第1章-计算机系统概论

1、第1章 计算机系统概论本章系统地介绍计算机系统的基本知识，要求学生了解计算机的分类与应用，掌握计算机的硬件组成，软件与硬件的关系以及计算机系统的层次结构。重点提示：l 计算机系统的工作原理l 计算机硬件系统的几大部件及其功能l 计算机软件系统1-1重点难点指导1-1-1计算机系统简介ENIAC（电子数字积分计算机，Electronic Numerical Integrator And Computer）是第一台正式运转的通用电子计算机。自从这台计算机问世以来，从使用的元器件角度来看，计算机的发展大致经历了4代的变化。l 第一代（19461954）电子管计算机；l 第二代（19551964）晶体管计算机；l 第三代（19651973）集成电路计算机；l 第四代（1974现在）大规模和超大规模集成电路计算机。在计算机系统发展历史中，摩尔定律（Moores Law）是一个很重要的概念。Intel的创始人之一高登摩尔（Gordon Moore）于1965年提出了著名的摩尔定律，预言单位平方英寸芯片的晶体管数目每过18到24个月就将增加一倍。计算机的分类方法有很多种，主要的分类方式有：按所处理的

2、信号分类：模拟计算机；数字计算机。按硬件的组合及用途分类：专用计算机；通用计算机。按计算机的规模分类：微型计算机；工作站；小型计算机；主机；小巨型计算机；巨型计算机。现实中的分类：服务器；工作站；台式机；便携机；手持机。计算机系统就是按人的要求接收和存储信息，自动地进行数据处理和计算，并输出结果信息的系统。计算机系统由硬件（子）系统和软件（子）系统组成。前者是借助电、磁、光、机械等原理构成的各种物理部件的有机组合，是系统赖以工作的实体。后者是各种程序和文件，用于指挥全系统按指定的要求进行工作。在学习计算机组成时，应当注意如何区别计算机体系结构（Computer Architecture）与计算机组成（Computer Organization）、计算机实现（ComputerImplementation）这些基本概念。计算机体系结构（Computer Architecture）：计算机体系结构是指那些能够被程序员所看见的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。计算机组成（Computer Organization）：计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序

3、员来说是透明的（即程序员不知道的）硬件细节。计算机实现（ComputerImplementation）：指计算机组成的物理实现。它包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，信号传输，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术以及有关的制造工艺和技术等。1-1-2现代计算机的体系结构现代计算机绝大部分都是采用冯诺依曼体系结构，冯诺依曼计算机的特点是：l 采用二进制形式表示数据和指令；l 采用存储程序方式（指令流驱动）；l 由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置5大部件组成计算机系统。现代的计算机的基本结构如图1-1-1所示。图中实线为数据线，虚线为控制线和反馈线。结 果程 序输入设备输出设备运算器存储器控制器图1-1-1以存储器为中心的计算机结构框图冯诺依曼计算机各个部件的功能：l 运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。l 存储器用来存放数据和程序。l 控制器用来控制、指挥程序和数据的输入，运行以及处理运算结果。l 输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，主要有键盘、鼠标等。l 输出设备可

4、将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，主要有打印机、显示器等。其中，运算器与控制器往往合成在同一芯片上，通常将它们合起来统称为中央处理器，简称为CPU。将CPU与存储器合在一起称为主机，输入与输出设备统称为外设。1-1-3 计算机的层次结构虚拟机（Virtual Machine）是一个抽象的计算机，它由软件实现，并与实际机器一样，都具有一个指令集并可以使用不同的存储区域。通过虚拟机的概念，将计算机的软件和硬件联系在一起。虚拟机可分为：操作系统虚拟机、汇编语言虚拟机、高级语言虚拟机和应用语言虚拟机等几个层次。如图1-1-2所示。微程序机器 M0 （微指令）由硬件直接执行传统机器 M1 （机器语言）由微程序解释机器指令操作系统虚拟机 M2 （作业控制语言）由机器语言程序解释操作系统命令汇编语言虚拟机M3 （汇编语言）汇编语言程序经汇编程序翻译成机器语言程应用语言虚拟机M5 （应用语言）用应用语言编写的应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言高级语言虚拟机 M4 （高级语言）高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言（或某种中间语言程序或机器语言程序）图 1-1-2 计算机系统的层次结构图本课程主

5、要讨论传统机器M1和微程序机器M0的组成原理和设计思想。某些特定的功能可以由软件来完成，也可以由硬件来完成，即硬件和软件在逻辑上是等价的。在具体应用中，要根据当时的成本、速度、可靠性等因素来决定由软件还是由硬件来实现。1-1-4 计算机的性能指标机器字长：指CPU一次能处理数据的位数，它标志着计算机的计算精度。存储容量包含主存和外存的容量。主存储器：CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就放在主存之中。主存容量大则可以运行比较复杂的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的软件支持环境。所以，计算机处理能力的大小在很大程度上取决于主存容量的大小。外存容量：外存容量一般是指计算机系统中联机运行的外存储器容量。由于操作系统、编译程序及众多的软件资源往往存放在外存之中，需用时再调入主存运行。在批处理、多道程序方式中，也常将各用户待执行的程序、数据以作业形式先放在外存中，再陆续调入主存运行。所以，联机外存容量也是一项重要指标，一般以字节数表示。描述计算运算速度的指标一般有如下几个：MIPS（Million Instructions Per Second）：它表示每秒百万条指令数

