计算机系统概论
计算机系统概论
量子计算与未来展望
量子计算
量子计算是一种基于量子力学原理的计算方式，具有超强的并行计算能力和高度加密的安全性。量子计算的应用 前景广阔，包括化学模拟、优化问题求解、密码学等。
未来展望
随着人工智能、大数据、云计算和量子计算等技术的不断发展，计算机系统的未来将更加智能化、高效化和安全 化。同时，计算机系统的发展也将对人类社会的各个方面产生深远影响，如工业自动化、智慧城市、生物信息学 等。
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计算机病毒Leabharlann 型常见的计算机病毒类型包括蠕虫病毒、木马病毒、 宏病毒等，它们具有不同的传播途径和破坏行为。
3
计算机病毒防护
防护计算机病毒的措施包括安装防病毒软件、定 期更新病毒库、不随意打开未知来源的邮件和链 接、定期备份数据等。
网络攻击与防护
网络攻击定义
网络攻击是指利用网络漏洞或恶意行为对计算机系统进行破坏或窃取信息的行为。
大数据与云计算
大数据
大数据是指数据量巨大、复杂度高、处理速度快的数据集合。大数据技术的应用 包括数据挖掘、数据分析、数据可视化等，有助于企业做出更明智的商业决策。
云计算
云计算是一种基于互联网的计算方式，通过虚拟化技术将计算资源（如服务器、 存储设备、数据库等）汇聚到一个虚拟的云中，然后通过网络对外提供服务。云 计算的应用包括云存储、云桌面、云服务等。
网络协议与体系结构
OSI参考模型
01
开放系统互联参考模型，分为七个层次，分别为物理层、数据
链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
TCP/IP协议族
02
传输控制协议和互联网协议，是互联网的核心协议，包括IP、
计算机系统概论第三章
第三章数字逻辑结构在第一章中，我们提到计算机是由数量巨大的非常简单的结构所组成。
例如，Intel的Pentium Ⅳ微处理器，2000年推向市场，是由超过4千2百万个MOS晶体管制造的。
IBM Power PC 750 FX，2002年推出，是由超过3千8百万个MOS晶体管组成。
在本章中，我们将解释MOS晶体管作为逻辑单元的工作原理，如何将这些晶体管连接起来组成逻辑门，以及逻辑门是如何被互相连接起来而组成更大的制造计算机所需的单元。
在第四章，我们将把这些更大的单元连接起来组成计算机。
首先介绍晶体管。
3.1 晶体管今天的大多数计算机，或者说是大多数微处理器（所对应的计算机的核心）是由MOS 晶体管组成的。
MOS是金属氧化物半导体的英文缩写。
关于半导体的电子特性超出了本书的范围，它位于本书所描述的最底层的抽象之下，也就是说，如果晶体管出现差错，我们就受其控制，无法解决该问题了。
不过，也不太可能遇到晶体管出现问题的情况。
在此，我们只需了解MOS晶体管的两种类型：P型和N型。
它们都是进行逻辑运算的，其工作原理与墙上的电开关类似。
图3.1显示了最基本的电子电路，包括电源、一个墙上的开关和一盏灯。
为了让灯发光，电子必须流动；而为了使电子流动，必须存在一个从电源到灯、再回到电源的闭合电路。
通过操作开关可以控制电路的合与开，进而使灯打开或关闭。
我们使用一个N型或P型半导体晶体管来代替开关，控制电路的闭合。
图3.2是一个N 型晶体管的示意图，（a）单独出现的晶体管（b）出现在电路中的晶体管。
注意，在图3.2a 中的晶体管有三个终端，它们分别被称为栅极、源极和漏极，其命名原因不在本书范围之内。
如果N型晶体管的栅极被加以2.9伏电压，从源极到漏极的连接就相当于一段电线。
使用电子术语来说就是：在源极和漏极之间存在一个闭合回路，即导通。
如果N型晶体管的栅极被加以0伏电压，在源极和漏极之间的连接就被断开，在源极和漏极之间存在一个断路，即截止。
第1章 计算机系统概论-计算机组成原理-刘超-清华大学出版社
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
1 计算模型及其基本内容 计算模型是完成计算任务所必需遵循的基于形式化 描述的基本规则。工作单元(对计算机来说即是指令)之 间存在处理次序与数据依赖等两种关联性，用于控制处 理次序的工作驱动与数据依赖机制的数据传递是计算模 型的基本内容。工作驱动方式是计算模型的核心。
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
3 计算机工作过程 程序控制计算机完成计算任务过程可分为人工编制 程序和机器运行程序两个阶段。
存储器存储单 元地址
00000000 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 00001000 00001001 00001010 00001011 00001100 00001101 00001110 00001111 00010000
