1、第第 1 1 章章 计算机系统概论计算机系统概论 11/26/20221 20056 张功萱、顾一禾、王晓峰修订本章学习内容 计算机的发展历史计算机的发展历史 计算机系统的硬件组成计算机系统的硬件组成 计算机的软件系统计算机的软件系统 计算机系统的组织结构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特点和性能指标 计算机的分类与应用计算机的分类与应用 11/26/202221.1 1.1 计算机的发展历史计算机的发展历史 从从1946年年2月月15日第一台计算机日第一台计算机-ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)诞生以来
2、诞生以来，计算机的发展经历了近计算机的发展经历了近60年的迅猛发展。年的迅猛发展。11/26/202231.1.1 计算机硬件计算机硬件更新换代更新换代 1.电子管时代（电子管时代（1946年年-1959年）年）在第一代电子管阶段，计算机以电子管作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。迟线、磁鼓等材料，数据用定点表示。ENIAC:8英尺高英尺高x3英尺宽英尺宽x100英尺长英尺长 18000Vocum,150 kw,30t,5M Add/s 我国有我国有:103机、机、104机、机、119机
3、机 11/26/20224 2.晶体管时代（晶体管时代（1959年年-1964年年）第二代晶体管阶段的计算机主要以晶体管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由磁芯构成，通过引入浮点运算硬件加强科学计算能力。科学计算能力。我国推出：我国推出：DJS-5机、机、DJS-121机、机、DJS-108机机 11/26/20225 3.中、小规模集成电路时代（中、小规模集成电路时代（1964年年-1975年）年）集成电路器件成为了计算机的主要逻辑元件，集成电路器件成为了计算机的主要逻辑元件，推动计
4、算机进入了第三个发展阶段推动计算机进入了第三个发展阶段中、中、小规模集成电路（小规模集成电路（MSI、SSI）时代。主存时代。主存储器也随之进入了由半导体存储器替代磁芯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的大型、巨型机和物美价廉的小型机得到快速发展。速发展。11/26/20226 本阶段典型的计算机有：本阶段典型的计算机有：IBM公司的公司的IBM360系列（系列（1964年）、年）、CDC公司的公司的CDC6600（1964年）和年）和DEC公司的公司的PDP-8（1964年）
5、。我国在此时期也推出了大、年）。我国在此时期也推出了大、中、小型计算机，如中、小型计算机，如150机（机（1973年）、年）、DJS-130机（机（1974年，并形成了年，并形成了100系列系列机）、机）、220机（机（1973年年-1981年，年，200系系列机）和列机）和182机（机（1976年，年，180系列机）。系列机）。11/26/20227 4.超、大规模集成电路时代（超、大规模集成电路时代（1975年年-1990年）年）随着集成电路的集成度进一步提高，超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，规模、大规模电路被广泛应用于计算机，进入了第四个阶段进入了
6、第四个阶段超、大规模集成超、大规模集成电路电路（电路电路（VLSI、LSI）时代。此时半时代。此时半导体存储器已完全替代了磁芯存储器，导体存储器已完全替代了磁芯存储器，并发展了并行技术、多机系统和分布式并发展了并行技术、多机系统和分布式计算技术，出现了计算技术，出现了RISC指令集。指令集。11/26/20228 在这一时期，巨型向量机、阵列机等高级计在这一时期，巨型向量机、阵列机等高级计算机得到了发展，如美国的算机得到了发展，如美国的Cray-I，我国我国的的YH-I等，同时低档的微处理器开始面世，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。并迅速推向社会各个领域和家庭。1
