第1章計算機系統(tǒng)概論陳敏目錄1.1計算機系統(tǒng)簡介1.3計算機硬件的主要技術(shù)指標1.2計算機的基本組成1.1計算機系統(tǒng)簡介什么是計算機系統(tǒng)？Windows系列：Windows8Window7Windows2000Linux系列：Fedora、suselinuxUBUNTUMac系列Unix系列:BSD、SOLARISNo!1.1計算機系統(tǒng)簡介由具有各類特殊功能的信息（程序）組成，如Windows系統(tǒng)，QQ充分發(fā)揮硬件功能、提供計算機工作效率，甚至模擬人的局部思維活動，其地位和作用已成為評判計算機系統(tǒng)性能好壞的重要標志需要硬件的支撐1.計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機的實體，如主機、鍵盤、顯示器等通常存在于各類媒體，如ROM、RAM、光盤、磁盤，這些又主要存在于計算機的主存或輔存中一、計算機的軟硬件概念硬件軟件按任務(wù)需要編制成的各種程序用來管理整個計算機系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件語言處理程序:匯編程序(高級語言->匯編語言)、編譯程序(高級語言->機器語言)操作系統(tǒng)：分時系統(tǒng)、實時系統(tǒng)、批處理系統(tǒng)服務(wù)性程序：診斷程序、調(diào)試程序、連接程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件軟件1.1科學計算程序、數(shù)據(jù)處理程序、過程控制程序、事務(wù)管理程序計算機用戶編寫的高級語言程序（源程序）目標程序計算機結(jié)果翻譯成機器語言程序運行1.12.現(xiàn)代計算機的解題過程二、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1語言類型特點對用戶的要求機器機器語言用0、1代碼表示機器語言程序可直接在機器上執(zhí)行用二進制編寫程序熟悉計算機硬件及其指令系統(tǒng)編程難度大操作過程極易出錯直接執(zhí)行機器語言的機器成為實際機器M1匯編語言（面向機器的語言）20世紀50年代符號式的程序設(shè)計語言用符號ADD、SUB、MUL、DIV等分別表示加、減、乘、除等操作，并用符號表示指令或數(shù)據(jù)所在存儲單元的地址需被翻譯成機器語言才能被機器接受并自動運行不再用二進制代碼來編程具有將匯編程序翻譯成機器語言的翻譯功能的匯編程序的計算機看做一臺機器M2并非實際機器，是虛擬機

高級語言（面向問題）20世紀60年代對問題的描述十分接近人的習慣，具有較強的通用性需被翻譯成匯編語言或其他中間語義，再翻譯機器語言；或直接翻譯成機器語言無需了解M1的機型、內(nèi)部組成和指令系統(tǒng)只需掌握高級語言的語法和語義完成將高級語言翻譯成匯編語言或其他中間語言或直接翻譯成機器語言的工作的機器M3并非實際機器，是虛擬機

