第一章 计算机系统概论
计算机系统概论
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
第1章 计算机系统概论
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
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；
计算机系统概论讲义
适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进 行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作
总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行 数据传送的公共通路。
总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、 适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也是人们常说的 计算机硬件。
➢ 指令和数据存储
控制器的基本组成
完成 取指令 PC
CU
一条 分析指令 IR 指令 执行指令 CU
取指 访存 执行 访存
IR PC
PC 存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（PC）+ 1 PC
IR 存放当前欲执行的指令
1.3计算机的硬件
六、控制器的基本任务
控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条 取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周 期
控制器
1 MAR MDR 4
主存储器 8
1.4计算机的软件
一、软件的组成与分类 计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机 系统中不可少的无形部件。主要有两大类：
系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高 计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。 它包括以下四类：
①各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 ②语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等 ③操作系统 ④数据库管理系统
运算电路单元
寄存器B
累加器A
运算器的基本组成及操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
ACC
MQ
加法 被加数 和
减法 乘法
被减数 差
乘积高位
乘数 乘积低位
第1章 计算机系统概论
第1章计算机系统概论第1章计算机系统概论第一章计算机系统概论计算机系统是由硬件和软件两大部分组成的，其功能是完成数据的输入、传送、存储、处理和输出。
本章介绍计算机系统的基本组成、层次结构和体系结构，认识计算机体系结构、组成和实现三者之间的关系。
1.1计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成可以分为硬件和软件两部分。
硬件是其物质基础，是软件的载体；软件则是计算机系统的灵魂。
没有硬件，软件就不能运行；没有软件，硬件就发挥不了作用，从而失去存在的价值。
因此二者紧密相关，缺一不可。
1.1.1硬件组成一般来说，计算机的硬件组成可以用图1-1来表示。
对微型机来说，运算器和控制器集成在一块芯片上，称为中央处理部件(cpu)。
cpu和内存储器统称为主机。
输入设备和输出设备统称为外围设备。
所谓输入与输出，是相对于主机系统而言的。
磁盘系统既是输入设备，也是输出设备。
当保存一个文档时，磁盘就是一个输出设备；当打开一个文档时，磁盘就作为输入设备使用。
主机和外围设备组成了计算机的硬件系统。
各部件之间使用三条总线连接，各部件之间就通过这三条总线实现信息传送。
注意，所有外围设备都是通过接口线路和总线连接的。
通常，cpu只与接口打交道(传递信息)，而不与外围设备直接打交道。
数据总线(dbus)是双向总线，在不同时刻可以在不同方向上传递数据，但同一时刻只能在一个方向传递数据。
地址总线(abus)用来选择发送数据或接收数据的地址。
地址总线上的信息通常是由cpu提供的。
当cpu将总线控制权转交给dma控制器时，地址总线上的信息便由dma控制器提供，这时cpu对外表现为高阻态。
dma控制器通常用于控制主机(内存)和高速外围设备(如磁盘)之间的数据传送。
控制总线(cbus)中的大部分信息由cpu提供，也有一些由内存或外围设备提供，但它不是双向总线；在大多数情况下，任何一条控制总线上的信息总是向着一个方向传递。
计算机的主要功能是处理数据。
第一章计算机系统概论
以上两个程序功能完全一样，算法完全一样，因此，时间和空
间复杂度完全一样，执行时间一样吗？
21 times slower (Pentium 4) Why？
理解该问题需要知道： 数组的存放方式 Cache机制 访问局部性
……
用“系统思维”分析问题
使用老版本gcc –O2编译时，程序一输出0，程序二输出却是1 Why？
理解该问题需要知道： IEEE 754 的表示 X87 FPU的体系结构 IA-32和x86-64中过程 调用的参数传递 计算机内部的运算电路 ……
在IA-32上运行时，打印结果为a=0 在x86-64上运行时，打印出来的a是一个不确定值 为什么？
用“系统思维”分析问题