7、978年采用年采用Intel 8086微处理器构成的微处理器构成的16位微机位微机IBM-PC/XT的面世，真正使得台式的面世，真正使得台式个人计算机走进办公室和家庭。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和应用。从而带动并形成了信息技术产业IT业。业。11/26/20229 5.超级规模集成电路时代（超级规模集成电路时代（1990年年-现在）现在）从集成度来看，计算机使用的半导体芯片的从集成度来看，计算机使用的半导体
8、芯片的集成度已接近极限，出现了极大、甚大规模集成度已接近极限，出现了极大、甚大规模集成电路（集成电路（ULSI、ELSI）。）。这一阶段，出现了采用大规模并行计算和高这一阶段，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，如性能机群计算技术的超级计算机，如IBM公公司的司的“深蓝深蓝”计算机就是一台计算机就是一台RS/6000 SP2超级并行计算机，它具有超级并行计算机，它具有256块处理器块处理器芯片。芯片。11/26/202210 我国的我国的YH-III（大规模并行处理，大规模并行处理，128个个CPU，1997年）、年）、YH-IV（机群技术）机群技术）巨型机已达到国际水平
9、巨型机已达到国际水平.2004年，我国年，我国的研制开发的超级计算机的研制开发的超级计算机曙光曙光4000A进入全球超级计算机进入全球超级计算机500强排行强排行榜的前榜的前10名，标志着我国超级计算机技名，标志着我国超级计算机技术已跨入了世界前列。术已跨入了世界前列。微处理器技术也在高速发展，推出了微处理器技术也在高速发展，推出了32位、位、64位的微处理器芯片，如位的微处理器芯片，如Pentium IV、Itanium II等，使微机性能更上了等，使微机性能更上了一个台阶。一个台阶。11/26/2022111.1.2 计算机软件计算机软件日臻完善日臻完善 1.汇编语言阶段（汇编语言阶段（2
10、0世纪世纪50年代）年代）2.程序批处理阶段（程序批处理阶段（20世纪世纪60年代）年代）3.分时多用户阶段（分时多用户阶段（20世纪世纪70年代）年代）4.分布式管理阶段（分布式管理阶段（20世纪世纪80年代）年代）5.软件重用阶段（软件重用阶段（20世纪世纪90年代）年代）6.Web服务阶段（服务阶段（21世纪初期世纪初期）11/26/2022121.2 1.2 计算机系统的硬件组成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个完整的计算机系统由硬件和软件两大部分组成。部分组成。硬件是指组成计算机的各种设备实体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。软件通
11、常泛指各种程序和文件。11/26/2022131.2.1 计算机的功能部件计算机的功能部件 计算机的基本功能主要包括数据加工、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。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，是计算机进行工实在在的器件组成的，是计算机进行工作的物质基础。作的物质基础。11/2
12、6/202214运算器控制器输入设备输出设备CPU主机系统存储器I/O系统图1-1 计算机功能部件11/26/202215 计算机硬件系统是指计算机的五大部件以及将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：五大部件包括：1.1.输入设备输入设备 输入设备的主要功能是：将程序和数据以机器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。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，还有扫描仪最常见的输入设备是键盘，还有扫描仪、语音语音输入设备、手写笔、触摸屏
13、、输入设备、手写笔、触摸屏、鼠标、鼠标、数码摄像数码摄像设备设备等。等。11/26/202216 2.2.输出设备输出设备 输出设备主要功能是：将计算机处理的结果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。的信息形式输出。最常见的输出设备是显示器、打印机。还有最常见的输出设备是显示器、打印机。还有绘绘图仪图仪、音箱等。音箱等。计算机的输入、输出设备简称为计算机的输入、输出设备简称为I/0I/0设备设备。I/OI/O设备是计算机与外界联系的桥梁，没有设备是计算机与外界联系的桥梁，没有I/OI/O设备，计算机
