第一章计算机系统概述.ppt

主讲教师：毛艳艳,计算机组成原理,E-mail: maoyanyan_ccec126.com,2,本课程在计算机专业的地位,数字逻辑,C语言程序设计,计算机组成 原理,数据结构,操作系统,数据库原理及应用,软件工程,微机接口技术,计算机网络,计算机系统结构,计算机组成原理在计算机专业教学中 处于核心位置,3,教材,计算机组成与结构（第四版） 王爱英主编 清华大学出版社,4,参考书,计算机组成原理白中英 科学出版社 计算机组成原理唐朔飞 高等教育出版社,5,学习方法,课堂教学:从学会 会学,学思路. 认真做习题(含实验):会做. 找参考资料:会找,会看. 密切注意计算机发展动态:多听,多看,6,第一章 计算机系统概述,1.1 计算机的语言 1.2 计算机的硬件 1.3 计算机系统的层次结构 1.4 电子计算机的发展简史 1.5 计算机的应用 1.6 计算机网络,7,1.1 计算机的语言,自然语言：人类相互交流信息所用的语言 高级语言：当前计算机不具备理解自然语言的能力，人们找到一种和自然语言接近并能为计算机接受的语言。 机器语言：(由二进制代码表示的指令组成)目前的通用计算机不会直接执行高级语言程序，要先将其翻译成机器能执行的语言，这种语言被称为机器语言。 汇编语言：符号式程序设计语言。,8,计算机软件的组成,没有配备任何软件的“裸机”无法投入使用，没有配备足够的软件，其功能就不能很好的发挥。 计算机软件的分类如下：,9,软件组成,系统软件,应用软件,操作系统或管理软件 汇编程序 高级语言的编译或解释程序 故障诊断或检验程序 系统调试程序 数据库管理程序,使用者根据需要采用各类语言 编写的各种应用程序，包括各 类应用软件包,计算机软件的分类,10,小常识：,指令分为两部分：,操作码 地址码,算数逻辑运算指令：,例如：加减乘除法指令，传送指令等,11,1.2 计算机的硬件,组成计算机的基本部件有 中央处理器CPU（运算器和控制器）、存储器和输入设备、输出设备。 计算机硬件组成结构如下图：,12,计算机硬件组成,运算器,控制器,存储器,输入设备,输出设备,实际机器,13,中央处理器又叫CPU，早期的计算机中分成运算器和控制器两部分，由于电路集成度的提高，现在已把它们集成在一个芯片中。,计算机的硬件介绍,存储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存储和交流中心。存储器可与CPU、输入输出设备交换信息，起存储、缓冲、传递信息的作用。,14,计算机的硬件介绍,输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程序、输入的信息有数字符、字母和控制符等。,输出设备用来输出计算机的处理结果。可以是数字、字母、表格、图形等.,15,1.3 计算机系统的层次结构,实际机器的物理基础什么？,数字集成电路,只能直接识别二进制代码(高低电平信号、机器代码)，使用不便。,实际机器的有那些特点？,16,1.3 计算机系统的层次结构,用户用高级语言编写程序，连同数据一起送入计算机(用户程序一般称为源程序)，然后由计算机将其翻译成机器语言程序(称为目标程序)，在计算机上运行后输出结果。,计算机的解题过程,17,高级语言虚拟机器的层次结构,18,翻译程序,翻译程序有编译程序和解释程序两种。 编译程序是将源程序中全部语句翻译成机器语言，再执行机器语言。假如一个题目需要重复计算几遍，那么一旦翻译以后，只要源程序不变，不需再次进行翻译。 解释程序是将源程序的一条语句翻译成机器语言以后立即执行它，然后再翻译执行下一条语句。特点是翻译一次只能执行一次，效率较低。,19,实际机器M1 (机器语言机器),虚拟机器2 （高级语言机器）,虚拟机器M3 (汇编语言或中间语言机器),虚拟机器M4 (高级语言机器),虚拟机器M2 (操作系统语言机器),由硬件或微程序解释执行机器语言,一般用机器语言解释操作系统语言,由编译程序翻译成机器语言程序或操作系统语言,高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言或中间语言程序,计算机系统的多级层次结构,20,计算机的产生 1642年，年仅19岁的法国科学家Blaise Pascal(1623-1662)制造出的第一台能工作的计算机器。整台机器是纯机械设备，使用手柄驱动，用齿轮传动，能完成加法和减法。程序设计语言Pascal就是以他的名字命名的。 1945年, 美国数学家冯.诺依曼博士发表电子计算工具逻辑设计论文，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。,1.4 电子计算机的发展简史,21,计算机的产生,1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC。重28吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每秒5000次加法。 1948年，贝尔实验室的John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley发明了晶体管，他们也因此获得了1956年的诺贝尔物理奖。1953年，麻省理工学院林肯实验室成功研制了第一台晶体管计算机TX-0。 我国在1959年研制成功第一台数字计算机，第一台晶体管数字计算机于1965年完成。,22,介绍： 不足： 存储容量小 20个字长10位 非自动 采用线路连接来编程 冯.诺依曼在此基础上提出了现代计算机的模型,第一台计算机 ENIAC,5000次加法/秒 体重28吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW,23,计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五部分组成。 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改。 数据以二进制码表示 指令由操作码和地址码组成。 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在单元地址，一般按顺序替增。 机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。,冯.诺依曼机的基本特点:,24,算术运算 逻辑运算,存放数据 和程序,将信息转换成机 器能识别的形式,将结果转换成 人们熟悉的形式,指挥程序 运行,冯·诺依曼计算机硬件框图,25,电子计算机的发展简史,第一代 电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 第二代 晶体管时代(1958-1965) 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 第三代 中小规模集成电路时代(1965-1970) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒 第四代 大规模集成电路时代(1971至今) 向大型机和微型机两个方向发展 现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番,26,计算机的六大分类,巨型机世界几家公司生产，最快1.4万亿次，9千个CPU组成。 小巨型机功能同巨型机相近，价格相对便宜。 大型机大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调度主机资源，代表产品有IBM360，370等。 小型机可满足部门性的需求，供小型企事业单位使用。 工作站用于特殊的专业领域，如图象处理和辅助设计。 微型机个人或家庭使用，价格低廉。