第01章 计算机系统概论
计算机系统概论
量子计算与未来展望
量子计算
量子计算是一种基于量子力学原理的计算方式,具有超强的并行计算能力和高度加密的安全性。量子计算的应用 前景广阔,包括化学模拟、优化问题求解、密码学等。
未来展望
随着人工智能、大数据、云计算和量子计算等技术的不断发展,计算机系统的未来将更加智能化、高效化和安全 化。同时,计算机系统的发展也将对人类社会的各个方面产生深远影响,如工业自动化、智慧城市、生物信息学 等。
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计算机病毒Leabharlann 型常见的计算机病毒类型包括蠕虫病毒、木马病毒、 宏病毒等,它们具有不同的传播途径和破坏行为。
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计算机病毒防护
防护计算机病毒的措施包括安装防病毒软件、定 期更新病毒库、不随意打开未知来源的邮件和链 接、定期备份数据等。
网络攻击与防护
网络攻击定义
网络攻击是指利用网络漏洞或恶意行为对计算机系统进行破坏或窃取信息的行为。
大数据与云计算
大数据
大数据是指数据量巨大、复杂度高、处理速度快的数据集合。大数据技术的应用 包括数据挖掘、数据分析、数据可视化等,有助于企业做出更明智的商业决策。
云计算
云计算是一种基于互联网的计算方式,通过虚拟化技术将计算资源(如服务器、 存储设备、数据库等)汇聚到一个虚拟的云中,然后通过网络对外提供服务。云 计算的应用包括云存储、云桌面、云服务等。
网络协议与体系结构
OSI参考模型
01
开放系统互联参考模型,分为七个层次,分别为物理层、数据
链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
TCP/IP协议族
02
传输控制协议和互联网协议,是互联网的核心协议,包括IP、
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。
6
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
2
1.1
用来管理整个计算机系统, 系统软件 监视服务,使系统资源得到 (系统程序) 合理调度,高效运行。
语言处理程序(编译程序)
软 件
操作系统 数据库管理系统
服务性程序(诊断、调试、连接)
网络软件
应用软件 按任务需要编制成的各种程序 3 (应用程序)
二、计算机系统的层次结构 1. 计算机的解题过程
35
例:微机A和B是采用不同主频的CPU芯片,片内逻辑电 路完全相同。 (3) B机的平均指令执行速度为多少? 解答: (3) A机平均每条指令的时钟周期数=2.5μs/0.125μs=20。 因微机A和B片内逻辑电路完全相同,所以B机平均每 条指令的时钟周期数也为20。 由于B机的CPU主频为12MHz.所以B机的CPU时钟 周期=1/12MHz= 1/12μs。 B机的平均指令周期=20×(1/12)=5/3μs。 B机的平均指令执行速度=1/(5/3)μs=0.6MIPS。 另解:B机的平均指令执行速度=A机的平均指令执行 速度0.4MIPS×(12/8)=0.6MIPS。
计算机 组成
如何实现计算机体系结构所体现的属性
(具体指令的实现)(对程序员透明—不知道)
如何实现乘法指令
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1.2 计算机的基本组成
电子计算机是一种自动计算工具,而算盘是手动计 算工具。 计算机有存储程序的功能,即能把由操作步骤编制 成的程序(program)记住,然后按程序的要求,逐 一完成程序规定的操作任务——程序存储控制原理
1.1
高级语 言程序 (源程序)
翻译
目标 程序
运行
结果
计算机
4
2、计算机系统的层次结构
高级语言
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
第1章计算机系统结构概论
人 为人民服务级 读书、学习级 语言、思维级
生理功能 5 级:高级语言虚拟机 第 4 级:汇编语言虚拟机 第 3 级:操作系统虚拟机 第 2 级:机器语言(传统机器级)
第 1 级:微程序机器级
计算机体系结构
计算机体系结构的定义:分经典和广义两种
一般将两种方法混合作用,对于使用频率高的指令用仿 真方法,而对于频率低而且难于仿真实现的指令使用模拟的 方法加以实现。
8088/80286 CPU PC/AT 总线
存储器 I/O 设备 (a) PC、XT 和 PC AT
80386
处理器总线/VL 总线
/80486 CPU
存储器 总线控制器
VL 设备
ISA 总线 I/O 设备
(b) 80386/80486 AT
Pentium CPU
处理器总线
总线控制器 1
存储器
PCI 总线