6、。MFLOPS（Million Floating Point Operations Per Second）：每秒百万次浮点操作次数。CPI（Cycle Per Instruction）：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。吞吐量：一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。响应时间：从输入有效到系统产生响应之间间隔的时间。主频/时钟周期：CPU的工作节拍受一个主时钟的控制，主时钟的频率叫做CPU的主频；主频的倒数叫做CPU的时钟周期。CPU执行时间：表示CPU执行程序所占用的CPU时间。注意：各个指标都不能完全表征出一台计算机的性能。1-2典型例题解析1、一个完整的计算机系统应该包括（）两大部分。A.主机和外设B.硬件系统和操作系统C.硬件系统和软件系统D.硬件系统和系统软件参考答案：选项C解析：选项A：现代计算机通常把运算器和控制器合起来做在一个芯片上，称为中央处理器（CPU）。然后把CPU和内存储器合起来称为主机。主机和外设构成硬件系统。所以选项A不全面。选项B：一个完整的计算机系统应该包括硬件系统和软件系统两部分。软件系统分为系统软件和应用软件两大类。系统软件

7、包括操作系统、计算机语言处理程序（各种程序翻译软件，包括编译程序、解释程序、汇编程序）、服务性程序、数据库管理系统和网络软件等。操作系统只是系统软件的一种，所以不全面。选项D：系统软件只是软件系统中的一类软件，因而，也不全面。2、下列是有关程序、指令和数据关系的叙述，其中错误的是（ ）。A.一个程序由若干条指令和所处理的数据组成B.指令和数据形式上没有差别，都是一串0/1序列C.指令和数据不能放在同一个存储器中，必须分别存放在指令存储器和数据存储器中D.启动程序前指令和数据都存放在外存中，启动后才被装入内存参考答案：选项C解析：选项A：在计算机上完成的所有任务都必须先编好程序，通过计算机执行程序来完成。所以执行程序的过程就是周而复始执行指令的过程。一个程序由一条条指令以及指令所处理的数据组成。指令规定程序的动作和步骤，数据是动作作用的对象。选项B：指令和数据在计算机内部都是用二进制表示的，因而都是0、1序列，在形式上没有差别。选项C和D：程序编好后，先放到外存（如，磁盘）上保存。当需要执行程序时，通过操作系统提供的人-机接口（在命令行符下输入命令，或鼠标双击等）启动程序，程序被启动后，

8、程序中的指令和数据被操作系统装入主存，一般是装入到同一个主存储器（DRAM）中，而不区分是数据存储器还是指令存储器。CPU通过指令执行的不同阶段来区分取出的是数据还是指令，而不是靠分开存放数据和指令来区分的。所以，选项C是错误的。3、以下关于冯.诺依曼计算机工作方式的叙述中，错误的是（）。A.计算机完成的所有任务都必须执行相应的程序来完成B.某任务用某语言（如C+）编好程序后，一旦被启动，则马上可调至主存直接执行C.程序执行时，CPU按指令地址自动按序到内存读取指令并执行D.冯.诺依曼计算机工作方式称为“存储程序”控制方式参考答案：选项B解析：冯.诺依曼计算机的工作方式被称为“存储程序”控制方式。其主要内容是：计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令； 程序(指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；存储器中存放的指令和数据按地址进行存取；指令是由CPU一条一条顺序执行的。用一句话来说，就是：一旦要计算机完成某个特定的任务，则计算机会将事先编好的程序，按指令的顺序自动一条一条从主存中读出并执行，整个过程不需要人的干预。这里，事先编好的程序

9、是指机器可执行的目标程序。用C+这种高级语言编写的源程序，不能直接装入内存后由CPU执行，而是需要先用编译程序将其转换为机器可直接执行的目标程序。4、下面是有关反映计算机中存储器容量的计量单位的叙述，其中错误的是（）。A.最小的计量单位为位（bit），表示一位“0”或“1”，一个字节为8位B.最基本的计量单位是字节（Byte），因而指令、数据和地址的长度都是8的倍数C.主存储器的编址单位一般是字节的倍数D.主存容量为1KB，其含义是主存储器中能存放1000个字节的二进制信息参考答案：选项D解析：选项A：冯偌依曼结构计算机规定，计算机内部信息的表示采用二进制，所以，所有信息都是由0或1构成的0/1序列，用位（bit）来表示一个二进制位“0”或“1”，它是最小的计量单位，一个字节为8位。选项B：计算机中的存储部件、传送部件、运算部件等的宽度（串行传送部件例外）基本上都是字节的倍数，因而最基本的计量单位是字节（Byte）。为了数据、地址和指令信息的存储、传输和运算方便，一般把指令、数据和地址的长度都规定为8的倍数。选项C：对于现代计算机的主存储器，其存储单元的编号采用字节编址方式，也就是说，每8位构成一个存储单元，所以其编址单位为一个字节。早期的机器也有用16位、24位、32位进行编址的。所以一般应该是8的倍数。选项D：主存容量的单位有KB、MB、GB等，分别表示210字节、220字节和230字节。而辅存容量中的kB、MB、GB分别表示103字节、106字节和109字节。所以，选项D是错误的。5、计算机系统就是硬件系统吗？解析：说计算机系统就是硬件系统是不完整的。一个完整的计算机系统应该包括硬件和软件系统两部分。硬件系统包括：运算器、

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