第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

行1.1計(jì)算機(jī)的概念和功能

行1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

行1.3計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

61.4計(jì)算機(jī)的分類

存1.5計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的里程碑

61.6性能設(shè)計(jì)

行1.7Pentium和PowerPC的進(jìn)展

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1.1計(jì)算機(jī)的概念和功能

6什么是計(jì)算機(jī)

6計(jì)算機(jī)的功能

6計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)

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1.1

>,、什么是計(jì)算機(jī)

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外處

界程序理

信數(shù)據(jù)>結(jié)

息果

計(jì)算機(jī)的概念

1.1

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)

件

硬

算r計(jì)算機(jī)的實(shí)體

機(jī)

I

系Y:如主機(jī)、外設(shè)等

1

統(tǒng)

<軟件由具有各類特殊功能

的信息（程序）組成

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二、計(jì)算機(jī)的功能1.1

操作環(huán)境

1.1

:、計(jì)算機(jī)的功能

?數(shù)據(jù)處理

?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

?數(shù)據(jù)傳送

?操作控制

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1.1

:、計(jì)算機(jī)的功能

1數(shù)據(jù)處理

，多種數(shù)據(jù)形式

/多種處理要求

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傳送

存儲(chǔ)

傳送

控制

存儲(chǔ)處

1.1

:、計(jì)算機(jī)的功能

2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

,必要性

，臨時(shí)存儲(chǔ)

,長(zhǎng)期存儲(chǔ)

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傳送

存儲(chǔ)

傳送

控制

存儲(chǔ)

傳送

控制

存儲(chǔ)處

《二、計(jì)算機(jī)的功能1'1

*―3數(shù)據(jù)傳送

/外圍設(shè)備

/遠(yuǎn)程設(shè)備

/輸入/輸出（I/O）

/數(shù)據(jù)通信

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傳送

控制

（處理

存儲(chǔ)

傳送

存儲(chǔ)

傳送

控制

存儲(chǔ)

傳送

控制

存儲(chǔ)處

1.1

:、計(jì)算機(jī)的功能

4操作控制

計(jì)算機(jī)控制的主體是

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1.1

三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器M3

匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)器M2

操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器

、f

機(jī)器語(yǔ)言實(shí)際機(jī)器Ml

微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器M0

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1.1

用編譯程序翻譯

虛擬機(jī)器M4

成匯編語(yǔ)言程序

■、，

用匯編程序翻譯

虛擬機(jī)器M3

成機(jī)器語(yǔ)言程序

軟_______33

件I虛擬機(jī)器MT用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)

、，

硬實(shí)際機(jī)器Ml用微指令解釋機(jī)器指令

件“

微程序機(jī)器M0

由硬件直接執(zhí)行微指令

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1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

計(jì)

件

硬

算計(jì)算機(jī)的物理實(shí)體

機(jī)

系如主機(jī)、外設(shè)等

統(tǒng)

軟件由具有各類特殊功能的信息（程

序）組成，軟件是各種程序和相

關(guān)資料的總稱。

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1.2

、硬件結(jié)構(gòu)

,計(jì)算機(jī)與外部環(huán)境

,計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

/計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)

,硬件組件

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外圍設(shè)備^通信線路

/計(jì)算機(jī)

,?存儲(chǔ)1

\?處理7

計(jì)算機(jī)與外部環(huán)境

外

圍

設(shè)

備

構(gòu)

計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)

I-----------------------------1I-------------------------------------r設(shè)備設(shè)備

：ALU：1控制器;

HMBI^BB^BBII^HiMBJ

K,n1

系總線

計(jì)算機(jī)的組成總線結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)的組成總線結(jié)構(gòu)

1.2

硬件組件

?CPU=運(yùn)算器+控制器

?內(nèi)存儲(chǔ)器

AI/O接口和外圍設(shè)備

A系統(tǒng)總線

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A2

運(yùn)算器U

幾LU

cUCP

控制器主機(jī)

個(gè)

主

J存

件

硬

輔

L存>

概存儲(chǔ)器

念I(lǐng)

輸入設(shè)備/0

輸出設(shè)備

I/O

ComputerSystemComponents

Input/Output

(Serial.USB)

