第1周小課 計算機系統(tǒng)概論

1、回 顧計算機的分類 模擬計算機 / 數(shù)字計算機 單片機 / 微型機 / 工作站 / 服務(wù)器 / 大型機現(xiàn)代計算機的發(fā)展簡史 電子管 、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路教學(xué)內(nèi)容 1.3 計算機硬件 1.4 計算機軟件 1.5 計算機層次結(jié)構(gòu)教學(xué)要求掌握計算機的主要性能指標(biāo)。掌握計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機組成的概念。熟練掌握馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，計算機硬件的五個主要部分。了解計算機軟件的組成與分類。計算機的性能指標(biāo)吞吐量: 表征一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）。響應(yīng)時間: 表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時間度量，用時間單位來度量， 例如微秒（10-6

2、s）、納秒（10-9s）。計算機的性能指標(biāo)利用率: 表示在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，一般用百分比表示。處理機字長: 指處理機運算器中一次能夠完成二進制數(shù)運算的位數(shù)。當(dāng)前處理機的字長有8位、16位、32位、64位。字長越長，表示計算的精度越高。計算機的性能指標(biāo)總線寬度: 一般指CPU中運算器與存儲器之間進行互連的內(nèi)部總線二進制位數(shù)。存儲器容量: 存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。 其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1個字節(jié)）。 存儲器容量越大，記憶的二進制數(shù)越多。 計算機的性能指標(biāo)存儲器帶寬: 存儲器的速度指標(biāo)，

3、單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。 主頻/時鐘周期:CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機為60MHz266MHz，而Pentium 4則升至。 計算機的性能指標(biāo)主頻的倒數(shù)稱為: CPU時鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。CPU執(zhí)行時間：表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間，可用下式計算：CPU執(zhí)行時間 CPU時鐘周期數(shù) CPU時鐘周期長計算機的性能指標(biāo)CPI:表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。用下式

4、計算：MIPS：是單位時間內(nèi)的執(zhí)行指令數(shù)，所以MIPS值越高說明機器速度越快。計算機的性能指標(biāo)程序執(zhí)行時間Te為： MFLOPS：表示每秒百萬次浮點操作次數(shù)，用來衡量機器浮點操作的性能，該技術(shù)指標(biāo)一般在超級計算機中使用。 計算機的性能指標(biāo)1.3 計算機的硬件一、硬件組成要素通過一個例子我們來了解數(shù)字計算機的主要組成和工作原理。假設(shè)給一個算盤、一張帶有橫格的紙和一支筆，要求我們計算y=ax+b-c這樣一個題目。解題步驟和數(shù)據(jù)記錄在橫格紙上，請看過程。1.3 計算機的硬件1.3 計算機的硬件二、數(shù)字計算機基本組成控制器：人的大腦的操作控制功能運算器：人的大腦的計算功能存儲器：人的大腦記憶功能輸入設(shè)

5、備：交互接口，筆輸出設(shè)備：交互接口，紙1.3 計算機的硬件三、馮諾依曼型計算機 存儲程序按地址自動執(zhí)行 五大部件：包括控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以運算器為中心1.3 計算機的硬件馮諾依曼型計算機存儲器輸出輸入運算器控制器數(shù)據(jù)信號控制信號地址信號1.3 計算機的硬件四、運算器算術(shù)運算和邏輯運算在計算機中參與運算的數(shù)是二進制的運算器的長度一般是8、16、32或64位1.3 計算機的硬件五、存儲器存儲數(shù)據(jù)和程序（指令）容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存存儲器單位：210 1K210 K1M210 M1G210 G1T1.3 計算機的硬件六、控制器

6、指令和程序:指令的形式（操作和地址碼、存儲程序的概念、指令中程序和數(shù)據(jù)的存放、指令系統(tǒng)）指令和數(shù)據(jù)存儲1.3 計算機的硬件七、控制器的基本任務(wù)控制器的基本任務(wù)：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。取指周期和執(zhí)行周期控制器完全可以區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字。一般來講，取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；而在執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器。1.3 計算機的硬件八、適配器與I/O設(shè)備輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器設(shè)備所能接收和識別的信息形

7、式適配器：它使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機進行聯(lián)系，以便使主機和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作總線：構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。總之，現(xiàn)代電子計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。這也是人們常說的計算機硬件。1.4 計算機的軟件一、軟件的組成與分類計算機軟件相對計算機硬件來說是看不見，是計算機系統(tǒng)中不可少的無形部件。主要有兩大類：系統(tǒng)軟件：用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途。它包括以下四類：各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯程序、練習(xí)程序等語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等

8、操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序，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、情報檢索程序、科學(xué)計算程序等1.4 計算機的軟件二、軟件的發(fā)展演變編程語言的發(fā)展手編程序：機器語言程序，手工編譯二進制碼匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編高級程序：算法語言/高級語言，機器編譯程序/解釋程序系統(tǒng)軟件的發(fā)展操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)軟件1.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一、多級計算機系統(tǒng) 計算機不能簡單地認(rèn)為是一種電子設(shè)備，而是一個十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體。它通常由五個以上不同的級組成，每一級都能進行程序設(shè)計，如圖所示。1.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、五

9、級計算機層次系統(tǒng)第一級是微程序設(shè)計級。這是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級上運行應(yīng)用程序。第二級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。這一級也是硬件級。第三級是操作系統(tǒng)級，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。1.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二、五級計算機層次系統(tǒng)第四級是匯編語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫時，則機器必須要有這一級的功能；

10、如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。第五級是高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。1.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)三、軟件與硬件邏輯等價性隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)的軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因為任何操作可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。任何操作可以由軟件來實現(xiàn)也可以有硬件來實現(xiàn)（設(shè)計計算機系統(tǒng)時，應(yīng)考慮各個方面的因素：價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期）實體硬件機功能的擴大固件的概念（功能上是軟件，形態(tài)上是硬件）計算機體系結(jié)構(gòu)計算機體系結(jié)構(gòu)：是指程序員所看到的機器的屬性，即機器的概念性結(jié)構(gòu)和功能表現(xiàn)。 程序員主要是指匯編程序員。同一廠家生產(chǎn)的具有相同計算機體系結(jié)構(gòu)的計算機被稱為系列計算機，簡稱系列機。 計算機組成 計算機組成：是計算機體系結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。一種計算機體系結(jié)構(gòu)可以有多種不同的計算機組成。 計算機實現(xiàn)：是計算機組成的物理實現(xiàn)。一種計算機