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
输入设备
辅助存储器 存储 系统
主存储器
输出设备 外设
运算器
控制器
具有存储层次计算机的体系结构框架
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
主存 储器
主机 CPU
算术逻辑运算 单元ALU
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
1 计算机体系结构及其范畴 计算机体系结构的一般定义是：机器语言程序员所 必须了解的计算机概念性结构和功能特性。 计算机体系结构作为一门学科，其研究内容主要有 两个方面：一是软件与硬件功能分配；二是如何最佳最 合理地实分配给硬件的功能。 计算机体系结构(或属性)的范畴有：数据表示、指 令系统、寻址方式、寄存器组织、存储组织、中断机构、 机器状态、输入输出结构、信息保护等。
第1章计算机系统概论
ENIAC
ENIAC
ENIAC
ENIAC的特点： ENIAC的特点：十进制表示 的特点 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 为了改进程序的输入方式： 二进制表达方 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制表达方 式和存储程序控制计算机构想。 存储程序控制计算机构想 式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一 个计算机模型EDVAC 个计算机模型EDVAC
•它采用了间接寻址技术。在这种技术中，间接寻址指令所 它采用了间接寻址技术。在这种技术中， 它采用了间接寻址技术 形成的地址，不是存放操作数的地址， 形成的地址，不是存放操作数的地址，而是用来形成操作 数地址的地址。这种寻址技术在分类、 数地址的地址。这种寻址技术在分类、排序中是非常有用 的； •采用了专用的程序控制指令，这种指令对应于不同程序 采用了专用的程序控制指令， 采用了专用的程序控制指令 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对， LINK/TRA指令对 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对，即后来人们常 称的调用子程序/子程序返回指令对， 称的调用子程序/子程序返回指令对，对调用子过程等是 十分有效的； 十分有效的； •I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制 I/O 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU I/O设备间的字 CPU和 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU和I/O设备间的字 长能够匹配； 长能够匹配； •采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术 I/O处理机请求访问主存储器时 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期， CPU的主存访问请求延迟一个存储周期 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期，但是并不 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期； CPU的操作 CPU操作推迟一个存储周期 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期；
数字逻辑与计算机组成原理：第一章 计算机系统概论
的通用电子数字计算机方案EDVAC，这就是人们
通常所说的冯·诺依曼型计算机。
该计算机采用“二进制”代码表示数据和指 令，并提出了“程序存储”的概念，它奠定 了现代电子计算机的基础。
2．计算机的发展阶段
从第一台电子计算机的诞生到现在，人们根 据计算机所采用的电子器件的变化，将计算 机的发展分为四个时代。
1946年 美国 ENIAC 1955年退役
十进制运00 5 000
多个电子管 多个继电器 千瓦 吨 平方英尺 次加法／秒
用手工搬动开关和拔插电缆来编程
IBM 360计算机
IBM公司1964年推出的IBM360是影响最大的最早采 用集成电路的第三代计算机
Intel 公司的典型微处理器产品
8080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium Ⅳ
8位 16位 16位 32位 32位 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位
计算机硬件系列课程结构
计算机系统结构
