第1章計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、http:/www.http:/ 課程目的：課程目的：n掌握計算機的工作原理掌握計算機的工作原理, , 深刻理解程序在計深刻理解程序在計算機硬件上被執(zhí)行的過程。算機硬件上被執(zhí)行的過程。2.2. 課程任務：課程任務：1 1掌握計算機硬掌握計算機硬件系統(tǒng)各組成件系統(tǒng)各組成部件的工作原部件的工作原理、邏輯實現(xiàn)、理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計思想設(shè)計思想2 2理解各部件聯(lián)理解各部件聯(lián)結(jié)成整機并協(xié)結(jié)成整機并協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的方法。調(diào)運轉(zhuǎn)的方法。3 3了解當代計算了解當代計算機系統(tǒng)的新技機系統(tǒng)的新技術(shù)和新成果術(shù)和新成果核心：計算機工作的過程就是循環(huán)往復地取指令、分析核心：計算機工作的過程就是循環(huán)往復地取指令、分析指令、執(zhí)行指

2、令的過程。指令、執(zhí)行指令的過程。3第一章第一章 概概 論論 計算機系統(tǒng)的發(fā)展與應用計算機系統(tǒng)的發(fā)展與應用1.11.1 本章小結(jié)本章小結(jié) 計算機的分類與性能指標計算機的分類與性能指標1.21.2 計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成1.31.3451.1 1.1 計算機系統(tǒng)的發(fā)展與應用計算機系統(tǒng)的發(fā)展與應用 計算機的產(chǎn)生計算機的產(chǎn)生一一 計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展二二 微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展三三 計算機的應用計算機的應用四四6一、計算機的產(chǎn)生一、計算機的產(chǎn)生機械式機械式計算機計算機機電式機電式計算機計算機電子電子計算機計算機模擬模擬計算機計算機電子數(shù)字電子數(shù)字計算機計算機數(shù)字數(shù)字計算

3、機計算機v第一臺第一臺電子數(shù)字計算機電子數(shù)字計算機：ENIACENIACv電子數(shù)字計算機特點：高速、高精度電子數(shù)字計算機特點：高速、高精度7二、計算機的發(fā)展二、計算機的發(fā)展“摩爾定律摩爾定律” 19641964年，年，IBM360IBM360成功開發(fā)出成功開發(fā)出6 6個型號的大、中、小型電腦個型號的大、中、小型電腦和和4444種新式的配套設(shè)備，都種新式的配套設(shè)備，都是系列兼容機，成為第三代是系列兼容機，成為第三代計算機標志性產(chǎn)品計算機標志性產(chǎn)品 DECDEC公司公司19651965年制造的年制造的PDPPDP8 8型集成電路計算機，被公認型集成電路計算機，被公認為第一臺標準小型機為第一臺標準小

4、型機 第一代第一代 電子管計算機電子管計算機 第二代第二代晶體管計算機晶體管計算機 第三代第三代集成電路集成電路計算機計算機 第四代大規(guī)第四代大規(guī)模與超大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路模集成電路計算機計算機 19461946年年 ENIAC ENIAC 19551955年年 ENIAC ENIAC正式退役正式退役19551955年，年，貝爾實驗室研貝爾實驗室研制出世界上第一臺全晶制出世界上第一臺全晶體管計算機體管計算機TRADIC TRADICTRADIC，裝有，裝有800800只晶體只晶體管，管，100100瓦功率，占地有瓦功率，占地有3 3立方英尺立方英尺 1971年，英特爾公司4004 1972

5、年，8008 8三、微型計算機的發(fā)展三、微型計算機的發(fā)展1.1.第一代第一代80088008微處理器微處理器 2.2.第二代微處理器第二代微處理器n其運算速度是第一代的其運算速度是第一代的10101515倍，指令系統(tǒng)比較倍，指令系統(tǒng)比較完善，已經(jīng)有了典型的計算機體系結(jié)構(gòu)以及中斷、完善，已經(jīng)有了典型的計算機體系結(jié)構(gòu)以及中斷、DMADMA功能。支持它們的語言有匯編、功能。支持它們的語言有匯編、BASICBASIC、FORTRANFORTRAN和和PL/MPL/M等，后期還開始配備等，后期還開始配備CP/MCP/M操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) n19741974年年 8 8位位微處理器芯片微處理器芯片80808

