第一章计算机系统概述.ppt

主讲教师：毛艳艳主讲教师：毛艳艳计算机组成原理E-mail: maoyanyan_ccec@ 本课程在计算机专业的地位数字逻辑数字逻辑C C语言程序设计语言程序设计计算机组成计算机组成原理原理数据结构数据结构操作系统操作系统数据库原理及应用数据库原理及应用软件工程软件工程微机接口技术微机接口技术计算机网络计算机网络计算机系统结构计算机系统结构计算机组成原理在计算机专业教学中计算机组成原理在计算机专业教学中处于核心位置处于核心位置2教材教材Ø《《计算机组成与结构计算机组成与结构》》（第四版）（第四版） 王爱英主编王爱英主编 清华大学出版社清华大学出版社3参考书参考书Ø《《计算机组成原理计算机组成原理》》白中英白中英 科学出版社科学出版社Ø《《计算机组成原理计算机组成原理》》唐朔飞唐朔飞 高等教育出版社高等教育出版社4学习方法学习方法Ø 课堂教学课堂教学:从学会从学会 会学会学,学思路学思路.Ø 认真做习题认真做习题(含实验含实验):会做会做.Ø 找参考资料找参考资料:会找会找,会看会看.Ø 密切注意计算机发展动态密切注意计算机发展动态:多听多听,多看多看5第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述Ø 1.1 计算机的语言计算机的语言Ø 1.2 计算机的硬件计算机的硬件Ø 1.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构Ø 1.4 电子计算机的发展简史电子计算机的发展简史Ø 1.5 计算机的应用计算机的应用 Ø 1.6 计算机网络计算机网络 61.1 计算机的语言计算机的语言Ø自然语言：人类相互交流信息所用的语言自然语言：人类相互交流信息所用的语言Ø高级语言：当前计算机不具备理解自然语言的高级语言：当前计算机不具备理解自然语言的能力，人们找到一种和自然语言接近并能为能力，人们找到一种和自然语言接近并能为计算机接受的语言。

计算机接受的语言Ø机机器器语语言言：：( (由由二二进进制制代代码码表表示示的的指指令令组组成成) )目目前前的的通通用用计计算算机机不不会会直直接接执执行行高高级级语语言言程程序序，，要要先先将将其其翻翻译译成成机机器器能能执执行行的的语语言言，，这这种种语语言被称为机器语言言被称为机器语言 Ø汇编语言：符号式程序设计语言汇编语言：符号式程序设计语言7计算机软件的组成计算机软件的组成Ø没有配备任何软件的没有配备任何软件的“裸机裸机”无法投入无法投入使用，没有配备足够的软件，其功能就使用，没有配备足够的软件，其功能就不能很好的发挥不能很好的发挥Ø计算机软件的分类如下：计算机软件的分类如下： 8软件组成软件组成系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统或管理软件操作系统或管理软件汇编程序汇编程序 高级语言的编译或解释程序高级语言的编译或解释程序故障诊断或检验程序故障诊断或检验程序系统调试程序系统调试程序 数据库管理程序数据库管理程序 使用者根据需要采用各类语言使用者根据需要采用各类语言编写的各种应用程序，包括各编写的各种应用程序，包括各类应用软件包类应用软件包计算机软件的分类计算机软件的分类9小常识：小常识：Ø指令分为两部分：指令分为两部分：操作码操作码 地址地址码码Ø算数逻辑运算指令：算数逻辑运算指令：例如：加减乘除法指令，传送指令等例如：加减乘除法指令，传送指令等10 1.2 计算机的硬件计算机的硬件Ø组成计算机的基本部件有组成计算机的基本部件有 中央处理器中央处理器CPU（运算器和控制器）（运算器和控制器）、、存储器存储器和和输入设备输入设备、、输出设备输出设备。

Ø计算机硬件组成结构如下图：计算机硬件组成结构如下图：11计算机硬件组成计算机硬件组成运算器运算器控制器控制器存储器存储器输入设备输入设备输出设备输出设备地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线实际机器实际机器12Ø中中央央处处理理器器又又叫叫CPUCPU，，早早期期的的计计算算机机中中分分成成运运算算器器和和控控制制器器两两部部分分，，由由于于电电路路集集成成度度的的提高，现在已把它们集成在一个芯片中提高，现在已把它们集成在一个芯片中计算机的硬件介绍计算机的硬件介绍Ø存存储储器器用用来来存存放放程程序序和和数数据据，，是是计计算算机机各各种种信信息息的的存存储储和和交交流流中中心心存存储储器器可可与与CPUCPU、、输输入入输输出出设设备备交交换换信信息息，，起起存存储储、、缓缓冲冲、、传传递信息的作用递信息的作用13计算机的硬件介绍计算机的硬件介绍Ø输输入入设设备备用用来来输输入入原原始始数数据据和和处处理理这这些些数数据据的的程程序序、、输输入入的的信信息息有有数数字字符符、、字字母母和和控控制制符等Ø输输出出设设备备用用来来输输出出计计算算机机的的处处理理结结果果。

