第1章 计算机系统概述
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计算机组成与结构
清华大学 王爱英主编 主讲 马洪连
第一章计算机系统概论
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
1.3 计算机系统的层次结构（从语言功能层次划分）
虚拟机：通过配置软件扩展功能后形成的与实际机无关的 机器。它将提供给用户的功能抽象出来，脱离了物理机。
如图所示
虚拟机器 M4 （高级语言机器） 高级语言程序经编译程序翻译 成汇编语言或中间语言程序
虚拟机器 M3 （汇编语言或中 间 机 器 语 言）
• 数据处理
数据库管理，企业信息管理，统计汇总、 数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化
• 智能模拟
人工智能、专家系统、 人工智能、专家系统、自学习
本级 语言程 序经编译 程序翻 译成 机器语言程序或操作系统语言
虚拟机器 M2 （操作系统 语言机器）
一般用机器语言解释操作系统语言
实际ห้องสมุดไป่ตู้器 M1 （机器语言机器）
由 硬 件 或 微 程 序 *执 行 机 器 语 言
*注 ： 微 程 序 将 在 第 6 章 中 讲 述
图 1 .4
计算机系统的多级层次结构
1．2计算机的硬件 组成计算机的基本部件有中央处理器CPU（运 算器和控制器）、存储器和输入、输出设备。
• 输人设备用来输人原始数据和处理这些数据的程序、输人的信息 有数字符、字母和控制符等。 • 输出设备用来输出计算机的处理结果。可以是数字、字母、表格、 图形等. • 存储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存储和交流 中心。存储器可与CPU、输入输出设备交换信息，起存储、缓冲、 传递信息的作用， • 中央处理器又叫CPU，在早期的计算机中分成运算器和控制器两 部分，由于电路集成度的提高，现在已把它们集成在一个芯片中。 • 在计算机中各部件间来往的信号可分成三种类型，即地址、数据 和控制信号。通常这些信号是通过总线传送的， CPU发出的控制 信号，经控制总线送到存储器和输入输出设备，控制这些部件完 成指定的操作。与此同时，CPU（或其他设备）经地址总线向存 储器或输入输出设备发送地址，使得计算机各个部件中的数据能 根据需要互相传送。
1.4 计算机的现代发展史 1.4.1 计算机的产生
– 1945年, 美国数学家冯.诺依曼博士发表《电子计算工 具逻辑设计》论文，提出二进制表达方式和存储程序 控制计算机构想。 – 1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算 机 ENIAC。重28吨，耗电150kW，占地170平米，用 电子管18800个，每秒5000次加法。
1.5 计算机的应用领域
• 科学研究计算
密码破译，天气预报，地质勘探， 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算
• 过程控制
机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制 机器人以及各种自动化装备，温度调节，
• 辅助设计 分析/制造 教学 辅助设计/分析 制造 分析 制造/教学
机械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAI ，建筑 机械 ， ， ，
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
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
• • • • •
•
一般认为冯.诺依曼机具有如下基本特点: 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和 输出设备五部分组成。 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储 器中，由指令组成的程序可以修改。 数据以二进制码表示 指令由操作码和地址码组成。 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器 指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序 替增。 机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。
清华大学 王爱英主编 主讲 马洪连
第一章计算机系统概论
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
1.3 计算机系统的层次结构（从语言功能层次划分）
虚拟机：通过配置软件扩展功能后形成的与实际机无关的 机器。它将提供给用户的功能抽象出来，脱离了物理机。
如图所示
虚拟机器 M4 （高级语言机器） 高级语言程序经编译程序翻译 成汇编语言或中间语言程序
虚拟机器 M3 （汇编语言或中 间 机 器 语 言）
• 数据处理
数据库管理，企业信息管理，统计汇总、 数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化
• 智能模拟
人工智能、专家系统、 人工智能、专家系统、自学习
本级 语言程 序经编译 程序翻 译成 机器语言程序或操作系统语言
虚拟机器 M2 （操作系统 语言机器）
一般用机器语言解释操作系统语言
实际ห้องสมุดไป่ตู้器 M1 （机器语言机器）
由 硬 件 或 微 程 序 *执 行 机 器 语 言
*注 ： 微 程 序 将 在 第 6 章 中 讲 述
图 1 .4
计算机系统的多级层次结构
1．2计算机的硬件 组成计算机的基本部件有中央处理器CPU（运 算器和控制器）、存储器和输入、输出设备。
• 输人设备用来输人原始数据和处理这些数据的程序、输人的信息 有数字符、字母和控制符等。 • 输出设备用来输出计算机的处理结果。可以是数字、字母、表格、 图形等. • 存储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存储和交流 中心。存储器可与CPU、输入输出设备交换信息，起存储、缓冲、 传递信息的作用， • 中央处理器又叫CPU，在早期的计算机中分成运算器和控制器两 部分，由于电路集成度的提高，现在已把它们集成在一个芯片中。 • 在计算机中各部件间来往的信号可分成三种类型，即地址、数据 和控制信号。通常这些信号是通过总线传送的， CPU发出的控制 信号，经控制总线送到存储器和输入输出设备，控制这些部件完 成指定的操作。与此同时，CPU（或其他设备）经地址总线向存 储器或输入输出设备发送地址，使得计算机各个部件中的数据能 根据需要互相传送。
1.4 计算机的现代发展史 1.4.1 计算机的产生
– 1945年, 美国数学家冯.诺依曼博士发表《电子计算工 具逻辑设计》论文，提出二进制表达方式和存储程序 控制计算机构想。 – 1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算 机 ENIAC。重28吨，耗电150kW，占地170平米，用 电子管18800个，每秒5000次加法。
1.5 计算机的应用领域
• 科学研究计算
密码破译，天气预报，地质勘探， 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算
• 过程控制
机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制 机器人以及各种自动化装备，温度调节，
• 辅助设计 分析/制造 教学 辅助设计/分析 制造 分析 制造/教学
机械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAI ，建筑 机械 ， ， ，
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
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
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一般认为冯.诺依曼机具有如下基本特点: 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和 输出设备五部分组成。 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储 器中，由指令组成的程序可以修改。 数据以二进制码表示 指令由操作码和地址码组成。 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器 指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序 替增。 机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。