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第01章 计算机系统概述


第1章 计算机系统概述
本章主要内容
1.1 计算机的发展历程 1.2 计算机的组成与结构 1.3 计算机的基本工作原理 1.4 计算机系统的分类及其应用 1.5 计算机系统的性能指标
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1.1 计算机的发展历程
1946年,美国宾夕法尼亚大学莫齐利 (Mauchly)和艾克特(Eckert)等人研制出电子 数字积

分器和计算机ENIAC。 但ENIAC未使用二进制操作和存储程序 控制,不具备现代计算机的主要特征。

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第一台电子计算机(ENIAC)
ENICA基本概况
5000次加法/秒 体重约30吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW

1946年,ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功
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计算机的发展历程
在ENIAC研制同时, 冯· 诺依曼(Von Neumann)等人合作研 制了EDVAC计算机。 设计原理和思想在现 代计算机中仍在使用, 所以现代的一般计算机 被称作冯· 诺依曼结构 计算机。

John von Neumann 冯?诺依曼 (1903-1957)

4

冯· 诺依曼结构计算机的特点






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 一个存储器中,指令和数据一样可以送到 运算器运算。 数据以二进制码表示。

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冯· 诺依曼结构计算机的特点





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 计数器指明要执行指令所在的单元地址。 机器以运算器为中心,输入输出设备与存 储器问的数据传送都通过运算器。

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计算机的发展
从第一台计算机的诞生到现在计算机的
发展经历了4个阶段,习惯上称为4代。
? 第一代 计算机46~50年代末
? 第二代 50年代末~60年代初

? 第三代 60年代中期~70年代初
? 第四代 70年代中期以后

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第一代计算机(1946~1958)
第一代基本特征: ① 以电子管为基本电子器件; ② 使用机器语言和汇编语言; ③ 应用领域主要为科学计算; ④ 运算速度每秒几千~几万次; ⑤ 体积大,功耗大,价格昂贵且可靠性差。

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第二代计算机(1958~1964)
第二代基本特征: ① 晶体管取代电子管; ② 软件技术上出现算法语言及操作系统; ③ 应用领域从科学计算扩展到数据处理; ④ 运算速度每秒几万~几十万次; ⑤ 体积缩小,功耗降低,可靠性提高。

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第三代计算机(1964 ~1971)
第三代基本特征: ① 采用集成电路; ② 运算速度每秒几十万~几百万次; ③ 体积,功耗显著减小,可靠性大大提高; ④ 出现向大型和小型化两极发展趋势; ⑤ 软件技术与计算机外围设备发展迅速, ⑥ 应用领域不断扩大。

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第四代计算机(1971至今)
第四代基本特征:
① 中,大及超大规模集成电路(VLSI)成为计算

机的主要器件; ② 运算速度从MIPS级提高到GIPS级乃至TIPS 级; ③ 采用了多机并行处理与网络化技术; ④ 系统软件的发展正向工程化及智能化发展。

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Moore 定律
?

?

?

Intel公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出: 假设芯片价格保持不变,则微处理器芯片上的 晶体管数量,每隔18-24个月便翻一番; 假设微处理器价格保持不变,则微处理器速度 每隔18-24个月便翻一番; 假设微处理器速度或芯片内存储器容量不变, 则微处理器芯片价格每18-24个月将降低约 48%。
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元器件技术对计算机更新换代的影响
代 一 二 三 四 时间
1946~1957
1958~1964 1965~1971

硬件技术

速度(次/秒)
40 000
200 000 1 000 000

电子管
晶体管 中小规模 集成电路 大规模 集成电路 超大规模 集成电路

1972~1977 1978~现在

10 000 000 100 000 000
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1.2 计算机的组成与结构

计 算 机 系 统

硬件

软件

计算机的实体 如主机、外设等五大 基本部件 由具有各类特殊功能 的信息(程序)组成

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1.2.1 计算机的硬件
1. 电子计算机的硬件组成

图1.1 计算机最基本组成框图

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冯· 诺依曼计算机硬件框图
存放数据和程序 将信息转换成机 器能识别的形式 输入设备 算术运算逻辑运算

存储器

将结果转换成 人们熟悉的形式 输出设备

运算器

控制器
指挥程序 运行 16

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 运算器 存储器 输出设备 结果 计算

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2. 计算机的硬件典型结构

图1.2 以单总线连接的计算机框图

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1.2.2 计算机软件
1. 软件的组成与分类
?

程序+文档=软件 计算机语言 ? 机器语言 ? 汇编语言 ? 高级语言
19

?

