计算机组成及系统结构-第一章 计算机系统概论

计算机系统概论

一、计算机的诞生和发展

1.计算机特点

1. 存储记忆；
2. 依程序自动、高速；
3. 高速运算(数值运算、逻辑运算)

2.计算机分类

• 原理角度：①数字计算机②模拟计算机

• 性能指标：①巨型机②大型机③小型机④微型机

• 用途角度：①专用机②通用机

• 指令流(机器执行的指令序列)数量和数据流(由指令流调用的数据序列)数量：

  • 单指令流单数据流(SISD)计算机系统
  • 单指令流多数据流(SIMD)计算机系统
  • 多指令流单数据流(MISD)计算机系统
  • 多指令流多数据流(MIMD)计算机系统

3.计算机诞生

• ENIAC
• 时间：1943-1946研制，1946年2月14日交付
• 地点：美国宾夕法尼亚大学
• 人物：埃克特、莫克利
• 用途：二战时期计算弹道问题，200多人完成一张表
• 特点：18000多个电子管，1500个继电器，30吨，170平方米，140kW，5000次加法/秒
• 缺点：①存储容量小，20个字长为10位的十进制数②效率低，人工线路连接方法编程

4.冯·诺依曼型机器

• 由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成
• 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，以二进制码表示
• 指令由操作码和地址码组成
• 指令在存储器中按执行顺序存放，一般顺序执行，但也可按运算结果或外界条件而改变
• 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器

5.计算机的发展

• 第一代：电子管计算机时代
  • 特点：采用电子管作为基本器件
• 第二代：晶体管计算机时代
  • 特点：采用晶体管为主要器件
• 第三代：集成电路计算机时代
  • 特点：
    • 采用集成电路作为基本器件
    • 通用化：指令系统丰富，兼顾科学计算、数据处理、实时控制
    • 系列化：各个型号机器的CPU独立设计，采用标准的输入输出接口，各个机型的外部设备是通用的，存储器、外部设备都采用标准部件组装
• 第四代：大规模集成电路计算机时代
• 第五代：超大规模集成电路

二、计算机的硬件

1.计算机中执行的程序

• 程序执行的过程：就是按照给定次序执行一组指令的过程
• 指令：
  • 操作码：规定该指令执行什么样的运算(或操作)
  • 地址码：规定对哪些数据进行运算，通常表示的是数据地址
  • 由于二进制码不易辨认，因此往往用符号来表示一条指令

2.计算机硬件的组成

• 

• 

• 输入设备：

  • 作用：输入原始数据和处理这些数据的程序(输入数据和程序)
  • 输入种类：数字符、字母和控制符等，当前通用ASCAII码表示，7位二进制数表示一个字符

• 输入设备：键盘、鼠标等

• 输出设备：

  • 作用：输出计算机的处理结果
  • 输出种类：可以是数字、 字母 、表格和图形图像等
  • 输出设备：显示器、打印机等

• 存储器：

  • 作用：用来存放程序和数据
  • 基本组成：
    • 存储体--存储单元--存储元件
    • 存储单元：存放一串二进制代码
    • 存储字：存储单元中二进制代码的组合
    • 存储字长：存储单元中二进制代码的位数
    • 按地址访问：每个存储单元赋予一个地址号
    • MAR：存储器、地址寄存器，反映存储单元的个数
    • MDR：存储器、数据寄存器，反映存储字长
  • 分类：
    • 主存储器(内存)：计算机各种信息的存储和交流中心，当前正在计算机上运行的程序和数据是存放在主存储器中的
    • 辅助存储器

• 中央处理器(CPU)：

  • 组成：

    • 运算器(ALU)：
      • 作用：是对信息或数据进行处理和运算的部件
      • 重要部件部件：算术及逻辑运算部件(ALU)
        • 算术运算：按照算术规则进行的运算，例如加、减、乘、除、求绝对值、求负值等
        • 逻辑运算：指非算术性质的运算，例如数据、移位、逻辑乘、逻辑加和按位加等
        • 在计算机中，一些复杂的运算往往被分解成一 系列算术运 算和逻辑运算
    • 控制器(CU)：
      • 作用：主要用来实现计算机本身运行过程的自动化，即实现程序的自动执行