计算机系统的 软硬件功能分配
计算机组成原理 数字逻辑
计算机系统的 逻辑实现 计算机组成的 物理实现
数字逻辑与计算机组成原理 的关系
数字逻辑是计算机组成原理的先修课程
计算机组成原理课程中经常出现的译码器、 编码器、数据选择器、数据分配器、队列、 堆栈、锁存器、寄存器等术语，必须在数字 逻辑课程中牢固掌握基本概念。
➢ 1958年，德克萨斯仪器公司的基尔白(Clair Kilby)、仙 童半导体公司的诺依斯(Robert Noyce)等人研究实现了 集成电路。以后集成度越来越高，出现了超大规模集成 电路，这是电子学的又一次革命，也是近代科学技术发 展的新的标志。
第1章 计算机系统概论第二版课后习题详细讲解
第1章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
2. 如何理解计算机的层次结构？答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。
（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。
（2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。
（3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。
通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。
各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。
3. 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。
答：机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。
高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。
4. 如何理解计算机组成和计算机体系结构？答：计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，如指令系统、数据类型、寻址技术组成及I/O 机理等。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的结构和功能，及相互连接方法等。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
第一章 计算机系统概论
第一章计算机系统概论（一）选择题1.有些计算机将一部分软件永恒地存于只读存储器中，称之为A.硬件B.软件C.固件D.辅助存储器E.以上都不对2.输入、输出装置以及外接的辅助存储器称为A.操作系统B.存储器C.主机D.外部设备3.计算机系统中的存储系统是指A. RAM存储器B. ROM存储器C.主存D.主存和辅存4.计算机与日常使用的袖珍计算器的本质区别在于A.运算速度的高低B.存储器容量的大小C.规模的大小D.自动化程度的高低5.冯·诺伊曼机工作方式的基本特点是A.多指令流单数据流B.按地址访问并顺序执行指令C.堆栈操作D.存储器按内容选择地址6.用户与计算机通信的界面是A. CPU B外部设备 C.应用程序 D 系统程序7.下列属于应用软件。
A.操作系统 B 编译程序 C.连接程序D文本出来程序8下列不是输入设备。
A.画笔与图形板 B 键盘 C.鼠标器 D 打印机9.下列各装置中，具有输入及输出功能。
A.键盘 B 显示器 C.磁盘驱动器 D 打印机10.下列设备中不属于输出设备。
A.打印机 B 磁带机 C.光笔 D 绘图仪11下列语句中是正确的。
A.数据库属于系统软件B.磁盘驱动器只有输入功能C.评估计算机的执行速度可以用每秒执行的指令数为判断依据D.个人计算机是小型机12.计算机只懂机器语言，而人类熟悉高级语言，故人机通信必须借助A.编译程序B.编辑程序C.连接程序D.载入程序13.计算机的算术逻辑单元和控制单元合称为A. ALUB. UPC. CPUD. CAD14.只有当程序要执行时，它才会去将源程序翻译成机器语言，而且一次只能读取、翻译并执行源程序中的一行语句，此程序称为A.目标程序B.编译程序C解释程序 D.汇编程序15下列语句中是正确的。
A. 1 KB= 1024x1024 BB. 1 KB=1024 MBC. 1 MB = 1024 x1024 BD. 1 MB = 1 024 B16.一片1 MB的磁盘能存储的数据。
第一章 计算机系统概论
1．2．1 计算机硬件 ． ．
