计算机系统概论

第1章计算机系统概论

1.1 基本内容摘要

1、计算机系统发展简史

◆计算机的发展由来和电子计算机理论基础、技术基础的发展

◆电子计算机

电子计算机的类型；电子数字计算机的类型及其4个发展阶段；中国的

计算机事业的发展阶段；

2、电子计算机硬件的主要组成部分

5个组成部分:

◆运算器

◆控制器

◆存储器

◆输入设备

◆输出设备

3、电子计算机系统的主要技术指标

字长、运算速度、存储容量、主频

4、软件概述

◆软件及其分类

软件的定义；按功能可划分为系统软件、支撑软件、应用软件三类

◆对“软件”的完整理解

软件包括程序和软件文档两大部分

◆语言处理程序

汇编程序

编译程序

5、计算机系统的层次结构

物理机和虚拟机

从计算机语言角度出发，通用计算机系统可看成为由多级虚拟计算机组成的多层次结构（8级）6、计算机的应用

应用领域有：数值计算、数据处理、计算机控制、CAD/CAM、人工智能

1. 2 知识点

一、计算机硬件的基础知识

1、计算机的5个基本部件及其相互关系

（1）5个主要部件

运算器：直接完成各种算术、逻辑运算的部件

控制器：整个计算机的指挥系统，控制所有操作的自动进行

存储器：存放运算和处理过程所需的各种数据和程序事的记忆装置

输入设备：向主机送入数据、程序以及各种字符信息的人机交互设备

输出设备：接受主机输出的信息（机器工作的中间结果或最终结果）的人机交互设备

这些部件之间相互协调地进行工作，工作中需要交换许多数据信息，需要采用公共的传送线路连接各个部件。

（2）冯·诺依曼机

程序设计者按计算要求编制程序，将程序和运行程序中需要的数据以二进制代码形式存于计算机的存储器中，由计算机自动执行程序，采用这种方案的计算机称为冯·诺依曼机特点：采用5个基本部件，采用二进制的数据表示方式，采用程序存储、顺序串行执行的工作方式。

结构：在5个组成部件中，通常将运算器和控制器组合在一起称为中央处理器（CPU），把CPU和存储器组合构成处理系统称为主机。输入设备和输出设备这些外围设备包含机械部件等难以与主机集成的部件，常常与主机分离。这种计算机结构是冯·诺依曼等人在早期计算机设计中采用的结构，称为冯·诺依曼结构。

2、计算机部件的基本功能

（1）运算器的功能：完成各种运算操作，主要包括算术逻辑部件ALU 。

ALU的功能：执行各种数据算术、逻辑运算的操作。

（2）控制器的功能：①在控制器的控制下，将程序和原始数据送入内存；②控制运算器和内存等部件实现自动计算和处理，并将结果送到输出设备；③控制内存与外存之间的信息交换；④控制随机事件的处理。

（3）存储器的功能：存储器是存储程序和数据的部件，包括内储器（主存）和辅助储器（外存）。

内存储器：计算机主机内部的存储器，可以被CPU直接访问，用于存放运行的程序和数据。

外存储器：主计外部的存储器，CPU不能直接访问，CPU要通过输入输出接口访问。

存储器的两种操作：

读操作：把二进制代码存入存储器；

写操作：把二进制代码从存储器中取出；

3、计算机运行时的信息流

（1）数据流：被处理的数据存放在内存储器中，流经运算器的各个部件，经过逐步的加工，获得运算结果后再送回内存储器存放，这是“数据流”。数据流在运算器和存储器及输入输出设备之间流动。

（2）指令流：被执行程序的指令序列，事先也存放在内存储器中，流经控制器的各部件，被分解剖析，发出各种控制信号，指挥数据信息的运算处理，这是“控制流”。指令流从存储器流向控制器。