6、080 約約48004800個晶個晶體管體管 每秒執(zhí)行每秒執(zhí)行2929萬條指令。萬條指令。n19761976年年 8 8位微處理器位微處理器Z Z8080 9三、微型計算機的發(fā)展三、微型計算機的發(fā)展第三代微處理器第三代微處理器 19781978年年 1616位位的微處理器的微處理器Intel8086 Intel8086 29000 29000個個晶體管晶體管數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線1616位（字長）位（字長） 地址總線地址總線2020位位 19791979年年 8 8位（位（準準1616位位）的微處理器）的微處理器Intel8088Intel8088 19831983年年 IBM IBM公司推出帶有硬

7、盤的公司推出帶有硬盤的IBMPC/XTIBMPC/XT機機 1616位的位的Z8000Z8000和和MC68000MC68000 1982 1982 1616位處理器位處理器80286 80286 晶體管達晶體管達1313萬個萬個數(shù)數(shù)據(jù)總線據(jù)總線1616位位地址總線地址總線2424位位有兩種工作模式：實有兩種工作模式：實地址模式和虛地址保護模式。地址模式和虛地址保護模式。 80286 80286 IBM PC/ATIBM PC/AT微機微機 同檔次的有同檔次的有MotorolaMotorola的的6801068010。10三、微型計算機的發(fā)展三、微型計算機的發(fā)展第四代微處理器第四代微處理器n1

8、985 1985 3232位微處理器位微處理器芯片芯片80386 80386 27.5 27.5萬個晶萬個晶體管體管 3232位數(shù)據(jù)線和位數(shù)據(jù)線和3232位地址線位地址線 有有3 3種工作模種工作模式式：實地址模式、虛地址保護模式和虛擬：實地址模式、虛地址保護模式和虛擬80868086模式。模式。 n同期的微處理器還有同期的微處理器還有MotorolaMotorola的的MC68020MC68020等等 n19891989年年 高性能高性能3232位微處理器位微處理器8048680486 120 120萬個晶萬個晶體管體管包含了一個包含了一個8038680386體系結(jié)構(gòu)的主處理器、一體系結(jié)構(gòu)的

9、主處理器、一個與個與8038780387兼容的數(shù)字協(xié)處理器和一個兼容的數(shù)字協(xié)處理器和一個8KB8KB的高速緩的高速緩沖存儲器（沖存儲器（CacheCache） 采用了采用了RISCRISC（精簡指令系（精簡指令系統(tǒng)計算機）技術(shù)統(tǒng)計算機）技術(shù) 11三、微型計算機的發(fā)展三、微型計算機的發(fā)展第五代微處理器第五代微處理器n19931993年年 32 32位微處理器位微處理器PentiumPentium（奔騰，（奔騰，P5P5） 320320萬個晶體管萬個晶體管 具有具有5 5級超標量結(jié)構(gòu)、級超標量結(jié)構(gòu)、6464位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)線和線和3232位地址線位地址線 仍采用仍采用CISCCISC和和RISCRIS

10、C相結(jié)合的技相結(jié)合的技術(shù)。術(shù)。n同期的第五代微處理器還有同期的第五代微處理器還有IBMIBM、AppleApple和和MotorolaMotorola三家聯(lián)盟的三家聯(lián)盟的PowerPCPowerPC（RISCRISC微處理器）以及微處理器）以及AMDAMD公司公司的的K5K5和和CyrixCyrix公司的公司的M1M1。12三、微型計算機的發(fā)展三、微型計算機的發(fā)展第六代微處理器第六代微處理器n19951995年年 Pentium Pro Pentium Pro（高能奔騰，（高能奔騰，P6 P6 ） 550 550萬個晶體管萬個晶體管 具有具有6464位數(shù)據(jù)線和位數(shù)據(jù)線和3636位地址線位地址線

11、 物理地址空間物理地址空間64GB64GB，虛擬存儲空間，虛擬存儲空間64TB 64TB 動態(tài)執(zhí)動態(tài)執(zhí)行技術(shù)行技術(shù)256KB256KB的的L2CacheL2Cache封裝到芯片內(nèi)。封裝到芯片內(nèi)。n19971997年年 PentiumPentium 750 750萬個晶體管萬個晶體管 多媒多媒體體MMXMMX技術(shù)技術(shù) 32KB 32KB的的L1 CacheL1 Cache，512KB512KB的的L2CacheL2Cachen19991999年年 PentiumPentium 950 950萬到萬到28002800萬個晶體管萬個晶體管增加了增加了7070條條SEESEE（Stream SIMD

