第1章 计算机系统概论

看不见、摸不着
2
1.1
用来管理整个计算机系统， 系统软件 监视服务，使系统资源得到 (系统程序) 合理调度，高效运行。
语言处理程序（编译程序）
软 件
操作系统 数据库管理系统
服务性程序（诊断、调试、连接）
网络软件
应用软件 按任务需要编制成的各种程序 3 (应用程序)
二、计算机系统的层次结构 1. 计算机的解题过程
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例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑电 路完全相同。 (3) B机的平均指令执行速度为多少? 解答： (3) A机平均每条指令的时钟周期数=2.5μs/0.125μs=20。 因微机A和B片内逻辑电路完全相同，所以B机平均每 条指令的时钟周期数也为20。 由于B机的CPU主频为12MHz．所以B机的CPU时钟 周期=1/12MHz= 1/12μs。 B机的平均指令周期=20×(1/12）=5/3μs。 B机的平均指令执行速度=1/(5/3)μs=0.6MIPS。 另解：B机的平均指令执行速度=A机的平均指令执行 速度0.4MIPS×(12/8）=0.6MIPS。
计算机 组成
如何实现计算机体系结构所体现的属性
（具体指令的实现）（对程序员透明—不知道）
如何实现乘法指令
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1.2 计算机的基本组成
电子计算机是一种自动计算工具，而算盘是手动计 算工具。 计算机有存储程序的功能，即能把由操作步骤编制 成的程序(program)记住，然后按程序的要求，逐 一完成程序规定的操作任务——程序存储控制原理
1.1
高级语 言程序 (源程序)
翻译
目标 程序
运行
结果
计算机
4
2、计算机系统的层次结构
高级语言
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
1.1
汇编语言 操作系统
机器语言 微指令系统
虚拟机器M2
传统机器 M1 微程序机器 M0
5
多级层次结构的计算机系统
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
用编译程序翻译 成汇编语言程序
30
2.存储容量
存放二进制信息的总位数
存储单元个数 × 存储字长 如
1.3
主存容量 （内存）
字节数 如 字节数
MAR MDR 容量 10b 8b 1 K × 8位 16b 32b 64 K × 32位
1K = 210
2 = 1 KB 221 = 256 KB 80 GB
13
1B = 23b
辅存容量 （外存）



CPU的寄存器堆
19
3.存储器(记忆装置)
(1)功能：保存程序、原始数据及中间结果。 (2)特点： 采用线性地址存取方式， 地址 单元内容 …… …… 可按位(b)、字节(B)、半字、 n-1 信息m-1 字(W)或者双字(DW)编址。 n 信息m 以字节(B)编址居多，即1个 n+1 信息m+1 …… …… 存储单元存1个字节的信息。 存储器容量：通常用KB、MB、GB、TB表示。
实线：数据线 计算机：它能接收信息，根据事先编好的程序，对信息进行处理， 虚线：控制线和反馈线 12 并给出处理结果。
一、典型的冯· 诺依曼计算机硬件框图
将信息转换成机 器能识别的形式
1.2
存储器
将结果转换成 人们熟悉的形式
输入设备
运算器
输出设备
控制器
实线：数据线 计算机：它能接收信息，根据事先编好的程序，对信息进行处理， 虚线：控制线和反馈线 13 并给出处理结果。

