第 1 章 计算机系统概论N2
计算机系统概论
什么是计算机实现（Computer Implementation）?
指计算机功能的物理实现。包括片子、模块、插件、底板的 划分与连结等。
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第一节 计算机系统简介
计算机系统=硬件系统+软件系统
14 置、使用高速总线
摩尔定律
“每年将缩小硅片中形成晶体管电路的 细线尺寸的10%，芯片制造商能够每3年 发布新一代的芯片，其晶体管数为上一 代的4倍。”
“每18个月集成度将翻一翻，速度将提 高一倍，而价格将降低一半” 。
事实：
格登·摩尔照片
❖ 内存芯片DRAM的容量每3年提高4倍。
❖ 微处理器，通过增加新的电路，减小电路之间的距离来提 高速度，使得从Intel公司自1979年推出它的X86系列以来， 性能每3年提高4~5倍。
程序执行时间
一般用执行时间对计算机性能进行综合评测。
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第三节 计算机硬件的主要技术指标
时钟频率 ➢ 其他指标不变的情况下，主频越快，机器速度越快。
加法指令执行速度 ➢ 用加法指令速度衡量，单位为MIPS (每秒百万条指令)等。
等效指令速度（Gibson混合法） ➢ 设某类指令i在程序中所占比例为wi，执行时间为ti，则等 效执行时间为：T= w1x t1+w2 x t2 +…+wn x tn
其他 ➢ CPI：执行一条指令所需时钟周期（主频倒数）数。 ➢ FLOPS：每秒浮点运算次数。有MFLOPS、TFLOPS、 PFLOPS等。
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第三节 计算机硬件的主要技术指标
性能设计应从以下几方面考虑 1. 微处理器速度 （1）元器件本身的速度不断提高，容量不断增加 （ 遵循摩尔定律 ） （2）快速提供指令流（指令预取、流水线、超标量等） 2. 性能平衡 （1）处理器和主存之间 引入Cache、采用多模块存储器结构、 增加处理器和主存 间的带宽、使用高速总线 （2）处理器和I/O之间 在处理器和I/O之间引入缓冲和暂存机制、 使用多处理器配
第1章计算机系统概论参考答案
第1章 计算机系统概论参考答案1．什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？答：计算机系统是能按照人的要求接受和存储信息，自动进行数据处理和计算，并输出结果信息的机器系统。
计算机系统由两大部分组成：硬件（子）系统和软件（子）系统，其中硬件子系统是系统赖以工作的实体，它是有关的各种物理部件的有机的结合。
软件子系统由各种程序以及程序所处理的数据组成，这些程序的主要作用是协调各个硬件部件，使整个计算机系统能够按照指定的要求进行工作。
硬件子系统包括中央处理器、主存存储器、输人输出控制系统和各种外围设备。
软件子系统包括系统软件、支援软件、应用软件三个部分。
都很重要,,,硬件是基础,软件是灵魂2．如何理解计算机系统的层次结构？答：计算机系统存在着层次结构，从功能上看，现代计算机系统可分为五个层次级别，每一层都能进行程序设计，如图所示。
1. 微程序设计级这一级是由硬件直接实现的，是计算机系统最底层的硬件系统。
由机器硬件直接执行微指令。
只有采用微程序设计的计算机系统，才有这一级。
如果某一个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。
2. 一般机器级也称为机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。
这一级也是硬件级，是软件系统和硬件系统之间的纽带。
硬件系统的操作由此级控制，软件系统的各种程序，必须转换成此级的形式才能执行。
3. 操作系统级由操作系统程序实现。
这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。
计算机系统中硬件和软件资源由此级管理和统一调度，它支撑着其它系统软件和应用软件，使计算机能够自动运行，发挥高效率的特性。
4. 汇编语言级给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。
这一级由汇编程序支持和执行。
如果应用程序采用汇编语言编写，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。
5. 高级语言级面向用户，为方便用户编写应用程序而设置的。
第1章计算机系统概论-文档资料
EDVAC奠定了现代计算机体系结构的根基。直至今日， 一代又一代的计算机仍沿用这一结构，因此，后人将其 称为“冯· 诺依曼”体系结构计算机。
《计算机应用基础》课件
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2．计算机的发展阶段
计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路和（超） 大规模集成电路四代