二、计算机软件的概念

1、硬件和软件的关系

2、软件完整定义

按“软件工程”的观点，软件是程序以及开发、使用和维护程序所需的相关文档资料的完整集合。软件包括两大部分：

（1）程序：指使计算机执行特定任务的指令序列即指令的有序集合。

计算机能识别和执行的是机器指令（机器代码）

计算机系统中的软件程序包括解决特定问题而编制的应用程序和为支持应用程序运行的系统程序；

（2）软件文档：用自然语言或形式化语言所编写的，用来描述程序的内容、组成、设计、功能规格、开发情况、测试结果以及使用方法的文字资料和图表。

计算机系统中的软件文档包括应用程序的设计和开发过程的文档资料和用户的有关使用和维护应用程序的文档资料。

3、软件的三大分类

（1）系统软件：直接控制和协调计算机、通信设备以及其他外部设备，使之发生作用并方便用户使用的软件。包括两类：

◆面向计算机本身、负责各计算机系统运行控制的软件，包括操作系统、故障处理程序

◆面向用户的软件，包括语言处理程序、辅助加工软件。

（2）支撑软件：开发与维护的软件，软件开发环境可看成现代支撑软件的代表，主要包括：环境数据库

各种接口软件

工具组（例如，面向计算机维护人员的软件：主要有诊断调试程序、自动纠错程序和测试程序）

（3）应用软件：一种直接完成某种具体应用、供最终用户使用的软件。

4、语言处理程序

（1）机器语言、汇编语言和高级语言

◆机器语言：一种完全面向机器的程序设计语言，由二进制代码表示的语言，计算机硬

件能直接识别和执行执行的语言。

◆汇编语言：面向具体计算机的语言，用符号形式表示机器指令的语言。

汇编语言源程序：用汇编语言编制的程序称为汇编语言源程序。其基本单位是汇编语句行。

完整的汇编语言源程序应包括：基本指令语句、伪指令语句（又称指示性语句）宏指令语句。

◆高级语言：独立于计算机之外的、接近于人们的使用习惯的、易为人们理解的面向问

题计算过程的通用程序设计语言。

（2）计算机语言的编译和解释的软件程序

◆汇编程序：汇编语言源程序翻译成二进制编码的机器语言所表示的目标程序的一种语

言加工程序。

汇编程序功能

◆交叉汇编程序：利用一台计算机的处理、编辑能力为别的计算机进行汇编工作的程序。

◆反汇编程序：把二进制编码的机器语言目标程序翻译成汇编语言源程序的翻译程序，是与汇编程序功能相反的程序。

◆编译程序：把高级语言源程序翻译成等效的机器语言目标程序的程序。

编译过程

◆解释程序：把用解释性高级语言编写的源程序翻译成计算机能执行形式的—种语言加工程序。

三、计算机系统的层次结构

1、物理机和虚拟机的概念

◆硬件：由物理元器件构成的系统，计算机硬件就是一个构成计算机系统的、能够执行指令的实际装置。

◆固件：是具有软件功能的硬件，指那些存储程序并能永久保存的器件。具有软件和硬件优点，其执行速度快于软件、灵活性优于硬件。

◆物理机：由硬件和固件实现的机器，是计算机系统的组成实体。

◆虚拟机：指以软件或以软件为主实现的机器，该级机器只对观察者而存在，其功能体现在广义的计算机语言上。

◆透明：计算机系统分为几个层次，一般用户从较高层次上观测计算机，看不到较低层次，计算机科学中把用户看不到某种特性的现象称为特征对用户是透明的。

2、多层次结构

计算机系统是硬件、软件结合的整体，按功能或语言划分为8级层次结构：

L0：硬联逻辑，实现微指令的控制时序，是计算机系统硬件的内核。

L1：微程序控制，对机器指令进行译码分析，根据微操作所需要的控制时序，编制微程序，配备一套微指令，给出微操作控制信号。

L0和L1实现CPU的功能。

L2：机器语言级计算机，该级的机器语言源程序由L1的微程序进行解释。

L3：操作系统，为用户提供一个操作环境，这一级机器语言是机器指令和操作系统级指令。

L4：汇编语言级计算机，该级的机器语言是汇编语言，由汇编程序翻译成L2或L3级语言，由相应级的计算机进行解释、执行。

L5：高级语言类计算机，该级的“机器语言”是各种高级语言，由编译程序（或解释程序）翻译成L4或L3级语言，由相应级计算机执行。

该级计算机基本上脱离了物理计算机，供程序员使用。

L6：应用语言计算机，该级的“机器语言”是面向非计算机专业人员直接使用的应用语言。

L7：应用系统分析和设计，是系统总体分析级。

四、计算机系统的技术指标

1、机器字长

指CPU中ALU一次能处理二进制数据的位数，或者CPU与输入/输出设备和存储器之间一次传送二进制数据的位数。

它由CPU的数据总线或运算器的位数决定，字长短的计算机可通过多次运算达到高的计算精度。

2、运算速度

以每秒钟能执行多少条指令来表示，用以衡量计算机运算的快慢程度。

衡量方法有：

◆执行定点数加、减、乘、除指令的时间，执行浮点数加、减、乘、除指令的时间；

◆每秒执行的指令条数，以MIPS和MFLOPS作计量单位。

MIPS表示每秒执行多少百万条指令，可定义为：

MFLOPS表示每秒执行多少百万次浮点运算，可定义为：

其中，I N为执行的指令总数；I FN为执行的浮点操作总次数；

T E 为执行这些数目的指令或浮点操作所需的时间(以秒为单位)

◆指令的平均执行时间：根据各类指令在计算过程中出现的频度和该类指令执行时间求

得统计平均值

3、存储容量

指一个存储器（包括内存和外存）所能存储的全部信息量。

容量的基本单位为字节（Byte）。常用的基本单位有KB、MB、GB、TB等。

内存容量有：

◆最大容量：由地址线数目决定。

◆装机容量：计算机实际配置的内存容量

4、主频

是计算机工作的时间基准，指计算机工作时CPU的时钟频率，计算机的CPU在单位时间内发出的脉冲数目。

五、主要的术语及概念：

运算器、控制器、中央处理器CPU、ALU、主机、存储器、I/O设备、存储程序、硬件、软件、固件、存储容量、代码、程序、指令、数据流、指令流、冯·诺依曼机、物理机、虚拟机、汇编语言、汇编程序