计算机系统概论 (2)优秀PPT.ppt

计算机系统概论现在学习的是第1页，共46页美国宾夕法尼亚大学莫尔学院电机系莫克利教授（JWMauchly）和他的学生艾克特（JPEckert）及同事共同研制的。它采用十进制运算；共使用18000多个电子管；1500个继电器；运行时耗电150kw；占地面积约140平方米，重30吨；每秒可以完成5000多次加法运算和50次乘法运算，可以进行平方和立方运算以及sin和cos函数运算；从诞生到1955年10月2日10年间共运行了80223个小时。现在学习的是第2页，共46页1第一代电子计算机第一代计算机为电子管计算机（19461957）。它是将电子管和继电器存储器用绝缘导线互连在一起，由单个CPU组成；CPU用程序计数器和累加器完成定点运算，采用机器语言或汇编语言，用CPU程序控制I/O设备。软件一词尚未出现其特点是：体积大，速度慢（104/S每秒钟运算次数，下同），功耗大，存储器容量小。典型产品有：ENIAC、IAS、IBM701。现在学习的是第3页，共46页2第二代电子计算机第二代计算机为晶体管计算机（19581964）。它采用晶体管组成更复杂的算术逻辑部件和控制单元，存储器由磁芯构成；实现了浮点运算，并且提出了变址、中断、I/O处理等新概念；软件也得到了发展，出现了高级语言编程，为计算机提供了系统软件；其特点是：同第一代计算机相比，第二代晶体管计算机体积小，速度快（105/S），功耗低，可靠性高。典型产品有IBM7094、CDC1604、DEC公司的PDP-1计算机。现在学习的是第4页，共46页3第三代电子计算机第三代计算机为小、中规模集成电路计算机（19651971）。单个封装的晶体管称分立元件，分立元件分开制造，封装在自己的容器中，然后再焊接到电路板上。第二代早期计算机大约包含10000个晶体管，后来达数十万。集成电路制造技术是利用光刻技术把晶体管、电阻、电容等构成的单个电路制作在一块芯片上。使用集成电路制造的电子计算机称集成电路计算机。现在学习的是第5页，共46页这期间，因受半导体制造技术的限制，集成电路的规模较小，被称为小规模集成电路SSI（smallscaleintegration）、中规模集成MSI(middlescaleintegration)。其主要特点是：第三代计算机开始采用微程序控制、流水线、高速缓存、虚拟存储器、先行处理技术等。软件采用多道程序设计和分时操作系统。典型产品有IBM的System/386和DEC公司的PDP-8等。现在学习的是第6页，共46页4第四代电子计算机第四代计算机为大规模、超、甚大规模集成电路计算机（1972）。随着大规模集成电路与微处理技术的长足进步，大规模LSI(largescaleintegration)、超大规模SLSI(superlargescaleintegration)、极大规模ULSI(ultralargescaleintegration)和甚大规模VLSI(verylargescaleintegration)集成电路成为计算机的主要部件。特点：计算机的运行速度越来越快，并行处理技术的研究与应用以及众多巨型机产生是这个阶段的一大特点。现在学习的是第7页，共46页另一个特点就是计算机网络的发展及广泛应用，20世纪90年代计算机与通信技术的高速发展与密切结合，掀起了网络热。大量计算机通过互联网相联，这就大大地扩展和加速了信息的流通，增强了社会的协调与合作能力，使计算机的应用方式由个人计算方式向分布式和群集式计算发展。另外，随着后PC时代的到来，消费电子、计算机、通信（consumption、computer、communications，简称3C）一体化趋势日趋明显，数字化社会的呼声使嵌入式系统（embeddedSystem）日益受到市场和厂家的关注，嵌入式设备越来越普及。软件技术也得到了极大发展，高级程序编程、网络操作系统、个人计算机操作系统、网络数据库技术都得到了极大发展。多进程和多线程编程以及软件工程越来越受到人们的重视。现在学习的是第8页，共46页5新一代计算机目前计算机技术仍然使用硅组成的半导体器件，计算机的基本结构仍然遵循冯诺依曼(JohnVonNeumann)结构体系。必须根据一定的算法编写程序，并以文件的形式存储程序，然后通过执行程序来完成对信息的处理和加工。新一代计算机正寻求速度更快，功能更强的全新元器件，如神经元、生物芯片、超导材料、如神经元、生物芯片、超导材料、量子芯片等量子芯片等。