1、第一章计算机系统概论目目 录录1.1 1.1 计算机的发展计算机的发展1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成1.3 1.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.4 1.4 系统结构的发展系统结构的发展本章小结本章小结第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论学习目的：1.掌握冯.诺依曼计算机模型的思想、冯氏计算机的硬件组成和基本功能；2.掌握计算机系统的层次结构，从软件、硬件两方面描述；3.掌握电子计算机的发展历程；4.掌握计算机性能指标：CPU时钟周期，主频，CPI，CPU执行时间；MIPS，MFLOPS；5.了解计算机的工作过程；What?What?计算机的产生 1945
2、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30吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每秒5000次加法。1.1 计算机的发展1.1 1.1 计算机的发展计算机的发展 从使用器件的角度来说,计算机的发展到目前为止大致经历了5代的变化：第1代为1946年开始的电子管计算机第2代为1958年开始的晶体管计算机第3代为1964年开始的中小规模集成电路计算机第4代为1972年开始的大规模和超大规模集成电路计算机第5代为1986年开始的巨大规模集成电路计算机？
3、量子？生物？智能？第一代电子管计算机IBM709大型机第二代晶体管计算机IBM7094第三代计算机IBM 360第四代计算机IBM370第五代巨大规模集成电路计算机(天河一号)1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成1.2.1 计算机的硬件框图1.2.2 计算机系统的主要技术指标1.2.1 1.2.1 计算机的硬件框图计算机的硬件框图冯诺依曼计算机的特点是:程序以二进制代码的形式存放在存储器中;所有的指令都是由操作码和地址码组成;指令在其存储过程中按照执行的顺序;以运算器作为计算机结构的中心等。图1.1 冯诺依曼计算机硬件框图图中：实线为数据线,虚线为控制线和反馈线。1.2.1 1.2
4、.1 计算机的硬件框图计算机的硬件框图图1.2 以存储器为中心的计算机硬件框图图中：实线为控制线,虚线为反馈线,空心箭头线为数据线。输入设备输入设备控制器控制器存储器存储器运算器运算器输出设备输出设备各部件的功能：各部件的功能：运算器运算器用来完成算术运算和逻辑运算,并将运算的中间 结果暂存在运算器内。存储器存储器用来存放数据和程序。控制器控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。输入设备输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为计算机能识别的信息形式,常见的有键盘、鼠标等。输出设备输出设备可将计算机运算结果转换为人们熟悉的信息形式,如打印机、显示器等。1.2.1 1.2.1 计
5、算机的硬件框图计算机的硬件框图图1.3 现代计算机的组成框图CPU“中央处理器”的简称，由运算器和控制器组成。I/O设备“输入设备与输出设备”的简称。CPU 与主存储器MM 合起来又可称为主机；I/O 设备可称为外部设备。ALU算术逻辑运算单元,用来完成算术逻辑运算。CU控制单元,用来解释存储器中的指令,并发出各种操作命令来执行指令。1.2.2 1.2.2 计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标1 1）机器字长）机器字长 机器字长是指计算机中CPU 能进行多少位二进制数的并行运算,实际上是指该计算机中的运算器有多少位,通常计算机的数据总线和寄存器的位数与机器字长一致。机器字长越长,数
6、的表示范围就越大,精度也越高。机器的字长也会影响机器的运算速度，对硬件的造价也有较大影响。衡量机器字长的单位可用“位(bit)”,位是计算机内最小的信息单位,8位构成1个“字节(byte)”。字长的长度是不固定的,对于不同的CPU,字长的长度也不一样。1.2.2 1.2.2 计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标2 2）主频）主频 又称主时钟频率,CPU 工作的节拍是由主时钟控制的。主时钟不断地产生固定频率的时钟脉冲,时钟脉冲的频率就是CPU 的主频率。主频率越高,CPU 的工作节拍越快,是影响机器运算速度的重要参数。1.2.2 1.2.2 计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技
7、术指标3 3）存储容量）存储容量 存储容量的大小不仅影响着存储程序和数据的多少,而且也影响着运行这些程序的速度。主存用以直接与CPU 交换信息,主存容量大,机器的运行速度就快。主存容量是指主存中存放二进制代码的总数,即:存储容量=存储单元个数 存储字长 现代计算机中常以字节(byte)的个数来描述容量的大小。缓存大小也是CPU 的重要指标之一。1.2.2 1.2.2 计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标4 4）运算速度）运算速度 (1)CPU(1)CPU执行时间执行时间CPU执行时间=CPU时钟周期数/频率或 CPU执行时间=CPU时钟周期数时钟周期长度1.2.2 1.2.2 计算