Mtmitor

1.2

:、計(jì)算機(jī)軟件

/軟件

/分類

/程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

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匚2算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

程序員可見的屬

性，這些屬性直接影響

程序的邏輯執(zhí)行。

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《這些屬性包括:

/指令率統(tǒng)

/數(shù)據(jù)主型及格式

/內(nèi)存訪問(wèn)技術(shù)

/I/O機(jī)制

/程序可用寄存器

/性能的改進(jìn)

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1.3計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

:、計(jì)算機(jī)組織

部件的構(gòu)造及相互

連接，是對(duì)程序員透明

的硬件細(xì)節(jié)。

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計(jì)算機(jī)組織研究的內(nèi)容

/控制信號(hào)

/接口技術(shù)

,各模塊的實(shí)現(xiàn)

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1.3計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

:、組織與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

/結(jié)構(gòu)相同，組織可以不同。

,系列計(jì)算機(jī)具有相同的結(jié)構(gòu)。

/微型計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)關(guān)

系緊密。

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1.3計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

四、發(fā)展趨勢(shì)

組織與結(jié)構(gòu)關(guān)系越來(lái)越緊密

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1.4計(jì)算機(jī)的分類

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分類原則類型

組成及機(jī)械計(jì)算機(jī)、機(jī)電計(jì)算機(jī)

實(shí)現(xiàn)電子計(jì)算機(jī)

處理的量模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)

功能通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)

巨型機(jī)（超級(jí)計(jì)算機(jī)）

規(guī)模和

大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、

功能

工作站、微型機(jī)、單片機(jī)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)SISD、SIMD、MISD、MIMD

SingleInstructionStreamSingleDataStream

IS

IS：指令流CU:控制部件

cs：控制流MM：數(shù)存儲(chǔ)部件

DS:數(shù)據(jù)流PU：處理部件

SingleInstructionStreamMultipleDataStream

IS

'PUiMMi

CS

cu'PU2MM2

is指令流'PUn.MMn

cs控制流

DS數(shù)據(jù)流PU處理部件

cu控制部件MM主存儲(chǔ)器

MultipleInstructionStreamSingleDataStream

DS

IS指令流

cs控制流

DS數(shù)據(jù)流

PU處理部件

CU控制部件

MM主存儲(chǔ)器

DS

MultipleInstructionStreamMultipleDataStream

IS指令流DS數(shù)據(jù)流CU控制部件

CS控制流PU處理部件MM主存儲(chǔ)器

《研究?jī)?nèi)容

通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)

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高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器M3

匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)器M2

操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器

機(jī)器語(yǔ)言實(shí)際機(jī)器Ml

微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器M0

1.5計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的里程碑

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按硬件技術(shù)進(jìn)步劃分各代

電子管：1946?1958

分立晶體管：1958?1964

IC:1964?…

——SSI/MSI:1964?1974

——LS1/VLS1:1974?1990

——USI/GSI:1990-...

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一一分74?90

電立

64?7490?

子晶

_SSI_LSI_ULSI

管-體

MSIVLSIGSI

V-----------------------------------J

管----------------V----------------

IC

58?64

I第一代：電子管

W-----------------

1946-1958

1ENIAC

2IAS

3計(jì)算機(jī)工業(yè)IBM

4新技術(shù)

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電子管

/結(jié)構(gòu)：導(dǎo)線、金屬片、玻璃外殼、真空環(huán)境組成

/管腳數(shù)：6或更多個(gè)

/功耗：幾個(gè)瓦特

晶體管

A結(jié)構(gòu)：由硅制成的固態(tài)器件

?管腳數(shù)：3個(gè)管腳（3個(gè)級(jí)）

?功耗：幾百毫瓦

》可靠性：平均無(wú)故障時(shí)間是電子管的若干倍

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世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC(1946)

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1946年美國(guó)ENIAC1955年退役

十進(jìn)制運(yùn)算

18000多個(gè)電子管

1500多個(gè)繼電器

150千瓦

30噸

1500平方英尺

5000次加法/秒

用手工搬動(dòng)開關(guān)和拔插電纜來(lái)編程

EckertandMauchly

IAS計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

第一臺(tái)vonNeumann系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)2d

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馮?諾依曼計(jì)算機(jī)