二、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1將高級語言程序翻譯成機器語言程序的軟件成為“翻譯程序”。編譯程序?qū)⒂脩艟帉懙母呒壵Z言程序（源程序）全部語句一次性全部翻譯成機器語言程序，而后再執(zhí)行機器語言程序。只要源程序不變即無須再次進行翻譯。如FORTRAN\PASCAL等語言就是用編譯程序來完成翻譯的。解釋程序：將源程序的一條語句翻譯成對應(yīng)于機器語言的一條語句并且立即執(zhí)行這條語句接著翻譯源程序的下一條語句，并執(zhí)行這條語句，如此重復直至完成源程序的全部翻譯任務(wù)。它的特點是翻譯一次執(zhí)行一次，即使下一次重復執(zhí)行該語句時，也必須重新翻譯。如BASIC語義的翻譯就有解釋程序和編譯程序兩種翻譯程序二、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級語言虛擬機器M3匯編語言虛擬機器M2機器語言實際機器M1微指令系統(tǒng)微程序機器M01.1二、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1微程序機器M0直接將機器M1中的每條機器指令翻譯成一組微指令，即構(gòu)成一個微程序M0執(zhí)行完對應(yīng)于一條極其指令的一個微程序后，便由M1的下一條機器指令使機器M0自動進入與其對應(yīng)的另一個微程序餓執(zhí)行。M0可看做是對M1的分解，即用M0的微程序解釋并執(zhí)行M1的每一條機器指令。M0也是實際機器，為了與M1區(qū)別，M1成為傳統(tǒng)機器，M0成為微程序機器。二、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級語言虛擬機器M3匯編語言虛擬機器M2操作系統(tǒng)虛擬機器機器語言實際機器M1微指令系統(tǒng)微程序機器M01.1用編譯程序翻譯成匯編語言程序用匯編程序翻譯成機器語言程序用機器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件1.1虛擬機器M4虛擬機器M3虛擬機器M2實際機器M1微程序機器M0常見的五級計算機系統(tǒng)的層次機構(gòu)程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計算機系統(tǒng)屬性：指用機器語言編程的程序員所看到的傳統(tǒng)機器的屬性，包括指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/O機理，大都是抽象的屬性。不同層次上編程的程序員所看到的計算機屬性也各不相同。高級語言程序員：IBMPC與RS6000是同一屬性的機器，而匯編語言程序員則認為是不同屬性的機器。計算機體系結(jié)構(gòu)計算機組成實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，包含許多對程序員來說是透明的硬件細節(jié)有無乘法指令如何實現(xiàn)乘法指令例如指令系統(tǒng)提醒了機器的屬性，是結(jié)構(gòu)問題，而如何取指令、分析指令、取操作數(shù)、運算、送結(jié)果等，屬于組成問題，即組成是具體指令的實現(xiàn)1.1三、計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成兩臺機器結(jié)構(gòu)相同，不一定組成也相同，性能也不一定相同。1.1三、計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成同一系列型號A型號B型號D型號C組成不同，性能、價格相差大；只知結(jié)構(gòu)，不知組成，選不好性價比高的機器一種機器的體系結(jié)構(gòu)可能維持許多年但機器組成卻會隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷奶變化，如1970年推出的IBMSystem/370結(jié)構(gòu)，它包含了許多機型。一般用戶買低速機，需求高的用戶可以買升級的價格稍貴的機型，而不必拋棄已開發(fā)的軟件。故許多年可不斷推出性價比高，價格低的新機型，新機型總是保留原來機器的機構(gòu)。一般的計算機升級大都是計算機組成的升級1.2計算機的基本組成1.

計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備由五大部件組成3.指令和數(shù)據(jù)用二進制表示4.指令由操作碼和地址碼組成，操作碼表示操作的性質(zhì)，地址碼表示操作數(shù)在存儲器中的位置6.以運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送通過運算器完成2.指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器，可按地址尋訪5.

指令在存儲器內(nèi)按順序存放。通常，指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據(jù)運算結(jié)果或射到的條件改變執(zhí)行順序存儲程序一、馮·諾依曼計算機的特點1945年，數(shù)學家馮·諾依曼在研究EDVAC機時提出了“存儲程序”的概念，以此概念為基礎(chǔ)的各類計算機通稱為馮·諾依曼機。算術(shù)運算、邏輯運算，中間結(jié)果存在其中存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機器能識別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運行及處理運算結(jié)果1.2馮·諾依曼計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備1.2馮·諾依曼計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備二、計算機硬件框圖1.21.以存儲器為中心的計算機硬件框圖程序存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計算ALU：算邏部件，完成算術(shù)邏輯運算主存：存放程序、數(shù)據(jù)，可與CPU直接交換信息輔存：外存CPU（核心）主機I/O設(shè)備：外部設(shè)備，受CU控制，完成相應(yīng)的輸入輸出工作硬件CU：控制單元，解釋存儲器中的質(zhì)量，并發(fā)出各種操作命令來執(zhí)行指令2.現(xiàn)代計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器輸出設(shè)備控制器1.2ALUCPU主機I/O設(shè)備CU主存1.上機前的準備建立數(shù)學模型：構(gòu)建一系列反應(yīng)研究問題/對象變化規(guī)律的數(shù)學方程組-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序：將運算步驟用一一對應(yīng)的機器指令描述確定計算方法：將復雜的數(shù)學方程式變成適合計算機的加減乘除四