12、ExtentionStream SIMD Extention，數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流流SIMDSIMD擴展）指令，擴展）指令，n同期第六代微處理器還有同期第六代微處理器還有AMDAMD公司的公司的K7K7。n20002000年年 Pentium 4 Pentium 4 13市場微機產(chǎn)品現(xiàn)狀報告（市場微機產(chǎn)品現(xiàn)狀報告（100100字以上）字以上）1.1.CPUCPU：（幾核？速度？內(nèi)部結(jié)構(gòu)？：（幾核？速度？內(nèi)部結(jié)構(gòu)？.）2.2.內(nèi)存？內(nèi)存？3.3.硬盤？硬盤？4.4.外設(shè)？（各種形式的外設(shè)？與外設(shè)？（各種形式的外設(shè)？與CPUCPU怎樣連怎樣連接？接？.).)5.5.擴展：擴展：嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的現(xiàn)狀？嵌入式

13、系統(tǒng)產(chǎn)品的現(xiàn)狀？6.6.14IntelIntel微處理器家族發(fā)展概述微處理器家族發(fā)展概述15 目前，通用微處理器的方向發(fā)展：目前，通用微處理器的方向發(fā)展：n進一步進一步提高電路的復雜度提高電路的復雜度來提高處理器的性能。來提高處理器的性能。采用傳統(tǒng)的指令級并行方法加速單線程應用，采采用傳統(tǒng)的指令級并行方法加速單線程應用，采用更多功能部件、多級用更多功能部件、多級CacheCache、更寬的超標量。、更寬的超標量。n通過通過線程線程/ /進程級并行性進程級并行性來提高處理器的性能。如來提高處理器的性能。如多處理器、多線程處理器等。多處理器、多線程處理器等。n將將存儲器集成到處理器芯片內(nèi)存儲器集成

14、到處理器芯片內(nèi)來提高其性能。這來提高其性能。這樣可使訪存延時減少樣可使訪存延時減少5 51010倍以上，存儲器帶寬可倍以上，存儲器帶寬可增加增加5050100100倍。倍。三、微型計算機的發(fā)展三、微型計算機的發(fā)展16 目前，通用微處理器的方向發(fā)展：目前，通用微處理器的方向發(fā)展：發(fā)展發(fā)展嵌入式處理器嵌入式處理器。嵌入式處理器實現(xiàn)高性能的。嵌入式處理器實現(xiàn)高性能的途徑與通用處理器不同，大多針對專門的應用領(lǐng)途徑與通用處理器不同，大多針對專門的應用領(lǐng)域來專門設(shè)計以滿足高性能、低成本和低功耗的域來專門設(shè)計以滿足高性能、低成本和低功耗的要求。要求。 三、微型計算機的發(fā)展三、微型計算機的發(fā)展17四、計算機的

15、應用四、計算機的應用1.1. 科學計算領(lǐng)域科學計算領(lǐng)域2.2. 工業(yè)應用領(lǐng)域工業(yè)應用領(lǐng)域n實時控制實時控制nCAD/CAM CAD/CAM n企業(yè)管理企業(yè)管理 n輔助決策輔助決策 3.3. 商業(yè)應用領(lǐng)域商業(yè)應用領(lǐng)域 n電子銀行電子銀行 n電子商務電子商務 1.1.教育應用領(lǐng)域教育應用領(lǐng)域 n遠程教學遠程教學 n模擬教學模擬教學 n多媒體教學多媒體教學 n數(shù)字圖書館數(shù)字圖書館 2.2.生活應用領(lǐng)域生活應用領(lǐng)域 n數(shù)字社區(qū)數(shù)字社區(qū) n信息服務信息服務 3.3.人工智能領(lǐng)域人工智能領(lǐng)域 181.2 1.2 計算機的分類和性能指標計算機的分類和性能指標 按計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類按計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類一 按計

16、算機的用途分類按計算機的用途分類二 按照計算機的規(guī)模分類按照計算機的規(guī)模分類四 按計算機的性能指標分類按計算機的性能指標分類五 按計算機的使用方式分類按計算機的使用方式分類三19一、按計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類一、按計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類vMichael FlynnMichael Flynn分類法：分類法：n計算機在執(zhí)行程序過程中，有計算機在執(zhí)行程序過程中，有2 2種信息在流動種信息在流動: :一種是一種是計算機指令計算機指令，它從存儲器流入控制器，它從存儲器流入控制器，并變成整個計算機系統(tǒng)的控制信號。并變成整個計算機系統(tǒng)的控制信號。另一種是另一種是數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，從輸入設(shè)備流入存儲器，再流，從輸入設(shè)備流入

