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1、1,计算机组成与系统结构,上海交通大学 网络教育学院陈泽宇 博士、副教授,2,2007年第1学期（2007.12007.5）对象上海交通大学网络教育学院2006秋（业余制专升本）计算机科学与技术专业（软件、网络、信息安全）总学分/总学时4/60讲课时间/地点周二上午4节9:00-12:00（1.30-5.15）江苏路501教室 教材计算机组成与体系结构（第三版网络版），白中英 邝坚主编，科学出版社，2006,3,前言第1章 计算机系统概论第2章 运算方法和运算器第3章 存储系统第4章 指令系统第5章 中央处理器第6章 总线系统第7章 外围设备第8章 输入输出系统第9章 并行组织,4,前言,本课
2、程与本专业其他课程的关系数学基础课离散数学计算机基础课计算机应用基础（国家统考）计算机专业课硬件、软件、网络,5,计算机专业课,软件类数据结构（学位课）操作系统（学位课）程序设计：程序设计（C）面向对象程序设计（Java）Windows程序设计（VB.NET）基于Web的程序设计C+程序设计数据库：数据库原理与应用数据库系统管理与维护,硬件类计算机组成与系统结构网络类计算机网络网络与信息安全其它信息技术前沿专题讲座毕业设计,6,第1章 计算机系统概论,1.1 计算机的分类与应用1.2 计算机的硬件 1.3 计算机的软件1.4 计算机系统的有关概念,7,1.1 计算机的分类与应用,1.1.1 计
3、算机的分类1.1.2 计算机的应用,8,1.1.1 计算机的分类,电子计算机电子模拟计算机电子数字计算机专用计算机通用计算机超级计算机大型机服务器工作站微型机单片机,9,电子计算机分类,电子模拟计算机数值连续、运算过程连续精度和解题能力都有限，应用范围较小电子数字计算机数值离散、运算过程离散主要特点是按位计算，并且不连续地跳动计算,10,数字计算机分类,按效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分专用计算机最有效、最经济、最快速的计算机，但适应性差是针对某一任务设计的计算机，其结构要比通用机简单通用计算机适应性大，但牺牲了效率、速度和经济性,11,通用计算机分类,区别在于体积、简易性、功率损
4、耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格P1图1.1图1.1单片机、微型机、工作站、服务器、大型机、超级计算机之间的区别,12,超级计算机主要用于科学计算，其运算速度在每秒万亿次以上，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵大型机服务器工作站微型机单片机只用一片集成电路做成的计算机，体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜,13,1.1.2 计算机的应用,科学计算科学研究和工程技术领域节省大量时间、人力和物力自动控制微型机单片机测量测试对测量和测试设备本身进行控制采集数据并进行数据处理,14,信息处理处理文字、表格、图象、声音、视频等各类问题商务管理教育卫生计算机辅助教学普通教育专业训练
5、使用计算机的医疗设备（CT）集专家经验之大成的专家诊疗系统,15,家用电器独立电器蓝牙电器网络电器人工智能使计算机能够模仿人的高级思维活动模式识别文字、图像、颜色、自然景物、声音语言等机器人,16,1.2 计算机的硬件,1.2.1 数字计算机的硬件组成1.2.2 数字计算机的发展史,17,1.2.1 数字计算机的硬件组成,示例 使用算盘计算y=ax+b-c 计算机组成结构运算器存储器控制器适配器与输入输出设备,18,示例：使用算盘计算y=ax+b-c（P6表1.1）,表1.1 解题步骤和数据记录在横格纸上,19,计算机组成结构,运算器存储器控制器适配器与输入输出设备P7图1.2CAI演示,图1
6、.2 数字计算机的主要组成结构,20,1.运算器,进行加、减、乘、除等算术运算进行与、或、非等逻辑运算长度一般是8、16、32或64位P7图1.3 CAI演示,图1.3 运算器结构示意图,21,2.存储器,存储单元在存储器中保存一个数的1组触发器地址每个存储单元的编号向存储器中存数或者从存储器中取数，都要按给定的地址来寻找所选的存储单元存储容量存储器所有存储单元的总数通常用单位KB、MB表示,22,内存（内存储器）半导体存储器外存（外存储器）磁盘存储器和光盘存储器P8图1.4,图1.4 存储器结构示意图,23,3.控制器,控制计算机的各部件有条不紊地进行工作计算程序指令的形式控制器的基本任务指
