LEC1 计算机系统概述
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第一章 计算机系统概述(二)
所谓软件是指为运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序及文档的总和。
计算机软件一般分为两大类：一类叫系统软件,一类叫应用软件。
★系统软件
系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能，其目的是方便用户，提高计算机使用效率，扩充系统的功能。
系统软件包括以下四类:
1、操作系统
操作系统是管理计算机资源（如处理器、内存、外部设备和各种编译、应用程序）和自动调度用户的作业程序，使多个用户能有效地共用一套计算机系统的软件。操作系统的出现，使计算机的使用效率成倍的提高，并且为用户提供了方便的使用手段和令人满意的服务质量。概括起来，操作系统具有三大功能：管理计算机硬、软件资源，使之有效应用；组织协调计算机的运行，以增强系统的处理能力；提供人机接口，为用户提供方便。
图1-5存储器组成框图
存储器组成框图演示
存储器所有存储元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位KB，MB（1B＝1个字节＝8位二进制代码）来表示。存储容量越大，表示计算机记忆储存的信息就越多。
半导体存储器的存储容量有限，计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器。相对而言，半导体存储器称为内存储器，简称内存。
累加器A是特殊的寄存器，它既能接受来自总线的二进制信息作为参加运算的一个操作数，向算术逻辑单元ALU输送，又能存储由ALU运算的中间结果和最后结果。算术逻辑单元由加法器及控制门等逻辑电路组成，以完成A和B中的数据的各种算术与逻辑运算。
运算器一次运算二进制数的位数，称为字长。它是计算机的重要性能指标。常用的计算机字长有8位、16位、32位及64位。寄存器、累加器的长度应与ALU的字长相等。
3、语言处理程序
常用的语言处理程序有汇编程序、编译程序和解释程序等。
计算机软件一般分为两大类：一类叫系统软件,一类叫应用软件。
★系统软件
系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能，其目的是方便用户，提高计算机使用效率，扩充系统的功能。
系统软件包括以下四类:
1、操作系统
操作系统是管理计算机资源（如处理器、内存、外部设备和各种编译、应用程序）和自动调度用户的作业程序，使多个用户能有效地共用一套计算机系统的软件。操作系统的出现，使计算机的使用效率成倍的提高，并且为用户提供了方便的使用手段和令人满意的服务质量。概括起来，操作系统具有三大功能：管理计算机硬、软件资源，使之有效应用；组织协调计算机的运行，以增强系统的处理能力；提供人机接口，为用户提供方便。
图1-5存储器组成框图
存储器组成框图演示
存储器所有存储元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位KB，MB（1B＝1个字节＝8位二进制代码）来表示。存储容量越大，表示计算机记忆储存的信息就越多。
半导体存储器的存储容量有限，计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器。相对而言，半导体存储器称为内存储器，简称内存。
累加器A是特殊的寄存器，它既能接受来自总线的二进制信息作为参加运算的一个操作数，向算术逻辑单元ALU输送，又能存储由ALU运算的中间结果和最后结果。算术逻辑单元由加法器及控制门等逻辑电路组成，以完成A和B中的数据的各种算术与逻辑运算。
运算器一次运算二进制数的位数，称为字长。它是计算机的重要性能指标。常用的计算机字长有8位、16位、32位及64位。寄存器、累加器的长度应与ALU的字长相等。
3、语言处理程序
常用的语言处理程序有汇编程序、编译程序和解释程序等。
计算机系统概述课件
2000年
2001年至今
