計算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)

第一章 計算機(jī)系統(tǒng)概論n 1.1 計 算 機(jī) 的 分 類 和 應(yīng) 用n 1.2 計 算 機(jī) 發(fā) 展 簡 史n 1.3 計 算 機(jī) 的 硬 件n 1.4 計 算 機(jī) 的 軟 件n 1.5 計 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 層 次 結(jié) 構(gòu) 1.1計算機(jī)的分類和應(yīng)用一 、 電 子 計 算 機(jī) 從 總 體 上 來 說 分 為 兩 大 類 。n 電 子 模 擬 計 算 機(jī) 。 “ 模 擬 ” 就 是 相 似 的 意思 。 模 擬 計 算 機(jī) 的 特 點(diǎn) 是 數(shù) 值 由 連 續(xù) 量 來表 示 ， 運(yùn) 算 過 程 也 是 連 續(xù) 的 。 n 電 子 數(shù) 字 計 算 機(jī) ， 它 是 在 算 盤 的 基 礎(chǔ) 上 發(fā)展 起 來 的 ， 是 用 數(shù) 目 字 來 表 示 數(shù) 量 的 大 小 。數(shù) 字 計 算 機(jī) 的 主 要 特 點(diǎn) 是 按 位 運(yùn) 算 ， 并 且不 連 續(xù) 地 跳 動 計 算 。 1.1計算機(jī)的分類和應(yīng)用二 、 數(shù) 字 計 算 機(jī) 分 類 數(shù) 字 計 算 機(jī) 根 據(jù) 計 算 機(jī) 的 效 率 、 速 度 、 價格 、 運(yùn) 行 的 經(jīng) 濟(jì) 性 和 適 應(yīng) 性 來 劃 分 ， 可 以 劃分 為 兩 類 ： 專 用 計 算 機(jī) ： 專 用 機(jī) 是 最 有 效 、 最 經(jīng) 濟(jì) 和 最 快 速的 計 算 機(jī) ， 但 是 它 的 適 應(yīng) 性 很 差 。 通 用 計 算 機(jī) ： 通 用 計 算 機(jī) 適 應(yīng) 性 很 大 ， 但 是 犧 牲了 效 率 、 速 度 和 經(jīng) 濟(jì) 性 。 1.1計算機(jī)的分類和應(yīng)用三 、 通 用 計 算 機(jī) 分 類 通 用 計 算 機(jī) 根 據(jù) 體 積 、 簡 易 性 、 功 率 損 耗 、性 能 指 標(biāo) 、 數(shù) 據(jù) 存 儲 容 量 、 指 令 系 統(tǒng) 規(guī) 模 和 機(jī)器 價 格 等 可 以 分 為 ：n 超 級 計 算 機(jī)n 大 型 機(jī)n 服 務(wù) 器n 工 作 站n 微 型 機(jī) n 單 片 機(jī) 四 、 計 算 機(jī) 的 應(yīng) 用n 科 學(xué) 計 算n 自 動 控 制n 測 量 和 測 試n 信 息 處 理n 教 育 和 衛(wèi) 生n 家 用 電 器n 人 工 智 能1.1計算機(jī)的分類和應(yīng)用 1.2計 算 機(jī) 發(fā) 展 簡 史一 、 計 算 機(jī) 的 五 代 變 化n 第 一 代 為 19461957年 ， 電 子 管 計 算 機(jī) ： 數(shù) 據(jù) 處理n 第 二 代 為 19581964年 ， 晶 體 管 計 算 機(jī) ： 工 業(yè) 控制n 第 三 代 為 19651971年 ， 中 小 規(guī) 模 集 成 電 路 計 算機(jī) ： 小 型 計 算 機(jī)n 第 四 代 為 19721990年 ， 大 規(guī) 模 和 超 大 規(guī) 模 集 成電 路 計 算 機(jī) ： 微 型 計 算 機(jī) n 第 五 代 為 1991年 開 始 ， 巨 大 規(guī) 模 集 成 電 路 計 算 機(jī) ：單 片 機(jī) 1.2計 算 機(jī) 發(fā) 展 簡 史二 、 半 導(dǎo) 體 存 儲 器 的 發(fā) 展n 20世 紀(jì) 50 60年 代 ， 所 有 計 算 機(jī) 存 儲 器 都 是由 微 小 的 鐵 磁 體 環(huán)n 1970年 ， 仙 童 半 導(dǎo) 體 公 司 生 產(chǎn) 出 了 第 一 個 較大 容 量 半 導(dǎo) 體 存 儲 器n 從 1970年 起 ， 半 導(dǎo) 體 存 儲 器 經(jīng) 歷 了 11代 ： 單個 芯 片 1KB、 4KB、 16KB、 64KB、 256KB、1MB、 4MB、 16MB、 64MB、 256MB、 GB。 