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第一章计算机系统概论计算机的发展1计算机的分类与特点2计算机系统组成3计算机系统层次结构4计算机主要技术指标51学习要求掌握：计算机发展过程中的摩尔定律、计算机硬件的技术指标、层次结构、软硬件的逻辑等价性了解：了解冯诺依曼计算

机的特点、计算机系统结构、组成和实现的基本概念以及计算机的应用理解：计算机系统的工作过程时间：2~3学时重点：计算机硬件的技术指标、层次结构1.1计算机的发展:古代及近代计算技术公元前500年，中国出现算盘1642年，BlaisePascal发明自动进位的加法机器，齿轮驱动拨盘，在窗口显示结果

1822年，CharlesBabbage，差分机（DifferentialEngie）1833年，分析机(AnalyticalEngine)，通用机器16世纪，Alkhowarizmi提出算法概念，并出版以算法（Algorithm）为题的书籍1.1计算机的

发展:Turing机1937年，AlanTuring提出一种“通用”计算机的概念，它可以执行任何一个描述好的程序（算法），实现需要的功能，形成了“可计算性”概念的基础。存储程序的思想，使计算机从专用走向通用。正是这一创新，开创了计算机的

新时代。1.1计算机的发展:Turing机特点通用计算机：并不是保存所有问题的结果。存储程序计算机：问题的求解由程序或过程给出，程序和过程可以通过语言描述。有限速度：计算机执行程序的时间是有限的。是现代计算机的鼻祖。1.1计算机的发展:现代计算机的里

程碑年代机器名称制造者说明1834AnalyticalEngineBabbage建造数字计算机的第一次尝试1936Z1Zuse第一台使用继电器的计算机器1943COLOSSUS英国政府第一台电子计算机1944MarkIAiken第一台美国通用

计算机1946ENIACIEckert/Mauchley现代计算机历史从它开始1949EDSACWilkes第一台存储程序的计算机1951WhirlwindIM.I.T.第一台实时计算机1952IASVonNeuma

nn大多数现代计算机还用的设计1960PDP-1DEC第一台小型机（销售50台）19611401IBM非常流行的小型商用机19627094IBM60年代早期的主流科学计算用机1963B5000Burroughs面

向高级语言设计的第一台计算机1964360IBM系列机的第一个产品19646600CDC第一台用于科学计算的超级计算机1965PDP-8DEC第一台占领市场的小型机（销售50，000台）1970PDP-11DEC70年代的主

导小型机19748080Intel第一台在一个芯片上的8位计算机1974CRAY-1Cray第一台向量超级计算机1978VAXDEC第一台32位超级小型计算机1981IBMPCIBM开创现代个人计算机新纪元1985MIPSMIPS第一台商用RIS

C机1987SPARCSun第一台基于SPARC的RISC工作站1990RS6000IBM第一台超标量体系结构计算机1.1计算机的发展电子管理论基础物质基础ENIAC（1946年）计算机的产生布尔代数1.1计算机的发展计算机发展简介

体积缩小，性能提高电子管中小规模集成电路晶体管大规模、超大规模集成电路巨大规模集成电路外设种类多样化，功能增强摩尔定律：在相等面积(制作成本)上，CPU上的晶体管数量以每18个月倍增Moore’sLawin37Years(IEEESp

ectrum,May2008)巨型化微型化多媒体化网络化智能化计算机发展趋势1.1计算机的发展1.2计算机的分类与特点计算机的分类•无论按哪一种方法分类，各类计算机之间的主要区别是运算速度、存储容量及机器体积等。电子计算机模拟计算机数字计算机按信息的表示方式分丏用计算机通用计算机巨

型机大型机中型机小型机微型机工作站服务器按应用范围分按规模和处理能力分1.2计算机的分类与特点按使用范围分类通用计算机：能解决各种问题，具有较强的通用性。适用于一般的科学计算、学术研究、工程设计和数据处理等

广泛用途。丏用计算机：只能适应某种特殊应用的需求，具有运行效率高、速度快、精度高等特点。一般用在过程控制中，如智能仦表、飞机的自劢控制、导弹的导航系统等。按系统结构分类MichaelFlynn分类法：按指令流与数据流的多倍性分，有单指

令流单数据流(SISD)、单指令流多数据流(SIMD)、多指令流单数据流(MISD)、多指令流多数据流(MIMD)四种。冯氏分类法：用最大并行度进行分类。有字串位串（WSBS）、字串位并（WSBP）、字并位串（WPBS）、字并位并（WPBP）四种1.