第1代计算机：电子管计算机，采用电子管作为计算机的逻辑元 件，内存储器为水银延迟线，外存储器为磁鼓、纸带、卡片等。 第2代计算机：晶体管电路计算机，采用晶体管制作计算机的逻 辑元件，内存储器多为磁芯存储器，外存储器为磁盘、磁带等。 第3代计算机：基本电子元器件由集成电路（Integrated Circuit，IC）构成。 第4代计算机：采用大规模集成电路（large scale integration，LSI）和超大规模集成电路（very large scale integration，VLSI）技术，在硅半导体基片上集成几百到几 千甚至几万个以上的电子元器件。
《计算机应用基础》课件 4
1.1.1 计算机发展简史
1．计算机的诞生
1）图灵机 图灵1936年从计算一个数的一般过程着手对计算的本质进行 了研究，提出了一种理想的计算机的数学模型：图灵机 （TM）。 图灵机并不是具体的机器，而是一个通用的计算机模型。目 前已成为计算机科学中可计算理论和计算复杂性理论的基础。 根据图灵的研究，所谓计算就是计算者（人或机器）对一条 两端可无限延长的磁带上的一串0和1进行操作，一步一步地 改变磁带上的0或1，经过有限步骤，最后得到一个满足预先 规定的符号串的变换过程。 图灵机用形式化方法成功地表述了计算这一过程的本质。 2）冯· 诺依曼机
《计算机应用基础》课件 5
第1章 计算机系统概论第二版课后习题详细讲解
第1章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
2. 如何理解计算机的层次结构？答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。
（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。
（2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。
（3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。
通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。
各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。
3. 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。
答：机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。
高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。
4. 如何理解计算机组成和计算机体系结构？答：计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，如指令系统、数据类型、寻址技术组成及I/O 机理等。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的结构和功能，及相互连接方法等。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
第1章 计算机系统概述
1.4.2 电子 计算机的发展简史
• 第一代 电子管时代 电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言， 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 • 第二代 晶体管时代 晶体管时代(1958-1965) 变集中处理为分级处理，浮点运算、 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 • 第三代 中小规模集成电路时代 中小规模集成电路时代(1965-1970) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次 秒 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒 • 第四代 大规模集成电路时代 大规模集成电路时代(1971至今 至今) 至今 向大型机和微型机两个方向发展 • 现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 巨型化，微型化，网络化，智能化， 根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番，今后可再用 年 根据摩尔定律集成电路大体上每 个月翻一番，今后可再用10年。 个月翻一番
计算机组成与结构
清华大学 王爱英主编 主讲 马洪连
第一பைடு நூலகம்计算机系统概论