n 其 中 1K=210,1M=220,1G=230 1.2計 算 機(jī) 發(fā) 展 簡 史三 、 微 處 理 器 的 發(fā) 展n 1971年 Intel公 司 開 發(fā) 出 Intel 4004。 這 是 第 一 個 將 CPU的 所有 元 件 都 放 入 同 一 塊 芯 片 內(nèi) 的 產(chǎn) 品 ， 于 是 ， 微 處 理 器 誕 生 了 。n 微 處 理 器 演 變 中 的 另 一 個 主 要 進(jìn) 步 是 1972年 出 現(xiàn) 的 Intel 8008， 這 是 第 一 個 8位 微 處 理 器 ， 它 比 4004復(fù) 雜 一 倍 。 n 1974年 出 現(xiàn) 了 Intel 8080。 這 是 第 一 個 通 用 微 處 理 器 ， 而4004和 8008是 為 特 殊 用 途 而 設(shè) 計 的 。 8080是 為 通 用 微 機(jī) 而設(shè) 計 的 中 央 處 理 器 。 n 20世 紀(jì) 70年 代 末 才 出 現(xiàn) 強(qiáng) 大 的 通 用 16位 微 處 理 器 ， 8086便是 其 中 之 一 。n 這 一 發(fā) 展 趨 勢 中 的 另 一 階 段 是 在 1981年 ， 貝 爾 實(shí) 驗 室 和 HP公 司 開 發(fā) 出 了 32位 單 片 微 處 理 器 。n Intel于 1985年 推 出 了 32位 微 處 理 器 Intel 80386。n 到 現(xiàn) 在 的 64位 處 理 器 和 多 核 處 理 器 1.3計算機(jī)的硬件一 、 數(shù) 字 計 算 機(jī) 基 本 組 成n 控 制 器 ： 人 的 大 腦 的 操 作 控 制 功 能n 運(yùn) 算 器 ： 人 的 大 腦 的 計 算 功 能n 存 儲 器 ： 人 的 大 腦 記 憶 功 能n 輸 入 設(shè) 備 ： 交 互 接 口 ， 筆n 輸 出 設(shè) 備 ： 交 互 接 口 ， 紙 1.3計算機(jī)的硬件二 、 馮 諾 依 曼 型 計 算 機(jī) 存 儲 程 序 按 地 址 自 動 執(zhí) 行 五 大 部 件 ： 包 括 控 制 器 、 運(yùn) 算 器 、 存 儲器 、 輸 入 設(shè) 備 、 輸 出 設(shè) 備 以 運(yùn) 算 器 為 中 心 1.3計算機(jī)的硬件馮 諾 依 曼 型 計 算 機(jī) 存 儲 器 輸 出輸 入 運(yùn) 算 器控 制 器數(shù) 據(jù) 信 號 控 制 信 號 地 址 信 號 1.3計算機(jī)的硬件三 、 運(yùn) 算 器n 算 術(shù) 運(yùn) 算 和 邏 輯 運(yùn) 算n 在 計 算 機(jī) 中 參 與 運(yùn) 算 的數(shù) 是 二 進(jìn) 制 的n 運(yùn) 算 器 的 長 度 一 般 是 8、16、 32或 64位 運(yùn) 算 電 路 單 元寄 存 器 B 累 加 器 A 1.3計算機(jī)的硬件四 、 存 儲 器n 存 儲 數(shù) 據(jù) 和 程 序 （ 指 令 ）n 容 量 （ 存 儲 單 元 、 存 儲 單 元 地 址 、 容 量 單 位 ）n 分 類 內(nèi) 存 （ ROM、 RAM） 、 外 存n 存 儲 器 單 位 ：n 210 byte 1K n 210 K 1Mn 210 M 1Gn 210 G 1T 1.3計算機(jī)的硬件五 、 控 制 器n 指 令 和 程 序 :指 令 的 形 式 （ 操 作 和 地 址 碼 、 存 儲程 序 的 概 念 、 指 令 中 程 序 和 數(shù) 據(jù) 的 存 放 、 指 令 系統(tǒng) ）n 指 令 和 數(shù) 據(jù) 存 儲 1.3計算機(jī)的硬件六 、 控 制 器 的 基 本 任 務(wù)n 控 制 器 的 基 本 任 務(wù) ： 按 照 一 定 的 順 序 一 條 接 著 一 條取 指 令 、 指 令 譯 碼 、 執(zhí) 行 指 令 。 