总线控制器 2 PCI 设备 ISA 总线
(c)
I/O 设备 Pentium AT
Pentium II CPU
处理器总线
AGP 总线 总线控制器 1 存储器
AGP 显示卡
PCI 总线
总线控制器 2 PCI 设备 ISA 总线
I/O 设备 (d) Pentium II AT
计算机型号
处理器型号 处理器上市 时间 处理器字宽 I/O总线
计算机网络
数字逻辑
通信与接口
计算机组成原理
计算机体系结构
操作系统
高级语言程序设计 数据结构
数据库原理及应用 软件工程
第一章 计算机体系结构的基本概念
计算机的分代
第一代:以电子管为主要逻辑器件(1945-1954)
第1章 计算机系统概论
第1章计算机系统概论第1章计算机系统概论第一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。
计算机的主要功能是处理数据。
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));
(电脑基础知识)第1章计算机系统概论bak
权威机构或媒体对特定型号计算机 的性能评测。
04
计算机性能优化与升级
清理不必要的软件和文件
释放硬盘空间,提高系统运行速度。
优化启动项和服务
减少不必要的自启动程序和服务,提高系统响应速度。
升级硬件
根据性能瓶颈选择升级处理器、内存、硬盘或显卡等硬件。
维护散热系统
保持良好散热,避免因过热导致性能下降或硬件损坏。
总线与主板
总线是计算机中各个部件之间传输数据的通道。
总线的带宽和传输速率对计算机的性能有很大影响,总 线带宽越大、传输速率越高,数据传输越快。
主板是计算机中各个部件的载体,上面安装了中央处理 器、内存、显卡等关键部件。
主板的质量和稳定性对计算机的性能和使用寿命也有很 大影响。
03
计算机软件系统
系统软件
计算机网络拓扑结构是指网络中各个 节点相互连接的方式,常见的拓扑结 构有星型、总线型、环型和网状型。
互联网的发展与组成
起源与发展
互联网起源于美国国防部高级研 究计划署的ARPANET项目,经过
多年的发展,形成了全球性的信 息共享平台。
组成结构
互联网由多个网络通过路由器连接 而成,采用TCP/IP协议进行通信, 实现了各种不同类型计算机和网络 的互联互通。
存储器
01
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存储器是计算机中用于存储 数据和程序的硬件设备。
按照存储速度和访问方式, 存储器可以分为高速缓存、
主存和外存等类型。
高速缓存采用快速的存储介质, 如SRAM,以实现快速的读写速度;
主存采用较慢的存储介质,如 DRAM,以实现较大的存储容量; 外存则采用更慢的存储介质,如 SSD、HDD等,以实现更大容量
第1章计算机系统概论
▪ 上海超级计算中心的“曙光”5000A位列第15名。
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超级计算机世界500强 排行榜前十名榜单(2010.6)
1.美国克雷公司 美洲豹 1.75 petaflop/s
2.中国曙光公司 星云 1.27 petaflop/s
3.美国IBM公司 走鹊
1.105 petaflop/s
4.美国克雷公司 克拉肯
▪ 这是自2004年以来,日本制造的超级计算机第一 次成为全球速度最快的超级计算机。据悉,K Computer的计算性能高达10petaflop/s(千万亿 次/秒),远超去年11月时位于榜首的超级计算机。 去年11月时排在计算性能排行榜第一位的是中国 天津国家超级计算中心的天河-1A,它的计算性 能为2.6petaflop/s。
▪ –内存总容量98TB ;
▪ –点点通信带宽40Gbps ;
▪ –共享磁盘总容量为1PB
▪ 天河一号A
▪ –2048颗我国仿制sun公司的UltraSparc T2 处理器(飞腾FT-1000)八核心处理器
▪ –14336颗Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心 处理器
▪ –7168块NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡
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▪ 差距不容忽视——
▪ 核心差距在软件和应用,任务长期而艰巨
▪ 在硬件方面,不论是“天河一号”A,还是 “曙光星云”,其主要核心芯片都采用的 是美国的产品。在专家眼里,这个差距虽 然明显,但不是核心差距,更大的差距在 软件和应用方面,欠缺更多的是“软实 力”。