7、令流和数据流,24,(1)计算程序,运算器只能完成加、减、乘、除四则运算及其他一些辅助操作对于比较复杂的算题，计算机在运算前必须化成一步一步简单的加、减、乘、除等基本操作来做指令每一个基本操作计算程序（程序）解算某一问题的一串指令序列程序中的指令通常按顺序执行，所以这些指令是顺次放在存储器里,25,示例（P9表1.2）,表1.2 计算 y=ax+b-c 的程序,26,(2)指令的形式,指令的内容由两部分组成：操作码：操作的性质地址码：操作数的地址指令的操作码和地址码用二进制代码来表示地址码部分和数据一样，是二进制数的数码操作码部分则是二进制代码的编码,27,示例假定只有8种基本指令那么这8种指
8、令的操作码可用3位二进制代码来定义（P9表1.3）存储器中的二进制代码和数据（P10图1.5）,28,图1.5 指令和数据在存储器中用二进制码存储,表1.3 指令的操作码定义,29,冯诺依曼型计算机的设计思想存储程序并按地址顺序执行指令系统一台计算机通常有几十种甚至上百种基本指令，从而构成了这台计算机的指令系统指令系统不仅是硬件设计的依据，而且是软件设计的基础因此，指令系统是衡量计算机性能的一个重要标志,30,(3)控制器的基本任务,按照计算程序所排的指令序列，从存储器取出指令操作码到控制器中，对指令操作码译码分析，执行指令操作；再取指、译码、执行，,31,取指周期取指令的一段时间执行周期执行
9、指令的一段时间控制器反复交替地处在取指周期与执行周期之中每取出一条指令，控制器中的指令计数器就加1，从而为取下一条指令做好准备,32,在早期的计算机术语中通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器（CPU）而将CPU和存储器合在一起称为主机,33,(4)指令流和数据流,位(bit)1位二进制信息（0或1）数字计算机的最小信息单位字节(Byte)8位二进制信息字(Word)计算机一次所能处理的一组二进制数至少由一个以上的字节组成通常把组成一个字的二进制位数叫做字长,34,指令流取指周期中从内存读出的信息流由内存流向控制器数据流执行周期中从内存读出的信息流由内存流向运算器,35,4.适配器与输入输
10、出设备,输入输出设备计算机的输入/输出设备通常称为外围设备通过适配器部件与主机相连接适配器保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息,36,系统总线是构成计算机系统的骨架是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路借助系统总线，计算机在各系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作,37,1.2.2 数字计算机的发展史,世界上第一台电子数字计算机数字计算机的发展史 计算机体系结构的发展过程数字计算机的发展趋势,38,世界上第一台电子数字计算机,1946年美国宾夕法尼亚大学ENIACElectronic Numerical Integrator And Calculator Compu
11、ter电子数字积分计算机,39,数字计算机的发展史,40,计算机体系结构的发展过程,在冯诺伊曼型结构的基础上围绕如何提高速度、扩大存储容量、降低成本、提高系统可靠性和方便用户使用为目的不断采用新的器件和研制新的软件,41,系统结构的发展指令系统微程序设计流水线结构多级存储器体系结构输入/输出体系结构并行体系结构分布式体系结构多媒体体系结构操作系统数据库管理系统,42,数字计算机的发展趋势,分布式网络“三网合一”（电信网、互联网和有线电视网）智能化知识库、人工智能、自然语言处理模块化用多处理机技术实现并行计算机功能计算机的动态结构（模块化计算机体系结构）多媒体,43,1.3 计算机的软件,1.3
12、.1 软件的组成与分类1.3.2 软件的发展演变,44,1.3.1 软件的组成与分类,硬件现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的这些部件或设备都是由元器件构成的有形物体，因而称为硬件软件计算程序是无形的东西，所以称为软件软件系统凡是用于一台计算机的各种程序，统称为这台计算机的程序或软件系统,45,计算机软件分类系统程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途应用程序用户利用计算机来解决某些问题所编制的程序,46,1.3.2 软件的发展演变,机器语言汇编语言算法语言操作系统数据库软件发展方向,47,机器语言,直接用机