17、存儲器，再流入執(zhí)行部件如運算器，運算結(jié)果流入存儲器或輸入執(zhí)行部件如運算器，運算結(jié)果流入存儲器或輸出設(shè)備。出設(shè)備。nFlynnFlynn稱前一種信息為稱前一種信息為“指令流指令流”，后一種信息為，后一種信息為“數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流”。因此根據(jù)指令流與數(shù)據(jù)流的不同組合，。因此根據(jù)指令流與數(shù)據(jù)流的不同組合，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為以下計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為以下4 4類。類。 20一、按計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類一、按計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類CUCU：控制部件：控制部件PUPU：處理部件：處理部件MMMM：存儲部件：存儲部件本課程討論的對象本課程討論的對象向量機向量機并行計算機并行計算機21二、按計算機的用途分類二、按計算機的用

18、途分類1.1.通用計算機通用計算機n通用計算機是指為通用計算機是指為解決各種問題解決各種問題，具有，具有較強的通用較強的通用性性而設(shè)計的計算機。該機適用于一般的科學計算、而設(shè)計的計算機。該機適用于一般的科學計算、學術(shù)研究、工程設(shè)計和數(shù)據(jù)處理等學術(shù)研究、工程設(shè)計和數(shù)據(jù)處理等廣泛用途廣泛用途，這類，這類機器本身有較大的適用面。機器本身有較大的適用面。2.2.專用計算機專用計算機n專用計算機是指為適應專用計算機是指為適應某種特殊應用某種特殊應用而設(shè)計的計算而設(shè)計的計算機，具有運行機，具有運行效率高、速度快、精度高效率高、速度快、精度高等特點。一等特點。一般用在過程控制中，如智能儀表、飛機的自動控制、

19、般用在過程控制中，如智能儀表、飛機的自動控制、導彈的導航系統(tǒng)等。導彈的導航系統(tǒng)等。 22三、按計算機的使用方式分類三、按計算機的使用方式分類1.1.桌上型計算機桌上型計算機 n桌上型計算機包括桌上型計算機包括PCPC機、工作站和筆記本型計算機，機、工作站和筆記本型計算機，為用戶提供良好的計算性能和較低成本的工作環(huán)境。為用戶提供良好的計算性能和較低成本的工作環(huán)境。桌上型計算機是成本低、應用廣的計算機類型桌上型計算機是成本低、應用廣的計算機類型 2.2.服務器型計算機服務器型計算機n服務器型計算機是指在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境或具有客戶服務器型計算機是指在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境或具有客戶服務服務器結(jié)構(gòu)的分布式計算環(huán)境中，為客戶

20、請求提供服務器結(jié)構(gòu)的分布式計算環(huán)境中，為客戶請求提供服務的節(jié)點計算機。的節(jié)點計算機。 23三、按計算機的使用方式分類三、按計算機的使用方式分類嵌入式計算機嵌入式計算機 嵌入式計算機是將計算機作為一個部件，成為某個嵌入式計算機是將計算機作為一個部件，成為某個設(shè)備的一部分，嵌入式計算機成本更低，用途更廣。設(shè)備的一部分，嵌入式計算機成本更低，用途更廣。它的結(jié)構(gòu)一般是面向特定應用。不同的嵌入式應用它的結(jié)構(gòu)一般是面向特定應用。不同的嵌入式應用有不同的要求，需要根據(jù)不同的應用進行專門的開有不同的要求，需要根據(jù)不同的應用進行專門的開發(fā)設(shè)計。發(fā)設(shè)計。 24四、按計算機的規(guī)模分類四、按計算機的規(guī)模分類1.1.巨

21、型計算機巨型計算機n運算速度快、存儲容量大，價格相當昂貴，主要運算速度快、存儲容量大，價格相當昂貴，主要用于復雜、尖端的科學研究領(lǐng)域，特別是軍事科用于復雜、尖端的科學研究領(lǐng)域，特別是軍事科學計算。學計算。2.2.大大/ /中型計算機中型計算機n通用性能好、外部設(shè)備負載能力強、處理速度快。通用性能好、外部設(shè)備負載能力強、處理速度快。它有完善的指令系統(tǒng)，豐富的外部設(shè)備和功能齊它有完善的指令系統(tǒng)，豐富的外部設(shè)備和功能齊全的軟件系統(tǒng)，并允許多個用戶同時使用。主要全的軟件系統(tǒng)，并允許多個用戶同時使用。主要用于科學計算、數(shù)據(jù)處理或做網(wǎng)絡(luò)服務器。用于科學計算、數(shù)據(jù)處理或做網(wǎng)絡(luò)服務器。25四、按計算機的規(guī)模分