  • 

3.计算机硬件的主要技术指标

• 机器字长：CPU一次能处理数据的位数与CPU中的寄存器位数有关

• 运算速度：

  • 主频
  • 核数
  • 吉普森法
  • CPI：执行一条指令所需时钟周期数
  • MIPS：每秒执行百万条指令
  • FLOPS：每秒浮点运算次数

• 存储容量：

  存放二进制信息的总位数

  • 主存容量：存储单元个数(1K = 210)*存储字长、字节数(1B = 23)
  • 辅存容量：字节数

三、计算机的软件

1.定义

• 软件是程序以及开发、使用和维护程序所需的所有文档

2.计算机语言

• 机器语言：面向机器，和计算机的硬件设计同时产生的，是一组由二进制代码(0和1)组成的指令和数据
• 汇编语言：
  • 特点：面向机器
  • 助记符：汇编程序中与机器指令一一对应的指令码
  • 运行机制：汇编程序翻译为机器语言(二进制代码)后运行
  • 翻译程序：
    • 编译程序：是将人们编写的源程序中全部语句翻译成机器语言程序后，再执行机器语言程序
    • 解释语句：是在将源程序的 一条语句翻译成机器语言以后立即执行它(而且不再保存刚执行完的机器语言程序),然后再翻译执行下一条语句
• 高级语言：面向问题

3.系统软件

• 作用：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

• 组成：

  • 语言处理程序：汇编程序、编译程序、解释程序
  • 服务性程序：装配、调试、诊断、排错
  • 数据库管理系统：数据库和数据库管理软件
  • 网络软件
  • 操作系统：DOS、UNIX、Windows、Linux、Kylin Linux
    • 
    • 地位：硬件和软件之间的一个平台
    • 作用：
      • 组织计算机工作流程
      • 管理和分配存储空间
      • 控制和管理外部设备
      • 提供良好的用户界面

• 应用软件：用户为解决某种应用问题而编制的一些程序

• 软件发展特点：

  • 开发周期长
  • 制作成本昂贵
  • 检测软件产品质量的特殊性
  • 软硬件供需失衡

四、计算机系统的多级层次结构

1.虚拟计算机

• 组成：计算机硬件+操作系统

• 特点：计算机组成对于应用程序员透明

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• 

五、计算机网络基础

1.计算机网络

• 定义：凡是地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线路互相连接 起来，并配以功能完善的网络软件，实现资源共享、信息交换和协同工作的系统
• 分类：
• 局域网：网内所有计算机之间的距离比较短，一般在2. 5km之内；数据传输率在1Mbps ~ 1000Mbps 之间。Mbps为兆位/秒
• 城域网： 网内计算机之间的距离可达到 10km
• 广域网：通过通信线路(专用线、电话线或卫星)将远距离(甚至全世界)的计算机连接起来

2.信道

通信中传输信息的通道

• 共享信道：信道中有多个信息源以及多个接收端经过传输介质连接在一起进行信息通信与共享
• 点对点(或端到端)连接：两台进行通信的计算机之间有一条专用的通道(非共享)连接起来
• 全双工信道：连接A、B设备的信道允许A、B双方同时向对方传输信息的信道
• 单工信道：该信道只允许设备A或B单方向传输信息(例如电视信号)的信道
• 半双工信道：通信双方可以交替地发送和接收信息的信道

3.网络协议

• ISO/OSI基本参考模型：
  • 用途：将不同类塑、不同操作系统的计绊机互连起来形成计算机网络，实现资源共享需要有一个共同遵守的标准或协议
  • 组成：
    • 应用层：是人与网络系统的接口，其任务是向用户提供各种服务
    • 表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层：用来解决两台计算机之间传送数据时产生的问题
    • 物理层：由硬件接口(例如以太网)实现计算机之间的数据传送。数据以 二进制位流或字符流的形式组成
  • 实现：以上所述功能都是由网络的软、硬件自动完成的，用户不必为之费心
• TCP/ IP：
  • 定义：是网络之间进行互联的协议(网际互联协议)
  • 分类：
    • IPv4地址：TCP/IP 协议规定，每台连到Internet的主机地址长4字节 (32位)，用点号分隔的4个十进制数表示
    • IPv6地址：长度为128位，它含有的地址数是3. 4 X 1038，能够为所有可以想象出的网络设备提供一个全球唯一的地址。128位地址被划分为8个16位部分，每个部分用十六进制表示

参考-《计算机组成于结构》-清华大学 王爱英