

26、（ Word ） 計(jì)算機(jī)一次所能處理的二進(jìn)制位數(shù)，至少一個(gè)字節(jié) 通常把組成一個(gè)字的二進(jìn)制位數(shù)稱為字長(zhǎng) 例如微型機(jī)的字長(zhǎng)可以少至 8 位，多至 32 位，甚至達(dá)到 64 位 59 存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)常用單位KB （ Kilobyte ，千字節(jié)）、 MB （ Megabyte ，兆字節(jié)） 、 GB （ Gigabyte ，千兆字節(jié)） 鐃誅臥瀉噦 圣騁貺頂廡。各級(jí)單位之間的關(guān)系1KB=1024B ， 1MB=1024KB ， 1GB=1024MB 存儲(chǔ)器分類 按照存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)中的作用，可分為主存儲(chǔ)器、寄存器、閃速存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器、 輔助存儲(chǔ)器等幾種類型 它們均可完成數(shù)據(jù)的存

27、取工作，但性能及其在計(jì)算機(jī)中的作用差別很大601）主存儲(chǔ)器 主存儲(chǔ)器（ Main Memory ，簡(jiǎn)稱主存）通常采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ Random Access Memory ，RAM ）CPU 可讀寫 掉電時(shí)內(nèi)容被消除 只讀存儲(chǔ)器（ Read-Only Memory ， ROM ）CPU 只能讀取 掉電時(shí)可保留其數(shù)據(jù) 事先加載了固化的數(shù)據(jù)和軟件（如 PC 機(jī)的 BIOS ，無(wú)盤嵌入式計(jì)算機(jī)的全部軟件） 存儲(chǔ)在 ROM 中的軟件常被稱為固件（ Firmware ）612）寄存器寄存器（ Register）是 CPU 內(nèi)部的一組特殊存儲(chǔ)單元 讀寫速度比主存快得多 通常被用于使用最為

28、頻繁的數(shù)據(jù)項(xiàng)，以避免多次訪問(wèn)主存 減少主存訪問(wèn)可大大加快計(jì)算機(jī)速度623）閃速存儲(chǔ)器閃速存儲(chǔ)器（ Flash Memory ，簡(jiǎn)稱閃存）像 ROM 一樣在關(guān)機(jī)時(shí)保留數(shù)據(jù)像 RAM 一樣可被重寫通常比 ROM 和 RAM 慢得多 用于非高速的應(yīng)用場(chǎng)合634）高速緩沖存儲(chǔ)器 Cache 高速緩沖存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱高速緩存） Cache 比寄存器慢，但比主存快 位于 CPU 和主存儲(chǔ)器之間 規(guī)模較小，但速度很快能夠很好地解決 CPU 和主存之間的速度匹配問(wèn)題 計(jì)算機(jī)自動(dòng)把頻繁訪問(wèn)數(shù)據(jù)移入Cache，無(wú)需人工干預(yù)當(dāng)需要讀寫數(shù)據(jù)時(shí)， CPU 首先訪問(wèn) Cache 只有當(dāng) Cache中不包含所需要的數(shù)據(jù)時(shí)， C

29、PU 才去訪問(wèn)主存 645）輔助存儲(chǔ)器 外存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱外存）或輔助存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱輔存） 軟盤存儲(chǔ)器、硬盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等 存放當(dāng)前不在運(yùn)行的程序和未被用到的數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)容量大、成本低，可脫機(jī)保存信息 相對(duì)而言，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器稱為內(nèi)存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱內(nèi)存654輸入輸出設(shè)備I/O 設(shè)備或外圍設(shè)備 （Peripheral ，簡(jiǎn)稱外設(shè) ）1）輸入設(shè)備2）輸出設(shè)備3）適配器661）輸入設(shè)備將人們熟悉的信息形式，變換成計(jì)算機(jī)能接受并識(shí)別的二進(jìn)制信息形式 理想的輸入設(shè)備應(yīng)該是“會(huì)看”和“會(huì)聽”的 鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等，以及用于文字識(shí)別、圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別的設(shè)備672）輸出設(shè)備 將計(jì)算機(jī)輸出的處理結(jié)果信息，轉(zhuǎn)換成人類