22、類四、按計算機的規(guī)模分類小型計算機小型計算機 具有規(guī)模較小、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、操作簡單、具有規(guī)模較小、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、操作簡單、易于維護、與外部設(shè)備連接容易等特點。易于維護、與外部設(shè)備連接容易等特點。微型計算機：簡稱微機微型計算機：簡稱微機 以運算器和控制器為核心，加上由大規(guī)模集成電以運算器和控制器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作的存儲器、輸入路制作的存儲器、輸入/ /輸出接口和系統(tǒng)總線，輸出接口和系統(tǒng)總線，構(gòu)成了體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低但又具有一定構(gòu)成了體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低但又具有一定功能的計算機。功能的計算機。26將運算器、將運算器、控制器、存控制器、存儲器和輸入儲器和輸入/輸出

23、接口輸出接口集成在一塊集成在一塊芯片中芯片中所有器件制所有器件制作在一塊印作在一塊印刷線路板上刷線路板上以微機為核以微機為核心，再配以心，再配以相應的外部相應的外部設(shè)備、電源設(shè)備、電源、輔助電路、輔助電路和控制微機和控制微機工作的軟件工作的軟件單板機單板機單片機單片機微型計算微型計算機系統(tǒng)機系統(tǒng)四、按計算機的規(guī)模分類四、按計算機的規(guī)模分類v目前，目前，微型計算機與工作站、小型計算機乃至中、大微型計算機與工作站、小型計算機乃至中、大型機之間的界限已經(jīng)愈來愈模糊。型機之間的界限已經(jīng)愈來愈模糊。27本課程討論的對象：本課程討論的對象：v電子數(shù)字計算機電子數(shù)字計算機vSISDSISD計算機計算機v馮馮

24、諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機28五、計算機的性能指標分類五、計算機的性能指標分類1.1. 機器字長機器字長: :CPUCPU一次一次能處理的數(shù)據(jù)位數(shù)能處理的數(shù)據(jù)位數(shù)2.2. 存儲容量存儲容量n存儲容量存儲容量= =存儲單元個數(shù)存儲字長存儲單元個數(shù)存儲字長n單位：字節(jié)單位：字節(jié)1 1字節(jié)（字節(jié)（B B）=8=8位位 n度量：度量：1K=21K=21010 1M=2 1M=220 20 1G=21G=230 30 1T=21T=240 40 3.3. 運算速度（運算速度（MIPSMIPS、CPICPI、FLOPSFLOPS）4.4. 可配置的外設(shè)可配置的外設(shè)5.5. 性能價格比性能價格

25、比6.6. 可靠性、可維修性和可用性可靠性、可維修性和可用性除此之外，評價計算機時還會看它的兼容性，系統(tǒng)的除此之外，評價計算機時還會看它的兼容性，系統(tǒng)的可擴展性，系統(tǒng)對環(huán)境的要求，耗電量的大小等可擴展性，系統(tǒng)對環(huán)境的要求，耗電量的大小等 291.3 1.3 計算機的基本組成計算機的基本組成 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)四四 計算機系統(tǒng)組成計算機系統(tǒng)組成一 計算機軟件系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng)三 計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)二30一、計算機系統(tǒng)組成一、計算機系統(tǒng)組成31一、計算機系統(tǒng)組成一、計算機系統(tǒng)組成1.1.一個完整的計算機系統(tǒng)，包括兩大部分，即硬件系統(tǒng)一個完整的計算機系統(tǒng)，包括兩大部分

26、，即硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)指構(gòu)成計算機的物指構(gòu)成計算機的物理設(shè)備，即由機械理設(shè)備，即由機械、光、電、磁等器、光、電、磁等器件構(gòu)成的具有計算件構(gòu)成的具有計算、控制、存儲、輸、控制、存儲、輸入和輸出功能的實入和輸出功能的實體部件。體部件。計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是指管理計算機軟是指管理計算機軟件和硬件資源、控件和硬件資源、控制計算機運行的程制計算機運行的程序、命令、指令、序、命令、指令、數(shù)據(jù)等，軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，軟件系統(tǒng)就是程序系統(tǒng)，也就是程序系統(tǒng)，也稱為稱為“軟設(shè)備軟設(shè)備”。如如CPU、存儲器、軟（、存儲器、軟（硬、光）盤驅(qū)動器、主硬、光）盤驅(qū)動器、主機板、各