14、既不知道干什么，也不知道怎么设备，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。所以干，干的结果也无法知道。所以I/OI/O设备是计设备是计算机中不可缺少的一个重要组成部分。算机中不可缺少的一个重要组成部分。11/26/202217 3.3.存储器存储器 存储器是计算机的存储部件，用于存放程序存储器是计算机的存储部件，用于存放程序和数据。存储器是计算机存储信息的核心。和数据。存储器是计算机存储信息的核心。存储器可分为存储器可分为 主存储器主存储器(也称内存储器，简称主存也称内存储器，简称主存)CPUCPU能够直接访问的存储器能够直接访问的存储器 辅助存储器辅助存储器(也称外存储器，
15、简称外存、辅存也称外存储器，简称外存、辅存)CPUCPU不能直接访问的大容量、速度较慢的存不能直接访问的大容量、速度较慢的存 储器。储器。辅助存储器帮助主存记忆更多的信息，辅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，才能助存储器中的信息必须调入主存后，才能为为CPUCPU所使用。所使用。11/26/202218 主存分为若干个存储单元。每个单元都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。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。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。
16、如果响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应对存储器某个单元进行读/写操作，必写操作，必须首先给出被访问的存储单元的地址码。须首先给出被访问的存储单元的地址码。11/26/202219主存的基本的组成主存的基本的组成图1-2 主存储器结构简图时序控制逻辑存储体数据寄存器地址寄存器11/26/202220 存储体存储体：存放二进制信息的主体：存放二进制信息的主体 地址寄存器地址寄存器：存放所要访问的存储单元：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的地址码，由它经地址译码找到被选的存储单元。存储单元。数据寄存器数据寄存器：主存与其它部件的接口。：主存与其它部
17、件的接口。用于暂存从存储器读出用于暂存从存储器读出(取出取出)或向存储或向存储器中写入器中写入(存入存入)的信息。的信息。控制逻辑控制逻辑：用于产生存储器操作所需各：用于产生存储器操作所需各种时序信号。种时序信号。11/26/202221 4 4运算器运算器 运算器是计算机的执行部件，用于完运算器是计算机的执行部件，用于完成算术逻辑运算以及对数据的加工处理。成算术逻辑运算以及对数据的加工处理。运算器的核心是算术逻辑部件运算器的核心是算术逻辑部件(Arithmetic and Logical Unit)Arithmetic and Logical Unit)，简称简称为为ALUALU。运算器中设
18、有若干寄存器，用于暂存操运算器中设有若干寄存器，用于暂存操作数据和中间结果。作数据和中间结果。由于寄存器往往兼备多种用途，如用作由于寄存器往往兼备多种用途，如用作累加器、变址寄存器、基址寄存器等，累加器、变址寄存器、基址寄存器等，所以通常称为所以通常称为通用寄存器通用寄存器。11/26/202222运算器的简单框图运算器的简单框图11/26/202223 5 5控制器控制器 控制器是整个计算机的指挥中心。用于控制控制器是整个计算机的指挥中心。用于控制整个计算机系统中的各部件有条不紊地进行工整个计算机系统中的各部件有条不紊地进行工作。作。计算机控制器是根据事先编好的程序进行指挥计算机控制器是根据
19、事先编好的程序进行指挥的。的。程序：程序：就是解题步骤，控制器按着事先安排好就是解题步骤，控制器按着事先安排好的解题步骤，控制计算机各个部件有条不紊地的解题步骤，控制计算机各个部件有条不紊地自动工作。自动工作。程序按指令序列的形式存放在存储器中，控制程序按指令序列的形式存放在存储器中，控制器依次读出存储器中存放的程序指令实施控制。器依次读出存储器中存放的程序指令实施控制。这种工作方式称为这种工作方式称为存储程序方式存储程序方式。11/26/2022241.2.2 冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机 1.1.存储程序概念存储程序概念 存储程序概念是美国数学家冯存储程序概念是美国数学家冯诺依曼诺依曼于于