則運算的方法程序——

運算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——

每一個步驟1.2三、計算機的工作步驟用計算機解決實際問題通常包括兩大步驟：1、上機前準備；2、上機運行取x

至運算器中乘以x

，得x2

，存于運算器中乘以a

，得ax2

，存于在運算器中存ax2

存于存儲器中取b

至運算器中乘以x

，得bx，存于運算器中從存儲器中取出ax2與bx相加，得ax2+bx，存于運算器中取c與

ax2+bx

相加，得ax2+bx+c，存于運算器中=(ax

+

b)x

+

c

取x

至運算器中乘以a

在運算器中加b

在運算器中乘以x

在運算器中加c

在運算器中計算ax2+bx+c1.2編程舉例將上述步驟編寫成某計算機一一對應(yīng)的機器指令，就完成了運算呈現(xiàn)的編寫000001

0000001000打印

停機取數(shù)α[α]ACC存數(shù)β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式舉例1.2操作碼地址碼

[

]打印機000010000011000100000101000110指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000010000001000取數(shù)x至ACC10001000000001001乘a得ax

,存于ACC中20000110000001010加b得ax+b

,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c

,存于ACC50000100000001100將ax2+bx+c

,存于主存單元60001010000001100打印7000110停機8

x原始數(shù)據(jù)x9

a原始數(shù)據(jù)a10

b原始數(shù)據(jù)b11

c原始數(shù)據(jù)c12存放結(jié)果1.2計算ax2+bx+c

程序清單存儲體大樓存儲單元存放一串二進制代碼存儲字存儲單元中二進制代碼的組合

可代表：二進制數(shù)、一串字符、一條指令存儲字長存儲單元中二進制代碼的位數(shù)，8位、16位、32位每個存儲單元賦予一個地址號按地址存取–存儲單元–存儲元件（0/1）–

房間–

床位（無人/

有人）(1)存儲器的基本組成1.2MDR主存儲器存儲體MAR2.計算機的解題過程按存儲單元的地址號來實現(xiàn)對存儲字各位的存、取存儲體M+各種邏輯部件+控制電路MARMDR存儲單元個數(shù)

16存儲字長

8

設(shè)MAR

=

4

位

MDR

=

8

位1.2存儲器地址寄存器反映存儲單元的個數(shù)存儲器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲字長(1)存儲器的基本組成MDR主存儲器存儲體MARACCMQX(2)運算器的基本組成及操作過程1.2運算器MQACCALUX被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位運算器MQACCALUXACC

被加數(shù)ACC初態(tài)①加法操作過程1.2[ACC]+[X]ALU[M]

XXACCACC指令加M1.2②減法操作過程運算器MQACCALUX指令減MACC

被減數(shù)ACC初態(tài)[M]

XX[ACC]-[X]ALUACCACC運算器MQACCALUXACCACC

被乘數(shù)初態(tài)1.2MQ[M]MQ指令乘M③乘法操作過程X[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ運算器MQACCALUXACC

被除數(shù)ACC初態(tài)1.2[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余數(shù)在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作過程取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCUPCIRCU取指執(zhí)行程序計數(shù)器PC

：存放當前欲執(zhí)行指令的地址，

具有計數(shù)功能（PC），能自動加1，形成下一條指令地址，與MAR之間有一條直接通路指令寄存器IR：

存放當前欲執(zhí)行的指令，IR的內(nèi)容來自主存的MDR。訪存訪存完成一條指令1.2(3)控制器的基本組成控制器是計算機的神經(jīng)中樞，由它指揮各部件自動、協(xié)調(diào)地工作。命令存儲器讀出一條指令指出該指令要完成什么樣的操作，并按尋址特征指明操作數(shù)的地址，稱為分析過程根據(jù)操作數(shù)所在的地址以及指令的操作碼完成某種操作，稱為執(zhí)行過程IR中的操作碼（OP(IR)）送至CU，記作OP（IR）CU,用來分析指令I(lǐng)R中的地址碼（Ad(IR)）作為操作數(shù)的地址送至存儲器的MAR，記作Ad（IR）MARCU用來分析當前指令所需完成的操作，并發(fā)出各種微操作命令序列，用以控制所有被控制對象1.2(3)I/OI/O子系統(tǒng)包括各種I/O設(shè)備及其相應(yīng)的接口。每一張I/O設(shè)備都由I/O接口與主機聯(lián)系，它接收CU發(fā)出的各種控制命令，并完成相應(yīng)的操作。

例如：鍵盤由鍵盤接口電路與主機聯(lián)系，打印機由打印機接口電路與主機聯(lián)系12356789以取數(shù)指令為例4(4)主機完成一條指令的過程1.2CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O設(shè)備12356798以存數(shù)指令為例41.2(4)主機完成一條指令的過程CU控制單