27、種卡及整機中機板、各種卡及整機中的主機、顯示器、打印的主機、顯示器、打印機、繪圖儀、調(diào)制解調(diào)機、繪圖儀、調(diào)制解調(diào)器等，整機硬件也稱器等，整機硬件也稱“硬設(shè)備硬設(shè)備”。32一、計算機系統(tǒng)組成一、計算機系統(tǒng)組成 軟件和硬件之間的關(guān)系軟件和硬件之間的關(guān)系n計算機是依靠硬件和軟件的協(xié)同工作來執(zhí)行一計算機是依靠硬件和軟件的協(xié)同工作來執(zhí)行一個具體任務。個具體任務。n硬件是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而軟件又是硬硬件是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而軟件又是硬件功能的擴充和完善。件功能的擴充和完善。n任何軟件都是建立在硬件基礎(chǔ)上的，任何軟件任何軟件都是建立在硬件基礎(chǔ)上的，任何軟件也離不開硬件的支持。也離不開硬件的支持。n

28、如果沒有軟件的支持，硬件的功能就不能得到如果沒有軟件的支持，硬件的功能就不能得到充分的發(fā)揮。充分的發(fā)揮。33二、計算機硬件系統(tǒng)二、計算機硬件系統(tǒng)1.1.馮馮諾依曼（諾依曼（Von Neumann Von Neumann ）體系結(jié)構(gòu)）體系結(jié)構(gòu)n19461946年由美籍匈牙利數(shù)學家馮年由美籍匈牙利數(shù)學家馮 諾伊曼提出諾伊曼提出n計算機的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了許多變化，但計算機的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了許多變化，但Von Von NeumannNeumann提出的提出的二進制二進制、程序存儲和程序控制程序存儲和程序控制，依，依然是普遍遵循的原則。然是普遍遵循的原則。nEDSACEDSAC： 1949 1949年年5

29、5月，月，英國劍橋大學威爾克斯英國劍橋大學威爾克斯(M(MV VWilkesWilkes，19671967年圖靈獎獲得者年圖靈獎獲得者) )設(shè)計和完設(shè)計和完成成nEDVACEDVAC：馮：馮諾伊曼等研制，諾伊曼等研制，19471947年年19511951年完成年完成34 馮馮諾伊曼的存儲程序的計算機設(shè)計基本思想諾伊曼的存儲程序的計算機設(shè)計基本思想是：是：n采用二進制表示數(shù)據(jù)和指令；采用二進制表示數(shù)據(jù)和指令；指令由操作碼和地址指令由操作碼和地址碼組成。碼組成。n采用存儲程序：采用存儲程序：即把編好的程序和原始數(shù)據(jù)預先存即把編好的程序和原始數(shù)據(jù)預先存入計算機主存中，使計算機工作時能連續(xù)、自動、入計

30、算機主存中，使計算機工作時能連續(xù)、自動、高速地從存儲器中取出一條條指令并執(zhí)行，從而自高速地從存儲器中取出一條條指令并執(zhí)行，從而自動完成預定的任務；即動完成預定的任務；即“存儲程序存儲程序”和和“程序控制程序控制”（簡稱存儲程序控制）的概念。（簡稱存儲程序控制）的概念。n指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器中指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。二、計算機硬件系統(tǒng)二、計算機硬件系統(tǒng)35 馮馮諾伊曼的存儲程序的計算機設(shè)計基本思諾伊曼的存儲程序的計算機設(shè)計基本思想是：想是：n計算機計算機硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由運算

31、器、存儲器、控制器、由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件五大部件組成，并規(guī)定了組成，并規(guī)定了五大部件的基本功能。五大部件的基本功能。n計算機以計算機以運算器運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送通過運算器完成。器之間的數(shù)據(jù)傳送通過運算器完成。二、計算機硬件系統(tǒng)二、計算機硬件系統(tǒng)36二、計算機硬件系統(tǒng)二、計算機硬件系統(tǒng)典型的馮典型的馮. .諾依曼計算機結(jié)構(gòu)框圖（以運算器為中心諾依曼計算機結(jié)構(gòu)框圖（以運算器為中心）輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備運算器運算器存儲器存儲器控制器控制器程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果控制信號

32、控制信號數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線控制線控制線37二、計算機硬件系統(tǒng)二、計算機硬件系統(tǒng)現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)框圖（以存儲器為中心）現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)框圖（以存儲器為中心）輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備存儲器存儲器控制器控制器運算器運算器程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果地址地址指令指令控制信號控制信號數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線控制線控制線38二、計算機硬件系統(tǒng)二、計算機硬件系統(tǒng) 系統(tǒng)總線：包括系統(tǒng)總線：包括地址總線（地址總線（ABAB）、數(shù)據(jù)總線（）、數(shù)據(jù)總線（DBDB）、）、控制總線（控制總線（CBCB）39二、計算機硬件系統(tǒng)二、計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)五大部件計算機硬件系統(tǒng)五大部件n存儲器存儲