1.1 计算机的语言 自然语言：人类相互交流信息所用的语言 自然语言 高级语言：由于当前的计算机还不具备理解自然 高级语言 语言的能力，于是人们希望找到一种和自然语言 接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为 计算机的高级语言 。 机器语言：然而目前的通用计算机不会直接执行 机器语言 用高级语言编写的程序，因而要先将其翻译成机 器能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由 二进制代码表示的指令组成）。 汇编语言：符号式程序设计语言。 汇编语言
1.4.3 计算机的六大分类
• 巨型机——世界几家公司生产，最快1.4万亿次，9千个CPU组成 Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河I, 银河II, 银河III • 小巨型机——功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速 美国Convex公司的C系列机为其代表产品。 • 大型机——大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调 度主机资源，代表产品有IBM360，370，4300等。 • 小型机——它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用， 典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列，国产太级 • 工作站——用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。 典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。 • 微型机——个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉
(完整版)第一章计算机系统概论习题参考答案
1．比较数字计算机和模拟计算机的特点。
解：模拟计算机的特点：数值由连续量来表示，运算过程是连续的；数字计算机的特点：数值由数字量（离散量）来表示，运算按位进行。
两者主要区别见P1 表1.1。
2．数字计算机如何分类？分类的依据是什么？解：分类：数字计算机分为专用计算机和通用计算机。
通用计算机又分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六类。
分类依据：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。
通用机的分类依据主要是体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等因素。
3．数字计算机有那些主要应用？（略）4．冯. 诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些主要组成部分？解：冯. 诺依曼型计算机的主要设计思想是：存储程序和程序控制。
存储程序：将解题的程序（指令序列）存放到存储器中；程序控制：控制器顺序执行存储的程序，按指令功能控制全机协调地完成运算任务。
主要组成部分有：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。
5．什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据字？什么是指令字？解：存储容量：指存储器可以容纳的二进制信息的数量，通常用单位KB、MB、GB来度量，存储容量越大，表示计算机所能存储的信息量越多，反映了计算机存储空间的大小。
单元地址：单元地址简称地址，在存储器中每个存储单元都有唯一的地址编号，称为单元地址。
数据字：若某计算机字是运算操作的对象即代表要处理的数据，则称数据字。
指令字：若某计算机字代表一条指令或指令的一部分，则称指令字。
6．什么是指令？什么是程序？解：指令：计算机所执行的每一个基本的操作。
程序：解算某一问题的一串指令序列称为该问题的计算程序，简称程序。
7．指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分它们是指令还是数据？解：一般来讲，在取指周期中从存储器读出的信息即指令信息；而在执行周期中从存储器中读出的信息即为数据信息。
8．什么是内存？什么是外存？什么是CPU？什么是适配器？简述其功能。
用一段文字简述“第1章计算机系统概论”学到的知识点
用一段文字简述“第1章计算机系统概论”学到的知识
点
第1章计算机系统概论主要介绍了计算机系统的基本概念和组成部分。
学习了本章后，我们获得了以下知识点：
1.计算机系统的组成：计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。
其中硬件系统包括了计算机的主机、外设、中央处理器等；软件系统则是
指操作系统和应用软件等。
2.计算机系统的层次结构：计算机系统可以分为四个层次：底层硬件、操作系统、应用程序和用户。
每一层都有自己的功能和相应的软件支持。
3.计算机的基本组成：计算机由多个部件组成，包括中央处理器、内存、输入设备和输出设备。
中央处理器是计算机的核心，负责处理和执行
程序；内存用于存储数据和程序；输入设备用于接收外部输入；输出设备