苹果 iMac G5(M9248CH/A)
《计算机组装与维护》第 1 章
1.2微型计算机的系统组成
1.2.1计算机的分类: 按处理方式分:
按 用 途:
模拟计算机、数计算机
通用计算机、专业计算机
按
字
长:
8位、16位、32位、64位
按综合性能指标: 巨型计算机、大型计算机、
中型计算机、小型计算机、
66M和100M外频的赛扬处理器占领了大部分品牌或兼容机的市场，128M内存， 10G以上的硬盘开始成为标准配置，17寸显示器慢慢进入家庭。 Pentium 4 CPU和Pentium 4赛扬CPU开始成为电脑的标准配置，内存由 SDRAM实现了向DDR的过渡，同时17寸CRT显示器或者15寸液晶显示器开始 成为用户的首选，硬盘逐渐向40G以上的容量发展。 处理器类型PowerPC G5配置，主频1600MHz以上，内存容量256MB，硬盘容 量80GB，显示器类型17”液晶。这是苹果电脑的创新，将主机的部件全部集成 到显示器内部。显示器就是一台电脑。
《计算机组装与维护》第 1 章
1.1计算机的发展历程
1989年4月 1996年 DELL 80486 采用Intel 80486DX CPU 640KB内存， 20MB硬盘， 1.2M软驱。 基本配置是奔腾或者奔腾MMX 的CPU，32M EDO或者SDRAM内存， 2.1G硬 盘 ，14寸球面显示器为标准配置。
第一台使用了鼠标的电脑，第一台使用图形用户界面的 电脑。
采用INTEL8088 4.77MHz的CPU，256K RAM和40K ROM,10MB的硬盘，两部360KB软驱。
IBM PC/XT
IBM PC/AT Compaq Desktop PC
UG_Lec1_简介
Market Requirement
CAID/CAD
CAE
CADrafting Drafting 2 D Drawing
Piece & Product Modeling
Analysis Structure Motion ?
CAM Manufacturing Edit
Edit
提示:
相关性与参数化 (包括零件、产品及应用级) 上海交通大学
WCS-Dynamics…
WCS-Rotate…
上海交通大学
19
点构造器对话框
在指定点时，系统会自动弹出点构 造器对话框，可捕捉特定的点。在 使用不同命令时，锁点模式的形式 和内容会有所变化。 智能锁点即根据鼠标点取的位置， 系统自动判断所选为何点 光标位置点、存在点、图元的端点、 曲线的控制点、交点、圆心、与X 轴成一定角度的圆弧上的点、圆的 四分点、距鼠标最近的曲线或边缘 上的点、距鼠标最近的曲面或表面 上的点等。
上海交通大学
11
文件管理
建立新文件 打开已有文件 保存文件 关闭文件
上海交通大学
12
建立新文件
通过下拉菜单或标准工具条来选择文件的 操作方式。 输入相应的文件名。一般零件的扩展名 为.prt 注意单位，单位的缺省值为英寸。 选择文件类型
上海交通大学
13
打开已有文件
选择打开文件，并到相应的路径下选择文件名 即可。 新建或打开一文件后，在图形区的标题栏处就 会有两个文件提示名：显示文件和工作文件。 在装配时，这两个文件名可能是不一致的。
16
自定义工具条
CAID/CAD
CAE
CADrafting Drafting 2 D Drawing
Piece & Product Modeling
Analysis Structure Motion ?
CAM Manufacturing Edit
Edit
提示:
相关性与参数化 (包括零件、产品及应用级) 上海交通大学
WCS-Dynamics…
WCS-Rotate…
上海交通大学
19
点构造器对话框
在指定点时，系统会自动弹出点构 造器对话框，可捕捉特定的点。在 使用不同命令时，锁点模式的形式 和内容会有所变化。 智能锁点即根据鼠标点取的位置， 系统自动判断所选为何点 光标位置点、存在点、图元的端点、 曲线的控制点、交点、圆心、与X 轴成一定角度的圆弧上的点、圆的 四分点、距鼠标最近的曲线或边缘 上的点、距鼠标最近的曲面或表面 上的点等。
上海交通大学
11
文件管理
