第1章計算機系統(tǒng)概述

1計算機系統(tǒng)概述

行1.1計算機的概念和功能

行1.2計算機系統(tǒng)組成

行1.3計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

61.4計算機的分類

存1.5計算機發(fā)展史上的里程碑

61.6性能設(shè)計

行1.7Pentium和PowerPC的進(jìn)展

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1.1計算機的概念和功能

6什么是計算機

6計算機的功能

6計算機的層次結(jié)構(gòu)

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1.1

>,、什么是計算機

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外處

界程序理

信數(shù)據(jù)>結(jié)

息果

計算機的概念

1.1

計算機系統(tǒng)

計

件

硬

算r計算機的實體

機

I

系Y:如主機、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、計算機的功能1.1

操作環(huán)境

1.1

:、計算機的功能

?數(shù)據(jù)處理

?數(shù)據(jù)存儲

?數(shù)據(jù)傳送

?操作控制

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1.1

:、計算機的功能

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

傳送

控制

存儲處

1.1

:、計算機的功能

2數(shù)據(jù)存儲

,必要性

，臨時存儲

,長期存儲

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傳送

存儲

傳送

控制

存儲

傳送

控制

存儲處

《二、計算機的功能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

傳送

存儲

傳送

控制

存儲

傳送

控制

存儲處

1.1

:、計算機的功能

4操作控制

計算機控制的主體是

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1.1

三、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

高級語言虛擬機器M3

匯編語言虛擬機器M2

操作系統(tǒng)虛擬機器

、f

機器語言實際機器Ml

微指令系統(tǒng)微程序機器M0

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1.1

用編譯程序翻譯

虛擬機器M4

成匯編語言程序

■、，

用匯編程序翻譯

虛擬機器M3

成機器語言程序

軟_______33

件I虛擬機器MT用機器語言解釋操作系統(tǒng)

、，

硬實際機器Ml用微指令解釋機器指令

件“

微程序機器M0

由硬件直接執(zhí)行微指令

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1.2計算機系統(tǒng)組成

計

件

硬

算計算機的物理實體

機

系如主機、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)

,計算機與外部環(huán)境

,計算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

/計算機總線結(jié)構(gòu)

,硬件組件

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外圍設(shè)備^通信線路

/計算機

,?存儲1

\?處理7

計算機與外部環(huán)境

外

圍

設(shè)

備

構(gòu)

計算機內(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

計算機的組成總線結(jié)構(gòu)

計算機的組成總線結(jié)構(gòu)

1.2

硬件組件

?CPU=運算器+控制器

?內(nèi)存儲器

AI/O接口和外圍設(shè)備

A系統(tǒng)總線

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A2

運算器U

幾LU

cUCP

控制器主機

個

主

J存

件

硬

輔

L存>

概存儲器

念I(lǐng)

輸入設(shè)備/0

輸出設(shè)備

I/O

ComputerSystemComponents

Input/Output

(Serial.USB)

Mtmitor

1.2

:、計算機軟件

/軟件

/分類

/程序設(shè)計語言

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匚2算機組成與系統(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)存訪問技術(shù)

/I/O機制

/程序可用寄存器

/性能的改進(jìn)

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1.3計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

:、計算機組織

部件的構(gòu)造及相互

連接，是對程序員透明

的硬件細(xì)節(jié)。

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計算機組織研究的內(nèi)容

/控制信號

/接口技術(shù)

,各模塊的實現(xiàn)

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1.3計算機組成與系統(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。

,系列計算機具有相同的結(jié)構(gòu)。

/微型計算機組織與結(jié)構(gòu)關(guān)

系緊密。

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1.3計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

四、發(fā)展趨勢

組織與結(jié)構(gòu)關(guān)系越來越緊密

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1.4計算機的分類

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分類原則類型

組成及機械計算機、機電計算機

實現(xiàn)電子計算機

處理的量模擬計算機、數(shù)字計算機

功能通用計算機、專用計算機

巨型機（超級計算機）

規(guī)模和

大型機、中型機、小型機、

功能

工作站、微型機、單片機

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主存儲器

《研究內(nèi)容

通用電子數(shù)字計算機

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高級語言虛擬機器M3

匯編語言虛擬機器M2

操作系統(tǒng)虛擬機器

機器語言實際機器Ml

微指令系統(tǒng)微程序機器M0

1.5計算機發(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計算機工業(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

/功耗：幾個瓦特

晶體管

A結(jié)構(gòu)：由硅制成的固態(tài)器件

?管腳數(shù)：3個管腳（3個級）

?功耗：幾百毫瓦

》可靠性：平均無故障時間是電子管的若干倍

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世界上第一臺電子計算機ENIAC(1946)

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1946年美國ENIAC1955年退役

十進(jìn)制運算

18000多個電子管

1500多個繼電器

150千瓦

30噸

1500平方英尺

5000次加法/秒

用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程

EckertandMauchly

IAS計算機結(jié)構(gòu)

第一臺vonNeumann系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機2d

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馮?諾依曼計算機

A程序存儲

A二進(jìn)制運算

新技術(shù)

/磁芯存儲器

/計算機圖形

/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

2IBM7090,IBM7094

3計算機工業(yè)DEC

4新技術(shù)

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晶體管

，1947在Bell實驗室發(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個管腳（3個級）

/管腳數(shù)：6或更多個?功耗：幾百毫瓦

/功耗：幾個瓦特?可靠性：平均無故障時間是電子管的若干倍

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晶體管

1947在Bell實驗室發(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

晶體管計算機

?體積I?體積I

?價格I?速度T

?功耗I?存儲容量t

?發(fā)熱I?功能更強f

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磁帶機

卡片穿孔機

CPU數(shù)據(jù)通道

行式打印機

多卡片閱讀機

路

磁鼓

器

數(shù)據(jù)通道

磁盤

數(shù)據(jù)通道磁盤

存儲器超小型磁帶機

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)

/高級語言

/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計算機工業(yè)PDP-8

4新技術(shù)

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IBMSystem/3602.1

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DECPDP-8

4新技術(shù)

系列計算機

磁盤驅(qū)動器

多道程序

分時多用戶系統(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計算機工業(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

時間

1504040606

5MHz

時鐘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

時間02/0110/1706/1604/10

時鐘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

存儲器

90年代Inte486TMSXPentiumPentiumProPentium