用于将计算机处理结果输出给外部。
4.存储技术：计算机系统中的存储技术主要包括主存储器和辅助存储器。
主存储器是计算机中的内存，用来暂时存储程序和数据；辅助存储器
则是永久性存储介质，如硬盘、光盘等。
5.输入输出系统：计算机的输入输出系统是将外部输入转换成计算机
可处理的数据，并将处理结果输出给外部的过程。
输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
总之，通过学习第1章计算机系统概论，我们了解了计算机系统的基
本概念、组成部分和层次结构，以及计算机的基本组成、存储技术和输入
输出系统。
这是我们理解计算机系统运行原理和使用计算机的基础知识。
第一章 计算机系统概论(2)
1.3 计算机系统的层次结构（3）
高级语言虚拟机器的层次结构
虚拟机器M3 （高级语言机器）
虚拟机器M2
汇编语言机器或 中间语言机器
实际机器M1
1.3 计算机系统的层次结构（4）
4GL语言 1GL: 汇编语言； 2GL: 高级语言，FORTRAN、ALGOL、BASIC等； 3GL: 增强性高级语言，PASCAL、ALGOL68、FORTRAN77等； 4GL: 易学、界面友好、面向问题。目前主要面向数据库应用。 操作系统： 虚拟机器M2和实际机器M1之间还存在着一种称为操作系统的软 件。操作系统是一组管理计算机软硬件资源的程序。一般由C语 言或汇编语言编写。提供给用户使用计算机的良好界面。
1.5 计算机的应用（5） 人工智能 人类的许多脑力劳动，如数学定理证明、常 识性推理、理解自然语言、诊断疾病、下棋游 戏、破译密码等，均需要智能； 人工智能的研究内容包括：知识表示、自动 推理和搜索方法、机器学习和知识获取、知识 处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能 机器人等；
1.6 计算机的性能指标（1）
1.4 电子计算机的发展历史（6）
工程工作站 面向广大工程技术人员，具有高分辨率的显示器、交 互式图形界面、功能强大的图形软件。用于集成电路 设计、机械设计、土木设计等。代表为： Apollo公司和Sun公司的工作站; 1987年以后工作站普遍采用32位/46位的RISC微处理 器。代表为： Sun公司的SPARC系列、DEC公司的Alpha系列、SGI 公司的工作站系列、HP公司的工作站系列。
1.4 电子计算机的发展历史（5） 微型机 采用微处理器作为CPU的计算机，微型机的 出现使得计算机成为个人计算机，大大地促进 了计算机的普及。其代表： 70‘s后期：Apple公司的Apple II微型机； 80‘s初：IBM公司的IBM PC; 后来的386、486、Pentium等各种机型， Apple公司的Machintosh微型机。
第一章计算机系统概论
1.4计算机的软件
二、软件的发展演变
编程语言的发展
➢ 手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码 ➢ 汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编 ➢ 高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解
释程序
系统软件的发展
➢ 操作系统：批处理操作系统、分时操作系统、实时 操作系统、网络操作系统
➢ 数据库管理系统：FOXPRO、SQL、ORACLE
210 byte＝1K 210 K＝1M 210 M＝1G 210 G＝1T
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1.3计算机的硬件
六、控制器
控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、 指令译码、执行指令。取指周期和执行周期
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1.3计算机的硬件
六、控制器 指令有两部分：操作的性质和操作的地址
操作码
地址码
指出指令所进行的操作 加、减、乘、除、取数、存数等
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
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1.3计算机的硬件
六、控制器
控制器完全如何区分开哪些是指令字，哪些是数 据字?
时间上和空间上： 取指周期中从内存读出的信息流是指 令流，它流向控制器；而在执行器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。
专用计算机：专用机是最有效、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：通用计算机适应性很大，但是牺牲了 效率、速度和经济性。
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1.1计算机的分类
三、通用计算机分类