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12
建立新文件
通过下拉菜单或标准工具条来选择文件的 操作方式。 输入相应的文件名。一般零件的扩展名 为.prt 注意单位，单位的缺省值为英寸。 选择文件类型
上海交通大学
13
打开已有文件
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16
自定义工具条
1 计算机系统概论
输出设备用来输出计算机的处理结果。可以是数字、
字母、表格、图形等。
计算机硬件的组成框图
CPU（包括运算器和控制器） 存储器 ROM RAM 输入/输出设备(I/O设备) 运算器 和控制 总线 器 DB—DATA BUS CPU AB—ADDRESS BUS CB—CONTROL BUS
计算机硬件系统组成
22
1.3 什么是硬件?什么是软件?两者谁更重要? 为什么？ 答：硬件是计算机系统的实体部分，它由看得 见摸得着的各种电子元器件及各类光、电、机 设备的实物组成，包括主机和外部设备等。 软件是指用来充分发挥硬件功能，提高机器 工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算 机系统工作的程序集合，是无形的。 硬件和软件是不可分割的统一体，前者是后 者的物质基础，后者是前者的“灵魂"，它们 23 相辅相成，互相促进。
软件部分 硬、软界面 硬件部分
操作系统软件层（操作系统） 指令系统层（指令系统） 微体系结构层（微程序控制器） 数字逻辑层（硬件逻辑部件）
计算机系统的层次结构
站在不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性各不相同。
计算机系统的层次结构 （2）软件和硬件逻辑上的等价性
计算机系统以硬件为基础，通过软件扩充其功能，并以执 行程序方式体现其功能。硬件完成最基本的功能，而复杂 的功能则通过软件实现。计算机是一个软件和硬件结合的 整体系统。
计算机的语言简介
自然语言：人类相互交流信息所用的语言。 高级语言：一种和自然语言接近并能为计算机接受 的语言，这种语言被称为计算机的高级语言。 汇编语言：符号式程序设计语言，属于低级语言。 机器语言：机器能执行的语言，这种语言被称为机器 语言（由二进制代码表示的指令组成）。
计算机系统概论
计算机系统概论计算机系统概论是当今计算机技术学习中一个重要的内容，也是计算机行业的基础知识，它不仅涉及到计算机硬件，更注重于计算机系统的软件部分。
本文旨在从概述的角度理解和探讨计算机系统概论，并且了解计算机系统的构成、工作原理以及其应用范围等内容。
首先，我们需要理解概念上的计算机系统。
计算机系统是一个完整的系统，由软件和硬件组成，它为用户提供了一种可靠的方式来运行计算机程序，来完成特定的任务，以实现计算机系统的主要功能，这就是计算机系统的概念。
其次，计算机系统的硬件部分包括CPU、内存、主板、外存等，它们之间存在着紧密的关系，只有组装在一起才能正常工作，提供计算机系统的基本运行运算能力。
此外，计算机系统的软件部分包括操作系统类、编程语言类、应用软件类以及编译器类等，它们扮演着计算机系统的指挥官的角色，可以控制计算机系统的硬件资源，从而使得计算机系统真正实现计算机系统的功能。
此外，在计算机系统概论中，我们也需要了解计算机系统的工作原理。
计算机系统的工作原理是指，当用户要在计算机系统上运行计算机程序时，计算机系统开始按照一定步骤执行程序，首先，操作系统接受用户的程序指令，然后将用户的指令分解成指令码，将指令码储存到内存中，接着由CPU读取指令码，然后按照指令码的运行指令，将程序运行起来，完成用户的目标……就是计算机系统工作原理的核心思想。
最后，计算机系统概论还涉及到计算机系统的应用范围，计算机系统的应用范围很广，可以从电子商务、人工智能、机器人、3D印刷、医疗等多个领域来讲解。
比如，采用电子商务技术可以实现在线购买和销售，通过人工智能技术可以实现机器的智能化，可以使机器拥有一定的智能，有助于人们的日常生活……以上就是计算机系统概论的应用范围内容。
