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1、计算机系统概论,1.1 计算机的分类和应用1.2 计算机硬件1.3 计算机软件1.4 层次结构,什么是计算机？,计算机是一种不需要人的直观干预而能自动完成各种算术和逻辑运算的工具。,（1）以电子器件为物质基础：电子数字计算机（Digital Computer）（2）不需要人的直接干预：自动化（存储程序为基础）（3）数字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑判 断和处理能力的基础）（4）算逻运算：基本运算操作是算术和逻辑运算（5）快速工具：（A）电子器件（B）存储程序,2、层次：,1.1计算机的分类和应用,电子模拟计算机：用连续变化的量（如电压、电流等）表示数值的计算机；精度低，能力有限，应用范围小
2、。电子数字计算机：用离散变化的数字表示数量大小的计算机。其特点是按位运算。,数字计算机与模拟计算计的主要区别,数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机。专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。专用计算机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。通用计算机适应性很大，但牺牲了效率速度和经济性。,通用计算机又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机等六类，其区别在于体积、简易性、功耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格。一般来说，巨型计算机主要用于科学计算，其运算速度在每秒万亿次以上，数据存储量大，结构复杂，价格昂贵。单片计算机是
3、只用一片集成电路作成的计算机，体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜。,通用计算机类别,巨型机大型机中型机小型机微型机单片机,应用领域,科学计算自动控制信息处理测量和测试教育和卫生家用电器人工智能,计算机的主要特性,快速性通用性：任务-算术逻辑操作-指令准确性：数字化逻辑性,1.2 计算机硬件的组成,运 算 器,控 制 器,主存储器,输入设备,输出设备,总线 和 输入输出接口,高速缓存,虚拟存储器(磁盘设备),中央处理单元CPU,各部分的功能：,运算器算术运算逻辑运算采用二进制数（容易实现）位数越多，计算精度越高计算机的运算器长度：8位、16位、32位或64位,存储器,功能：保存或“记忆”数
4、据和运算过程存储的是0或1表示的二进制代码主存采用半导体器件来作为存储器，一个半导体触发器记忆一个二进制位存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器，组成一个存储单元存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB、GB”等表示,规模较大的存储器往往分为若干级，称为存储系统。常见的三级存储系统，外存内存高速缓存。每个的特点？作用？,表示参加运算的数据从存储器的哪个单元取运算的结果应存到哪个单元,3.控制器,控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作指令有两部分：操作的性质和操作的地址,指出指令所进行的操作加、减
5、、乘、除、取数、存数等,控制器基本任务计算机进行运算时，指令必须是按一定的顺序一条一条执行。控制器的基本任务是：按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令的性质，执行指令，进行相应的操作，接着取第二条指令，再执行第二条指令，依此类推。,指令字和数据字，指令流和数据流,某字为一条指令，则称为指令字某字代表要处理的数据，称为数据字在取指周期中从内存读出的信息是指令流，它流向控制器而执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器时间上：在取指周期中，CPU从内存读出的信息一定是指令；而执行周期中从内存读出或写入的信息一
6、定是数据。空间上：指令一定流向控制器；而数据则是在内存（或寄存器）与运算器之间流动,运算器和控制器统称为CPU，即中央处理器。CPU和存储器合在一起，称为主机。输入、输出设备：统称为外部设备，简称外设。主机与外界通信的手段。外设通过适配器才能与主机进行通信。总线：,冯.诺依曼计算机的结构特点,计算机内部采用二进制表示指令和数据。把指令与数据事先存放在存储器中，然后启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。计算机应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成。,计算机的发展史,第一台电子计算机（ENIAC）,5000次加法/秒体重28吨占地170M218,800只电子管1500个继电器耗电1
7、50KW,计算机发展史,Top500(2006)IBM Blue Gene,计算机发展史,Top500(2006.06),计算机发展史,摩尔定律,早在1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（Gordon Moore）在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路近40年的发展历史准确无误地验证着,微型计算机系统,什么是微型计算机,微型计算机（Microcomputer）采用微处理器为核心构造的计算机微处理器（Microprocessor）一块大规模集成电路芯片微型机的运算和控
8、制核心中央处理单元相对来说，微机性能、价格、体积较小工作学习中使用的个人微机生产生活中运用的各种智能化电子设备,微处理器的基本性能指标,字长微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数例如一次进行运算、传输的位数时钟频率微处理器的处理速度反映微处理器的基本时间单位集成度表明微处理器的生产工艺水平常用芯片上集成的晶体管数量来表达,通用微处理器,4位微处理器1971年，Intel 4004，第一个微处理器8位微处理器M6800、Z80和Intel 8080/8085Apple公司苹果机16位微处理器Intel 8086/8088 16位个人计算机（PC：Personal Computer）32位微处理
9、器80386，80486，PentiumPentium 432位PC机，APPLE公司的Macintosh机64位微处理器,专用微处理器,单片机（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列爱特梅尔（Atml）公司的AT89系列（与MCS-51兼容），AT91系列（基于ARM内核）Microchip Technology公司的PIC系列数字信号处理器（DSP）专注于数字信号的高速处理美国德州仪器TI公司TMS320各代产品主要应用于通信、消费类电子产品和计算机主要应用形式：嵌入式系统,8086,16位结构的微处理器：数据总线为16位主存容量1M