A程序存儲(chǔ)

A二進(jìn)制運(yùn)算

新技術(shù)

/磁芯存儲(chǔ)器

/計(jì)算機(jī)圖形

/中斷

/微程序

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,第二代：分立晶體管

W-----:------

1958-1964

1晶體管的優(yōu)點(diǎn)

2IBM7090,IBM7094

3計(jì)算機(jī)工業(yè)DEC

4新技術(shù)

西北工業(yè)大學(xué)一一王麗芳

晶體管

，1947在Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明

/1958大量生產(chǎn)，用于商業(yè)

，19641c技術(shù)成熟，分立晶體管的生命周期結(jié)束

電子管（真空管）晶體管

/結(jié)構(gòu)：導(dǎo)線、金屬片、玻璃外殼?結(jié)構(gòu)：由硅制成的固態(tài)器件

真空環(huán)境組成?管腳數(shù)：3個(gè)管腳（3個(gè)級(jí)）

/管腳數(shù)：6或更多個(gè)?功耗：幾百毫瓦

/功耗：幾個(gè)瓦特?可靠性：平均無(wú)故障時(shí)間是電子管的若干倍

工業(yè)大學(xué)一一王麗芳

晶體管

1947在Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明一

1958大量生產(chǎn)，用于商業(yè)

19641c技術(shù)成熟，分立晶體管的生命周期結(jié)束

晶體管計(jì)算機(jī)

?體積I?體積I

?價(jià)格I?速度T

?功耗I?存儲(chǔ)容量t

?發(fā)熱I?功能更強(qiáng)f

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磁帶機(jī)

卡片穿孔機(jī)

CPU數(shù)據(jù)通道

行式打印機(jī)

多卡片閱讀機(jī)

路

磁鼓

器

數(shù)據(jù)通道

磁盤

數(shù)據(jù)通道磁盤

存儲(chǔ)器超小型磁帶機(jī)

數(shù)據(jù)通道電傳設(shè)備

IBM7094

新技術(shù)

,數(shù)據(jù)通道

/多路開關(guān)

/高級(jí)語(yǔ)言

/系統(tǒng)軟件

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第三代：IC(SSI/MSI)

1964-1974

1集成電路de)

2IBMSystem360

3計(jì)算機(jī)工業(yè)PDP-8

4新技術(shù)

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IBMSystem/3602.1

西北工業(yè)大學(xué)一一王麗芳

DECPDP-8

4新技術(shù)

系列計(jì)算機(jī)

磁盤驅(qū)動(dòng)器

多道程序

分時(shí)多用戶系統(tǒng)

總線技術(shù)

OEM（原是設(shè)備制造商）

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第四代：微處理器

1974?1990

1Intel8080...

2Intel80x86

3計(jì)算機(jī)工業(yè)(PC)

4新技術(shù)

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IntelMPU的發(fā)展演變

/70年代的MPU

/80年代的MPU

/90年代的MPU

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70年代40048008808080868088

19711972197419781979

推出

1101010801

時(shí)間

1504040606

5MHz

時(shí)鐘10810825MHz

8MHz

頻率KHzKHzMHz8MHz

10MHz

數(shù)^^總線488168

寬度bitsbitsbitsbitsbits

晶體管

2,3006,00029,00029,000

數(shù)目3,500

(microns)(10)(6)(3)(3)

可尋址640166411

空間bytesKbytesKbytesMbytesMbytes

Intel386TMIntel386TMInte486TM

80286

80年代DXMPUSXMPUDXMPU

推出1982198519881989

時(shí)間02/0110/1706/1604/10

時(shí)鐘6MHz-6MHz-16MHz-25MHz

頻率12.5MHz33MHz33MHz50MHz

DB16bits32bits16bits32bits

晶體管

134,000275,000275,0001.2million

數(shù)目

(1.5)(1)(1)(0.8—1)

(microns)

可尋址

16MB4GB4GB4GB

空間

1GB64TB64TB64TB

存儲(chǔ)器

90年代Inte486TMSXPentiumPentiumProPentium