以上就是本文关于计算机系统概论的概要介绍，从概述的角度来看，计算机系统涉及到计算机硬件和软件的构成，以及计算机系统的工作原理及其应用范围等内容。
此外，需要特别指出的是，计算机系统技术不断发展，而计算机系统概论虽然是计算机学习中的一个基础，但也有必要了解最新的技术发展，以保持计算机系统的技术优。
第2章计算机系统概述PPT课件
2.2.9.其它外部设备
• 声卡： 声卡是每台多媒体计算机所必备的部件。
• 网卡： 使计算机与计算机之间能够进行通讯、共享信息
资源 • 调制解调器（Modem）：
使用电话线拨号上网，必需要有调制解调器 • 解压卡：
图像信息处理必须使用压缩/解压缩技术。
2.2.8主机箱与系统外观
主机箱是封装主机板、电源、光盘驱动器、硬盘驱动 器等部件的外壳。
• 5.外部接口：硬盘接口 /COM串行接口 /LPT并行 接口 /SATA接口 /USB接口 /其它外部接口
PS/2鼠标接口
PS/2键盘接口
USB接口
串口
显示器接口
总线结构
总线结构是计算机系统的动脉。提供了一种多用途的、 公用的通讯通道，只要总线相同，主板插件就可通用。 • 地址总线, 也称AB（Address Bus）总线 • 数据总线，也称DB（Data、Bus）总线 • 控制总线，也称CB（Control Bus）总线
2.2.3主板
主板又称为主机板(main board)、系统板(system board)或 母板(mother board)，是微机最基本的也是最重要的部件 之一。
主版上的主要构件
• 1.芯片组 • 2.CPU插座
• 3. CMOS
• 4.扩展插槽 ：内存插槽 /PCI插槽 /AGP图形加速 卡插槽 /PCI Express插槽
1. DRAM动态内存 2. SRAM静态内存 3.高速缓冲存储器
2.2.5 外存储器
1. 常用的外存设备有磁盘、磁带、光盘等。无论是使用磁盘 ，还是磁带或光盘.
2. 光盘的优点是存储量大， 一般的CD光盘650MB，最大容量~700MB，单面DVD光 盘4.7GB，刻录数据最多~4.38G， 双面DVD光盘8.5GB，刻录数据最多~8.2GB， BD（Blue Disk）蓝光光盘容量相对较大，比如 HD DVD单面单层光盘容量为15GB、双层双面光盘容 量为30GB； BD单面单层光盘容量为25GB、双面光盘容量为50GB 。
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计算机硬件性能继续呈数量级提高，CPU速度与 I/O速度不匹配的矛盾日益突出
只有让多道程序同时进入内存争抢CPU运行可以 够使得CPU和外围设备充分并行，从而提高计算 机系统的使用效率
Multi-programming
单道算题工作
时间 输入机 处理器 磁带机
78 130150
228 280300
带 来了革命性的变化：
实现了计算机操作过程的自动化 资源管理水平有了很大提高 提供虚存管理功能 支持批处理操作与分时操作 文件管理功能有改进，数据库系统出现 多道程序设计趋于完善
分时操作与分时操作系统
多个联机用户通过终端(键盘/显示器)基于多道程 序设计同时直接使用一台计算机进行独立计算
计算机硬件的性能进展
摩尔定律
1.1.1 第一代计算机—手工操作阶段
1946年，世界上第一台电子数字计算机 ENIAC由美国宾夕法尼亚大学莫尔电工 学 院制造，用于计算弹道
电子管计算机 无操作系统，串行执行程序 操作方式：开关表示，按钮控制，亮灯显示
计算机的手工操作方式
开关表示，按钮控制，亮灯显示
通过程序来控制内存中多道程序的执行在 理 论上是可行的
调度程序：引入调度功能 程序切换和中断：占有CPU运行的程序可以被打
断，且在以后适当时候能够被恢复运行 资源分配与保护
效率是导致管理程序不能全自动控制计算 机 系统运行的根本原因
磁盘的出现：操作系统出现的基础
操形成给资源管理和操作自动化
引入汇编语言后的计算机控制
汇编过程和程序执行
汇编程序
汇编语言程序
计算机
目标代码
数据
计算机
目标代码 运行结果
1.1.2 第二代计算机—简单批处理阶段