计算机的基本结构试图突破冯诺依曼结构体系（指令驱动的串行计算机，对现实世界中的大量并行处理具有先天不足）,以自然语言为计算机的逻辑推理语言，使计算机更具有智能化。现在学习的是第9页，共46页第1章计算机系统概论113微处理器的发展在计算机发展过程中有两项技术对计算机发展起了重要作用：微处理器技术微处理器技术和半导体存储器半导体存储器技术技术。早期存储器采用的是铁磁环，1970年仙童（Fairchild）公司利用集成电路技术生产出第一个半导体存储器芯片（256位二进制信息）。从1970年开始半导体内存从1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB发展到256MB、512MB等，速度也越来越快。这为运行大规模软件提供了物质基础。现在学习的是第10页，共46页微处理器的发展使得计算机的功能越来越强，速度越来越快。PC机的微处理器也形成了两大生产厂家：Intel和AMD公司。Intel公司主要CPU的性能表。CPU的主频已达到4G，线宽也突破了0.09um。64位双核心CUP也已商业化。现在学习的是第11页，共46页年代年代芯片名芯片名集成度集成度（晶体管）（晶体管）主主频时钟频时钟(MHz)(MHz)线宽线宽（umum）数据数据总线总线（位）（位）地址地址总总线线（位）（位）1971197140044004200020002 22 24 41974197480808080800080004 41.51.58 8202019781978808680863 3万万58581.51.5161620201984198480286802861313万万101011.511.5161624241985198580386803862727万万333311.511.532323232198919898048680486100100万万354035401 13232323219931993Pentium586Pentium586300300万万60150601500.60.664(3264(32位位处处理器理器)323219951995Pentium ProPentium Pro550550万万1502001502000.60.664(3264(32位位处处理器理器)323219971997PP750750万万3004503004500.350.3564(3264(32位位处处理器理器)323219991999PP800800万万600100060010000.250.2564(3264(32位位处处理器理器)323220002000PP10001000万万1.4G1.4G0.180.1864(3264(32位位处处理器理器)3232现在学习的是第12页，共46页第1章计算机系统概论12计算机系统的组成一个完整的计算机系统包括硬件和软件两部分。硬件部分：硬件是构成计算机的所有物理部件的集合，是能看得到的物理实体。软件部分：是指运行、维护、管理以及应用计算机所编制的所有程序的总和。现在学习的是第13页，共46页1.2计算机系统的组成计计算算机机系系统统硬件系统软件系统主 机外部设备应用软件系统软件运算器控制器存贮器外存贮器输入设备输出设备操作系统语言处理程序数据库管理系统专用应用软件通用应用软件现在学习的是第14页，共46页软件必须在硬件的支持下才能运行。软件的作用在计算机系统中越来越重要。我们把没有软件的计算机称为“裸机”。硬件是计算机系统的物质基础是计算机的躯体，软件是计算机的头脑和灵魂，只有将两者有效地结合起来，计算机系统才能有生命力，整个计算机系统的好坏，取决于软硬件功能的总和。现在学习的是第15页，共46页121计算机硬件系统为了告诉计算机做什么事、按什么步骤去做，需要事先编制程序，并把编好的程序和原始数据预先存入计算机的主存储器中。计算机在工作时连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并加以执行。存储程序的概念最早是由美籍匈牙利数学家冯诺依曼于1946年提出的。其基本思想是：现在学习的是第16页，共46页采用二进制形式表示数据和指令；采用存储程序的工作方式；由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大功能部件组成计算机硬件系统，并规定了这五部分的基本功能。