13、器语言(即机器指令代码)来编写程序称为手编程序或目的程序,48,汇编语言,汇编语言用一些约定的文字、符号和数字按规定的格式来表示各种不同的指令，然后再用这些特殊符号表示的指令来编写程序汇编程序借助于汇编程序，计算机本身可以自动地把汇编语言表示的程序(称为汇编源程序)翻译成用机器语言表示的目的程序,49,算法语言,算法语言按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则比较接近数学语言，直观通用与具体机器无关有影响的算法语言BASIC，FORTRAN，C，C+，JAVA等,50,编译程序把用算法语言编写的源程序翻译成目的程序，然后在运行系统中执行目的程序，得出计算结果编译系统编译程
14、序和运行系统合称编译系统解释系统使源程序通过解释系统进行解释执行，即逐个解释并立即执行源程序的语句,51,操作系统,操作系统操作系统是一套软件系统用来管理计算机资源(如处理器、内存、外部设备和各种编译、应用程序)和自动调度用户的作业程序使多个用户能有效地共用一套计算机系统,52,操作系统分类批处理操作系统分时操作系统网络操作系统实时操作系统等,53,数据库,数据库实现有组织地、动态地存储大量相关数据，方便多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统数据库管理系统数据库和数据库管理软件组成数据库管理系统,54,软件发展方向,开发更高级的计算机语言标准化、积木化、产品化最终向自然语言发展，能够自动生成
15、程序,55,1.4 计算机系统的有关概念,1.4.1 计算机系统的层次结构1.4.2 软件与硬件的逻辑等价性1.4.3 三个术语的物理概念1.4.4 计算机体系结构的分类,56,1.4.1 计算机系统的层次结构,计算机是一个十分复杂的软、硬件结合而成的整体计算机通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计,57,计算机系统的层次结构（P15图1.6）,58,1.4.2 软件与硬件的逻辑等价性,随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了软件固化容量大、价格低、体积小、可以改写的只读存储器提供了软件固化的良好物质手段，可以把许多复杂的、常用的程序制作成
16、固件就其功能来说，是软件；但从形态来说，又是硬件,59,发展方向设计面向高级语言的计算机，可以通过硬件直接解释执行高级语言的语句而不需要先经过编译程序的处理,60,1.4.3 三个术语的物理概念,计算机体系结构Computer architecture计算机组成Computer organization计算机实现Computer implementation,61,计算机体系结构(Computer architecture）机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性计算机体系结构概念的实质是确定计算机系统中软硬件的界面计算机组成(Computer organization）计算机体系结构的逻
17、辑实现包括物理机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等,62,计算机实现(Computer implementation）计算机组成的物理实现着眼于器件技术和微组装技术具有相同计算机体系结构(如指令系统相同)的计算机，因为速度要求不同等因素可以采用不同的计算机组成一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现,63,1.4.4 计算机体系结构的分类,1966年，M.J.Flynn从计算机体系结构的并行性能出发，按照指令流和数据流的不同组织方式，把计算机系统的结构分为以下四类：(1)单指令流单数据流SISD(2)单指令流多数据流SIMD(3)多指令流单数据流MISD(4)多指令流多数据流MIMDP17图1.7 Flynn分类法的四类机器结构 CAI演示,64,(1)单指令流单数据流SISD,传统的顺序处理计算机,65,(2)单指令流多数据流SIMD,阵列处理机,向量处理机,66,(3)多指令流单数据流MISD,无实际计算机,67,(4)多指令流多数据流MIMD,多处理机,机群系统,