第二代计算机，晶体管技术的出现 1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台 晶体管计算机TRADIC，装有800个晶体管 1956年，肖克莱、巴丁、布拉顿三人，因 发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖
开关置内存地址，按’装入地址’按钮 开关置机器指令，按’装入数据’按钮
开关置程序始址，按’运行’按钮
装入程序的引进
装入程序(Loader) 自动化执行程序装入，必要时进行地址转换 通常存放在ROM中
机器 语言 程序
装入 程序
内存 储器
IO Routine的出现
在每一种外围设备上进行输入输出时涉及一 系列繁琐细节，但每次的输入输出程序有很 大共性
多道程序设计及特点
多道程序设计是指让多个程序同时进入计算 机的主存储器进行计算
多道程序设计的特点
CPU与外部设备充分并行 外部设备之间充分并行 发挥CPU的使用效率 提高单位时间的算题量
多道程序系统的实现
处理器的管理和调度 主存储器的管理和调度 其他资源的管理和调度
多道程序系统的实现要点
)本地外存储器 (本地硬盘)
L7:
远程外存储器 (分布式文件系统、Web服务器)
主存储器的Cache
1.2.4 外围设备
设备类型
字符型设备 块存储设备 网络设备
设备控制方式
轮询方式(程序直接控制方式) 中断驱动方式 DMA方式 通道方式
1.2.5 计算机软件
系统软件
操作系统 语言处理程序
计算机硬件历经大规模集成电路、超大规模 集 成电路、特大规模集成电路，按照摩尔定 律快 速发展
从1980年代开始，计算机与操作系统向微型化、 并行化、网络化、嵌入式、移动化方向发展
1.2 计算机系统的组成
1.2.1 计算机体系结构与总线 1.2.2 处理器 1.2.3 存储器 1.2.4 外围设备 1.2.5 计算机软件
现中的重要作用 用工程师的立场来看待操作系统的实现 理解文化在操作系统实现中的重要作用
本主题教学目标
1. 了解计算机硬件与操作技术的发展 2. 掌握多道程序设计的概念 3. 掌握计算机系统的组成 4. 了解计算机体系结构与计算机总线、处理
器、存储器、I/O设备以及I/O控制方式 5. 掌握计算机系统的层次结构
如何使用资源：调用操作系统提供的服务例程(如何 陷入操作系统)
如何复用CPU：调度程序(在CPU空闲时让其他程 序 运行)
如何使CPU与I/O设备充分并行：通道(一种独立控制 设备进行I/O的专用处理器)
如何让正在运行的程序让出CPU：中断(中断正在执 行的程序，让操作系统处理突发事件)
1.1.4 操作系统的形成
管理程序
Interrupt Processing
Device Drivers
Job Sequencing Control Language Interpreter
成批执行作业 Monitor 控制程序执行
程序运行完毕后返回 管理程序
Boundary
User Program
Area
管理程序常驻内存
输入输出例程：处理输入输出的通用子程序， 用于屏蔽输入输出细节，方便应用程序设计 者使用
驻留内存：独立于应用程序的内存区
汇编语言的出现
汇编语言：机器语言的符号化 汇编语言源程序：汇编语句的序列 汇编程序：第一个出现的计算机系统软件，
用于把汇编语言源程序汇编成目标代码程序
高级语言编译器出现：FORTRAN/COBOL 库程序与Linker的出现
在微观上，掌握设计实现各个操作系统 模块的方法、策略与算法
在宏观上，掌握操作系统的结构和设计 实现方法，进一步了解大型软件系统的 结构和设计实现方法
掌握并发程序设计的基本方法
操作系统课程的教学原则
用系统的观点、全局的观点、整体的观点来 看待操作系统的实现
理解软硬件协同解决问题的方法 理解分而治之、分层实现在复杂软件系统实
Certain instructions are designated privileged and can be executed only by the monitor
interrupts
1.1.3多道程序设计