通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、 性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器 价格等可以分为： 超级计算机 大型机 服务器 工作站 微型机 单片机
第1章计算机系统概论
计算机的基本构成 计算机的系统结构 计算机的发展历史 数据编码和数据运算 嵌入式系统简介
1、 计算机系统的基本构成
1.1 计算机的基本构成
1. 运算器 2. 存储器 3. 控制器 4. 输入输出设备 5. 系统连接
1.2 计算机软件概述
Байду номын сангаас
控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求指 挥所有其它部件的工作，为此它根据指令生成一系 列时序控制信号，控制其它单元工作。 控制器不断地从存储器中读取指令，然后分析指令 的含义（译码），并执行该指令的操作，执行完成 以后又从存储器中读取下一条指令。
控制器—程序
一条计算机指令的功能是有限的，完成复杂的运算 功能需要将多条指令组合起来构成一个指令序列。 这样的一个完成某种功能的指令序列成为程序。 指令在计算机中用二进制的代码（机器码）表示， 以便于硬件的识别。 程序在执行前存储在主存储器中，控制器通常按指 令的顺序自动地从存储器中取出指令并依次执行， 或者根据指令决定执行的顺序（如跳转指令等）。
双字 四倍字
存储器
字数：存储器的地址范围
所需要的地址总线
位数：存储器的数据范围
所需要的数据总线
0005H 0004H 0003H
通常带地址的存储器基本单元 都是1Byte（8bit）的数据容量
0002H 0001H 0000H
存储器组织
8位
FFFFFF FFFFFE …… 000001 000000 FFFFFF FFFFFD …… 000003 000001
ALU
第一章计算机系统概论
以上两个程序功能完全一样，算法完全一样，因此，时间和空
间复杂度完全一样，执行时间一样吗？
21 times slower (Pentium 4) Why？
理解该问题需要知道： 数组的存放方式 Cache机制 访问局部性
……
用“系统思维”分析问题
使用老版本gcc –O2编译时，程序一输出0，程序二输出却是1 Why？
理解该问题需要知道： IEEE 754 的表示 X87 FPU的体系结构 IA-32和x86-64中过程 调用的参数传递 计算机内部的运算电路 ……
在IA-32上运行时，打印结果为a=0 在x86-64上运行时，打印出来的a是一个不确定值 为什么？
用“系统思维”分析问题
double fun(int i) {
数据的表示 数据的运算 各类语句的转换与表示(指令) 各类复杂数据类型的转换表示 过程（函数）调用的转换表示
/*---main.c---*/
int main() {
int a[1]={100}; int sum; sum=sum(a,0); printf(“%d”,sum); }
链接（linker）和加载 程序执行（存储器访问） 异常和中断处理 输入输出(I/O)
主要内容
• 课程由来 • 课程内容概要 • 冯.诺依曼结构计算机特点 • 程序的开发和执行过程 • 计算机系统层次结构 • 计算机性能评价
什么是计算机系统？
程序执行结果 不仅取决于
算法、程序编写 而且取决于
语言处理系统 操作系统 ISA 微体系结构
不同计算机课程 处于不同层次
必须将各层次关 联起来解决问题
当count=230+1时， 程序会发生什么情况？
int *myarray = (int *) malloc(count*sizeof(int));
第01章 计算机系统概论
1.1 计算机的基本组成
1.1.2 信息的数字化表示 2. 在物理机制上用数字信号(电平或脉冲) 表示数字代码
1.1 计算机的基本组成
1.1.2 信息的数字化表示 3. 用数字化方法表示信息的主要优点 在物理上容易实现信息的表示与存储
抗干扰能力强，可靠性高
数值的表示范围大，表示精度高
1.1 计算机的基本组成
1.1.1 计算机与诺伊曼体制 2. 冯·诺依曼机 ？若程序能够以某种形式与数据一同存于存 储器中，编程的过程就可以简化 冯·诺依曼在1945年的一份新型计算机 EDVAC( Electronic Discrete Variable Computer，电子离散变量计算机)的计划中 首次公布了这一构想
第1章 概论
本章概括地描述
·计算机的发展史
·计算机系统的基本组成、层次结构 ·计算机的特点、分类和应用
重点讨论计算机的组成和工作原理 从而了解计算机是由哪些主要部件组成的， 它是怎样实现自动解算问题的，以期建立初 步的整机概念。
第1章 概论
基本知识点 ·冯·诺依曼思想 ·信息的数字化表示
·存储程序工作方式
接口 I/O
主要特点： 数据通路简洁 数据传送控制方便 系统扩展易于实现
1.2 计算机系统的组织
1.2.1 硬件系统 2. 典型的硬件系统结构 ⑵ 采用通道或I/O处理机的大型系统结构
CPU
· 通 道 I/O控制器 I/O I/O控制器 I/O I/O控制器 I/O I/O
主存
·
通 道
1.2 计算机系统的组织
