第1章计算机系统概论N2.ppt
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1、2019/9/4,南京工业大学,1,第 1 章 计算机系统概论,2019/9/4,南京工业大学,2,本章学习内容,计算机的发展历史 计算机系统的硬件组成 计算机的软件系统 计算机系统的组织结构 计算机的特点和性能指标 计算机的分类与应用,2019/9/4,南京工业大学,3,1.1 计算机的发展历史,从1946年2月15日第一台计算机-ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)诞生以来,计算机的发展经历了近60年的迅猛发展。电子数值积分计算器 ENIAC: 8英尺高x3英尺宽x100英尺长 18000Vocum, 150 kw, 30
2、t, 5M Add/s,2019/9/4,南京工业大学,4,1.1.1 计算机硬件更新换代,1. 电子管时代(1946年-1959年) 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迟线、磁鼓等材料,数据用定点表示。 我国有: 103机、104机、119机,2019/9/4,南京工业大学,5,世界上第一台计算机ENIAC,返回,2019/9/4,南京工业大学,6,2. 晶体管时代(1959年-1964年 ) 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,主存储器由磁芯构成,通过引入浮点运算硬件加强科学计算能力。 我国推出:DJS-5机、DJS-121
3、机、DJS-108机,2019/9/4,南京工业大学,7,3. 中、小规模集成电路时代(1964年-1975年) 集成电路器件成为了计算机的主要逻辑元件,推动计算机进入了第三个发展阶段中、小规模集成电路(MSI、SSI)时代。主存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的大型、巨型机和物美价廉的小型机得到快速发展。,2019/9/4,南京工业大学,8,本阶段典型的计算机有:IBM公司的IBM360系列(1964年)、CDC公司的CDC6600(1964年)和DEC公司的PDP-8(1964年)。我国在此时期也推出了大、中、小型计算机,如150机(1973年)
4、、DJS-130机(1974年,并形成了100系列机)、220机(1973年-1981年,200系列机)和182机(1976年,180系列机)。,2019/9/4,南京工业大学,9,4. 超、大规模集成电路时代(1975年-1990年) 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,进入了第四个阶段超、大规模集成电路电路(VLSI、LSI)时代。此时半导体存储器已完全替代了磁芯存储器,并发展了并行技术、多机系统和分布式计算技术,出现了RISC指令集。 ( Large Scale Integrated Circuit),2019/9/4,南京工业大学,10,在这一时期,巨
5、型向量机、阵列机等高级计算机得到了发展,如美国的Cray-I,我国的YH-I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。 1978年采用Intel 8086微处理器构成的16位微机IBM-PC/XT的面世,真正使得台式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IT业。,2019/9/4,南京工业大学,11,5. 超级规模集成电路时代(1990年-现在) 从集成度来看,计算机使用的半导体芯片的集成度已接近极限,出现了极大、甚大规模集成电路(ULSI、ELSI)。 (Ultra、E
6、xtremely Large Scale Integrated Circuit) 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IBM公司的“深蓝”计算机就是一台RS/6000 SP2超级并行计算机,它具有256块处理器芯片。,2019/9/4,南京工业大学,12,我国的YH-III(大规模并行处理,128个CPU,1997年)、YH-IV(机群技术)巨型机已达到国际水平. 2004年,我国的研制开发的超级计算机曙光4000A进入全球超级计算机500强排行榜的前10名,标志着我国超级计算机技术已跨入了世界前列。 微处理器技术也在高速发展,推出了32位、64位的微处理器芯
7、片,如Pentium IV、Itanium II等,使微机性能更上了一个台阶。,2019/9/4,南京工业大学,13,1.1.2 计算机软件日臻完善,1. 汇编语言阶段 (20世纪50年代) 2. 程序批处理阶段(20世纪60年代) 3. 分时多用户阶段(20世纪70年代) 4. 分布式管理阶段(20世纪80年代) 5. 软件重用阶段 (20世纪90年代) 6. Web服务阶段 (21世纪初期 ),2019/9/4,南京工业大学,14,1.2 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部分组成。 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。,2019/9/4,
8、南京工业大学,15,1.2.1 计算机的功能部件,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。 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,它是由各种实实在在的器件组成的,是计算机进行工作的物质基础。,2019/9/4,南京工业大学,16,2019/9/4,南京工业大学,17,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。计算机的五大部件包括: 1. 输入设备 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。 最常见的输入设备是键盘,还
9、有扫描仪、语音输入设备、手写笔、触摸屏、鼠标、数码摄像设备等。,2019/9/4,南京工业大学,18,2. 输出设备 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的信息形式输出。 最常见的输出设备是显示器、打印机。还有绘图仪 、音箱等。 计算机的输入、输出设备简称为I/0设备。 I/O设备是计算机与外界联系的桥梁,没有I/O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I/O设备是计算机中不可缺少的一个重要组成部分。,2019/9/4,南京工业大学,19,3. 存储器 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
10、核心。 存储器可分为 主存储器(也称内存储器,简称主存) CPU能够直接访问的存储器 辅助存储器(也称外存储器,简称外存、辅存) CPU不能直接访问的大容量、速度较慢的存 储器。 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,才能为CPU所使用。,2019/9/4,南京工业大学,20,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。 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。 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/写操作,必须首先给出被访问的存储单元的地址码。,2019/9/4,南京工业大学,21,主存的基本的组成,图1-2