1958年，美国德州仪器发明集成电路(IC)，将三 种电子元件集成到一片小小的硅片上，更多的元 件集成到单一的半导体芯片上，计算机变得更小 ，功耗更低，速度更快
Multi-programming …
甲、乙两道程序 独占计算机单道运行时均需1小时，其中占用CPU
时间18分钟，CPU利用率为30％ 按多道程序设计方法同时运行，CPU利用率
达 50%，由于要提供36分钟的CPU时间，大约要运 行72分钟。考虑到OS调度开销，实际花费的时间 可能还要长些，如80分钟 就处理两道作业而言，提高效率33％ 就单道作业而言，延长执行时间20分钟，即延长
容量更大、 速度更慢、 价格更低 (单位字节)
Cache: 高速缓存
L0: 寄存器
SRAM: 静态随机存储器
L1: L1 Cache (SRAM)
DRAM: 动态随机存储器
L2:
L2 Cache (SRAM)
L3:
L3 Cache (SRAM)
L4:
主存
(DRAM)
L5:
SSD (本地固态硬盘
L6:
第一讲 计算机系统概述
1.1计算机硬件与操作技术的发 展 1.2计算机系统的组成 1.3计算机系统的层次结构
6
1.1 计算机硬件与操作技术的发展
1.1.1 第一代计算机与手工操作阶段 1.1.2 第二代计算机与简单批处理阶 段 1.1.3 多道程序设计 1.1.4 第三代计算机与操作系统 1.1.5 计算机硬件与操作系统的新进 展
378 430450
处理器利用率：52/(78+52+20)≈35%
Multi-programming …
两道程序同时工作
时间 输入机 处理器 磁带机 磁带机 打印机
20 6278
130150170
228 280300320
378 430450
处理器利用率： (52+42)/(78+52+20)≈63%
处理器性能呈数量级提高 手工操作的低效率问题日益突出
简单批处理系统
脱机批处理系统 第一代计算机从纸带或卡片机成批输入 作业到磁带 第二代计算机从磁带成批的执行作业， 并把输出结果保存到磁带 第一代计算机成批的输出作业结果到打 印机
联机批处理系统
简单批处理系统的操作特征
成批控制程序的执行与输入输出 作业控制语言、作业控制卡、作业说明书 操作员与程序员的分离 资源管理程序和磁带文件系统的引入
汇编程序、编译程序，解释程序 数据库管理系统与专用文件系统 支撑软件
Linker，Debuger，Editor，…
应用软件
1.3 计算机系统的层次结构
计算机系统视图
应用 语言处理 操作系统
硬件
用户的视图 应用程序员的视图 编译程序设计者的视图 操作系统设计者的视图
程序员的视图
程序员
机扩 数 高 器展 据 级 指机 库 语 令器 语 言
计算机系统的组成
计算机硬件 处理器 内存储器 外围设备：输入设备、输出设备、存储 设备、网络设备
计算机软件 系统软件：操作系统、语言处理程序、 数据库管理系统、支撑软件
应用软件
1.2.1 计算机体系结构与总线
主流结构：冯·诺依曼结构
控制器
数据 程序
输入设备
存储器
输出设备
计算 结果
计算机程序的执行过程
高级语言源程序
高级语言源程序
汇编语言源程序
转换程序
编译程序 解释程序
汇编程序
连接程序 可执行程序
目标代码程序
装入程序 内存执行程序 操 文件系统 作 设备管理 系 内存管理 统 进程管理
数据库管 理系统
指言 令
工具软件 语言处理程序
只有让多道程序同时进入内存争抢CPU运行可以 够使得CPU和外围设备充分并行，从而提高计算 机系统的使用效率
Multi-programming
单道算题工作
时间 输入机 处理器 磁带机
78 130150
228 280300
带 来了革命性的变化：
实现了计算机操作过程的自动化 资源管理水平有了很大提高 提供虚存管理功能 支持批处理操作与分时操作 文件管理功能有改进，数据库系统出现 多道程序设计趋于完善
分时操作与分时操作系统
多个联机用户通过终端(键盘/显示器)基于多道程 序设计同时直接使用一台计算机进行独立计算
计算机硬件的性能进展
摩尔定律
1.1.1 第一代计算机—手工操作阶段
1946年，世界上第一台电子数字计算机 ENIAC由美国宾夕法尼亚大学莫尔电工 学 院制造，用于计算弹道