1.2.3 系统组成的层次结构 1 功能
传送 传送 控制 存储 处理 传送
传送
控制 存储 处理
第1章计算机系统概论N2
2019/8/2
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南京工业大学
本章学习内容
• 计算机的发展历史 • 计算机系统的硬件组成 • 计算机的软件系统 • 计算机系统的组织结构 • 计算机的特点和性能指标 • 计算机的分类与应用
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南京工业大学
1.1 计算机的发展历史
• 从1946年2月15日第一台计算机-
辅助存储器帮助主存记忆更多的信息，辅 助存储器中的信息必须调入主存后，才能为CPU 所使用。
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南京工业大学
• 主存分为若干个存储单元。每个单元都 有自己唯一的地址编码。
• 每个主存单元的长度依机器而定。通常 是一个字节或字节的若干倍。
• 存储器总是按地址进行访问的。如果响 应对存储器某个单元进行读/写操作，必 须首先给出被访问的存储单元的地址码。
• 我国的YH-III（大规模并行处理，128 个CPU，1997年）、YH-IV（机群技术） 巨型机已达到国际水平. 2004年，我国 的研制开发的超级计算机——曙光 4000A进入全球超级计算机500强排行 榜的前10名，标志着我国超级计算机技 术已跨入了世界前列。
• 微处理器技术也在高速发展，推出了32 位、64位的微处理器芯片，如Pentium IV、Itanium II等，使微机性能更上了 一个台阶。
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南京工业大学
1.1.1 计算机硬件—更新换代
• 1. 电子管时代（1946年-1959年） • 在第一代电子管阶段，计算机以电子管作
为基本逻辑单元，主存储器采用的是汞延 迟线、磁鼓等材料，数据用定点表示。 • 我国有: 103机、104机、119机
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第1章 计算机系统概论
第1章计算机系统概论第1章计算机系统概论计算机系统是由硬件和软件两大部分组成的，其功能是完成数据的输入、传送、存储、处理和输出。
本章介绍计算机系统的基本组成、层次结构和体系结构，认识计算机体系结构、组成和实现三者之间的关系。
1.1 计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成可以分为硬件和软件两部分。
硬件是其物质基础，是软件的载体；软件则是计算机系统的灵魂。
没有硬件，软件就不能运行；没有软件，硬件就发挥不了作用，从而失去存在的价值。
因此二者紧密相关，缺一不可。
1.1.1 硬件组成一般来说，计算机的硬件组成可以用图1-1来表示。
对微型机来说，运算器和控制器集成在一块芯片上，称为中央处理部件(CPU)。
CPU和内存储器统称为主机。
输入设备和输出设备统称为外围设备。
所谓输入与输出，是相对于主机系统而言的。
磁盘系统既是输入设备，也是输出设备。
当保存一个文档时，磁盘就是一个输出设备；当打开一个文档时，磁盘就作为输入设备使用。
主机和外围设备组成了计算机的硬件系统。
各部件之间使用三条总线连接，各部件之间就通过这三条总线实现信息传送。
注意，所有外围设备都是通过接口线路和总线连接的。
通常，CPU只与接口打交道(传递信息)，而不与外围设备直接打交道。
数据总线(DBUS)是双向总线，在不同时刻可以在不同方向上传递数据，但同一时刻只能在一个方向传递数据。
地址总线(ABUS)用来选择发送数据或接收数据的地址。
地址总线上的信息通常是由CPU提供的。
当CPU将总线控制权转交给DMA控制器时，地址总线上的信息便由DMA控制器提供，这时CPU对外表现为高阻态。
DMA控制器通常用于控制主机(内存)和高速外围设备(如磁盘)之间的数据传送。
控制总线(CBUS)中的大部分信息由CPU提供，也有一些由内存或外围设备提供，但它不是双向总线；在大多数情况下，任何一条控制总线上的信息总是向着一个方向传递。
计算机的主要功能就是通过运行程序来完成数据处理。
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• 5. 超级规模集成电路时代（1990年-现在） • 从集成度来看，计算机使用的半导体芯片的 集成度已接近极限，出现了极大、甚大规模 集成电路（ULSI、ELSI）。 • （Ultra、Extremely Large Scale Integrated Circuit） • 这一阶段，出现了采用大规模并行计算和高 性能机群计算技术的超级计算机，如IBM公 司的“深蓝”计算机就是一台RS/6000 SP2超级并行计算机，它具有256块处理器 芯片。
2016/7/29 12 南京工业大学
1.1.2 计算机软件—日臻完善