8、机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标4 4）运算速度）运算速度 (2)(2)平均运行时钟周期数平均运行时钟周期数CPICPI CPI=CPU时钟周期数/指令条数IC 由此可得CPU执行时间的另一表达式:CPU执行时间=CPIIC时钟周期长度 CPU性能公式计算计算1.2.2 1.2.2 计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标 若一个计算机指令集包含N 条指令,其中指令i的执行时间为 ,且出现次数为 ,则该程序执行时间为:整段程序的指令平均运行时钟周期数为:其中，为指令i在程序中出现的频率,称为指令i的使用频度。例题时钟周期长度）（执行时间N1iiICCPIiCPUNiiiNi
9、iiICICCPIICICCPICPI11)/(/)(iCPIiICICICi/例例1.11.1 用一台时钟频率为400MHz的处理机执行如表1.2所示标准测试程序,程序中包含的各种指令条数及各指令的平均时钟周期数如表1.2所示。求测试程序的执行时间及CPI。解答程序的总指令条数为:指令的平均时钟周期数为:测试程序的执行时间为:511010000200003000040000NiiICICICICCPICPINiii/)(16.110/)100002200002300002400001(5时钟周期长度）（执行时间N1iiICCPIiCPU时钟频率）（N1iiICCPIi8104/)100002
10、200002300002400001(s10441.2.2 1.2.2 计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标4 4）运算速度）运算速度 (3)MIPS(3)MIPS和和MFLOPSMFLOPS MIPS(Million Instructions Per Second)表示每秒百万条指令数。对于一个给定的程序,它的MIPS为:MIPS=程序指令条数/（程序执行时间*106）=时钟频率/(CPI*106)则程序执行时间Te 为:Te=指令条数/MIPS*1061.2.2 1.2.2 计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标 4 4）运算速度）运算速度 MFLOPS(Millio
11、n FLoating-point Operations Per Second)表示每秒百万条浮点运算次数。对于一个给定的程序,它的MFLOPS为：MFLOPS=程序浮点运算次数/（程序执行时间*106）MIPS和MFLOPS是单位时间内的执行次数,所以机器越快,其MIPS和MFLOPS越高。1.3 1.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.3.1 1.3.1 计算机硬件计算机硬件1.3.2 1.3.2 计算机软件计算机软件1.3.3 1.3.3 计算机系统层次结构计算机系统层次结构1.3.4 1.3.4 计算机工作过程计算机工作过程1.3.5 1.3.5 计算机组成与计算机系统结构的
12、关系计算机组成与计算机系统结构的关系1.3.1 1.3.1 计算机硬件计算机硬件 计算机硬件计算机硬件(Computer Hardware)是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种物理装置的总称。计算机硬件的功能计算机硬件的功能是输入并存储程序和数据,以及执行程序把数据加工成可以利用的形式。1.3.1 1.3.1 计算机硬件计算机硬件 从外观上来看,计算机由主机箱主机箱和外部设备外部设备组成。主机箱主机箱包括CPU、内存、主板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各种扩展卡、连接线、电源等；外部设备外部设备包括鼠标、键盘、显示器、音箱等,这些设备通过接口和连接线与主机相连。1.3.2 1.3.2
13、 计算机软件计算机软件 计算机软件(ComputerSoftware)是指计算机系统中的程序和文档。程序程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述;文档文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料。程序必须装入机器内部才能工作,文档一般是给人看的,不一定装入机器。计算机软件一般分为两大类:系统软件系统软件和应用软件应用软件1.3.2 1.3.2 计算机软件计算机软件 系统软件系统软件用来简化程序设计、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:各种服务性程序,如诊断程序、排错程序等;语言程序,如汇编程序、编译程序、解释程序等;操作系统;数据库管理系统。1.3.2
14、1.3.2 计算机软件计算机软件 应用软件应用软件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、情报检索程序、科学计算程序等。必须指出的是系统软件和应用软件之间没有一个很严格的界限。1.3.3 1.3.3 计算机系统层次结构计算机系统层次结构 计算机系统按功能可以划分成多级层次结构,如下图所示。（下层为上层服务，下层的“透明性”）1.3.4 1.3.4 计算机工作过程计算机工作过程 用计算机解决实际问题,通常包含两大过程:一个是上机前的各种准备,包括建立数学模型、确定计算方法、编制解题程序等;另一个是上机运行。现代计算机的特点是预先把程序
