第一章計算機系統(tǒng)概論1.7計算機的發(fā)展簡史1.1計算機的基本結構和工作原理1.2計算機硬件的五個功能部件及其功能1.3計算機系統(tǒng)的基本組成及其層次結構1.4計算機系統(tǒng)結構、組成和實現(xiàn)之間的關系1.5計算機系統(tǒng)特性1.6典型微處理器系統(tǒng)結構及工作原理簡介

世界上第一臺真正的全自動電子數(shù)字式計算機是1946年在美國的賓夕法尼亞大學研制成功的

ENIAC(ElectronicNumericalntegratorandComputer)。

1.7計算機的發(fā)展簡史

這臺計算機共用了18000多個電子管，占地170m2，總重量為30噸，耗電140kw，每秒能做5000次加減運算。與ENIAC計算機研制的同時，馮?諾依曼與莫爾小組研制EDVAC(Electronic十進制預算用手工搬運動開關和拔插電纜來編程DiscreteVariableAutomaticComputer)計算機，它采用了存儲程序方案。1.7計算機的發(fā)展簡史世界上第一臺電子計算機ENIAC(1946)1955年退役現(xiàn)代計算機的驅動力：人們的需求電子技術的發(fā)展第一代：電子管計算機第二代：晶體管計算機第三代：中、小規(guī)模集成電路計算機第四代：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機第五代：人工智能計算機1.7計算機的發(fā)展簡史硬件技術對計算機更新?lián)Q代的影響軟件技術的興起和發(fā)展各種語言機器語言：面向機器匯編語言：面向機器高級語言：面向問題

FORTRAN科學計算和工程計算PASCAL結構化程序設計C++面向對象JAVA適應網(wǎng)絡環(huán)境軟件技術的興起和發(fā)展系統(tǒng)軟件語言處理程序匯編程序編譯程序解釋程序操作系統(tǒng)DOSUNIXWINDOWSLINUXKYLINLINUX

服務性程序裝配調試診斷拍錯數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件網(wǎng)絡軟件

計算機的特點1．運算速度快2．運算精度高3．存儲容量大4．具有邏輯判斷功能5．自動化程度高，通用性強1.7計算機的發(fā)展簡史

計算機的應用1．科學計算2．過程檢測與控制(工業(yè)控制和實時控制)3．信息管理4．計算機輔助系統(tǒng)補充：虛擬現(xiàn)實技術多媒體技術人工智能技術計算機有類似人腦的一些超級智能功能：比如自動駕駛技術，IBM的沃森，谷歌大腦，百度大腦等將來會逐步改變世界1.7計算機的發(fā)展簡史1.1計算機基本結構和工作原理馮.諾依曼計算機硬件框圖

特征：1、計算機有五大部件組成2、指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器中，可按地址尋訪3、指令和數(shù)據(jù)用二進制表示4、指令由操作碼行業(yè)地址組成5、存儲程序6、以計算器為中心1.1計算機基本結構和工作原理馮.諾依曼計算機五大模塊功能

算術運算和邏輯運算把結果轉化成人們熟悉的形式存放數(shù)據(jù)和程序將信息轉化成機器能夠識別的形式指揮控制程序的運行1.1計算機基本結構和工作原理計算機系統(tǒng)的核心功能是執(zhí)行程序首先必須有能力把要運行的程序和用到的原始數(shù)據(jù)輸入到計算機內部并存儲起來，接下來應該有辦法逐條執(zhí)行這個程序中的指令以完成數(shù)據(jù)運算并得到運算結果，最后還要輸出運算結果供人檢查和使用。1.2計算機硬件的五個功能部件及其功能1.3計算機系統(tǒng)的基本組成及其層次結構軟件硬件指令層1.4.1計算機系統(tǒng)結構的定義計算機系統(tǒng)結構（ComputerArchitecture）也稱為計算機體系結構。這是1964年Amdahl在介紹IBM360系列時提出的，在20世紀70年代廣泛采用。由于器件技術迅速發(fā)展，計算機硬件、軟件界面在動態(tài)變化，因此，對計算機系統(tǒng)結構定義的理解也不盡一致。1.4計算機系統(tǒng)結構、組成和實現(xiàn)之間的關系1.4.2計算機組成與實現(xiàn)計算機組成（ComputerOrganization）是指計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)，包括機器級內的數(shù)據(jù)通道和控制信號的組成及邏輯設計，它著眼于機器級內各事件的時序方式與控制機構、各部件功能及相互聯(lián)系。計算機組成還應包括：數(shù)據(jù)通路寬度；根據(jù)速度、造價、使用狀況設置專用部件，例如是否設置乘法器、除法器、浮點運算協(xié)處理器、I/O處理器等；部件共享和并行執(zhí)行；控制器結構（組合邏輯、PLA、微程序）、單處理機或多處理機、指令預取技術和預估、預判技術應用等組成方式的選擇；可靠性技術；芯片的集成度和速度的選擇。1.4計算機系統(tǒng)結構、組成和實現(xiàn)之間的關系