John von Neumann 冯诺依曼（电子计算机之父） (1903-1957)
9
Neumann计算机的基本组成

比喻:
若把计算机比作一个工厂,那么 运算器 车间 控制器 生产科 输入设备 供应科 输出设备 销售科 存储器 仓库
10
1.2 计算机的基本组成
Von Neumann是在电子时代提出把程序存储控制 原理用于计算机的第一人。
1GB = 230b
31
1.3 计算机硬件的主要技术指标
吉普森法 TM = fi ti
i =1
n
fi—第i条指令占全部操作的百分比数 Million Instruction Per Second t — 第 i 条指令的执行时间 3.运算速度 i
Cycle Per Instruction
MIPS CPI
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例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑电
路完全相同。
(1) 若A机的CPU主频为8MHz，B机为12MHz，则A机
的CPU时钟周期为多少？
解答： (1) A机的CPU主频为8MHz，所以A机的CPU时钟周期 =1/8MHz=0.125μs。
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例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑 电路完全相同。 (1) 若A机的CPU主频为8MHz，B机为12MHz，则A 机的CPU时钟周期为多少？ (2) 若A机的平均指令执行速度为0.4MIPS，那么A机 的平均指令周期为多少？ 解答： (1) A机的CPU主频为8MHz，所以A机的CPU时钟 周期=1/8MHz=0.125μs。 (2) A机的平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5μs。
每秒执行百万条指令 执行一条指令所需时钟周期数
FLOPS 每秒浮点运算次数
Floating Point Per Second
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例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻 辑电路完全相同。 (1) 若A机的CPU主频为8MHz，B机为12MHz，则 A机的CPU时钟周期为多少？ (2) 若A机的平均指令执行速度为0.4MIPS，那么A 机的平均指令周期为多少？ (3) B机的平均指令执行速度为多少?
00000 00001 00002 00003 取数005 加法006 减法007 存数008 停机 a b c
29
00004 00005 00006
00007 00008
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.机器字长 CPU 一次能处理数据的位数
字长越长，表数范围越大，精度越高。
字长会影响机器的运算速度。 字长对硬件（ALU、数据总线、存储字长的位数） 的造价有较大的影响。 与 CPU 中的 寄存器位数 有关
1.2 计算机的基本组成
二、冯· 诺依曼计算机的特点
1. 计算机由五大部件组成 2. 指令和数据以同等地位存于存储器， 可按地址寻访 3. 指令和数据用二进制表示 4. 指令由操作码和地址码组成 5. 存储程序 6. 以运算器为中心
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三、计算机硬件框图
1. 以存储器为中心的计算机硬件框图
控制器 数据 输入设备 程序

1812年英国人巴贝奇(Babbage)开始研制机械计算 机，提出了程序存储控制原理的雏形。 巴贝奇提出了自动计算机必须包含 的五大功能，即：输入(I)+存储(M) +处理(P)+控制(C)+输出(O) Charies Babbage

（1792-1871） 8
1.2 计算机的基本组成
Von Neumann是在电子 时代提出把程序存储控 制原理用于计算机的第 一人。 Neumann理论奠定了现 代电子数字计算机的理 论。 按照该理论制成的计算 机叫Neumann体系结构 的计算机。简称 Neumann计算机。
一台完整计算机的功能——运算+控制+存储+输入 /输出+用户界面 实现：CPU+M+I/O+BUS+软件

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1.输入/输出(I/O)设备
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2.中央处理器(CPU)
它是计算机的核心，它由ALU + CU + Regs组成
(1)控制器：按时钟提供的统一节拍，使计算机中各 部件协调工作。 (2)算术逻辑部件ALU (Arithmetic Logical Unit) 它是直接进行数据变换与运算的部件。由加法 器组成，ALU的最基本操作是加法和逻辑运算。 (3)寄存器组：暂存运算中间结果 通用寄存器组：存放操作数 专用寄存器组：存储特定信息

下图是早期计算机中典型模块间的连接方式。因没从全局 角度统一考虑各部件间的连接问题，造成部件间连接的复 杂性。为减少部件连接的复杂性，现代计算机采用了总线 连接技术。
输入命令 输出命令
控制器
数 据
输入设备
运算器
存数
取数
输出设备
结果
存储器
注:实线代表传输数据 虚线代表传输控制命令和信号
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4.总线
总线连接方式：是现代计算机(尤为微、小型机)采用的方式。 总线：是一簇由并行导线组成的传递信息的公共通路。 总线的三种类型：数据总线——用于传输数据； 地址总线——用于传输内存存储单元地址； 控制总线——用于传输控制信号。 总线的任务：在计算机各部件之间，起沟通信息的作用。

CPU

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3.存储器(记忆装置)

(3)存储器的三大指标
容量(Capacity)+价格(Cost)+速度(Speed) 容量大 速度 ，速度 成本 容量 采用分级存储方式来解决上述矛盾
主存
辅助软硬件
cache 主存 辅存
cache主辅存三级存储系统 主辅存两级存储系统
辅存
CPU
主存
辅存
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4.总线
Neumann原理可总结为三条（1946）:
(1) 指令像数据一样存放在存储器中，并像数据那 样进行处理； （2）要使用二进制； （3）要使用程序存储控制方式工作。
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一、典型的冯· 诺依曼计算机硬件框图
存放数据 和程序 算术运算 逻辑运算