计算机的硬件组成框图现在学习的是第17页，共46页控制器控制器存储器存储器运算器运算器输出设备输出设备输入设备输入设备控制流控制流数据流数据流现在学习的是第18页，共46页冯诺依曼计算机的这种工作方式，称为指令（控制流）驱动方式，即按照指令的执行序列，依次读取指令，根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。这种计算机从根本上讲是采取串行顺序处理机制、逐条执行指令的单处理机结构体系。在现实世界中，某一问题只要可以找出解决该问题的相应算法，就可以编制有效的计算程序，该问题就可以在计算机上解决。半个多世纪来计算机技术发生了很大的变化，但计算机的基本组成仍然遵循冯诺依曼计算机的结构体系。现在学习的是第19页，共46页1控制器控制器是计算机的核心部件，它指挥计算机各部件自动、协调地工作，即控制计算机自动执行程序。控制器的核心部件是控制单元CU（ControlUnit），它产生计算机工作时需要的各种控制信号。除了控制单元，控制器还包括：（1）程序计数器PC（ProgramCounter）也称指令指针IP（InstructionPointer）。用来存放将要执行的下一条指令的地址，除非遇到转移指令，否则，CPU在每次从内存取出指令之后，总是自动地将PC加上一个增量，指向下一条要执行指令的地址，这就保证了程序自动连续地运行。现在学习的是第20页，共46页（2）指令寄存器IR（InstructionRegister）从内存中读出的指令存放在IR中，然后由指令译码器进行译码，产生执行该指令的控制信号。（3）指令译码器ID（InstructionDecode）和控制单元CU（ControlUnit）对IR中的指令进行译码，产生执行该指令的各种微操作命令序列，用于控制所有的被控对象，完成指令的功能。现在学习的是第21页，共46页2运算器主要由算术逻辑运算单元ALU（ArithmeticLogicUnit）等组成，用来完成对信息的加工和处理（算术运算和逻辑运算）。早期控制器和运算器是分开制造的，现在已经把它们集成在一个芯片上，这个芯片就是CPU。如Intel公司80 x系列的8086/8088/80286/80386/80486/Pentium(80586)/PentiumPro/Pentium/Pentium/Pentium等。AMD公司的Athlon系列、Duron系列等。现在学习的是第22页，共46页3主存储器（MainMemory）主存储器又称内存，用来存放程序和数据，可以与CPU直接交换信息。将CPU和主存储器合在一起就是我们常说的主机。4输入设备输入设备以某种形式接受数据和指令，并将其转换成计算机可以识别的机器码，供计算机处理。常用的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪等。现在学习的是第23页，共46页5输出设备输出设备将计算机处理的结果转换为人们可以识别或其它计算机可以接收的形式。常用的输出设备有显示器，打印机等。输入设备和输出设备统称为外部设备，简称外设。五大功能部件通过总线将它们连接在一起。PC机现在学习的是第24页，共46页123计算机软件系统仅有硬件的计算机我们称之为“裸机”，可以说是毫无用途的，只有配上相应的软件，计算机才能工作。软件是所有程序的总称。计算机刚问世时，并没有建立软件概念，随着计算机的发展及应用范围的扩大，才逐渐形成了软件系统。计算机软件系统通常可以分为两大类：系统软件和应用软件。现在学习的是第25页，共46页1系统软件系统软件又称系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确保系统高效运行。系统软件主要包括：操作系统、语言处理程序、标准程序库、服务性程序、数据库管理系统、网络软件。（1）操作系统操作系统是系统软件的核心，它的作用是管理计算机系统的各种软硬件资源，为用户使用计算机提供操作接口，方便用户使用。如DOS；UNIX；Windows98/2000/xp；Linux等都是操作系统。现在学习的是第26页，共46页（2）语言处理程序语言处理程序是为翻译计算机的各种语言而设置的一组程序。计算机只能识别“0”和“1”组成的机器码，为了提高编程效率，程序设计人员往往采用高级语言或汇编语言编程，计算机在执行这种程序时必须先把它翻译成计算机可以识别的机器语言，语言处理程序就是承担这样的工作。常用的有汇编程序；编译程序和解释程序。