电子管计算机 无操作系统，串行执行程序 操作方式：开关表示，按钮控制，亮灯显示
计算机的手工操作方式
开关表示，按钮控制，亮灯显示
通过程序来控制内存中多道程序的执行在 理 论上是可行的
调度程序：引入调度功能 程序切换和中断：占有CPU运行的程序可以被打
断，且在以后适当时候能够被恢复运行 资源分配与保护
效率是导致管理程序不能全自动控制计算 机 系统运行的根本原因
磁盘的出现：操作系统出现的基础
操形成给资源管理和操作自动化
引入汇编语言后的计算机控制
汇编过程和程序执行
汇编程序
汇编语言程序
计算机
目标代码
数据
计算机
目标代码 运行结果
1.1.2 第二代计算机—简单批处理阶段
第二代计算机，晶体管技术的出现 1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台 晶体管计算机TRADIC，装有800个晶体管 1956年，肖克莱、巴丁、布拉顿三人，因 发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖
开关置内存地址，按’装入地址’按钮 开关置机器指令，按’装入数据’按钮
开关置程序始址，按’运行’按钮
装入程序的引进
装入程序(Loader) 自动化执行程序装入，必要时进行地址转换 通常存放在ROM中
机器 语言 程序
装入 程序
内存 储器
IO Routine的出现
在每一种外围设备上进行输入输出时涉及一 系列繁琐细节，但每次的输入输出程序有很 大共性
多道程序设计及特点
多道程序设计是指让多个程序同时进入计算 机的主存储器进行计算
多道程序设计的特点
CPU与外部设备充分并行 外部设备之间充分并行 发挥CPU的使用效率 提高单位时间的算题量
多道程序系统的实现
处理器的管理和调度 主存储器的管理和调度 其他资源的管理和调度
多道程序系统的实现要点
)本地外存储器 (本地硬盘)
L7:
远程外存储器 (分布式文件系统、Web服务器)
主存储器的Cache
1.2.4 外围设备
设备类型
字符型设备 块存储设备 网络设备
设备控制方式
轮询方式(程序直接控制方式) 中断驱动方式 DMA方式 通道方式
1.2.5 计算机软件
系统软件
操作系统 语言处理程序
计算机硬件历经大规模集成电路、超大规模 集 成电路、特大规模集成电路，按照摩尔定 律快 速发展
从1980年代开始，计算机与操作系统向微型化、 并行化、网络化、嵌入式、移动化方向发展
1.2 计算机系统的组成
1.2.1 计算机体系结构与总线 1.2.2 处理器 1.2.3 存储器 1.2.4 外围设备 1.2.5 计算机软件
现中的重要作用 用工程师的立场来看待操作系统的实现 理解文化在操作系统实现中的重要作用
本主题教学目标
1. 了解计算机硬件与操作技术的发展 2. 掌握多道程序设计的概念 3. 掌握计算机系统的组成 4. 了解计算机体系结构与计算机总线、处理
器、存储器、I/O设备以及I/O控制方式 5. 掌握计算机系统的层次结构
如何使用资源：调用操作系统提供的服务例程(如何 陷入操作系统)
如何复用CPU：调度程序(在CPU空闲时让其他程 序 运行)
如何使CPU与I/O设备充分并行：通道(一种独立控制 设备进行I/O的专用处理器)
如何让正在运行的程序让出CPU：中断(中断正在执 行的程序，让操作系统处理突发事件)
1.1.4 操作系统的形成
管理程序
Interrupt Processing
Device Drivers
Job Sequencing Control Language Interpreter
成批执行作业 Monitor 控制程序执行
程序运行完毕后返回 管理程序
Boundary
User Program
Area
管理程序常驻内存
输入输出例程：处理输入输出的通用子程序， 用于屏蔽输入输出细节，方便应用程序设计 者使用
驻留内存：独立于应用程序的内存区
汇编语言的出现
汇编语言：机器语言的符号化 汇编语言源程序：汇编语句的序列 汇编程序：第一个出现的计算机系统软件，
用于把汇编语言源程序汇编成目标代码程序