• • • • • • 1. 汇编语言阶段 （20世纪50年代） 2. 程序批处理阶段（20世纪60年代） 3. 分时多用户阶段（20世纪70年代） 4. 分布式管理阶段（20世纪80年代） 5. 软件重用阶段 （20世纪90年代） 6. Web服务阶段 （21世纪初期 ~ ）
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南京工业大学
运算器 控制器 存 储 器
输入设备 输出设备
CPU
主机系统 I/O系统
图1-1 计算机功能部件
2016/7/29 16 南京工业大学
• 计算机硬件系统是指计算机的五大部件以及将 它们组织成计算机系统的体系结构。计算机的 五大部件包括： • 1. 输入设备 • 输入设备的主要功能是：将程序和数据以机器 所能识别和接受的信息形式输入到计算机内。 • 最常见的输入设备是键盘，还有扫描仪、语音 输入设备、手写笔、触摸屏、鼠标、数码摄像 设备等。
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• 冯· 诺依曼思想的基本要点： • (1)采用二进制形式表示数据和指令 指令是程序的基本单位，程序是若干指令的 有序集合。冯· 诺依曼结构计算机中，指令与数 据均以二进制代码的形式同存于存储器中。 • (2)采用存储程序方式 存储程序方式是指在用计算机解题之前，事 先编制好程序，并连同所需的数据预先存入主 存储器中。在解题过程(运行程序)中，由控制 器按照事先编好并存入存储器中的程序自动地、 连续地从存储器中依次取出指令并执行，直到 获得所要求的结果为止。存储程序方式是诺依 曼思想的核心，是计算机能高速自动运行的基 础。
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• 2. 输出设备 • 输出设备主要功能是：将计算机处理的结果 以人们所能接受的信息形式或其它系统所要求 的信息形式输出。 • 最常见的输出设备是显示器、打印机。还有绘 图仪 、音箱等。 • 计算机的输入、输出设备简称为I/0设备。 • I/O设备是计算机与外界联系的桥梁，没有I/O 设备，计算机既不知道干什么，也不知道怎么 干，干的结果也无法知道。所以I/O设备是计 算机中不可缺少的一个重要组成部分。
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1.1.1 计算机硬件—更新换代
• 1. 电子管时代（1946年-1959年） • 在第一代电子管阶段，计算机以电子管作 为基本逻辑单元，主存储器采用的是汞延 迟线、磁鼓等材料，数据用定点表示。 • 我国有: 103机、104机、119机
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第 1 章
计算机系统概论
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本章学习内容
• 计算机的发展历史 • 计算机系统的硬件组成 • 计算机的软件系统 • 计算机系统的组织结构 • 计算机的特点和性能指标 • 计算机的分类与应用
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1.1
计算机的发展历史
• 从1946年2月15日第一台计算机ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)诞生以来， 计算机的发展经历了近60年的迅猛发展。 电子数值积分计算器 • ENIAC: 8英尺高x3英尺宽x100英尺长 • 18000Vocum, 150 kw, 30t, • 5M Add/s
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• 3. 现代计算机组组织结构 • 微处理器将运算器和控制器两个主要功能部件 合二为一，集成到一个芯片里。同时半导体存 储器代替磁芯存储器，存储容量成倍地扩大， 加上需要计算机处理、加工的信息量与日俱增， 以运算器为中心的结构已不能满足计算机发展 的需求，甚至会影响计算机的性能。必须改变 这五大功能部件的组织结构，以适应发展的需 要，因此现代计算机组织结构逐步转变为以存 储器为中心，如图1-5所示。但是现代计算机 的基本结构仍然遵循冯· 诺依曼思想。
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• 在这一时期，巨型向量机、阵列机等高级计 算机得到了发展，如美国的Cray-I，我国的 YH-I等，同时低档的微处理器开始面世， 并迅速推向社会各个领域和家庭。 • 1978年采用Intel 8086微处理器构成的16 位微机IBM-PC/XT的面世，真正使得台式 个人计算机走进办公室和家庭。 • 与此同时，计算机网络也由实验研究阶段转 入商业市场，推动了计算机信息处理的发展 和应用。从而带动并形成了信息技术产业— —IT业。
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2. 早期的冯· 诺依曼计算机
