计算机系统概论 (2)优秀PPT.ppt
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1、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
2、;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
3、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(smallscalei
4、ntegration)、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(ultrala
5、rgescaleintegration)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、c
6、omputer、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
7、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
8、)。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
9、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 13232323219931993Pentium586Pentium58630
10、0300万万60150601500.60.664(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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、。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
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