取 指 周 期 和 執(zhí) 行 周期n 控 制 器 完 全 可 以 區(qū) 分 開 哪 些 是 指 令 字 ， 哪 些 是 數(shù) 據(jù) 字 。一 般 來 講 ， 取 指 周 期 中 從 內(nèi) 存 讀 出 的 信 息 流 是 指 令 流 ，它 流 向 控 制 器 ； 而 在 執(zhí) 行 器 周 期 中 從 內(nèi) 存 讀 出 的 信 息 流是 數(shù) 據(jù) 流 ， 它 由 內(nèi) 存 流 向 運(yùn) 算 器 。 1.3計算機(jī)的硬件七 、 適 配 器 與 I/O設(shè) 備n 輸 入 設(shè) 備 ： 把 人 們 所 熟 悉 的 某 種 信 息 形 式 變 換 為 機(jī)器 內(nèi) 部 所 能 接 收 和 識 別 的 二 進(jìn) 制 信 息 形 式n 輸 出 設(shè) 備 ： 把 計 算 機(jī) 處 理 的 結(jié) 果 變 換 為 人 或 其 他 機(jī)器 設(shè) 備 所 能 接 收 和 識 別 的 信 息 形 式n 適 配 器 ： 它 使 得 被 連 接 的 外 圍 設(shè) 備 通 過 系 統(tǒng) 總 線 與主 機(jī) 進(jìn) 行 聯(lián) 系 ， 以 便 使 主 機(jī) 和 外 圍 設(shè) 備 并 行 協(xié) 調(diào) 地工 作n 總 線 ： 構(gòu) 成 計 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 骨 架 ， 是 多 個 系 統(tǒng) 部 件 之間 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 傳 送 的 公 共 通 路 。總 之 ， 現(xiàn) 代 電 子 計 算 機(jī) 是 由 運(yùn) 算 器 、 存 儲 器 、 控制 器 、 適 配 器 、 總 線 和 輸 入 /輸 出 設(shè) 備 組 成 的 。 這 也是 人 們 常 說 的 計 算 機(jī) 硬 件 。 1.4計算機(jī)的軟件一 、 軟 件 的 組 成 與 分 類計 算 機(jī) 軟 件 相 對 計 算 機(jī) 硬 件 來 說 是 看 不 見 ， 是 計 算 機(jī)系 統(tǒng) 中 不 可 少 的 無 形 部 件 。 主 要 有 兩 大 類 ：n 系 統(tǒng) 軟 件 ： 用 來 簡 化 程 序 設(shè) 計 ， 簡 化 使 用 方 法 ， 提 高計 算 機(jī) 的 使 用 效 率 ， 發(fā) 揮 和 擴(kuò) 大 計 算 機(jī) 的 功 能 及 用 途 。它 包 括 以 下 四 類 ： 各 種 服 務(wù) 性 程 序 ， 如 診 斷 程 序 、 排 錯 程 序 、 練 習(xí) 程 序 等 語 言 程 序 ， 如 匯 編 程 序 、 編 譯 程 序 、 解 釋 程 序 等 操 作 系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 庫 管 理 系 統(tǒng) n 應(yīng) 用 軟 件 ： 用 戶 利 用 計 算 機(jī) 來 解 決 某 些 問 題 而 編 制 的程 序 ， 如 工 程 設(shè) 計 程 序 、 數(shù) 據(jù) 處 理 程 序 、 自 動 控 制 程序 、 企 業(yè) 管 理 程 序 、 情 報 檢 索 程 序 、 科 學(xué) 計 算 程 序 等 1.4計算機(jī)的軟件二 、 軟 件 的 發(fā) 展 演 變n 編 程 語 言 的 發(fā) 展 手 編 程 序 ： 機(jī) 器 語 言 程 序 ， 手 工 編 譯 二 進(jìn) 制 碼 匯 編 程 序 ： 符 號 語 言 程 序 ， 匯 編 程 序 匯 編 高 級 程 序 ： 算 法 語 言 /高 級 語 言 ， 機(jī) 器 編 譯 程 序 /解釋 程 序n 系 統(tǒng) 軟 件 的 發(fā) 展 操 作 系 統(tǒng) 分 布 式 系 統(tǒng) 軟 件 1.5計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一 、 多 級 計 算 機(jī) 系 統(tǒng) 計 算 機(jī) 不 能 簡 單 地 認(rèn) 為 是 一 種 電 子 設(shè) 備 ， 而是 一 個 十 分 復(fù) 雜 的 硬 、 軟 件 結(jié) 合 而 成 的 整 體 。 