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▪ 北京时间2011年6月20日消息,据国外媒体报道, 国际超级计算机组织在德国汉堡召开2011年年会 并公布今年6月份的全球超级计算机500强名单。 今年排在超级计算机500强名单首位的超级计算 机是日本RIKEN高级计算机科学研究所的K Computer。
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
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
(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。
第1章计算机系统概论
编译、汇编、连接
源程序
机可归结为: (1) 程序员用高级语言编写程序; (2) 将程序与数据输入计算机,并由计算机
将程序翻译成机器语言程序,保存在计 算机的存储器中; (3) 运行程序,输出结果。
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1.2 计算机的硬件
硬件系统 计算机 系统
算法语言,操作系统,体积缩小, 可靠性提高,从科学计算扩大到数 据处理
体积小,可靠性大大提高,速度达 几MIPS,机种多样化,“小型计算 机” 出现,软件技术和外设发展迅 速应用领域不断扩大
速度提高至GIPS乃至TIPS水平, 多机并行处理和计算机网络迅速发 展。 “微型计算机” 出现
世界上第一台电子数字计算机 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer),由美国宾夕
法尼亚大学于1946年研制成功并投入使用。
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第四代计算机中 微处理器的发展:Intel 4004
1971年1月,Intel公司的霍夫研制成功世界上 第一块4位芯片Intel 4004,标志着第一代微处 理器问世,微处理器和微机时代从此开始。
1971年11月,Intel推出MCS-4微型计算机系统 (包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003 移位寄存器芯片和4004微处理器)
其他系统软件级 3.操作系统级
2.机器指令系统级
1.微程序级
传统机器级
1.4计算机的发展简史
类型 第一代
第二代
第三代
时期
1946 1958
1958 1964
1964 1971
第四代 1971 -
计算机组成原理作业1-10章答案(唐朔飞)
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。
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)。
6. 画出计算机硬件组成框图,说明各部件的作用及计算机系统的主要技术指标。
答:计算机硬件组成框图如下:控制器运算器CPU主机存储器输入设备接口输出设备接口外设各部件的作用如下:控制器:整机的指挥中心,它使计算机的各个部件自动协调工作。
运算器:对数据信息进行处理的部件,用来进行算术运算和逻辑运算。
存储器:存放程序和数据,是计算机实现“存储程序控制”的基础。
输入设备:将人们熟悉的信息形式转换成计算机可以接受并识别的信息形式的设备。
输出设备:将计算机处理的结果(二进制信息)转换成人类或其它设备可以接收和识别的信息形式的设备。
计算机系统的主要技术指标有:机器字长:指CPU一次能处理的数据的位数。
通常与CPU的寄存器的位数有关,字长越长,数的表示范围越大,精度也越高。
机器字长也会影响计算机的运算速度。
数据通路宽度:数据总线一次能并行传送的数据位数。
存储容量:指能存储信息的最大容量,通常以字节来衡量。
一般包含主存容量和辅存容量。
运算速度:通常用MIPS(每秒百万条指令)、MFLOPS(每秒百万次浮点运算)或CPI(执行一条指令所需的时钟周期数)来衡量。
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。
1章计算机系统概论2课件
1章计算机系统概论 (2)1.1 计算机的发展与应用 (2)1.1.1 计算机发展 (2)1.1.2计算机应用 (2)1.2 计算机系统的组成 (3)1.2.1存储程序与冯.诺依曼计算机 (3)1.2.2计算机的硬件系统 (3)1.2.3计算机的软件系统 (4)1.2.4硬件和软件的逻辑等价性 (5)1.3 计算机系统的层次结构 (5)1.4 计算机的特点、性能指标及分类 (6)1.4.1计算机的工作特点 (6)1.4.2计算机的性能指标 (6)第1章计算机系统概论本章内容为计算机组成原理课程的预备性知识。
重点:冯•诺依曼计算机的组成,计算机的层次构,软件与硬件的逻辑等价性1.1 计算机的发展与应用1.1 计算机发展计算机(Computer)在程序的控制下能快速、高效地自动完成信息的处理、加工、存储或传送。