高级语言编译器出现：FORTRAN/COBOL 库程序与Linker的出现
在微观上，掌握设计实现各个操作系统 模块的方法、策略与算法
在宏观上，掌握操作系统的结构和设计 实现方法，进一步了解大型软件系统的 结构和设计实现方法
掌握并发程序设计的基本方法
操作系统课程的教学原则
用系统的观点、全局的观点、整体的观点来 看待操作系统的实现
理解软硬件协同解决问题的方法 理解分而治之、分层实现在复杂软件系统实
Certain instructions are designated privileged and can be executed only by the monitor
interrupts
1.1.3多道程序设计
1958年，美国德州仪器发明集成电路(IC)，将三 种电子元件集成到一片小小的硅片上，更多的元 件集成到单一的半导体芯片上，计算机变得更小 ，功耗更低，速度更快
Multi-programming …
甲、乙两道程序 独占计算机单道运行时均需1小时，其中占用CPU
时间18分钟，CPU利用率为30％ 按多道程序设计方法同时运行，CPU利用率
达 50%，由于要提供36分钟的CPU时间，大约要运 行72分钟。考虑到OS调度开销，实际花费的时间 可能还要长些，如80分钟 就处理两道作业而言，提高效率33％ 就单道作业而言，延长执行时间20分钟，即延长
容量更大、 速度更慢、 价格更低 (单位字节)
Cache: 高速缓存
L0: 寄存器
SRAM: 静态随机存储器
L1: L1 Cache (SRAM)
DRAM: 动态随机存储器
L2:
L2 Cache (SRAM)
L3:
L3 Cache (SRAM)
L4:
主存
(DRAM)
L5:
SSD (本地固态硬盘
L6:
第一讲 计算机系统概述
1.1计算机硬件与操作技术的发 展 1.2计算机系统的组成 1.3计算机系统的层次结构
6
1.1 计算机硬件与操作技术的发展
1.1.1 第一代计算机与手工操作阶段 1.1.2 第二代计算机与简单批处理阶 段 1.1.3 多道程序设计 1.1.4 第三代计算机与操作系统 1.1.5 计算机硬件与操作系统的新进 展
378 430450
处理器利用率：52/(78+52+20)≈35%
Multi-programming …
两道程序同时工作
时间 输入机 处理器 磁带机 磁带机 打印机
20 6278
130150170
228 280300320
378 430450
处理器利用率： (52+42)/(78+52+20)≈63%
处理器性能呈数量级提高 手工操作的低效率问题日益突出
简单批处理系统
脱机批处理系统 第一代计算机从纸带或卡片机成批输入 作业到磁带 第二代计算机从磁带成批的执行作业， 并把输出结果保存到磁带 第一代计算机成批的输出作业结果到打 印机
联机批处理系统
简单批处理系统的操作特征
成批控制程序的执行与输入输出 作业控制语言、作业控制卡、作业说明书 操作员与程序员的分离 资源管理程序和磁带文件系统的引入
汇编程序、编译程序，解释程序 数据库管理系统与专用文件系统 支撑软件
Linker，Debuger，Editor，…
应用软件
1.3 计算机系统的层次结构
计算机系统视图
应用 语言处理 操作系统
硬件
用户的视图 应用程序员的视图 编译程序设计者的视图 操作系统设计者的视图
程序员的视图
程序员
机扩 数 高 器展 据 级 指机 库 语 令器 语 言
计算机系统的组成
计算机硬件 处理器 内存储器 外围设备：输入设备、输出设备、存储 设备、网络设备
计算机软件 系统软件：操作系统、语言处理程序、 数据库管理系统、支撑软件
应用软件
1.2.1 计算机体系结构与总线
主流结构：冯·诺依曼结构
控制器
数据 程序
输入设备
存储器
输出设备
计算 结果
计算机程序的执行过程
高级语言源程序
高级语言源程序
汇编语言源程序
转换程序
编译程序 解释程序
汇编程序
连接程序 可执行程序
目标代码程序
装入程序 内存执行程序 操 文件系统 作 设备管理 系 内存管理 统 进程管理
数据库管 理系统
指言 令
工具软件 语言处理程序