可可以以是数字、字母、表格、图形等是数字、字母、表格、图形等. .141.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构Ø实际机器的物理基础什么？实际机器的物理基础什么？ 数字集成电路数字集成电路………只能直接识别二进制代码只能直接识别二进制代码( (高低电平高低电平信号、机器代码信号、机器代码) )，使用不便使用不便Ø实际机器的有那些特点？实际机器的有那些特点？151.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构用户用高级语言编写用户用高级语言编写程序，连同数据一起程序，连同数据一起送入计算机送入计算机( (用户程序用户程序一般称为源程序一般称为源程序) )，然，然后由计算机将其翻译后由计算机将其翻译成机器语言程序成机器语言程序( (称为称为目标程序目标程序) )，在计算机，在计算机上运行后输出结果上运行后输出结果 计算机的解题过程计算机的解题过程 16高级语言虚拟机器的层次结构17翻译程序翻译程序Ø翻译程序有翻译程序有编译程序编译程序和和解释程序解释程序两种Ø编译程序编译程序是将源程序中是将源程序中全部语句全部语句翻译成机器翻译成机器语言，再执行机器语言假如一个题目需要语言，再执行机器语言。

假如一个题目需要重复计算几遍，那么一旦翻译以后，只要源重复计算几遍，那么一旦翻译以后，只要源程序不变，不需再次进行翻译程序不变，不需再次进行翻译Ø解释程序解释程序是将源程序的是将源程序的一条语句一条语句翻译成机器翻译成机器语言以后立即执行它，然后再翻译执行下一语言以后立即执行它，然后再翻译执行下一条语句特点是翻译一次只能执行一次，效条语句特点是翻译一次只能执行一次，效率较低18实际机器M1(机器语言机器)虚拟机器2（高级语言机器）虚拟机器M3(汇编语言或中间语言机器)虚拟机器M4(高级语言机器)虚拟机器M2(操作系统语言机器)由由硬件或硬件或微程序解释执行机器语言微程序解释执行机器语言一般用机器语言解释操作系统语言一般用机器语言解释操作系统语言由编译程序翻译成机器语言程序由编译程序翻译成机器语言程序或操作系统语言或操作系统语言高级语言程序经编译程序翻译成高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言或中间语言程序汇编语言或中间语言程序计算机系统的多级层次结构19 计算机的产生计算机的产生ü1642年，年仅19岁的法国科学家Blaise Pascal(1623-1662)制造出的第一台能工作的计算机器。

整台机器是纯机械设备，使用手柄驱动，用齿轮传动，能完成加法和减法程序设计语言Pascal就是以他的名字命名的 ü1945年, 美国数学家冯.诺依曼博士发表《电子计算工具逻辑设计》论文，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想 1.4 电子计算机的发展简史电子计算机的发展简史20计算机的产生计算机的产生ü1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC重28吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每秒5000次加法ü1948年，贝尔实验室的John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley发明了晶体管，他们也因此获得了1956年的诺贝尔物理奖1953年，麻省理工学院林肯实验室成功研制了第一台晶体管计算机TX-0ü我国在1959年研制成功第一台数字计算机，第一台晶体管数字计算机于1965年完成21 • 介绍：介绍： • 不足：不足： 存储容量小存储容量小 20 20个字长个字长1010位位 非自动非自动 采用线路连接来编程采用线路连接来编程•冯冯. .诺依曼诺依曼在此基础上提出了现代计算机的模型在此基础上提出了现代计算机的模型第一台计算机 ENIAC5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170m218800只电子管只电子管1500个继电器个继电器功率功率150KW22Ø计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五部分组成。

Ø采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改Ø数据以二进制码表示Ø指令由操作码和地址码组成Ø指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在单元地址，一般按顺序替增Ø机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器冯.诺依曼机的基本特点:23算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行冯冯··诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备24电子计算机的发展简史Ø第一代第一代 电子管时代电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言Ø第二代第二代 晶体管时代晶体管时代(1958-1965) 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言Ø第三代第三代 中小规模集成电路时代中小规模集成电路时代(1965-1970) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒秒Ø第四代第四代 大规模集成电路时代大规模集成电路时代(1971至今至今) 向大型机和微型机两个方向发展向大型机和微型机两个方向发展Ø现代计算机发展方向现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 根据摩尔定律集成电路大体上每根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番个月翻一番25计算机的六大分类计算机的六大分类Ø巨型机巨型机—世界几家公司生产，最快世界几家公司生产，最快1.4万亿次，万亿次，9千个千个CPU组组成。