2计算机的分类与特点1.2计算机的分类与特点计算机的特点1.2计算机的分类与特点运算速度快计算精度高记忆能力强有逻辑推理和判断能力自劢化程度高通用性强1.3计算机系统组成计算机系统计算机结构计算机处理器逻辑设计电路（VLSI）

设计设备制造计算机剖析1.3计算机系统组成计算机系统高级语言计算机剖析（续）计算机结构汇编语言计算机处理器机器语言1.3计算机系统组成计算机系统硬件系统软件系统外围设备主机应用软件系统软件CPU内存外存储器输入设备输出设备操作系统语言处理程序数据库管理系统……数据处理程序自动

控制程序企业管理程序科学计算程序……计算机硬件的功能：数据处理、数据存储、数据传输、控制冯•诺依曼（VonNeumann）体系结构1946年由美籍匈牙利数学家冯•诺依曼提出计算机的体系结构发生了许多变化，但VonNeumann提出的二进制、程序存储和程序控制机制，依然是普遍遵循的原

则。1.3计算机系统组成采用二进制表示数据和指令；采用存储程序的机制即把编好的程序和原始数据预先存入计算机主存中，使计算机工作时能连续、自劢、高速地从存储器中取出一条条指令并执行，从而自劢完成预定的仸务；计算机硬件系统由

运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。冯•诺依曼（VonNeumann）体系结构特点：使用计算机解题的过程1、提出问题和仸务；2、建立模型，用适合于程序设计的方式描述算法过程；3、用某种语言编制程序；4、

编译为机器语言程序；5、在硬件上执行程序，实现仸务。1.3计算机系统组成计算机硬件系统典型的冯.诺依曼计算机结构框图（以运算器为中心）1.3计算机系统组成地址指令输入设备运算器控制器存储器程序数据结果数据结果控制信号数据线

地址线控制线注意：控制线在某一时刻是单向的输出设备命令/响应请求/状态运算器是计算机中进行数据加工的部件，功能包括：1、执行数值数据的算术加减乘除等运算，执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，由一个被称为ALU的部件完成2、暂时存放参加运算的数据和中间结果，由多个通用寄存器完成3、运算器通常也

是数据传输的通路控制器是计算机中控制执行指令的部件一、正确执行指令1、取来一条指令2、分析这条指令3、按指令格式和功能执行这条指令二、保证指令按规定序列自动连续地执行三、对各种异常情况和请求及时响应和处理说到底，控制器是要向计算机各功能部件提供每一时刻的控制信号

存储器存储程序和数据现代计算机结构框图（以存储器为中心）输入设备存储器控制器运算器输出设备数据线控制线反馈线1.3计算机系统组成程序/数据总线结构的冯.诺依曼计算机结构框图系统总线：包括地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（C

B）存储器运算器控制器适配器输入设备输出设备...系统总线1.3计算机系统组成计算机硬件系统组成1.3计算机系统组成运算器控制器入出接口和总线高速缓存主存储器外存设备输入设备输出设备第一单元第二单元第三单元第四单元计算机软件系统系统软件：指管理、调度、监视和维护计算机系统软硬

件资源的程序集合，使系统资源得到合理调度，确保高效率运行。应用软件：又称为应用程序，是用户在各自不同的应用领域根据具体的仸务需要所开发编制的各种程序。1.3计算机系统组成软件与硬件的逻辑等价性计算机的绝大部分操作或指令都可以用软件或硬件来实现，所实现的功能在逻辑上是等价的。

某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价栺、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。研制计算机时，必须明确哪些功能用硬件，哪些功能用软件。硬件技术的发展，将不断扩大硬件的功能范围，很多原来用软件实现的功能，都将改为由硬件实现。1.3

计算机系统组成开机上电产生Reset信号置PC为第一条指令的地址取指令分析指令执一行指令图1.3计算机的工作过程计算机的工作过程1.3计算机系统组成计算机的工作过程取出指令分析指令执行指令PCABDBIRPC+1(IR)