15、和原始数据保存到机器中,然后由机器把程序中的指令逐条取出加以执行,从而实现自动计算。为了较形象地了解计算机的解题过程,将图1.3细化,得到如图1.5所示的计算机组成框图。图1.3 现代计算机的组成框图1.3.4 1.3.4 计算机工作过程计算机工作过程1.1.主存储器主存储器 主存储器(简称主存或内存)包括存储体存储体、各种逻辑部件及控制电路等。一个存储单元可存储一串二进制代码,称这串二进制代码为一个存储字存储字,这串二进制代码的个数称为存储字长存储字长。主存的工作方式为按地址存取按地址存取,即按地址地址访问存储器。为了能实现按地址访问的方式,主存中还必须配置2个寄存器MAR和MDR。存储体由
16、若干存储单元组成,每个存储单元包含若干个存储元件(或称存储基元、存储元),每个存储元件能寄存1位二进制代码“0”或“1”。存储单元的地址，即存储单元的编号。地址寄存器 数据寄存器 1.3.4 1.3.4 计算机工作过程计算机工作过程2.2.控制器控制器 控制器是计算机组成的神经中枢,由它指挥全机各部件自动、协调地工作。即，取指过程取指过程分析指令过程分析指令过程执行指令过程执行指令过程 控制器由程序计数器PC(ProgramCounter)、指令寄存器IR(InstructionRegister)以及控制单元CU(ControlUnit)几部分组成。命令存储器读出一条指令对取出的这条指令进行分
17、析，指出该指令要完成什么样的操作,并按寻址特征指明操作数的地址根据操作数所在的地址,取出操作数并完成某种操作1.3.4 1.3.4 计算机工作过程计算机工作过程3.3.运算器运算器 运算器包括3个寄存器(ACC、MQ 和X,现代计算机内部往往设有通用寄存器组)和1个算术逻辑单元(ALU)。表1.3列出了寄存器存放不同类别操作数的情况。4.I/O 4.I/O 系统系统 I/O系统包括各种外部设备及相应的接口。每种设备都由I/O接口与主机联系,它接受控制单元CU发出的各种控制命令,完成相应的操作。图1.5 细化的计算机组成框图 1.3.5 1.3.5 计算机组成与计算机系统结构的关系计算机组成与计
18、算机系统结构的关系计算机组成(ComputerOrganization)也称计算机组织,是指计算机系统的的物理实现,包括物理机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。它着眼于物理机器级内各事件的排序与控制方式、各部件的功能以及各部件的联系。计算机组成研究的范围包括确定数据通路的宽度、确定各种操作对功能部件的共享程度、确定专用的功能部件、确定功能部件的并行度、设计缓冲和排队策略、设计控制机构和确定采用何种可靠技术等。计算机系统结构(ComputerArchitecture)也译成“计算机体系结构”。一般而言,计算机体系结构是计算机系统的逻辑实现,包括机器内部数据流和控制流的组成以及逻辑设计等
19、,其目标是合理地把各种部件、设备组成计算机,以实现特定的系统结构,同时满足所希望达到的性价比。计算机系统结构研究的内容不但包括计算机硬件,也涉及计算机软件。1.4 1.4 系统结构的发展系统结构的发展 至今绝大多数计算机仍采用冯诺依曼计算机模式,但这60多年的发展,计算机系统结构有了许多改进,主要包括以下几个方面:(1)计算机系统结构从基于串行算法改变为适应并行算法,出现了向量计算机、并行计算机以及多处理计算机等;(2)高级语言与机器语言的语义距离缩小,出现了面向高级语言机器和直接执行高级语言机器;(3)硬件子系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应,出现了面向操作系统机器和数据库计算机等;(
20、4)计算机系统结构从传统的指令驱动型改变为数据驱动型和需求驱动型,出现了数据流机器和归约机;1.4 1.4 系统结构的发展系统结构的发展(5)为适应特定应用环境而出现了各种专业计算机,如快速傅里叶变换机器、过程控制计算机等;(6)为获得高可靠性而研制了容错计算机;(7)计算机系统功能分散化、专业化;(8)出现了与大规模、超大规模集成电路相适应的计算机系统结构;(9)出现了处理非数值化信息的智能计算机,如自然语言、声音、图形和图像处理等。本章小结本章小结1.计算机的发展历程(1)第1代计算机(19461958年):电子管。(2)第2代计算机(19581964年):晶体管。(3)第3代计算机(19
21、641972年):中小规模集成电路。(4)第4代计算机(19721986年):大规模/超大规模集成电路。(5)第5代计算机(1986至今):巨大规模集成电路。2.存储程序原理(1)计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件构成。(2)计算机内部采用二进制表示指令和数据。(3)计算机采用存储程序方式工作,这是冯诺依曼思想的关键。(4)经典的冯诺依曼计算机以运算器为中心。本章小结本章小结3.计算机系统（1）硬件系统（2）软件系统（3）计算机系统的层次结构4.计算机性能指标(1)机器字长:CPU 一次能处理数据的二进制位数,通常与CPU 中的寄存器位数有关。(2)存储容量:主要指主存容量,是存放二进制代码的总和,通常用字节数来表示。(3)运算速度:可用吞吐量、响应时间、CPU 时钟周期、主频、CPI、CPU 执行时间、MIPS、MFLOPS等参数来衡量。5.计算机的工作过程取指令译指令执行指令