20、1946年年6月月首先提出来的，它奠定了现代计算首先提出来的，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普遍采用的结构原则，现在广泛应用的计算机仍属于冯仍属于冯诺依曼的结构格式。诺依曼的结构格式。11/26/202225 冯冯诺依曼思想的基本要点：诺依曼思想的基本要点：(1)(1)采用二进制形式表示数据和指令采用二进制形式表示数据和指令 指令是程序的基本单位，程序是若干指令指令是程序的基本单位，程序是若干指令的有序集合。冯
21、的有序集合。冯诺依曼结构计算机中，指令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。与数据均以二进制代码的形式同存于存储器中。(2)(2)采用存储程序方式采用存储程序方式 存储程序方式是指在用计算机解题之前，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。在解题过程主存储器中。在解题过程(运行程序运行程序)中，由控中，由控制器按照事先编好并存入存储器中的程序自动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，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
22、结果为止。存储程序方式是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诺依曼思想的核心，是计算机能高速自动运行的基础。的基础。11/26/202226(3)(3)计算机由输入设备、输出设备、运算器、计算机由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五大部件组成。存储器和控制器五大部件组成。通常把运算器和控制器统称为通常把运算器和控制器统称为 CPUCPU，把把CPUCPU与与主存储器主存储器(内存内存)统称为计算机主机，而把输入统称为计算机主机，而把输入设备、输出设备、外存储器称为计算机的外部设备、输出设备、外存储器称为计算机的外部设备，简称为设备，简称为I/
23、OI/O设备。设备。11/26/2022272.早期的冯早期的冯诺依曼计算机诺依曼计算机 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。11/26/20222811/26/202229 3.现代计算机组组织结构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，储器代替磁
24、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，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，如图储器为中心，如图1-5所示。但是现代计算机所示。但是现代计算机的基本结构仍然遵循冯的基本结构仍然遵循冯诺依曼思想。诺依曼思想。11/26/202230
25、11/26/2022311.3 计算机的软件系统计算机的软件系统 在计算机系统中，各种软件的有机组合在计算机系统中，各种软件的有机组合构成了软件系统。基本的软件系统应包构成了软件系统。基本的软件系统应包括系统软件与应用软件两大类。括系统软件与应用软件两大类。11/26/2022321.3.1 系统软件系统软件 系统软件是一组保证计算机系统高效、系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，通常作为系统资正确运行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用。主要有以下几类源提供给用户使用。主要有以下几类:1.操作系统 2.语言处理程序 4.数据库管理系统 5.分布式软件系统 6.网络软件系