（3）标准程序库标准程序库是系统事先配置的一些通用的、优化的标准子程序，供用户编程时调用。现在学习的是第27页，共46页（4）服务性程序服务性程序（也即工具软件）是为了帮助用户使用与维护计算机提供服务性手段而编制的一类程序。一般指程序的输入与装配程序、编辑工具、调试工具、诊断程序以及可供调用的通用性应用软件。如文字处理软件、表格处理软件、图像处理软件。由于操作系统发展趋势是将内核做得精炼紧凑，因此，这些服务程序往往作为操作系统可调用的文件存在。用户视需要而选取或扩充，也可将它们视为操作系统可扩充的外壳。现在学习的是第28页，共46页（5）数据库管理系统数据库和数据库管理软件一起组成了数据库管理系统。（6）网络软件负责对网络资源的管理和组织，实现连接在网络中各计算机之间的通信。2应用软件应用软件又称应用程序，它是计算机用户在各自的应用领域中开发和使用的程序，是用户使用计算机来解决某一具体问题而编写的程序。现在学习的是第29页，共46页3软件的发展早期的计算机只有机器语言，用户必须用二进制码表示的机器语言编写程序，工作量大，容易出错，而且对程序员的要求很高，要求他们对计算机的硬件和指令系统有正确和深入地理解，并有熟练的编程技巧，只有少数专家才能达到此要求。为了方便记忆，将“0”“1”序列表示的机器语言用一组符号来表示（又称为助记符），这就形成了汇编语言。现在学习的是第30页，共46页汇编语言程序的大部分语句是与机器指令一一对应的，汇编语言的语法、语义结构仍然和机器语言基本一样，与人的传统解题方法相差甚远，经过人们的努力又出现了面向计算的高级语言，如VB，C语言等。随着计算机语言的发展，对计算机系统资源的管理、方便用户对计算机的使用和操作也越来越得到重视，这样操作系统也开始得到迅速的发展。现在学习的是第31页，共46页13计算机的应用计算机之所以能得到迅速发展，其生命活力源于它的广泛应用。目前，计算机的应用范围几乎涉及到人类社会的各个领域：从国民经济各部门到个人家庭生活，从军事部门到民用部门，从科学教育到文化艺术，从生产领域到消费娱乐，无处没有计算机的踪迹。计算机的应用主要可以归纳为以下几个方面：1科学计算2自动控制3数据处理现在学习的是第32页，共46页4计算机辅助设计计算机辅助制造计算机辅助教学（CADCAMCAI）5人工智能人类的许多脑力劳动，诸如证明数学定理、进行常识性推理、理解自然语言、诊断疾病、下棋游戏、破译密码等都需要智能。人工智能是将人脑进行的演绎推理过程、规则和所采取的策略、技术等编成计算机的程序，在计算机中存储一些公理和推理规则，然后让机器去自动探索解题的方法，这种程序不同于计算机的一般应用程序。主要有：现在学习的是第33页，共46页（1）模式识别。计算机对某些感兴趣的客体（如图像、文字等，统称为模式）作定量或结构的描述，并自动地分配到一定的模式类别中去。如指纹识别、手写体的计算机输入系统。（2）语言识别和语言翻译。语言识别是利用计算机对人的语言特征进行分析对比找出所需要的重要信息，这些在情报部门都发挥了重要的作用。语言翻译是利用计算机将不同的语言进行互译，也是人工智能的一个重要研究领域。现在学习的是第34页，共46页（3）专家系统。指用计算机来模拟专家的行为并做出决策，而且还可以通过“再学习”提高决策的可靠性。（4）机器人。使用计算机来模仿人的思维和逻辑推理的机器人是人工智能研究的又一成果。目前世界上有大量的工业机器人在生产线或各种有害环境中替代人工作业。现在学习的是第35页，共46页（5）虚拟现实。虚拟现实是利用计算机生成的一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”该环境中实现用户与环境直接交互的目的。如赛车游戏，飞机驾驶模拟训练软件，战场作战模拟环境等。6电子商务凡是以电子形式在信息网上进行的商品交易活动和服务都可以归结为电子商务。电子商务以其公平、快捷、方便、效率高、成本低、中间环节少、无国籍和全天候等优点在短短的几年内得到突飞猛进的发展。现在学习的是第36页，共46页141计算机系统的层次结构现代计算机是一个很复杂的系统，由于软件、硬件的设计者和使用者都从不同的角度，以各种不同的语言来对待同一台计算机，因此，他们看到的计算机系统的属性和对计算机系统提出的要求也是不一样的。计算机系统的层次结构（ComputerArchitecture1960年后引入到计算机领域）的概念就是针对这一要求提出的。