double fun(int i) {
数据的表示 数据的运算 各类语句的转换与表示(指令) 各类复杂数据类型的转换表示 过程（函数）调用的转换表示
/*---main.c---*/
int main() {
int a[1]={100}; int sum; sum=sum(a,0); printf(“%d”,sum); }
链接（linker）和加载 程序执行（存储器访问） 异常和中断处理 输入输出(I/O)
主要内容
• 课程由来 • 课程内容概要 • 冯.诺依曼结构计算机特点 • 程序的开发和执行过程 • 计算机系统层次结构 • 计算机性能评价
什么是计算机系统？
程序执行结果 不仅取决于
算法、程序编写 而且取决于
语言处理系统 操作系统 ISA 微体系结构
不同计算机课程 处于不同层次
必须将各层次关 联起来解决问题
当count=230+1时， 程序会发生什么情况？
int *myarray = (int *) malloc(count*sizeof(int));
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
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
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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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第一章计算机系统概论
一、填空题
1．1946年，世界上第一台数字电子计算机ENIAC在______美国_____诞生。
2．从硬件来看，计算机先后经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路以及大和超大规模集成电路四个发展阶段。
3．微型计算机也称为个人计算机，英文简称__PC__机。
4．计算机的出现，被称为第 4 次产业革命。
5．一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两个部分。
6．计算机的应用领域有科学计算、过程检测与控制、信息管理、计算机辅助系统、人工智能五个方面。
7．只有1和0的数字系统这称为标准数字系统。
8．对计算机来说，所谓指令只是一堆0和1的组合。
9．8位二进制位称为一个位。
10．二进制数据的长度单位有B、KB、MB、GB、TB。
11．1.4MB=1.4×1024KB，0.02GB=0.02×1024×1024KB。
12．二进制数1011011等于十进制数___91__，十进制数78等于二进制数__1001110_________。
13．ASCⅡ码是一种__7__位进制编码。
14．我国标准的汉字字符集的编码采用__GB2312－80__编码。
15．微型计算机的硬件系统通由运算器、控制器、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备六部分组成。
16．中央处理器简称为CPU，由两部分组成：运算器和控制器是整个计算机系统的指挥中心。
17．存储器一般分为内存储器和外存储器两种类型。
18．内存储器接其功能可以分为ROM和RAM两种。
19．通常所说微机的内存容量是指RAM的容量。
20．磁盘存储器是一种外部存储器。
21．磁盘存储器主要有软盘和硬盘两种。
22．CD-ROM的中文名称为只读紧凑式光盘。
23．扫描仪是一种输入设备，打印机是一种输出设备。
24．没有软件的计算机称为裸机。
25．计算机软件分为系统软件和应用软件两大类。
26．操作系统属于系统软件，Windows98属于系统软件。
二、判断题（正确时打√，否则打×）
1．使用晶体管为主要器件的计算机属于第四代计算机。
（×）2．一个完整的计算机系统包括了系统软件和应用软件。
（×）3．计算机内部采用十进制的处理方式。
（×）
4．一个西文字符用一个字节的0和1来表示。
（√）
5．二进制的101101大于十进制数32。
（√）
6．CPU是由控制器、运算器、内存储器、总线构成的。
（×）7．存储器是用于保存程序、数据、运算结果的。
（√）
8．一旦关机或复位，随机存储器的信息就会立即消失。
（√）9．硬盘装在主机箱内，所以是内存储器。
（×）
10．CD-ROM是可以进行存、取操作的存储器。
（×）
11．鼠标是计算机的输入设备。
（√）
12．计算机的操作系统是一种不可缺少的硬件设备。
（×）
13．财务管理软件是一种系统软件。
（×）
14．程序由一系列指令或语句组成。
（×）
15．ROM中的内容可以随时更换。
（×）
16．硬盘可以长期保存程序和数据。
（√）
三、选择题（单选）
1．采用中小规模集面电路的计算机属于第____C____代。
A、第一代
B、第二代
C、第三代
D、第四代
2．3072KB等于____C____MB
A、3
B、3.072
C、30
D、30.72
3．下列两个数中，最大的数是___B___。
A、56
B、（1101111）2
C、（56）8
D、（1F）16
4．内存储器的特点是____D_____。
A、容量大，速度快
B、容量大，速度慢
C、容量小，速度慢
D、容量小，速度快
5．属于输入设备的是____B____。
A、显示器
B、话筒
C、激光打印机
D、音箱
6．属于计算机软件的是____D____。
A、光电输入机
B、软盘
C、硬盘
D、操作系统
四、简述题（参考答案略）
1、硬件系统
2、软件系统
3、控制器
4、运算器
5、内存储器
6、输入设备
7、输出设备
8、多媒体技术
9、系统软件 10、应用软件。