33、器 功能：存放指令和數(shù)據(jù)。功能：存放指令和數(shù)據(jù)。操作：操作：I.I.存儲器讀存儲器讀操作：從存儲器取出數(shù)據(jù)，又稱操作：從存儲器取出數(shù)據(jù)，又稱為讀出。為讀出。II.II.存儲器寫存儲器寫操作：向存儲器存放數(shù)據(jù)，又稱操作：向存儲器存放數(shù)據(jù)，又稱為寫入；為寫入；40二、計算機硬件系統(tǒng)二、計算機硬件系統(tǒng)n存儲器存儲器 概念：概念：存儲單元：存儲單元：存儲二進制信息的部件，每個存儲二進制信息的部件，每個單元可以存放單元可以存放一個字一個字或或字節(jié)字節(jié)的信息，存儲器的信息，存儲器就是存儲單元的集合。就是存儲單元的集合。單元地址：單元地址：存儲單元的編號，是區(qū)分存儲存儲單元的編號，是區(qū)分存儲器中不同存儲單元

34、的器中不同存儲單元的唯一唯一標志。標志。41二、計算機硬件系統(tǒng)二、計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)五大部件計算機硬件系統(tǒng)五大部件n運算器運算器功能：在控制器控制下，進行算術(shù)運算和邏功能：在控制器控制下，進行算術(shù)運算和邏輯運算。輯運算。運算器的技術(shù)性能高低直接影響著計算機的運算器的技術(shù)性能高低直接影響著計算機的運算速度和整機性能。運算速度和整機性能。42二、計算機硬件系統(tǒng)二、計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)五大部件計算機硬件系統(tǒng)五大部件n控制器控制器功能：對當前指令進行譯碼分析其所需要完功能：對當前指令進行譯碼分析其所需要完成的操作，產(chǎn)生并發(fā)送各部件所需要的控制成的操作，產(chǎn)生并發(fā)送各部件所需要的控制信號

35、，從而使整個計算機自動、協(xié)調(diào)地工作。信號，從而使整個計算機自動、協(xié)調(diào)地工作?？刂破魇怯嬎銠C的控制指揮部件，也是整個控制器是計算機的控制指揮部件，也是整個計算機的控制中心。計算機的控制中心。43二、計算機硬件系統(tǒng)（五大部件）二、計算機硬件系統(tǒng)（五大部件）計算機硬件系統(tǒng)五大部件計算機硬件系統(tǒng)五大部件n輸入設(shè)備輸入設(shè)備功能：將外界的信息轉(zhuǎn)換為計算機能識別功能：將外界的信息轉(zhuǎn)換為計算機能識別的二進制代碼。輸入設(shè)備是給計算機輸入的二進制代碼。輸入設(shè)備是給計算機輸入信息的設(shè)備。信息的設(shè)備。n輸出設(shè)備輸出設(shè)備功能：將計算機處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們或其功能：將計算機處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們或其他設(shè)備所能接收的形式。他設(shè)備

36、所能接收的形式。44三、計算機軟件系統(tǒng)三、計算機軟件系統(tǒng)1.1.系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件2.2.應用軟件：應用軟件：又稱為應用程序，它是用戶在各自不同又稱為應用程序，它是用戶在各自不同的應用領(lǐng)域根據(jù)具體的任務需要所開發(fā)編制的各種程的應用領(lǐng)域根據(jù)具體的任務需要所開發(fā)編制的各種程序。序。n如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、科學計算程序等等。企業(yè)管理程序、科學計算程序等等。45v 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是指管理、調(diào)度、監(jiān)視和維護計算機系統(tǒng)軟是指管理、調(diào)度、監(jiān)視和維護計算機系統(tǒng)軟硬件資源的程序集合，使系統(tǒng)資源得到合理調(diào)度，確硬件資源的程序集合，使系

37、統(tǒng)資源得到合理調(diào)度，確保高效率運行。保高效率運行。常用的常用的系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語言處理程序語言處理程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理軟件網(wǎng)絡(luò)管理軟件服務性程序服務性程序三、計算機軟件系統(tǒng)三、計算機軟件系統(tǒng)46操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)1.1.操作系統(tǒng)（操作系統(tǒng)（Operating SystemOperating System）的功能：）的功能：n管理計算機系統(tǒng)的各種軟、硬件資源，使其被管理計算機系統(tǒng)的各種軟、硬件資源，使其被高效高效使用使用；n為計算機系統(tǒng)和用戶之間提供接口，為用戶為計算機系統(tǒng)和用戶之間提供接口，為用戶提供方提供方便便。2.2.操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)是直接運行在裸機上的