但目前还没有一个统一的标准。比较一致的看法如图所示。14计算机系统的层次结构现在学习的是第37页，共46页高级语言层高级语言层汇编语言层汇编语言层操作系统层操作系统层传统机器语言层传统机器语言层微程序设计层微程序设计层翻译（编译程序）翻译（编译程序）翻译（汇编程序）翻译（汇编程序）部分解释（操作系统）部分解释（操作系统）解释（微程序设计）解释（微程序设计）1层层2层层3层层4层层5层层现在学习的是第38页，共46页第一层是微程序设计层。它是一个实在的硬件层，是具体实现机器指定功能的中央控制部分。第二层是传统的机器语言层，也是硬件层，这层主要是微程序解释机器指令。第三层是操作系统层，又称混合层，它由操作系统实现。这一层中的机器语言是传统的机器语言，如算术运算、逻辑运算；操作系统指令如打开文件、读写文件、关闭文件等。现在学习的是第39页，共46页第四层是汇编语言层，它给用户提供一种符号语言（汇编语言），由汇编语言执行和支持。通过汇编程序把指令翻译成机器语言。第五层是高级语言层，它是面向问题的，主要是用户用来编写的应用程序。由高级语言的编译程序支持和执行。作为一个普通的计算机用户，绝大部分都是通过操作系统提供的操作界面来执行应用程序的，并不关心计算机是如何工作的，而只关心程序执行的结果。图中所示的每一层都得到下层的支持。现在学习的是第40页，共46页142本课程研究的主要内容计算机组成原理实用教程这门课主要讨论传统的机器语言层和微程序设计层的组传统的机器语言层和微程序设计层的组成及工作原理，也就是我们常说的计算机成及工作原理，也就是我们常说的计算机硬件硬件。包括：控制器和运算器的组成和实现控制器和运算器的组成和实现；存储器存储原理存储器存储原理；主要功能部件之间的互连结构主要功能部件之间的互连结构；如何实现程序的自动运行如何实现程序的自动运行；影响计算机性能指标的主要因素影响计算机性能指标的主要因素；提高性能指标的方法等提高性能指标的方法等。现在学习的是第41页，共46页一台计算机的性能如何，有多项技术指标来综合评价，不同用途的计算机强调的侧重点是不同的，以下介绍一些基本的技术指标。1机器字长机器字长是指CPU一次能处理的二进制数据的位数。它决定着寄存器、运算部件、数据总线的位数。字长越长，表示数的范围越大，精度也越高，相应的硬件成本也越高，计算机字长从8、16、32、64位不等（是字节8位的整数倍）。15计算机的主要性能指标现在学习的是第42页，共46页2主频CPU工作的节拍是由计算机的主时钟控制的。主时钟不断产生固定频率的时钟脉冲，此固定频率就是CPU的主频。主频越高，CPU的工作速度就越快。3存储容量主要是指主存和辅存的存储容量。对于主存通常以字(Word)或字节（Byte）为单位来表示容量的大小。以字为单位的通常用字数乘以字长表示。以字节为单位表示的通常用字节的数量表示，如1024B。现在学习的是第43页，共46页CPU可以直接访问的存储容量一般受地址线根数的限制，其关系为：n根地址线可以访问2个存储单元。如20根地址线可直接访问的存储容量为1M。辅存储容量一般用字节表示，如80GB的硬盘（目前，大多数硬盘的容量都采用1k=1000的进制关系，这就是为什么买的是80G的硬盘，格式化后只有70几G的原因）。各单位之间的关系为：1K=1024=21M=1024K=21G=1024M=21T=1024G=210203040n现在学习的是第44页，共46页4运算速度一般采用单位时间内执行指令的平均条数或浮点运算次数作为运算速度指标。单位：用每秒百万条指令MIPS（MillionInstructionPerSecond）表示，或秒百万次浮点运算次数MFLOPS（MillionFloatingPointOperationPerSecond）表示。也有用执行一条指令所需要的时钟周期数CPI(CyclePerInstruction)来衡量。计算机的运行速度与许多因素有关，如CPU的主频，执行的操作，主存的速度等等。现在学习的是第45页，共46页5可靠性可靠性是衡量计算机质量的一个重要指标，常用平均无故障时间MTBF（MeanTimeBetweenFailures）来表示。平均无故障时间越高，表明计算机的质量越好。6兼容性兼容性（Compatibility）一般是指同一个软件不加修改就可以在另一台计算机上运行。兼容性可保护用户的软件投资不受或少受损失。截止2003年世界上最快的几台计算机。现在学习的是第46页，共46页