計算機系統(tǒng)結構、組成和實現(xiàn)是三個不同的概念。系統(tǒng)結構是計算機物理系統(tǒng)的抽象和定義；計算機組成是計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)；計算機實現(xiàn)是計算機組成的物理實現(xiàn)。它們各自有不同的內容，但又有緊密的關系。1.4計算機系統(tǒng)結構、組成和實現(xiàn)之間的關系1.5.1計算機等級

計算機系統(tǒng)按其性能與價格的綜合指標通常分為巨型、大型、中型、小型、微型等若干級。但是，隨著技術進步，各個等級的計算機性能指標都在不斷地提高，以致30年前的一臺大型機的性能甚至比不上當今一臺微型計算機?？梢姡糜趧澐钟嬎銠C等級的絕對性能標準是隨著時間變化的。1.5計算機系統(tǒng)特性1.5.2計算機系列

系列機概念指的是先設計好一種系統(tǒng)結構，而后就按這種系統(tǒng)結構設計它的系統(tǒng)軟件，按器件狀況和硬件技術研究這種結構的各種實現(xiàn)方法，并按照速度、價格等不同要求，分別提供不同速度、不同配置的各檔機器。1.5計算機系統(tǒng)特性1.5.3計算機的主要性能指標

1.機器字長CUP一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)

與CPU中的寄存器位數(shù)有關

主頻

核數(shù)，每個核支持的線程數(shù)

2.運算速度

CPI執(zhí)行一條指令所需要時鐘周期數(shù)

MIPS每秒執(zhí)行百萬條指令

MFLOPS每秒執(zhí)行多少百萬次浮點預算1.5計算機系統(tǒng)特性1.5計算機系統(tǒng)特性4.數(shù)據(jù)通路寬度

系統(tǒng)連接地址總線（AB）數(shù)據(jù)總線（DB）定義：傳輸或代碼的一組通訊線。其條數(shù)與處理器字長相等數(shù)據(jù)在CPU與存儲器或I/O接口間的傳送是雙向的定義：是傳送地址信息的一組通訊線，是微處理器用來尋址存儲器單元（或I/O的端口）總線是用來傳送各種控制信號的。輸出控制信號，輸入控制信號控制總線（CB）1.6典型微處理器系統(tǒng)結構及工作原理簡介1.6典型微處理器系統(tǒng)結構及工作原理簡介系統(tǒng)鏈接數(shù)據(jù)總線（DB）地址總線（AB）控制總線（CB）傳輸數(shù)據(jù)或代碼傳送地址傳送控制信號的1.6典型微處理器系統(tǒng)結構及工作原理簡介典型微處理器的內部結構1、累加器（A）和算數(shù)邏輯單元（ALU）2、控制器（CU）3、內部寄存器陣列（PC）4、內部總線和總線緩沖器指令寄存器（IR）指令譯碼器（ID）可編程邏輯陣列（PLA）程序計數(shù)器（PC）地址寄存器（AR）數(shù)據(jù)緩沖寄存器(DR）標志寄存器(FLAGS)1.6典型微處理器系統(tǒng)結構及工作原理簡介1.6典型微處理器系統(tǒng)結構及工作原理簡介1、讀操作2、寫操作1.6典型微處理器系統(tǒng)結構及工作原理簡介簡單程序的編制和執(zhí)行指令的執(zhí)行過程取指令分析指令執(zhí)行指令1.6典型微處理器系統(tǒng)結構及工作原理簡介簡單程序的編制和執(zhí)行題目：要求計算機執(zhí)行5CH加2EH，結果存到20H單元助記符MOVAX,5CHADDAX,2EHMOV[20H],AXHALT;停機二進制碼000111100101110011000110001011100011001000100000011101101.6典型微處理器系統(tǒng)結構及工作原理簡介存儲單元內容

0011111001011100110001100010111000110010001000000111011001001100MOVAX5CHADDAX2EHMOV[20H],AX20HHALT存結果地址

二進制十六進制

00010000000000200H10000000000001000H10000000000011001H10000000000101002H10000000000111003H10000000001001004H10000000001011005H10000000001101006H10000000001111007H10000000010001008H10000000010011009H1000000001010100AH操作控制器（OC）指令譯碼器（ID）數(shù)據(jù)寄存器（MDR）標志寄存器（FR）程序計數(shù)器（PC）寄存器組累加器（ACC）指令寄存器（IR）地址寄存器（MAR）地址譯碼器:B0H5CH04H2EH70H0AH10HA2H00H02HF4H0200H1000H1001H1002H1003H1004H1005H1006H1007H1008H1009H100AH...內存儲器CPUALU+1......控制信號

讀控制寫控制內總線地址PC=1000H操作控制器（OC）指令譯碼器（ID）數(shù)據(jù)寄存器（MDR）標志寄存器（FR）程序計數(shù)器（PC）寄存器組累加器（ACC）指令寄存器（IR）地址寄存器（MAR）地址譯碼器:B