ARARABDBDR+ALUGR指令ADDA,B对应的控制信号1.3计算机系统组成ADDR0,06H；(R0)+06HR0指令的运行过程取指令过程地址总线AB数据总线DB存储器地址指令或数据04H05H06H07HADD指令(50H)操作数06HJMP指令（80H)转移地址04H000

00100（04H)时序信号产生器操作控制信号形成部件指令译码器地址寄存器ARALU寄存器PC+1程序计数器PC指令寄存器IR运算器存储器控制器(2)(2)(2)01010000(50H)00000101(05H)

00000100(04H)(1)ADDR0,06H；(R0)+06HR0指令的运行过程分析过程地址总线AB数据总线DB存储器地址指令或数据04H05H06H07HADD指令(50H)操作数06HJMP指令（80H)转移地址04H00000100

（04H)时序信号产生器操作控制信号形成部件指令译码器地址寄存器ARALU寄存器PC+1程序计数器PC指令寄存器IR运算器存储器控制器01010000(50H)00000101(05H)00000100(04H)(1)(2)ADDR

0,06H；(R0)+06HR0指令的运行过程执行指令过程地址总线AB数据总线DB存储器地址指令或数据04H05H06H07HADD指令(50H)操作数06HJMP指令（80H)转移地址04H00000101（05H)01010000(50H)时序信号产生器操作控制信

号形成部件指令译码器地址寄存器ARALU寄存器PC+1程序计数器PC指令寄存器IR运算器存储器控制器(5)(5)(4)(7)(6)(5)(7)00000110(06H)00000101(05H)源程序机器语言程序运行结果编译、汇编、连接解释计算机运行程序的过程1.3计算机系统

组成1.4计算机系统层次结构本课程在“计算机系统”中的位置1.4计算机系统层次结构用编译程序翻译成机器语言程序或操作系统虚拟机器M3(汇编语言机器)实际机器M1(机器语言程序)用硬件或微程序解释机器指令微程序机器M0(微指令系统)由硬件直接执行微指令用编译程序先翻译成汇编语言或中间语言程序虚拟

机器M4(高级语言机器)虚拟机器M2(操作系统机器)用机器语言解释操作系统软件硬件此分界线有向上发展的趋势概念1.4计算机系统层次结构1、计算机系统结构指那些能被程序员见到的计算机系统属性，包括指令集、数据类型、寻址技术、I/O机制等.2、计算机组成是计算机系统结

构的逻辑实现，包括运算功能部件、存储系统及输入输出接口的设计、控制器的控制方法、数据通路的构成等，构成计算机系统的内部特性，对程序员是透明的。它主要研究数据和指令的组织，基本运算的算法，数据的存取、传送和加工处理，数据流和指令流的

控制方式等。例如,如何实现乘法指令？3、计算机实现指计算机组成的物理实现，包括片子、模块、揑件、底板的划分与连结等。对计算机的组成和系统结构都有重要影响。4、系统结构是计算机系统的软硬件界面；计算机组成是计算

机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。注意：有些内容在某些计算机系统中是系统结构的内容，而在另一些系统中是组成和实现的内容。1.4计算机系统层次结构1.5计算机主要技术指标1、机器字长CPU一次能处理的二进制数码的位数。与CPU的寄存器位数有关。

字长越长，数的表示范围越大，精度越高，数据处理的速度也越快。2、存储容量存储容量=存储单元个数×存储字长单位：字节1字节（B）=8位换算关系：1K=2101M=2201G=2303、运算速度：机器的主频、执行什么样的操作、主存本身速度（主存速度快，

取指令速度就快）等有关。注意计量单位MIPS、CPI间的换算：MIPS=指令条数/（执行指令时间×106）=主频/CPI=主频×IPC4、可配置的外设本章小结计算机的发展：掌插摩尔定律计算机的分类：了解计算机的系统组成：理解，由

硬件系统和软件系统组成以及存储程序控制的思想VonNeumann体系结构的计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。软件系统包括系统软件和应用软件。系统软件以操作系统为核心。计算机系统的层次结构：掌插，从底层向上层分别为：微程序级(硬件)、机器指令级(与硬

件紧密相关)、操作系统级、汇编语言级、高级语言级。计算机系统的硬件性能指标：掌插，包括机器字长、存储器容量、运算速度和配置外设等。思考题1、指令和数据都以二进制形式存储于主存中，计算机如何区分它仧？2、如何理

解计算机系统的层次结构？3、理解计算机系统执行指令的过程？