26、统 7.各种服务程序11/26/2022331.3.2 应用软件应用软件 应用软件是指用户为解决某个应用领域应用软件是指用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序，如各种科中的各类问题而编制的程序，如各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序、情报检索程序、企业统计与处理程序、情报检索程序、企业管理程序、生产过程控制程序等。由于管理程序、生产过程控制程序等。由于计算机已应用到各种领域，因而应用程计算机已应用到各种领域，因而应用程序是多种多样，极其丰富的。序是多种多样，极其丰富的。11/26/2022341 14 4 计算机系统的组织结构计算机系
27、统的组织结构 1.4.1 1.4.1 硬件与软件的关系硬件与软件的关系 计算机系统由硬件、软件两大部分组成。计算机系统由硬件、软件两大部分组成。硬件和软件是紧密相关、缺一不可的整体。硬件和软件是紧密相关、缺一不可的整体。硬件是计算机系统的物质基础硬件是计算机系统的物质基础。没有硬件，再好的软件也无法运行；没有强有没有硬件，再好的软件也无法运行；没有强有力的硬件支持，就不可能编制出高质量、高效力的硬件支持，就不可能编制出高质量、高效率的软件；没有好的硬件环境，一些先进的软率的软件；没有好的硬件环境，一些先进的软件也无法运行。件也无法运行。软件是计算机系统的灵魂软件是计算机系统的灵魂。没有软件，再
28、好的硬件也毫无用途；没有高质没有软件，再好的硬件也毫无用途；没有高质量的软件，硬件也不可能充分发挥它的效率。量的软件，硬件也不可能充分发挥它的效率。11/26/202235 虽然在一个具体的计算机系统中，虽然在一个具体的计算机系统中，硬件、软件是紧密相关、缺一不可硬件、软件是紧密相关、缺一不可的，但是对某一具体功能来说，可的，但是对某一具体功能来说，可以用硬件实现，也可以用软件实现，以用硬件实现，也可以用软件实现，这就是硬件、软件在逻辑功能上的这就是硬件、软件在逻辑功能上的等效。等效。11/26/202236硬件、软件在逻辑功能上的等效硬件、软件在逻辑功能上的等效 任何由硬件实现的操作，在原理
29、上，均任何由硬件实现的操作，在原理上，均可用软件来实现；同样，任何由软件实可用软件来实现；同样，任何由软件实现的操作，在原理上都可硬化由硬件来现的操作，在原理上都可硬化由硬件来实现实现。如乘除运算，早期均由软件编程实现。如乘除运算，早期均由软件编程实现。现已由硬件乘、除法现已由硬件乘、除法器器实现。实现。在一些大型机中由硬件实现的功能，在在一些大型机中由硬件实现的功能，在微小型机中，为了降低系统复杂程度和微小型机中，为了降低系统复杂程度和成本，也可由软件编程实现成本，也可由软件编程实现。11/26/202237 硬件的软化硬件的软化：将由硬件实现的功能用软：将由硬件实现的功能用软件实现。件实现
30、。软件的硬化软件的硬化：将由软件实现的功能用硬：将由软件实现的功能用硬件实现。件实现。固件：固件：将复杂且常用的程序写入只读存将复杂且常用的程序写入只读存储器就构成了储器就构成了固件。固件。固件从功能上看是软件，但从形态上看固件从功能上看是软件，但从形态上看是硬件。是硬件。11/26/202238硬件软件的功能分配硬件软件的功能分配 在设计一个计算机系统时，必须根据设在设计一个计算机系统时，必须根据设计要求、现实技术与器件条件，首先确计要求、现实技术与器件条件，首先确定哪些功能直接由硬件实现，哪些功能定哪些功能直接由硬件实现，哪些功能通过软件实现。这就是硬件软件的功能通过软件实现。这就是硬件软
31、件的功能分配。分配。随着电子技术的发展，可以使软件逐渐随着电子技术的发展，可以使软件逐渐“固化固化”乃至乃至“硬化硬化”。所以设计计算。所以设计计算机系统时必须首先解决机系统时必须首先解决硬、软件的功能硬、软件的功能分配问题。分配问题。11/26/202239l 4l 42 2 计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构 现代的计算机是一个硬件与软件组成的综合体。现代的计算机是一个硬件与软件组成的综合体。由于面对的应用范围越来越广，所以必须有复由于面对的应用范围越来越广，所以必须有复杂的系统软件和硬件的支持。杂的系统软件和硬件的支持。由于软件、硬件的设计者和使用者是从不同的由于软件、硬件