1．运算器 ． 用于信息加工的部件，又称执行部件。它对数据信息进行算术运算 和逻辑运算。它由算术逻辑部件 ALU 和一系列寄存器组成。 算术运算指加、减、乘、除和其他复合运算，逻辑运算指与、或、 非、异或、比较、移位。 运算器包含多个寄存器，称为通用寄存器组，使用它们可减少访问 存储器的次数，提高运算速度。寄存器用于存放运行指令和运算操作 数，累加器除了存放运算操作数外，还存放中间结果和最终结果。 计算机采用二进制计数。二进制 二进制的运算规律非常简单，易于用物 二进制 易于用物 理的方式实现。 理的方式实现 二进制数的位数越多，计算精度就越高，但是位数越多，所需的电 子器件也越多。计算机运算器的运算宽度（ 机器字长 ） 通常为 8×2n 计算机运算器的运算宽度（机器字长） 计算机运算器的运算宽度 × （n 为自然数，目前最大为 3），即 8 位、16 位、32 位或 64 位。 即
9
1．2．1 计算机硬件 ． ．
指令和数据均以二进制信息形式存放在内存，按读取时间和存放 空间区分。取指周期中从内存中读出的信息流是指令流，它流向控制 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流， 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流 执行周期中从内存中读出的信息流是数据流 它流向运算器。 数据流， 器；执行周期中从内存中读出的信息流是数据流，它流向运算器 3．存储器 ． 存放程序和数据。分为若干个带地址的存储单元，数据以二进制 方式按地址存储。 读写过程：传送存储单元地址 → 地址译码器译码 → 选中存储单 元 → 从存储单元读出数据或向存储单元写入数据。 主板上的存储器为半导体触发器，每一个存储元（触发器）可存 储一位二进制信息。一个半导体触发器的 Q 输出端有两种电平状态， 输出高电平为 “1”，输出低电平为 “0”，通过输入端电平和时钟的控 制可改变触发器的输出状态，分别输出 “1” 或 “0”。
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什么是计算机实现（Computer Implementation）?
指计算机功能的物理实现。包括片子、模块、插件、底板的 划分与连结等。
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第一节 计算机系统简介
计算机系统=硬件系统+软件系统
14 置、使用高速总线
摩尔定律
“每年将缩小硅片中形成晶体管电路的 细线尺寸的10%，芯片制造商能够每3年 发布新一代的芯片，其晶体管数为上一 代的4倍。”
“每18个月集成度将翻一翻，速度将提 高一倍，而价格将降低一半” 。
事实：
格登·摩尔照片
❖ 内存芯片DRAM的容量每3年提高4倍。
❖ 微处理器，通过增加新的电路，减小电路之间的距离来提 高速度，使得从Intel公司自1979年推出它的X86系列以来， 性能每3年提高4~5倍。
程序执行时间
一般用执行时间对计算机性能进行综合评测。
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第三节 计算机硬件的主要技术指标
时钟频率 ➢ 其他指标不变的情况下，主频越快，机器速度越快。
加法指令执行速度 ➢ 用加法指令速度衡量，单位为MIPS (每秒百万条指令)等。
等效指令速度（Gibson混合法） ➢ 设某类指令i在程序中所占比例为wi，执行时间为ti，则等 效执行时间为：T= w1x t1+w2 x t2 +…+wn x tn
其他 ➢ CPI：执行一条指令所需时钟周期（主频倒数）数。 ➢ FLOPS：每秒浮点运算次数。有MFLOPS、TFLOPS、 PFLOPS等。
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第三节 计算机硬件的主要技术指标
性能设计应从以下几方面考虑 1. 微处理器速度 （1）元器件本身的速度不断提高，容量不断增加 （ 遵循摩尔定律 ） （2）快速提供指令流（指令预取、流水线、超标量等） 2. 性能平衡 （1）处理器和主存之间 引入Cache、采用多模块存储器结构、 增加处理器和主存 间的带宽、使用高速总线 （2）处理器和I/O之间 在处理器和I/O之间引入缓冲和暂存机制、 使用多处理器配
4
第一节 计算机系统简介
什么是计算机系统结构（Computer Architecture）?
由机器级程序员看到的计算机系统的属性，即：概念性结构和 功能特性，它区别于基本的数据流、控制流、逻辑设计和物 理实现等。
通俗地讲是由指令系统所规定的所有属性，因此主要指指令集 体系结构（Instruction Set Architecture，ISA）。
主要研究计算机系统软件和硬件的功能分配以及如何最佳、最 合理地实现分配给硬件的功能。
例如，乘法指令是由硬件还是软件实现？即：指令系统中是否 包含乘法指令？这属于它要研究的问题。
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第一节 计算机系统简介
什么是计算机组织（Computer Organization）?