它通 常 由 五 個 以 上 不 同 的 級 組 成 ， 每 一 級 都 能 進(jìn) 行程 序 設(shè) 計 ， 如 圖 所 示 。 1.5計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)二 、 五 級 計 算 機(jī) 層 次 系 統(tǒng)n 第 一 級 是 微 程 序 設(shè) 計 級 。 這 是 一 個 實(shí) 在 的 硬 件 級 ， 它由 機(jī) 器 硬 件 直 接 執(zhí) 行 微 指 令 。 如 果 某 一 個 應(yīng) 用 程 序 直接 用 微 指 令 來 編 寫 ， 那 么 可 在 這 一 級 上 運(yùn) 行 應(yīng) 用 程 序 。n 第 二 級 是 一 般 機(jī) 器 級 ， 也 稱 為 機(jī) 器 語 言 級 ， 它 由 微 程序 解 釋 機(jī) 器 指 令 系 統(tǒng) 。 這 一 級 也 是 硬 件 級 。n 第 三 級 是 操 作 系 統(tǒng) 級 ， 它 由 操 作 系 統(tǒng) 程 序 實(shí) 現(xiàn) 。 這 些操 作 系 統(tǒng) 由 機(jī) 器 指 令 和 廣 義 指 令 組 成 ， 廣 義 指 令 是 操作 系 統(tǒng) 定 義 和 解 釋 的 軟 件 指 令 ， 所 以 這 一 級 也 稱 為 混合 級 。 1.5計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)n 第 四 級 是 匯 編 語 言 級 ， 它 給 程 序 人 員 提 供 一 種 符 號 形式 語 言 ， 以 減 少 程 序 編 寫 的 復(fù) 雜 性 。 這 一 級 由 匯 編 程序 支 持 和 執(zhí) 行 。 如 果 應(yīng) 用 程 序 采 用 匯 編 語 言 編 寫 時 ，則 機(jī) 器 必 須 要 有 這 一 級 的 功 能 ； 如 果 應(yīng) 用 程 序 不 采 用匯 編 語 言 編 寫 ， 則 這 一 級 可 以 不 要 。n 第 五 級 是 高 級 語 言 級 ， 它 是 面 向 用 戶 的 ， 為 方 便 用 戶編 寫 應(yīng) 用 程 序 而 設(shè) 置 的 。 這 一 級 由 各 種 高 級 語 言 編 譯程 序 支 持 和 執(zhí) 行 。 1.5計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)三 、 軟 件 與 硬 件 邏 輯 等 價 性n 隨 著 大 規(guī) 模 集 成 電 路 技 術(shù) 的 發(fā) 展 和 軟 件 硬 化 的 趨 勢 ，計 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 軟 、 硬 件 界 限 已 經(jīng) 變 得 模 糊 了 。 因 為任 何 操 作 可 以 由 軟 件 來 實(shí) 現(xiàn) ， 也 可 以 由 硬 件 來 實(shí) 現(xiàn) ；任 何 指 令 的 執(zhí) 行 可 以 由 硬 件 完 成 ， 也 可 以 由 軟 件 來完 成 。n 任 何 操 作 可 以 由 軟 件 來 實(shí) 現(xiàn) 也 可 以 有 硬 件 來 實(shí) 現(xiàn)（ 設(shè) 計 計 算 機(jī) 系 統(tǒng) 時 ， 應(yīng) 考 慮 各 個 方 面 的 因 素 ： 價格 、 速 度 、 可 靠 性 、 存 儲 容 量 、 變 更 周 期 ） n 實(shí) 體 硬 件 機(jī) 功 能 的 擴(kuò) 大n 固 件 的 概 念 （ 功 能 上 是 軟 件 ， 形 態(tài) 上 是 硬 件 ） 第一章小結(jié)n 計 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 基 本 概 念 構(gòu) 成 ： 硬 件 和 軟 件 層 次 結(jié) 構(gòu)n 計 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 基 本 工 作 原 理n 計 算 機(jī) 的 基 本 組 成 部 分 五 大 部 件n 馮 諾 依 曼 型 計 算 機(jī) 特 點(diǎn)