30、或其他設(shè)備能夠接受和識(shí)別的信息形式 理想的輸出設(shè)備應(yīng)該是“會(huì)寫”和“會(huì)講”的激光打印機(jī)、繪圖儀、 CRT/LCD 顯示器等，以及輸出語(yǔ)言的設(shè)備（如語(yǔ)音合成產(chǎn)品）683）適配器 外圍設(shè)備通過(guò)適配器（ Adapter ）部件與主機(jī)相連接 作用相當(dāng)于轉(zhuǎn)換器，保證外圍設(shè)備按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息 使主機(jī)和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作695總線計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)總線（ Bus）將 CPU、主存儲(chǔ)器及 I/O 設(shè)備連接起來(lái) 總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路 按照信號(hào)類型，可將總線分為數(shù)據(jù)總線 主要傳送數(shù)據(jù)，雙向，可輸入輸出地址總線 傳送地址信息，單向，決定數(shù)據(jù)

31、或命令傳送給誰(shuí)控制總線傳送各種控制信號(hào)701.2.2 計(jì)算機(jī)軟件 計(jì)算機(jī)軟件是程序的有序集合，而程序則是指令的有序集合1軟件系統(tǒng) 2程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言3操作系統(tǒng)4數(shù)據(jù)庫(kù)711軟件系統(tǒng) 一臺(tái)計(jì)算機(jī)中全部程序的集合，統(tǒng)稱為這臺(tái)計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為有效使用計(jì)算機(jī)而配置的 計(jì)算機(jī)軟件按其功能可分為應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類721）應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是為解決某種應(yīng)用問(wèn)題而編制的程序732）系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的管理、調(diào)度、監(jiān)視和服務(wù)等功能 系統(tǒng)軟件一般包括以下 6 類：74服務(wù)性程序 又稱為工具軟件，包括診斷程序、調(diào)試程序等75語(yǔ)言處理程序?qū)⒂脜R編語(yǔ)言或高級(jí)語(yǔ)言編制

32、的源程序， 翻譯成機(jī)器可以直接識(shí)別的目的程序 （機(jī)器語(yǔ)言程序） 不同語(yǔ)言的源程序，對(duì)應(yīng)有不同的語(yǔ)言處理程序 語(yǔ)言處理程序有匯編程序、編譯程序、解釋程序3 種76操作系統(tǒng) 控制和管理計(jì)算機(jī)的各種資源 自動(dòng)調(diào)度用戶作業(yè)程序處理各種中斷 是用戶與計(jì)算機(jī)的接口77數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù) 是一種計(jì)算機(jī)軟、硬件資源組成的系統(tǒng) 能夠有組織、動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)大量的相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問(wèn) 數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件一起，組成了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)78標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)程序 是為方便用戶而預(yù)先按照標(biāo)準(zhǔn)格式編制好的一些常用程序段所組成的標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù)79 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)軟件 是為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)而配置的系統(tǒng)軟件， 負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行組織和管理， 實(shí)現(xiàn)相互之

33、間的通信 包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信處理程序前者實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源管理 后者實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)操作802程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言1）機(jī)器語(yǔ)言2）匯編語(yǔ)言3）算法語(yǔ)言811）機(jī)器語(yǔ)言 早期人們直接用機(jī)器語(yǔ)言（即機(jī)器指令代碼）編寫程序，計(jì)算機(jī)完全可以“識(shí)別”并執(zhí)行， 所以又叫做目的程序但是用機(jī)器語(yǔ)言編寫程序需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，且容易出錯(cuò)822）匯編語(yǔ)言 指令助記符 為了編寫程序方便、 提高機(jī)器使用效率， 人們用約定的文字、 符號(hào)和數(shù)字按規(guī)定格式來(lái)表示 各種不同的指令， 每條基本指令都被指定了一個(gè)表示其功能又便于記憶的短的名字， 稱為指 令助記符（如 ADD 、 SUB 、 MULT 、JUMP 等） 擁締鳳襪備訊顎輪爛

34、薔。匯編語(yǔ)言（ Assembly Language ） 用指令助記符表示的指令來(lái)編寫程序 匯編程序（ Assembler ） 用來(lái)把匯編語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以理解的、用機(jī)器語(yǔ)言表示的目的程序 機(jī)器語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言，對(duì)于特定類型的計(jì)算機(jī)而言是唯一的一臺(tái) ARM 體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)無(wú)法理解一臺(tái) Intel Pentium 計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言833）算法語(yǔ)言 算法語(yǔ)言是指按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號(hào)，以及由這套基本符號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則 比較接近數(shù)學(xué)語(yǔ)言，直觀通用，與具體機(jī)器無(wú)關(guān) 有影響的算法語(yǔ)言包括 BASIC 、 FORTRAN 、C、C+、JAVA 等 復(fù)雜程序采用算法語(yǔ)言編寫，能夠更便利地表達(dá)程序