也称计算机组成。指计算机主要部件的类型、数量、组成方 式、控制方式和信息流动方式及其相互连接构成的系统。是 那些对程序员透明的硬件细节。
第1章 计算机系统概论
软件和硬件的基本概念 计算机系统的层次结构 冯诺依曼计算机的特点 计算机硬件的基本组成 计算机的工作过程 计算机系统的性能指标
1
第一节 计算机系统简介
什么是计算机？
➢计算机是一种不需人的直接干预，能够对各 种数字化信息进行自动快速运算的通用处理 装置。
➢计算机系统 = 计算机硬件 + 计算机软件
冯·诺依曼结构的主要思想
1. 由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备组成。 2. 各基本部件的功能是：
❖ 存储器不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上两者没 有区别，但计算机应能区分数据还是指令；
❖ 控制器应能自动执行指令； ❖ 运算器应能进行加/减/乘/除四种基本算术运算，并且也能进
行一些逻辑运算和附加运算； ❖ 输入设备、输出设备用于和主机进行通信。 3. 内部以二进制表示指令和数据。每条指令由操作码和地址码两部 分组成。操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址。由一 串指令组成程序。 4. 采用“存储程序”工作方式。
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第二节 计算机硬件的基本组成
“存储程序”工作方式
➢ 将事先编好的程序和原始数据送入主存中，然后启动计 算机工作。计算机应能在不需操作人员干预下，自动完 成逐条取出指令和执行指令的任务。
现代计算机的原型
主存 储器 MM
10
算术逻辑单元 ALU
控制单元 CU
输入/输 出设备
I/O
第二节 计算机硬件的基本组成
计算机系统层次结构
软件 系统
应用软件 系统软件
计算机组织与
结构涉及内容
硬件系统
软硬件 交界面
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第一节 计算机系统简介
计算机系统的层次结构
高级语言机器M4
汇编语言 机器M3
Software
Application (ex: browser)
Operating
Compiler
System
(Windows 2K) Assembler
➢ 包括 系统软件 和 应用软件。
3
第一节 计算机系统简介
计算机硬件的功能和结构
功能
内部结构
数据处理 数据存储
中央处理器(运算器) 存储器组织
系统互连
数据传送
输入/输出模块
控制
中央处理器(控制器)
补充说明：中央处理器（CPU）是最复杂的功能部件。近年来 采用多核处理器的计算机系统越来越多，但本课程重点在于 单处理器计算机系统最基本的结构组成原理，因此，所有内 容都是在原理层面，并不反映业界技术的现实。
Hardware Processor Memory I/O system
操作系统机器M2
Instruction Set Architecture
Datapath & Control
机器语言机器M1
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Digital Design Circuit Design
transistors
微指令系统M0
第二节 计算机硬件的基本组成
2
第一节 计算机系统简介
什么是计算机硬件？
➢ 指计算机的实体部分，如：各类电子元件、各类光、电、 机械设备的实物。
➢ 包括CPU、主存、辅存、打印机和显示器等各类输入输出 设备。
什么是计算机软件？
➢ 指在硬件上运行的各类程序和相关的数据及文档，可在各 种媒体中存储和传输。其中程序是让计算机硬件完成特定 功能的指令序列。
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计算机的解题过程
➢建立数学模型 ➢确定计算方法 ➢选择程序设计语言 ➢编制解题程序 ➢编译或汇编成目标代码 ➢连接并生成可执行文件 ➢调试和测试
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第三节 计算机硬件的主要技术指标
机器字长
一般将参加定点运算的通用寄存器的宽度称为机器字长。 字长越长，CPU一次能处理的据位数越多。
存储容量
包括主存容量和辅存容量。反映计算机能容纳信息的能力 。