世界上第一台电子数字计算机是1946年2月问世的ENIAC。
第一代计算机(1946~1957)──电子管时代。
第二代计算机(1958~1964)──晶体管时代。
第三代计算机(1965~1971)──中小规模集成电路时代。
第四代计算机(1972~)──超大规模集成电路时代。
在微型计算机的发展过程中,微处理器制造商Intel,它的产品从世界上第一个8位处理器8080(1974年问世)、准16位微处理器8080/8086(外部数据总线为8位)、16位微处理器80286(主频6MHz,1982年)、32位微处理器80386(主频12.5、33、50MHz,1985年)、80486(主频25、33、50MHz,1989年)、64位微处理器Pentium(80586).年)、PentiumIII、PentiumIV(主频1.3G、1.7G、2.0G、3.5GHz,2000年)。
2004 年6 月:支持超线程(HT)技术的PentiumIV主频突破 3.4 GHz。
2005 年4 月:英特尔推出第一款双核处理器。
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1
000100 0000001001 乘a得ax,存于ACC中
2
000011 0000001010 加b得ax+b ,存于ACC中
3
000100 0000001000 乘x得(ax+b)x,存于ACC中
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000011 0000001011 加c得ax2 + bx + c ,存于ACC
5
000010 0000001100 将ax2 + bx +c,存于主存单元
6
000101 0000001100 打印
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000110
停机
8
x
原始数据x
9
a
原始数据a
10
b
原始数据b
11
c
原始数据c
12
h
存放结果
20
2.计算机的解题过程
1.2
(1)存储器的基本组成
存储体
存储体 – 存储单元 – 存储元件 (0/1)
大楼 – 房间
– 床位 (无人/ 有人)
存储单元 存放一串二进制代码
000001 0000001000
存数 β 加γ
[ACC] β [ACC]+[γ] ACC
乘δ 打印
[ACC]×[δ] ACC [ ] 打印机
停机
h
19
计算 ax2 + bx + c 程序清单
1.2
指令和数据存于
指令
主存单元的地址 操作码 地址码
注释
0
000001 0000001000 取数x至ACC
新版课件提供了章目录和节目录。操作上除了顺序播放外,还可任选一章、 任选一节播放,并可从任意一页幻灯片返回到上一级目录。具体功能如下。
h
2
1. 进入章目录后,可点击任一章播放。 2. 进入节目录后,可点击任一节播放。 3. 每一节播放结束时,可继续播放,也可点击本节最后一页幻灯片右下角 的按钮,回到上一级目录,再点击节目录幻灯片右下角的按钮,即可回到章 目录。 4. 点击任一页幻灯片右下角的按钮,均可回到上一级目录。 在修改课件过程中,哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院张丽杰、罗丹 彦为课件的录入、排版、绘图、动画演示做了大量工作,在此表示衷心感谢。 由于时间仓促,难免有不妥之处,敬请读者和专家批评指正。
5. 存储程序
6. 以运算器为中心
h
12
冯·诺依曼计算机硬件框图
1.2
存放数据 将信息和转程换序成机 器能识别的形式
存储器
算将术结运果算转换成 逻人辑们运熟算悉的形式
输入设备
运算器
输出设备
控制器
h
指挥程序
运行
13
冯·诺依曼计算机硬件框图
1.2
输入设备
存储器 运算器
输出设备
控制器
h
14
二、计算机硬件框图
唐朔飞
2007年12月
h
3
第1章 计算机系统概论
第2章 计算机的发展及应用
第3章 系统总线
第4章 存储器
第5章 输入输出系统
第6章 计算机的运算方法
第7章 指令系统
第8章 CPU 的结构和功能
第9章 控制单元的功能
第10章 控制单元的设计
h
4
第1章 计算机系统概论
1.1 计算机系统简介
1.2 计算机的基本组成
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.4 本书结构
h
5
1.1 计算机系统简介
一、 计算机的软硬件概念
1. 计算机系统
计 硬件 计算机的实体,
算
如主机、外设等
机
系
统 软件 由具有各类特殊功能
的信息(程序)组成
h
6
1.1
系统软件 用来管理整个计算机系统
语言处理程序
软 件
操作系统 服务性程序
数据库管理系统
• 确定计算方法
sin x = x -
x3 3!