11、 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,2019/9/4,南京工业大学,22,存储体:存放二进制信息的主体 地址寄存器: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存储单元。 数据寄存器:主存与其它部件的接口。用于暂存从存储器读出(取出)或向存储器中写入(存入)的信息。 控制逻辑:用于产生存储器操作所需各种时序信号。,2019/9/4,南京工业大学,23,4运算器 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。 运算器的核心是算术逻辑部件(Arithmetic and Logical Unit),简称为ALU。Arithmetic L
12、ogic Unit 运算器中设有若干寄存器,用于暂存操作数据和中间结果。 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,所以通常称为通用寄存器。,2019/9/4,南京工业大学,24,运算器的简单框图,2019/9/4,南京工业大学,25,5控制器 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作。 计算机控制器是根据事先编好的程序进行指挥的。 程序: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自动工作。 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。 这种工作方式称为存储程
13、序方式。,2019/9/4,南京工业大学,26,1.2.2 冯诺依曼计算机,1. 存储程序概念 存储程序概念是美国数学家冯诺依曼于1946年6月首先提出来的,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仍属于冯诺依曼的结构格式。,2019/9/4,南京工业大学,27,冯诺依曼思想的基本要点: (1)采用二进制形式表示数据和指令 指令是程序的基本单位,程序是若干指令的有序集合。冯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。 (2)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,
14、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(运行程序)中,由控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,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的基础。,2019/9/4,南京工业大学,28,(3)指令的执行是顺序的,即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行,程序分支由转移指令实现。 (4)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。 通常把运算器和控制器统称为 CPU,把CPU与主存储器(内存)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,简称为I/O
15、设备。,2019/9/4,南京工业大学,29,2. 早期的冯诺依曼计算机,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。,2019/9/4,南京工业大学,30,2019/9/4,南京工业大学,31,3. 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,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的需求,甚至会
16、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1-5所示。但是现代计算机的基本结构仍然遵循冯诺依曼思想。,2019/9/4,南京工业大学,32,2019/9/4,南京工业大学,33,1.3 计算机的软件系统,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括系统软件与应用软件两大类。,2019/9/4,南京工业大学,34,1.3.1 系统软件,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
17、统 5. 分布式软件系统 6. 网络软件系统 7. 各种服务程序,2019/9/4,南京工业大学,35,1.3.2 应用软件,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,因而应用程序是多种多样,极其丰富的。,2019/9/4,南京工业大学,36,14 计算机系统的组织结构,1.4.1 硬件与软件的关系 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
18、有力的硬件支持,就不可能编制出高质量、高效率的软件;没有好的硬件环境,一些先进的软件也无法运行。 软件是计算机系统的灵魂。 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。,2019/9/4,南京工业大学,37,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,这就是硬件、软件在逻辑功能上的等效。,2019/9/4,南京工业大学,38,硬件、软件在逻辑功能上的等效,任何由硬件实现的操作,在原理上,均可用软件来实现;同样,任何由软件实现的操作,在原理上都可硬化由硬件来实现。 如乘除运算,早期均
19、由软件编程实现。现已由硬件乘、除法器实现。 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成本,也可由软件编程实现。,2019/9/4,南京工业大学,39,硬件的软化:将由硬件实现的功能用软件实现。 软件的硬化:将由软件实现的功能用硬件实现。 固件:将复杂且常用的程序写入只读存储器就构成了固件。 固件从功能上看是软件,但从形态上看是硬件。,2019/9/4,南京工业大学,40,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,哪些功能通过软件实现。这就是硬件软件的功能分配。 随着电子技术的发展,可以使软件逐渐
20、“固化”乃至“硬化”。所以设计计算机系统时必须首先解决硬、软件的功能分配问题。,2019/9/4,南京工业大学,41,l 42 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。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。 由于软件、硬件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。 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。而高级语言使用者则关心机器能否提供高效方便的编程环境。,2019/9/4,南京工业大学,42,对不同的对象而言
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