32、的设计者和使用者是从不同的角度，以各种不同的语言来对待同一个计算机角度，以各种不同的语言来对待同一个计算机系统。因此，他们各自看到的计算机系统的属系统。因此，他们各自看到的计算机系统的属性及对计算机系统提出的要求也就不一样。性及对计算机系统提出的要求也就不一样。如硬件设计人员要求机器能够高速有效地执行如硬件设计人员要求机器能够高速有效地执行机器指令所规定的各种操作。而高级语言使用机器指令所规定的各种操作。而高级语言使用者则关心机器能否提供高效方便的编程环境者则关心机器能否提供高效方便的编程环境。11/26/202240 对不同的对象而言，一个计算机系统就对不同的对象而言，一个计算机系统就成为成
33、为实现不同语言的、具有不同属性实现不同语言的、具有不同属性的的机器。机器。假如在软件、硬件之间，系统设计者和假如在软件、硬件之间，系统设计者和使用者之间不能很好地协调、配合，就使用者之间不能很好地协调、配合，就会大大影响系统的性能与效率。会大大影响系统的性能与效率。11/26/202241计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构 根据从各种角度所看到的机器之间的有根据从各种角度所看到的机器之间的有机关系，可以将计算机系统分为多级层机关系，可以将计算机系统分为多级层次结构。次结构。将计算机系统分为多级层次结构的目的将计算机系统分为多级层次结构的目的在于：分清各级层次结构彼此之间的界在于：
34、分清各级层次结构彼此之间的界面，明确各自的功能，以便构成合理、面，明确各自的功能，以便构成合理、高效的计算机系统。高效的计算机系统。11/26/202242计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构11/26/202243 第一级第一级 微程序机器层微程序机器层实际的硬件层，它由机器硬件直接执行实际的硬件层，它由机器硬件直接执行微指令。微指令。第二级第二级 传统机器语言层传统机器语言层实际的硬件层，由微程序解释机器指令实际的硬件层，由微程序解释机器指令系统。系统。第三级第三级 操作系统层操作系统层由操作系统程序实现。操作系统程序是由操作系统程序实现。操作系统程序是由机器指令和广义指令组成
35、的。其中广由机器指令和广义指令组成的。其中广义指令是为扩展机器功能而设置的，是义指令是为扩展机器功能而设置的，是由操作系统定义和解释的软件指令。这由操作系统定义和解释的软件指令。这一层也称为混合层。一层也称为混合层。11/26/202244 第四级第四级 汇编语言层汇编语言层汇编语言是一种符号形式语言，用户借此可编汇编语言是一种符号形式语言，用户借此可编写汇编语言源程序。这一层由汇编程序支持和写汇编语言源程序。这一层由汇编程序支持和执行。执行。第五级第五级 高级语言层高级语言层高级语言层为方便用户编写各类应用程序而设高级语言层为方便用户编写各类应用程序而设置的。它是面向用户的。该层由各种高级语
36、言置的。它是面向用户的。该层由各种高级语言编译程序支持和执行。编译程序支持和执行。第六级第六级 应用语言层应用语言层应用语言层是直接面向某个应用领域，为方便应用语言层是直接面向某个应用领域，为方便用户编写该应用领域的应用程序而设置的。由用户编写该应用领域的应用程序而设置的。由相应的应用软件包支持和执行。相应的应用软件包支持和执行。11/26/202245 高级语言程序高级语言程序C CA AB B 汇编语言程序汇编语言程序MOV AL,AMOV AL,AADD AL,BADD AL,BMOV C,ALMOV C,AL 机器语言程序机器语言程序1000H000000011001H00000010
37、1002H000000000000H101000000001H000000000002H000100000003H000000100004H000000010005H000100000006H100010000007H000001100008H000000100009H0001000011/26/202246 在多级层次结构中，第一级和第二级是在多级层次结构中，第一级和第二级是实机器实机器，上面几层均为上面几层均为虚机器虚机器。虚机器：是指用软件技术构成的机器。虚机器：是指用软件技术构成的机器。虚机器建立在实机器的基础上，利用软件技术虚机器建立在实机器的基础上，利用软件技术扩充实机器的功能。从
38、整体看就好像有了一台扩充实机器的功能。从整体看就好像有了一台更强功能的机器，所以称它为虚机器。更强功能的机器，所以称它为虚机器。机器语言层和操作系统层是虚、实机器的分界机器语言层和操作系统层是虚、实机器的分界面。软、硬件功能的分配，决定了虚、实机器面。软、硬件功能的分配，决定了虚、实机器的界面。的界面。11/26/202247 利用多级层次结构观点，可以在设计计利用多级层次结构观点，可以在设计计算机系统时，明确哪些功能由硬件完成，算机系统时，明确哪些功能由硬件完成，哪些功能由软件完成。同样还可以明确哪些功能由软件完成。同样还可以明确在虚机器中各层次应完成的功能，上级在虚机器中各层次应完成的功能