在微处理器问世之前，运算器和控制器 是两个分离的功能部件，加上当时存储 器还是以磁芯存储器为主，计算机存储 的信息量较少，因此早期冯· 诺依曼提出 的计算机结构是以运算器为中心的，其 它部件都通过运算器完成信息的传递。
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1.2 计算机系统的硬件组成
• —个完整的计算机系统由硬件和软件两大 部分组成。 • 硬件是指组成计算机的各种设备实体。 • 软件通常泛指各种程序和文件。
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1.2.1 计算机的功能部件
• 计算机的基本功能主要包括数据加工、 数据保存、数据传送和操作控制等。 • 为了实现这些基本功能，计算机必须要 有相应的功能部件（硬件）承担有关工 作。计算机的硬件系统就是指组成一台 计算机的各种物理装置，它是由各种实 实在在的器件组成的，是计算机进行工 作的物质基础。
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1.2.2 冯· 诺依曼计算机
• 1. 存储程序概念 • 存储程序概念是美国数学家冯· 诺依曼于1946 年6月首先提出来的，它奠定了现代计算机的 结构基础，尽管几十年来，计算机体系结构发 生许多重大变革，但存储程序的概念仍是普遍 采用的结构原则，现在广泛应用的计算机仍属 于冯· 诺依曼的结构格式。
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主存的基本的组成
地 址 寄 存 器 存 储 体 数 据 寄 存 器
时序控制逻辑
图1-2 主存储器结构简图
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• 存储体：存放二进制信息的主体 • 地址寄存器：存放所要访问的存储单元 的地址码，由它经地址译码找到被选的 存储单元。 • 数据寄存器：主存与其它部件的接口。 用于暂存从存储器读出(取出)或向存储 器中写入(存入)的信息。 • 控制逻辑：用于产生存储器操作所需各 种时序信号。
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• 4. 超、大规模集成电路时代（1975年1990年） • 随着集成电路的集成度进一步提高，超 规模、大规模电路被广泛应用于计算机， 进入了第四个阶段——超、大规模集成 电路电路（VLSI、LSI）时代。此时半 导体存储器已完全替代了磁芯存储器， 并发展了并行技术、多机系统和分布式 计算技术，出现了RISC指令集。 • ( Large Scale Integrated Circuit）
• 2. 晶体管时代（1959年-1964年 ） • 第二代晶体管阶段的计算机主要以晶体管 代替电子管作为基本逻辑元件，主存储器 由磁芯构成，通过引入浮点运算硬件加强 科学计算能力。 • 我国推出：DJS-5机、DJS-121机、 DJS-108机
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• 3. 中、小规模集成电路时代（1964年1975年） • 集成电路器件成为了计算机的主要逻辑元件， 推动计算机进入了第三个发展阶段——中、 小规模集成电路（MSI、SSI）时代。主存 储器也随之进入了由半导体存储器替代磁芯 存储器的发展阶段，采用多处理器并行结构 的大型、巨型机和物美价廉的小型机得到快 速发展。
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• 我国的YH-III（大规模并行处理，128 个CPU，1997年）、YH-IV（机群技术） 巨型机已达到国际水平. 2004年，我国 的研制开发的超级计算机——曙光 4000A进入全球超级计算机500强排行 榜的前10名，标志着我国超级计算机技 术已跨入了世界前列。 • 微处理器技术也在高速发展，推出了32 位、64位的微处理器芯片，如Pentium IV、Itanium II等，使微机性能更上了 一个台阶。
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• 本阶段典型的计算机有：IBM公司的 IBM360系列（1964年）、CDC公司的 CDC6600（1964年）和DEC公司的PDP8（1964年）。我国在此时期也推出了大、 中、小型计算机，如150机（1973年）、 DJS-130机（1974年，并形成了100系列 机）、220机（1973年-1981年，200系 列机）和182机（1976年，180系列机）。
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• 主存分为若干个存储单元。每个单元都 有自己唯一的地址编码。 • 每个主存单元的长度依机器而定。通常 是一个字节或字节的若干倍。 • 存储器总是按地址进行访问的。如果响 应对存储器某个单元进行读/写操作，必 须首先给出被访问的存储单元的地址码。
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