10、B：地址总线为20位时钟频率5MHz（IBM PC使用4.77MHz）准16位微处理器8088：外部数据总线为8位IBM PC和PC/XT机使用Intel 8088 CPU处理器总线（Bus）微处理器的对外引脚（Pin）数据、地址和控制三组信号,处理器总线,数据总线（DB：Data Bus）处理器与存储器或外设交换信息的通道个数（条数）是一次能够传送数据的二进制位数 地址总线（AB：Address Bus）指定存储器或外设的具体单元个数反映访问的主存储器容量或外设范围控制总线（CB：Control Bus）控制处理器数据传送等操作,80286,16位数据总线，24位地址总线（16MB主存）实方
11、式（Real Mode）与8086工作方式一样保护方式（Protected Mode）提供存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支持IBM PC/AT机使用Intel 80286 CPU,1KB210 B1024 B1MB220 B1024 KB1GB230 B1024 MB,20：22024：22432：232,80386,32位结构数据总线32位，地址总线32位，可寻址4GB主存虚拟8086方式（Virtual 8086 Mode）保护方式下的8086工作方式系统管理方式（System Management Mode）低功耗节能状态,80486,8048680386803878KB Cach
12、e浮点处理单元FPU8086/8088：8087，80286：80287，80386高速缓冲存储器Cache微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器复杂指令集计算机CISC融合精简指令集计算机RISC的技术特点，例如：指令流水线指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行多条指令可以在不同的执行阶段同时进行,Pentium,俗称的80586微处理器，奔腾微处理器32位结构，连接主存的外部数据总线却是64位超标量（Superscalar）技术具有可以并行工作的2条整数处理流水线，可以达到每个时钟周期执行2条指令双路高速缓冲结构8KB代码高速缓冲存储器8KB数据高速缓冲存储器,Pentium
13、Pro,原称P6，中文名称为“高能奔腾”两个芯片组成CPU一级（L1）Cache（8KB代码和8KB数据）二级（L2）Cache（256KB或512KB）扩展的超标量技术12级指令流水线能同时执行3条指令动态执行技术分支预测、数据流分析和推测执行,Pentium II,多媒体扩展指令（MMX指令）MMX（MutliMedia eXtension）整数运算多媒体指令对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化提升微机对多媒体的处理能力Pentium MMX（多能奔腾）：MMX指令应用于Pentium处理器Pentium II：MMX指令应用于Pentium Pro,Pentium III,数据流S
14、IMD扩展指令（SSE指令）SSE（Streaming SIMD Extensions）浮点单精度多媒体运算指令提高浮点3D数据的处理能力。SSE指令类似于AMD公司发布的3D Now!指令Pentium III：SSE指令应用于Pentium II 单指令多数据SIMDSingle Instruction Multiple Data表示一条指令具有同时处理多组数据的能力,Pentium 4,NetBurst的微结构（Microarchitecture）指令级并行ILP（Instruction-Level Parallel）进一步发掘指令之间可以同时执行的能力超线程HT（Hyper Threa
15、ding）线程级并行TLP（Thread-Level Parallel）一个物理处理器形成两个逻辑处理器SSE2指令增强浮点双精度多媒体运算能力SSE3指令增强和完善MMX，SSE和SSE2指令,Intel 80 x86微处理器,Celeron（赛扬）微处理器面向低端（低价位）PC机Xeon（至强）微处理器面向高端服务器、工作站AMD微处理器AMD公司生产的IA-32微处理器兼容芯片Intel公司最主要的竞争对手双核微处理器64位微处理器AMD的K8核心：兼容IA-32的64位微处理器Intel的EM64T（扩展64位技术）：IA-32的64位扩展,个人微机,8位时代：Apple-II机，中华
16、学习机16位时代：IBM PC系列机1981年，IBM PC机：Intel 8088，DOS1982年，IBM PC/XT（Expanded Technology）1984年，IBM PC/AT（Advanced Technology）IBM PC/XT/AT机的兼容微机32位时代：32位PC机Windows或Linux64位时代：,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。都是由元件构成的有形物体，因而称为硬件或硬设备。硬件是计算机系统中实际物理装置的总称计算程序，因为它是无形的东西，称为软件或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档硬件是软件的工作基
17、础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件的结合，构成完整的计算机系统,计算机系统硬件系统软件系统,1.3计算机软件的组成及分类,（1）计算机软件的组成及分类计算机的软件一般分为两大类：系统程序，应用程序。系统程序用于简化程序设计，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。它包括以下4类：,系统软件,a.操作系统：核心，接口。管理工作。b.语言程序处理程序。源程序转换成目标程序，两种方式编译方式和解释方式。编译程序，解释程序 汇编程序和反汇编程序c.数据库管理系统。DBMS负责数据的装配，内容更新、查询检索等d.各种服务性支撑软件：如诊断程序，排
18、错程序等 bios,应用程序是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、科学计算程序等。,计算机软件的发展演变如同计算机的硬件，软件也在不断发展之中。早期的计算机中，人们直接用机器语言（机器指令代码）编写程序。后来出现了汇编语言，用来编写汇编程序。再后来出现了算法语言，它比较接近数学语言，只直观通用，与具体机器无关。如BASIC，FORTRAN，PASCAL，C，C+，JAVA等。,1.4计算机层次结构,计算机系统的层次结构 多级层次结构：是从使用语言的角度，基于程序员与计算机系统对话中所采用的语言结构和语义划分。硬件软化及软件硬化的概
19、念,从设计人员看到的层次,分层的优点,有利于人们正确理解计算机系统的工作，明确软硬件和固件在计算机系统的地位和作用理解各种语言的实质及其实现有助于理解计算机体系结构的含义，从而合理地进行计算机系统的开发和设计。,软件固化和硬件软化,全硬件、软硬件结合、全软件逻辑上等价硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少软件实现：速度慢、复制费用低；灵活性好、占用内存多、易设计、可改性强、适应性强、设计周期短；发展趋势硬件实现的比例越来越高硬件所占的成本越来越低,Summary,1、计算机的组成，各部分功能2、冯.诺依曼思想3、计算机层次结构,exercise,P18 4,5,7用与门，与非，或者或门设计一个三人表决器,