+
x5 5!
-
x7 7!
+
x9 9!
-
…
√x
=
1 2
(
yn +
x yn
)(
n
=
0,
1,
2,
…)
• 编制解题程序
程序 —— 运算的 全部步骤
指令 —— 每 一个步骤
h
1.2
17
编程举例
1.2
计算 ax2 + bx + c = (ax + b)x + c
软 件 虚拟机器 M2
硬 实际机器 M1 件
微程序机器 M0
用编译程序翻译 成汇编语言程序
用汇编程序翻译 成机器语言程序
1.1
用机器语言解释操作系统
用微指令解释机器指令
由硬件直接执行微指令
h
10
三、计算机体系结构和计算机组成 1.1
有无乘法指令
计算机 程序员所见到的计算机系统的属性 体系结构 概念性的结构与功能特性
1.2
1. 以存储器为中心的计算机硬件框图
控制器
数据 输入设备
程序
存储器
计算 输出设备
结果
运算器
h
15
2.现代计算机硬件框图
运算器 ALU
控制器
CPU CU
主机
存储器
主存 辅存
输入设备 输出设备
I/O设备
1.2
硬件
主机
主 存
CPU
ALU
CU
h
I/O
设备
16
三、计算机的工作步骤
1.上机前的准备
• 建立数学模型
MAR MDR
主存储器
存储字 存储单元中二进制代码的组合 存储字长 存储单元中二进制代码的位数
每个存储单元赋予一个地址号
(指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理)
计算机 组成
实现计算机体系结构所体现的属性
(具体指令的实现)
如何实现乘法指令
h
11
1.2 计算机的基本组成
一、冯·诺依曼计算机的特点
1. 计算机由五大部件组成 2. 指令和数据以同等地位存于存储器,
可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
网络软件
应用软件 按任务需要编制成的各种程序
h
7
2. 计算机的解题过程
1.1
高级语
目标
结果
言程序
翻译 程序 运行
计算机
h
8
二、计算机系统的层次结构
1.1
高级语言 汇编语言 操作系统
虚拟机器 M3 虚拟机器 M2
虚拟机器机器语言实际机 M1微指令系统微程序机器 M0
h
9
虚拟机器 M4
虚拟机器 M3
取x 至运算器中 乘以x 在运算器中 乘以a 在运算器中 存ax2 在存储器中 取b 至运算器中 乘以x 在运算器中 加ax2 在运算器中 加c 在运算器中 h
取x 至运算器中 乘以a 在运算器中 加b 在运算器中 乘以x 在运算器中 加c 在运算器中
18
指令格式举例
1.2
操作码
地址码
取数 α
[α] ACC
计算机组成原理
第2版
唐朔飞
高等教育出版社 高等教育电子音像出版社
h
1
为配合由高等教育出版社出版的面向21世纪课程教材《计算机组成原理》 教学和自学的需要,随书出版了《计算机组成原理》配套课件。为了配合该教 材的第2版,本课件在保留原课件特色的基础上,做了相应的补充和修改。
该课件与《计算机组成原理》第2版教材在体系上完全一致,它以课堂教 学为依托,帮助读者边阅读边思考,通过点击鼠标,逐行显示精练的文字和简 明的图表,既可从文稿中对教材的重点和难点加深理解,又可从视图中看到动 画演示效果,形象地理解各种电路的工作原理和设计思路。