35、員的設(shè)計(jì)思想，幫助減少程序錯(cuò)誤 源程序( Source) 是指用算法語(yǔ)言編寫的程序 不能由機(jī)器直接識(shí)別和執(zhí)行必須“翻譯”為機(jī)器語(yǔ)言后才能由機(jī)器識(shí)別和執(zhí)行84源程序“翻譯”方法編譯程序( Compiler )把用算法語(yǔ)言編寫的源程序翻譯成目的程序， 然后在運(yùn)行系統(tǒng)中執(zhí)行目的程序， 得出計(jì)算結(jié) 果編譯程序和運(yùn)行系統(tǒng)合稱為編譯系統(tǒng)解釋程序( Interpreter ) 進(jìn)行解釋執(zhí)行，即逐個(gè)解釋并立即執(zhí)行源程序的語(yǔ)句 不是編譯出目的程序后再執(zhí)行，而是逐一解釋語(yǔ)句并立即得出計(jì)算結(jié)果853操作系統(tǒng) 管理計(jì)算機(jī)資源(如處理器、存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序) 自動(dòng)調(diào)度用戶的作業(yè)程序使多個(gè)用戶能有效地共

36、用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)864數(shù)據(jù)庫(kù) 大量數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來(lái)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)(Database，DB )數(shù)據(jù)庫(kù)就是實(shí)現(xiàn)有組織、 動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)大量相關(guān)數(shù)據(jù)， 方便多用戶訪問(wèn)的計(jì)算機(jī)軟、 硬件資源 所組成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件一起，組成了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(Database Management System ，DBMS ) 贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。871.2.3 軟件與硬件的邏輯等價(jià)性 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢(shì) 任何操作既可以由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn) 任何指令的執(zhí)行都可以由硬件完成，也可以由軟件來(lái)完成 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件與硬件可以互相轉(zhuǎn)化，互為補(bǔ)充 軟件固化把復(fù)雜的、常用

37、的程序用只讀存儲(chǔ)器制作成固件 (Firmware) 就其功能而言是軟件，但從形態(tài)來(lái)說(shuō)又是硬件 本來(lái)通過(guò)軟件手段實(shí)現(xiàn)的某些功能，現(xiàn)在可以通過(guò)硬件直接解釋執(zhí)行 一些當(dāng)代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)， 就是把原來(lái)通過(guò)編制程序?qū)崿F(xiàn)的操作， 改為直接由硬件完成， 如整 數(shù)乘除法指令、浮點(diǎn)運(yùn)算指令、處理字符串指令等等 壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。881.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念1.3.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 3 個(gè)術(shù)語(yǔ)1.3.3 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的分類891.3.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是硬件、固件和軟件組成的一個(gè)十分復(fù)雜的整體為了對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行描述、分析、 設(shè)計(jì)和使用，人們從語(yǔ)言的角度出

38、發(fā)，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按 功能劃分成 5 個(gè)層次級(jí)別 蠟變黲癟報(bào)倀鉉錨鈰贅。每一級(jí)以一種不同的語(yǔ)言為特征 每一級(jí)都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)90第 1 級(jí)是微程序設(shè)計(jì)級(jí)， 屬于硬件級(jí)， 由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令， 也可直接用組合邏輯和 時(shí)序邏輯電路實(shí)現(xiàn)第 2 級(jí)是機(jī)器語(yǔ)言級(jí)，也屬于硬件級(jí)，由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)第 3 級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)，屬于(軟硬件)混合級(jí)，由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)第 4 級(jí)是匯編語(yǔ)言級(jí)，屬于軟件級(jí)，由匯編程序支持和執(zhí)行第 5 級(jí)是高級(jí)語(yǔ)言級(jí)，也屬于軟件級(jí)，由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序支持和執(zhí)行91第 1 級(jí)微程序設(shè)計(jì) 級(jí)由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令硬件級(jí)二進(jìn)制語(yǔ)言第2級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)第3級(jí)

39、操作系統(tǒng)級(jí)由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)混合級(jí)第4級(jí)匯編語(yǔ)言級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行軟件級(jí)符號(hào)語(yǔ)言第5級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí)由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序支持和執(zhí)行各層次之間關(guān)系緊密，上層是下層功能的擴(kuò)展，下層是上層的基礎(chǔ)921.3.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 3 個(gè)術(shù)語(yǔ)1計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)2計(jì)算機(jī)組成3計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)931計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)( Computer Architecture )定義為機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬 性買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。這些屬性是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由硬件或固件完成的功能對(duì)通用寄存器型機(jī)器來(lái)說(shuō)， 這些屬性主要包括： 數(shù)據(jù)表示、 尋址規(guī)則、 寄存器定義、 指令集、 終端系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、信息保護(hù)、 I/O 結(jié)構(gòu)等 綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì) 確定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟硬件的界面 界面之上是軟件的功能，界