第1章 计算机系统概论.ppt

第1章 计算机系统概论*2目录1.0 预备知识1.1 计算机的分类1.2 计算机的发展简史1.3 计算机的硬件1.4 计算机的软件1.5 计算机系统的层次结构*31.0 预备知识l问题1：一台计算机一般有哪几部分组成？¡显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等； ¡主机箱中有：主板、CPU、光驱、硬盘、内存、显卡、声卡等； l问题2：如何对以上设备分类？¡输入输出设备¡中央处理设备¡存储设备¡接口转换卡¡部件连接线 l问题3：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？¡一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两部分显示器，键盘，鼠标，音箱CPU（集处理和控制于一身）光驱、硬盘、内存显卡、声卡主板上的印制总线、部件连接总线*4*5*6*7*8DDR内存条SDRAM内存条*9硬盘*10硬盘数据线*11DVD光驱*12机内电源插头*13*141.1 计算机的分类数字计算机模拟计算机专用计算机通用计算机处理数字量信息按位运算，不连续地跳动计算处理模拟量信息数值连续、运算过程连续是针对某一任务设计的最有效 、最经济和最快速的计算机， 但适应性很差适应性很大，但 是牺牲了效率、 速度和经济性。

单片机微型机中型机大型机超级计算机低高体积功能数据存储量指令系统价格低高简易性分类如P2 图1.1小型机*151.2 计算机的发展简史超大规模集成电路中小规模 集成电路晶体管电子管1972~1990年1946~1957年，第一代计算机1965~1971年1958~1964年 第二代计算机巨大规模 集成电路1991年~至今摩尔定律1.2.1 计算机的五代变化*16第一代计算机l第一代计算机(1945年－1958年)¡采用电子管l代表机型：ENIAC¡1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制；¡主要是为了解决美陆军提出的弹道计算 问题 ；¡花费40万美元；¡1955年10月2日最后切断电源17ENIAC*18第二代计算机(1958－1964)晶体管*19*20摩尔定律Ø 1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（Gordon Moore）在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半这就是著名的摩尔定律Ø 作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被 集成电路40多年的发展历史准确无误地验证着Ø 摩尔定律有另外一种表述方法，即每过10年计算机系统性能将会增加100倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费的资金不会增加。

211.2.2 半导体存储器的发展l20世纪50~60年代，磁芯存储器¡价格昂贵，体积大，破坏性读出l1970年，半导体存储器¡价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写l1974年之后，半导体存储器¡价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快l有关存储器的介绍详见第3章*221.2.3 微处理器的发展l20世纪70年代的处理器¡4004  8008  8080  8086  8088l20世纪80年代的处理器¡80286  386TM DX  386TM SX  486TM DX l20世纪90年代的处理器¡486TM SX  Pentium  Pentium Pro  Pentium II  Pentium Ⅲ l最近10年的处理器¡Pentium 4  Itanium  Itanium 2  ……*23DIP封装PGA封装*24*25*26双核CPU三核CPU*271.2.4 计算机的性能指标（1/3）l吞吐量¡表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量l响应时间¡从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示l利用率¡在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分 比表示。

l处理机字长（机器字长）¡处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位；¡机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性281.2.4 计算机的性能指标（2/3）l总线宽度¡ 一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度u注意课本上的表述错误！l主存储器容量¡ 主存储器所能存储二进制数据的位数u或者说“主存储器中所有存储元的总数目而非“存储单元”！l主存储器带宽¡ 单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示l主频/时钟周期¡ CPU主时钟的频率——主频；其倒数为CPU的时钟周期(T周期)291.2.4 计算机的性能指标（3/3）lCPU执行时间：CPU执行一般程序所占用的CPU时间； ¡CPU执行时间 ＝ 程序的总时钟周期数 × CPU时钟周期 lCPI（Cycle Per Instruction） ¡执行一条指令所需的平均时钟周期数； 平均CPI=某程序总的CPU时钟周期数 / 该程序包含的指令条数 lMIPS（Million Instructions executed Per Second） ¡每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数； MIPS = 指令数 / 程序执行时间 lFLOPS（Floating-point Operations Per Second） ¡每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。