成Ø小巨型机小巨型机—功能同巨型机相近，价格相对便宜功能同巨型机相近，价格相对便宜Ø大型机大型机—大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调度主机资源，代表产品有调度主机资源，代表产品有IBM360，，370等Ø小型机小型机—可满足部门性的需求，供小型企事业单位使用可满足部门性的需求，供小型企事业单位使用Ø工作站工作站—用于特殊的专业领域，如图象处理和辅助设计用于特殊的专业领域，如图象处理和辅助设计Ø微型机微型机—个人或家庭使用，价格低廉个人或家庭使用，价格低廉26世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机1. IBM: Seaborg6080个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.304 TF 272. IBM: ASCI White8192个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.304 TF 世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机283. Linux NetworX : MCR Linux Cluster 2304个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.634 TF 世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机294. HP : ASCI Q4096个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 13.88 TF世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机305.NEC: Earth Simulator5120个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 35.86 TF 世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机311.5 1.5 计算机的应用领域计算机的应用领域Ø科学研究计算 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算Ø过程控制 机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制Ø辅助设计/分析/制造/教学 机械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAIØ数据处理 数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化Ø智能模拟 人工智能、专家系统、自学习321.6 计算机网络计算机网络 Ø1.6.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识Ø1.6.2 局域网局域网Ø1.6.3 广域网和网络协议广域网和网络协议Ø1.6.4 网络互联设备网络互联设备331.6.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识Ø计算机网络计算机网络Ø连接介质连接介质ü双绞线、同轴电缆、光缆双绞线、同轴电缆、光缆Ø网络分类网络分类ü局域网、城域网、广域网、接入网局域网、城域网、广域网、接入网Ø信道、共享信道、点到点连接信道、共享信道、点到点连接基本概念：基本概念：34Ø信道分类信道分类ü全双工、半双工、单工信道全双工、半双工、单工信道Ø计算机网络采用计算机网络采用分组方式分组方式发送数据。

发送数据Ø基带传输、宽带传输基带传输、宽带传输Ø调制器、解调器调制器、解调器ü基带信号基带信号 <----> 调制信号调制信号基本概念：基本概念：35广域网、城域网、接入网以及广域网、城域网、接入网以及局域网的关系局域网的关系 城域网城域网接入网接入网接入网接入网接入网接入网广域网局域网局域网校园网企业网……返回36各种电缆各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆返回371.6.2 局域网局域网Ø网络拓扑结构网络拓扑结构ü总线拓扑总线拓扑ü环型拓扑环型拓扑ü星型拓扑星型拓扑381.6.3 广域网和网络协议广域网和网络协议39资源子网资源子网&&通信子网通信子网Ø资源子网的组成：主计算机系统、终端、资源子网的组成：主计算机系统、终端、终端控制器、联网外设、各种软件资源终端控制器、联网外设、各种软件资源与信息资源组成与信息资源组成Ø通信子网由通信控制处理机、通信线路通信子网由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成与其他通信设备组成40 OSI 与与 TCP/IP 体系结构比较体系结构比较 应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI 的体系结构应用层物理层网络层 IP (各种应用层协议如TELNET, FTP, SMTP 等)运输层(TCP 或 UDP)TCP/IP 的体系结构41计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU42计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文43计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）44计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧45计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体46计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层47计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层48计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层49计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层50计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程51计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！52计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部53计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据54H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据55H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层56H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层57应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程58计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！59IP地址地址ØIPv4：： 32位位 例如：例如：166. 111. 16. 5ØIPv6：： 128位位60沙漏计时器形状的沙漏计时器形状的TCP/IP协议族协议族 HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层………网络接口 1网络接口 2网络接口 3Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务IP over Everything IP 可应用到各式各样的网络上61Internet提供的服务提供的服务Ø电子邮件电子邮件Ø万维网浏览器万维网浏览器Ø搜索引擎搜索引擎Ø文件传输（文件传输（FTP））ü例如：例如：ftp://Ø远程登录（远程登录（Telnet））Ø电子公告板电子公告板 BBS62电子邮件地址的格式电子邮件地址的格式ØTCP/IP 体系的电子邮件系统规定电子邮件地址的体系的电子邮件系统规定电子邮件地址的格式如下：格式如下： 收信人邮箱名收信人邮箱名@邮箱所在主机的域名邮箱所在主机的域名 Ø符号符号“@”读作读作“at”，，表示表示“在在”的意思。

的意思 Ø 例例如如，，电电子子邮邮件件地地址址 xiexiren@邮箱所在的主机的域名在全世界必须是惟一的 这个用户名在该域名的范围内是惟一的 63Øtelnet://Øtelnet 64网络互连设备网络互连设备Ø中间设备又称为中间系统或中继中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统ü物理层中继系统：中继器物理层中继系统：中继器(repeater)ü数据链路层中继系统：网桥或桥接器数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)ü网络层中继系统：路由器网络层中继系统：路由器(router)ü网桥和路由器的混合物：桥路器网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)ü网络层以上的中继系统：网关网络层以上的中继系统：网关(gateway) 65三级结构的因特网三级结构的因特网Ø各网络之间需要使用各网络之间需要使用路由器路由器来连接Ø有时在结构图中可不画出路由器有时在结构图中可不画出路由器校园网校园网校园网校园网校园网校园网国家主干网地区网地区网地区网路由器6667。