,27,世界上较快的五台超级计算机,1. IBM: Seaborg,6080个 CPU 最大平均速度 7.304 TF,28,2. IBM: ASCI White,8192个 CPU 最大平均速度 7.304 TF,世界上较快的五台超级计算机,29,3. Linux NetworX : MCR Linux Cluster,2304个 CPU 最大平均速度 7.634 TF,世界上较快的五台超级计算机,30,4. HP : ASCI Q,4096个 CPU 最大平均速度 13.88 TF,世界上较快的五台超级计算机,31,5.NEC: Earth Simulator,5120个 CPU 最大平均速度 35.86 TF,世界上较快的五台超级计算机,32,1.5 计算机的应用领域,科学研究计算 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算 过程控制 机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制 辅助设计/分析/制造/教学 机械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAI 数据处理 数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化 智能模拟 人工智能、专家系统、自学习,33,1.6 计算机网络,1.6.1 计算机网络基础知识 1.6.2 局域网 1.6.3 广域网和网络协议 1.6.4 网络互联设备,34,1.6.1 计算机网络基础知识,计算机网络 连接介质 双绞线、同轴电缆、光缆 网络分类 局域网、城域网、广域网、接入网 信道、共享信道、点到点连接,基本概念：,35,信道分类 全双工、半双工、单工信道 计算机网络采用分组方式发送数据。 基带传输、宽带传输 调制器、解调器 基带信号 调制信号,基本概念：,36,广域网、城域网、接入网以及局域网的关系,城域网,城域网,接入网,接入网,接入网,接入网,接入网,接入网,广域网,局域网,局域网,校园网,企业网,返回,37,各种电缆,铜线,铜线,聚氯乙烯 套层,聚氯乙烯 套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,同轴电缆,返回,38,1.6.2 局域网,网络拓扑结构,总线拓扑,环型拓扑,星型拓扑,39,1.6.3 广域网和网络协议,40,资源子网&&通信子网,资源子网的组成：主计算机系统、终端、终端控制器、联网外设、各种软件资源与信息资源组成。 通信子网由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成。,41,OSI 与 TCP/IP 体系结构比较,应用层,运输层,网络层,表示层,会话层,数据链路层,物理层,7 6 5 4 3 2 1,OSI 的体系结构,应用层,物理层,网络层 IP,(各种应用层协议如 TELNET, FTP, SMTP 等),运输层(TCP 或 UDP),TCP/IP 的体系结构,42,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用进程数据先传送到应用层,加上应用层首部，成为应用层 PDU,43,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层 PDU 再传送到运输层,加上运输层首部，成为运输层报文,44,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,运输层报文再传送到网络层,加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）,45,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,IP 数据报再传送到数据链路层,加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧,46,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层帧再传送到物理层,最下面的物理层把比特流传送到物理媒体,47,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,物理层接收到比特流，上交给数据链路层,48,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部 取出数据部分，上交给网络层,49,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,网络层剥去首部，取出数据部分 上交给运输层,50,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,运输层剥去首部，取出数据部分 上交给应用层,51,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层剥去首部，取出应用程序数据 上交给应用进程,52,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！,53,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,10100110100101 比 特 流 110101110101,注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次,应 用 程 序 数 据,54,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,10100110100101 比 特 流 110101110101,计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层,55,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层,H2,T2,56,H3,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层,57,H4,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,运输层剥去报文首部后 把报文的数据部分交给应用层,58,应 用 程 序 数 据,H5,应 用 程 序 数 据,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层剥去应用层 PDU 首部后 把应用程序数据交给应用进程,59,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！,60,IP地址,IPv4： 32位 例如：166. 111. 16. 5 IPv6： 128位,61,沙漏计时器形状的 TCP/IP协议族,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,网际层,网络接口层,运输层,应用层,网络接口 1,网络接口 2,网络接口 3,Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务,IP over Everything IP 可应用到各式各样的网络上,62,Internet提供的服务,电子邮件 万维网浏览器 搜索引擎 文件传输（FTP） 例如：ftp:/ftp.tsinghua.edu.cn 远程登录（Telnet） 电子公告板 BBS,63,电子邮件地址的格式,TCP/IP 体系的电子邮件系统规定电子邮件地址的格式如下： 收信人邮箱名邮箱所在主机的域名 符号“”读作“at”，表示“在”的意思。 例如，电子邮件地址 xiexirentsinghua.org.cn,64,telnet:/bbs.tsinghua.edu.cn telnet bbs.tsinghua.edu.cn,65,网络互连设备,中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。 物理层中继系统：中继器(repeater)。 数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。 网络层中继系统：路由器(router)。 网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。 网络层以上的中继系统：网关(gateway)。,66,三级结构的因特网,各网络之间需要使用路由器来连接。 有时在结构图中可不画出路由器。,校园网,校园网,校园网,校园网,校园网,校园网,国家主干网,67,The End,