l其他的性能指标 ¡主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性……课本P5 例1lIN——某程序中的指令总数；NC —— 该程序所包含总的CPU时钟周期数；tCPU——该程序所需的CPU时间；T ——时钟周期，f ——时钟频率，T与f互为倒数① ② ③ ④ *30注意课本上的 书写错误106=1M课本P5 例2 用一台50MHz处理机执行标准测试程序，它包 含的混合指令数和相应所需的平均时钟周期数 如下表所示：求有效CPI、MIPS、处理机程序执行时间tCPU指令类型指令数目平均时钟周期数 整数运算450001 数据传送320002 浮点运算150002 控制传送80002*31课本P5 例2【解答】*322012年考研统考题目 第12题l假定基准程序A在某计算机上的运行时间为100秒，其中90秒为 CPU时间，其余为I/O时间若CPU速度提高50%，I/O速度不变 ，则运行基准程序A所消耗的时间是（ ）A. 55秒 B. 60秒 C. 65秒 D 70秒l【解答】l假设提高速度后CPU消耗的时间为X秒，之前CPU的速度为v， 则提高后为1.5v；lCPU执行的指令条数不变，所以有 90*V=X*1.5V，则 X=60，再 加上I/O时间，共70秒*33D2012年考研统考题目 第43题l假定某计算机的CPU主频为80MHz，CPI为4，……l（1）该计算机的MIPS数是多少？¡主频——每秒钟的时钟周期数；¡CPI——每条指令的时钟周期数；¡MIPS——每秒钟可执行的指令条数；MIPS=主频 / CPI = 20 *342013年考研统考题目 第12题指令类型指令数目平均时钟周期数 A50%2 B20%3 C10%4 D20%5*35某计算机主频为1.2GHz，其指令分为4类，它们在基准程序中所 占比例及CPI如上表所示，则该机的MIPS数是（ ）A、100 B、200 C、400 D、600C2013年考研统考题目 第43题l某32位计算机，CPU主频为80MHz，……，总线时钟频率为200MHz，……。

l（1）CPU和总线时钟周期各为多少？（各1分）¡CPU时钟周期为：1 / 80MHz = 1.25 ns¡总线时钟周期为：1 / 200MHz = 5 ns*36*371.3 计算机的硬件1.3.1 硬件的组成要素¡ 使用计算器计算y=ax+b-c¡ 已知a=123，b=234，c=345，x=456¡ 解题步骤：①获取数据a和数据x；②输入计算器，得出结果；③继续获取数据b，送入计算器；④得到结果，继续获取数据c；⑤送入计算器，获得结果；⑥在纸上记录结果；l纸¡相当于 存储器；¡保存源数据和结果数据；l计算器¡相当于 运算器；¡运算、暂存中间结果；l笔和手¡相当于 输入/输出设备；¡将数据的输入/输出；l人¡相当于 控制器；¡协调整个计算过程；*38冯·诺依曼计算机的特点1. 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设 备和输出设备五个部分组成； 2. 存储器以二进制形式存储指令和数据；3. 指令由操作码和地址码组成；4. 计算机能够存储程序并按地址顺序执行；○ 冯·诺依曼体系结构的核心设计思想，机器自动化工作的关键；5. 以运算器为中心39冯·诺依曼机与现代微机冯·诺依曼机结构输入设备存储器输出设备运算器控制器输入设备控制器输出设备存储器运算器现代微机结构*40现代计算机的特点1. 将运算器、控制器和片内高速缓存，统称为CPU ；而将CPU、主存储器、输入/输出接口和系统总线统称为主机；其余的设备均为外设。

○主机内仅包含主存储器，即内存；○硬盘、光盘等辅助存储器属于I/O设备；2. 以存储器为中心○减轻CPU的数据传送负担，提高系统的整体性能；*411.3.2 运算器l功能：处理所有的算术及逻辑运算¡通常称为ALU(算术逻辑单元)l特点：¡采用二进制数据进行运算；¡运算器一次可以处理的数据 位数称为机器字长；¡机器字长一般为8、16、32、 64位，机器字长直接决定着运算的精度和能力；¡运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成l运算器结构示意图演示*421.3.3 存储器（1/2）l功能：保存所有的程序和数据l特点：¡二进制形式保存程序和数据；¡存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址；l相关的概念¡存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件；¡存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；¡单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号；¡存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量l注意：不同系统中的存储器组织方式并不一定相同；*431.3.3 存储器（2/2）l存储器的分类：¡外存（辅助存储器）u磁盘存储器、光盘存储器；uCPU不可直接访问；¡内存（主存储器）u半导体存储器；uCPU直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。

l两个与主存相关的寄存器¡MAR(存储器地址寄存器)：接收由CPU送来的地址信息；¡MDR(存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路存储器地址寄存器 MAR主存储器存储器数据寄存器 MDR*441.3.4 控制器l功能 ¡根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调 计算机各个部件的工作 l主要任务： ¡解释并执行指令； ¡控制指令的执行顺序； ¡负责指令执行过程中，操作数的寻址； ¡根据指令的执行，协调相关部件的工作u如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置 l指令的形式 ¡操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等； ¡地址码：指出进行以上操作的数据存放位置451.3.4 控制器（续）l控制器工作的周期¡取指周期：取指令的一段时间¡执行周期：执行指令的一段时间l指令按顺序执行的控制部件：指令计数器¡每取出一条指令，指令计数器就加1；¡遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；l相关概念¡数据字：该字代表要处理的数据；¡指令字：该字为一条指令；¡指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；¡数据流：执行周期中，从内存读出的信息流控制器功能示意图演示*461.3.5 适配器与输入输出设备l输入设备¡将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二 进制信息形式的设备。

l输出设备¡把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信 息形式的设备l适配器¡保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息l系统总线¡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47假定机器字长8位，主存容量24×8 bi。