38、最基本的系統(tǒng)直接運行在裸機上的最基本的系統(tǒng)軟件軟件，是系統(tǒng)軟件的核心，任何其他軟件必須，是系統(tǒng)軟件的核心，任何其他軟件必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運行。在操作系統(tǒng)的支持下才能運行。47語言處理程序語言處理程序v 功能：將高級語言編寫的程序翻譯成計算機能識別和功能：將高級語言編寫的程序翻譯成計算機能識別和執(zhí)行的二進制機器指令，然后供計算機執(zhí)行。又稱為執(zhí)行的二進制機器指令，然后供計算機執(zhí)行。又稱為翻譯程序。翻譯程序。編譯程序：編譯程序：將用將用戶編寫的高級語戶編寫的高級語言程序（源程序言程序（源程序）的全部語句全）的全部語句全部翻譯成機器語部翻譯成機器語言程序，然后再言程序，然后再執(zhí)行機器語言程執(zhí)行

39、機器語言程序序語言處理程序語言處理程序分為兩種分為兩種解釋程序：解釋程序：將源程序?qū)⒃闯绦虻囊粭l語句翻譯成機的一條語句翻譯成機器語言程序，并立即器語言程序，并立即執(zhí)行，接著再翻譯源執(zhí)行，接著再翻譯源程序的下一條語句并程序的下一條語句并執(zhí)行，如此重復直至執(zhí)行，如此重復直至完成源程序的全部翻完成源程序的全部翻譯任務。它的特點是譯任務。它的特點是翻譯一次執(zhí)行一次翻譯一次執(zhí)行一次48計算機語言計算機語言v程序是用某種計算機程序設(shè)計語言按問題的要求編寫而程序是用某種計算機程序設(shè)計語言按問題的要求編寫而成的。是指令的有序集合。成的。是指令的有序集合。計算機計算機語言語言機器語言機器語言匯編語言匯編語言高級

40、語言高級語言機器語言：機器語言：由由0和和1按一定規(guī)則排列組按一定規(guī)則排列組成的一個指令集；成的一個指令集；它是計算機唯一能它是計算機唯一能識別和執(zhí)行的語言識別和執(zhí)行的語言。優(yōu)點是執(zhí)行效率。優(yōu)點是執(zhí)行效率高、速度快。主要高、速度快。主要缺點是直觀性差，缺點是直觀性差，可讀性不強可讀性不強匯編語言匯編語言：用助記符：用助記符來表示機器指令中的來表示機器指令中的操作碼和操作數(shù)的指操作碼和操作數(shù)的指令系統(tǒng)令系統(tǒng) ?？勺x性增強?？勺x性增強，執(zhí)行速度快，但仍，執(zhí)行速度快，但仍是一種面向機器的語是一種面向機器的語言，編制程序的效率言，編制程序的效率不高，難度較大，維不高，難度較大，維護較困難，屬低級語護較

41、困難，屬低級語言言高級語言高級語言：一種更接近于：一種更接近于人類自然語言和數(shù)學語言人類自然語言和數(shù)學語言的語言，用高級語言編寫的語言，用高級語言編寫程序可以大大減少編程人程序可以大大減少編程人員的勞動，因此它也具有員的勞動，因此它也具有較好的可移植性較好的可移植性49三種語言的比較三種語言的比較機器語言機器語言匯編語言匯編語言高級語言高級語言語言構(gòu)成語言構(gòu)成代碼語言代碼語言符號語言符號語言符號語言符號語言與硬件的關(guān)聯(lián)與硬件的關(guān)聯(lián)面向機器面向機器面向機器面向機器面向用戶面向用戶可在硬件上直可在硬件上直接執(zhí)行接執(zhí)行可以可以不可以（需不可以（需要編譯）要編譯）不可以（需不可以（需要編譯）要編譯）運行效率運行效率高高高高低低程序可讀性程序可讀性低低較低較低高高50計算機運行程序的過程計算機運行程序的過程51計算機運行程序的過程計算機運行程序的過程C C語言程序：語言程序：Int i,a100,sum=0;Int i,a100,sum=0;For For （i=0;i=99;i+i=0;i=99;i+） sum+=ai; sum+=ai;匯編語言程序：匯編語言程序：.data.data a DD 1