39、，上级应得到下级的哪些支持。应得到下级的哪些支持。多级层次结构观点，对于了解掌握计算多级层次结构观点，对于了解掌握计算机的组成，设计一个良好的计算机系统机的组成，设计一个良好的计算机系统结构有很大的帮助结构有很大的帮助。11/26/2022481.4.31.4.3 计算机硬件系统的组织计算机硬件系统的组织 如何把五大基本部件互连起来构成计算如何把五大基本部件互连起来构成计算机的硬件系统，是计算机硬件系统的组机的硬件系统，是计算机硬件系统的组织问题。织问题。在计算机的五大部件之间，有大量的信在计算机的五大部件之间，有大量的信息需要传送，如何实现信息的传送，取息需要传送，如何实现信息的传送，取决于
40、数据通路的逻辑结构。决于数据通路的逻辑结构。早期的计算机往往在各部件之间直接连早期的计算机往往在各部件之间直接连接传送线路，数据通路复杂、零乱，控接传送线路，数据通路复杂、零乱，控制不便，而且没有多少扩展余地。制不便，而且没有多少扩展余地。11/26/202249总线结构总线结构 现在的计算机普遍采用总线结构。现在的计算机普遍采用总线结构。1.1.总线总线：一组可为多个功能部件共享的公共：一组可为多个功能部件共享的公共信息传送线路。信息传送线路。2.2.总线的使用规定总线的使用规定 共享总线的各个部件必须分时使用总线发共享总线的各个部件必须分时使用总线发送信息，保证总线上的信息在任何时候都是唯
41、送信息，保证总线上的信息在任何时候都是唯一的。一的。总线上的各个部件可同时接收总线上的信总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。息。总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲突，总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲突，且总线上的各部件可以共享总线信息。且总线上的各部件可以共享总线信息。11/26/202250 3.3.总线的分类总线的分类 按总线所在位置分按总线所在位置分(1)(1)CPUCPU内部总线内部总线 用于连接用于连接CPUCPU内部各寄存器和算术内部各寄存器和算术逻辑部件的总线。在微型计算机系统中逻辑部件的总线。在微型计算机系统中，CPUCPU内部总线也就是芯片内的总线。内部总线也就
42、是芯片内的总线。(2)(2)部件内总线部件内总线 在计算机中各功能模块插件上芯片在计算机中各功能模块插件上芯片之间的总线。属于芯片间的总线。如内之间的总线。属于芯片间的总线。如内存条、声卡等插件上的总线。存条、声卡等插件上的总线。11/26/202251(3)(3)系统总线系统总线 连接系统内各大部件如连接系统内各大部件如CPUCPU、主存、主存、I/OI/O设备等的总线，是连接整机系统的基设备等的总线，是连接整机系统的基础。系统总线包括地址总线、数据总线、础。系统总线包括地址总线、数据总线、控制控制/状态总线。状态总线。(4)(4)外总线外总线 计算机系统之间或计算机系统与其它计算机系统之间
43、或计算机系统与其它系统之间的通信总线。外总线往往借用电系统之间的通信总线。外总线往往借用电子工业领域已有的标准。如子工业领域已有的标准。如RSRS232232串行串行总线标准。总线标准。11/26/202252 按总线上信息传送的方向分按总线上信息传送的方向分(1)(1)单向总线单向总线 连接在总线上的部件只能有选择地将信息连接在总线上的部件只能有选择地将信息进行单向传送。如地址总线。进行单向传送。如地址总线。(2)(2)双向总线双向总线 连接在总线上的任何部件既能通过总线发连接在总线上的任何部件既能通过总线发送信息，也能通过总线接受信息。如数据总线。送信息，也能通过总线接受信息。如数据总线。
44、采用总线结构的好处：采用总线结构的好处：可以大大减少系统中的信息传输线数，减轻发可以大大减少系统中的信息传输线数，减轻发送部件的负载送部件的负载 可以简化硬件结构，灵活地修改与扩充系统。可以简化硬件结构，灵活地修改与扩充系统。11/26/2022534.4.总线的连接方式总线的连接方式 单机系统中采用的总线类型单机系统中采用的总线类型(1)(1)单总线结构单总线结构 用一组系统总线把用一组系统总线把CPUCPU、主存及各种主存及各种I/OI/O接口连接起来。接口连接起来。11/26/202254 单总线结构的特点单总线结构的特点总线上各设备之间（总线上各设备之间（CPUCPU与与MEMMEM、