系统软件 用来管理整个计算机系统
语言处理程序
操作系统 服务性程序

软 件

数据库管理系统
网络软件

应用软件 按任务需要编制成的各种程序

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1.2.3 计算机系统的层次结构
虚拟机器 M4
虚拟机器 M3
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 用机器语言解释操作系统

软 件
硬 件

虚拟机器 M2

实际机器 M1
微程序机器 M0

用微指令解释机器指令

由硬件直接执行微指令

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1.3 计算机的基本工作原理

图1.4 程序执行过程示意图
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案例:运算步骤
某计算机上运算f=a+b ,首先程序员 需要依据解题步骤编写程序。解题步骤 如下: step1: 取数a; step2: 取数b; step3: 执行a+b,结果送f; step4: 结束。
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案例:运算步骤
用汇编语言编写的程序如下: 2000H MOV AX,[2010H] 2001H ADD AX,[2020H] 2003H MOV [2030H],AX 2004H HLT 2010H a 2020H b 2030H 存结果f
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案例:运算步骤
将程序首地址2000H送程序计数器PC,便 启动了该程序的执行。程序的执行过程如下: (1) 取指令——PC的内容(2000H)送地址总线, 主存2000H单元内容读入控制器,PC的内容 自动增1; 执行指令——控制器译码所取(MOV AX, [2010H])指令,发出控制信号,完成取 2010H单元中的内容a送寄存器AX的操作。
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案例:运算步骤
(2)取指令——PC的内容(2001H)送地址总线, 主存2001H单元内容读入控制器,PC的 内 容自动增1; 执行指令——控制器译码所取(ADD AX, [2020H])指令,发出控制信号,完成取2020H 单元中的内容b,并和已存放AX中的2010H单 元内容相加,再送寄存器AX的操作。

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案例:运算步骤
(3)取指令——PC的内客(2002H)送地址总线, 主存2002H单元内容读入控制器,PC的内容 自动增1; 执行指令——控制器译码所取(ADD AX, [2020H])指令,发出控制信号,完成将已存放 a+b结果的寄存器AX的内容存入2030H存储单 元的操作。

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1.4 计算机系统的分类及其应用
1.4.1 计算机系统的分类
? ? ? ?

按用途分类 按规模分类 按使用方式分类 按结构分类(Flynn分类)

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电子计算机从总体上分为两大类: 电子模拟计算机和电子数字计算机。 数字计算机分为: 两类 专用计算机和通用计算机。 通用计算机分为: 六类 巨型机,大型机,中型机,小型机,微型机 和单片机。

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通用计算机分类
1.单片机 主要用于智能控制和嵌入式系统。 2.微型机 微型机的出现和发展,掀起了计算机 大普及的浪潮。 3.小型机 小型机以它成本低,容易维护, 容易 操作的特点得到广泛使用和迅速推广。 4.巨型机 现代科学技术和国防技术发展需要很 高的远算速度,很大的存储容量,一般大型通 用计算机满足不了这种需求。
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通用计算机分类比较


指令系统复杂性 运算速度 数据存储量 体积 功耗 价格


单片机 微型机 小型机 中型机 大型机 巨型机



简易性



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计算机系统的分类

Flynn分类的各类结构计算机示意

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1.4.2 计算机系统的应用
1.科学计算 科学计算主要是对数值进行运算处理,是计算机最 早使用的领域。 2.数据处理 数据处理具有输入/输出信息量大而计算但比较简 单的特点。 3.计算机控制 工业生产过程控制是计算机应用的又一领域。 4.计算机辅助设计/计算机辅助制造 5.人工智能 研究领域包括:模式识别、景物分析、自然语言的 理解和生成、专家系统和机器人等。
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1.5 计算机系统的性能指标
主要性能指标 ? 字长 ? 数据通路宽度 ? 主存容量 ? 运算速度(CPU速度)

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字长
字长指计算机内部一次可以处理的二进制
数的位数。字长越长,计算机所能表示的数据

精度越高,在完成同样精度的运算时数据的处
理速度越高。但字长越长,机器中的通用寄存 器、存储器、ALU的位数和数据总线的位数都 要增加,硬件代价增大。

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数据通路宽度
数据通路宽度是指数据总线一次所能并
行传送的位数。它影响信息的传送能力,

从而影响计算机的有效处理速度。CPU内
部的数据通路宽度一般等于基本字长,而

外部的数据通路宽度取决于系统总线的宽
度。

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主存容量
存储器容量是衡量计算机主存储器能存 储二进制信息量大小的一个重要指标。主 存储容量反映了主存储器的数据处理能力, 存储容量越大,其处理数据的范围就越大, 并且运算速度一般也越快。 基本单位:B、KB、MB、GB、TB、PB

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运算速度(CPU速度)
吉普森法

TM = ∑ fi ti
i =1

n

MIPS

每秒执行百万条指令

执行一条指令所需时钟周期数 CPI FLOPS 每秒浮点运算次数

MFLOPS 每秒百万次浮点运算

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课堂讨论
?

?

?

冯·诺依曼结构的特点是什么? “存储程序”的思想,举例说明计算机的 工作过程。 计算机的基本性能指标有哪些?它们之间 有何关系?

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