45、MEMMEM与与I/OI/O、CPUCPU与与I/OI/O、I/OI/O与与I/OI/O）都通过单总线交换信息。都通过单总线交换信息。可将可将I/OI/O与存储器同等对待，统一进行编址。与存储器同等对待，统一进行编址。控制简单，易于扩充。控制简单，易于扩充。同一时刻只能在一对设备之间或部件之间传送同一时刻只能在一对设备之间或部件之间传送信息，因此系统速度受到限制。信息，因此系统速度受到限制。把主存与把主存与I/OI/O设备同等对待，降低了主存的地设备同等对待，降低了主存的地位。因为主存与位。因为主存与CPUCPU间的信息传送要比间的信息传送要比CPUCPU与与I/OI/O设备间的信息传送频繁很
46、多。设备间的信息传送频繁很多。11/26/202255(2)(2)双总线结构双总线结构 面向主存的双总线结构面向主存的双总线结构 在单总线的基础上，在单总线的基础上，在在CPUCPU与主存之间增与主存之间增加了一组存储器总线加了一组存储器总线，CPUCPU访存直接通过访存直接通过存储器总线实现，存储器总线实现，面向主存的双总线结构保持了单总线结面向主存的双总线结构保持了单总线结构的优点，同时由于通过存储器总线访构的优点，同时由于通过存储器总线访存，提高了存，提高了CPUCPU的访存速度，也减轻了系的访存速度，也减轻了系统总线的负担。统总线的负担。11/26/202256面向存储器的双总线结构1
47、1/26/202257 以以CPUCPU为中心的双总线结构，采用以为中心的双总线结构，采用以CPUCPU为中心的存储器总线和为中心的存储器总线和I/OI/O总线，分总线，分别进行数据传送。别进行数据传送。以以CPUCPU为中心的双总线，结构简单，控制为中心的双总线，结构简单，控制容易。但由于容易。但由于I/OI/O设备与主存间的信息传设备与主存间的信息传送都必须通过送都必须通过CPUCPU进行，使进行，使CPUCPU要花费大要花费大量时间进行信息的输入输出处理，从而量时间进行信息的输入输出处理，从而降低了降低了CPUCPU的工作效率。所以只在早期的的工作效率。所以只在早期的机器中使用。机器中使
48、用。11/26/202258以以CPUCPU为中心的双总线结构为中心的双总线结构11/26/202259 由于由于I/OI/O设备的增多设备的增多使使I/OI/O处理成为又一处理成为又一个十分突出的问题。许多个十分突出的问题。许多I/OI/O设备由于具设备由于具有机械动作，其工作速度远比有机械动作，其工作速度远比CPUCPU的速度的速度低，因此，如何解决速度匹配问题，使低，因此，如何解决速度匹配问题，使CPUCPU与与I/OI/O操作尽可能并行地工作以提高操作尽可能并行地工作以提高CPUCPU的工作效率，成为系统结构中的一个的工作效率，成为系统结构中的一个关键问题，为此；提出了关键问题，为此；
49、提出了“通道通道”的概的概念。念。11/26/202260通道通道 通道通道是一种具有处理机功能的专门用来管理是一种具有处理机功能的专门用来管理I/OI/O操作的控制部件。操作的控制部件。具有通道的计算机系统通常采用主机、通道、具有通道的计算机系统通常采用主机、通道、I/0I/0设备控制器、设备控制器、I/OI/O设备四级连接方式。设备四级连接方式。通道结构具有较大的变化和扩展余地，通道结构具有较大的变化和扩展余地，对较小的系统，可将设备控制器与对较小的系统，可将设备控制器与I/OI/O设备合设备合并在一起，将通道与并在一起，将通道与CPUCPU合并在一起。合并在一起。对较大的系统，则可单独设
50、置通道。对较大的系统，则可单独设置通道。对更大的系统，可将通道发展为专门的对更大的系统，可将通道发展为专门的I/OI/O处处理机，甚至更强功能的前端机。理机，甚至更强功能的前端机。11/26/20226111/26/2022621.51.5 计算机的特点和性能指标计算机的特点和性能指标 1.5.1 1.5.1 计算机的工作特点计算机的工作特点(1)(1)能自动连续地工作能自动连续地工作 由于计算机采用存储程序工作方式，由于计算机采用存储程序工作方式，一旦输入了编制好的程序，启动计算机一旦输入了编制好的程序，启动计算机后，它就能按程序自动地执行下去，直后，它就能按程序自动地执行下去，直到完成预定
