第1章计算机系统概论剖析

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1、1,计算机系统概论,第1章,2,本章论述基本知识和基本概念，包括: 1.1 计算机系统发展简史 1.2 计算机硬件的主要组成部分 1.3 计算机系统的主要技术指标 1.4 软件概述 1.5 计算机系统层次结构 1.6 计算机的应用 需要重点讲解的是计算机硬件的主要组成部分、计算机系统的主要技术指标和计算机系统层次结构3部分内容。,第1章 计算机系统概论,3,1.1 计算机系统发展简史,1.1.1 计算机 古代的计算工具 机械式和机电式计算机 现代电子计算机,4,1.古代的计算工具,我国最早出现的计算工具是“算筹”，采用十进制计数法可进行加、减、乘、除等运算。,5,古代的计算工具,替代算筹的新的

2、计算工具“算盘”，还创造了一整套珠算口诀，运算速度快捷，以后还传到日本、韩国等东亚各国以及欧州，一直延续到现代。,6,2.机械式和机电式计算机,17世纪开始，欧州一些数学家设计制造出一些机械式或机电式的计算工具数字运算机。 1642年，法国数学家帕斯卡（BPascal）制成第一台机械加法器十进制加法器 1944年，美国人霍华德艾肯（HAiken）制成了自动程序控制计算机马克1号。,7,3.现代电子计算机,技术基础电子元器件的发明、应用和电子技术的迅速发展 理论基础二进制计数制和布尔代数 社会基础第二次世界大战对先进的、高速的计算工具的迫切需求,8,技术基础,1883年，发明白炽灯的美国科学家爱

3、迪生在白炽灯泡中加入第二个电极，发现电极与灯丝之间有电流飞渡这就是爱迪生效应。 1897年，物理学家汤姆逊用实验证实了真空管（电子管）中导电的粒子电子是从阴极逸出的。汤姆逊因发现电子而获得诺贝尔物理学奖。 1904年，英国科学家弗莱明（Fleming）发明了真空二极管。 1906年，福莱斯特（Forrester）发明了具有电信号放大作用的真空三极管。,9,理论基础,1847年，英国数学家乔治布尔认为逻辑中各种命题能够使用数学符号来表示，这些符号能依据固定的规则推导出适当的结论。他设计了一套表示逻辑理论中基本概念的符号，建立了应用这些符号进行运算的法则，从而把形式逻辑归结为一种代数建立了逻辑代数

4、（布尔代数） 两种逻辑值“真”与“假” 三种逻辑关系“与”、“或”和“非”,10,理论基础,1938年，美国数学家香农在其硕士论文中提出，可以用二进制系统来表示布尔代数中的逻辑关系： 用“1”表示“真” 用“0”表示“假” 二进制计算的引入对电子计算机的诞生具有极其重要的意义。 采用二进制数码进行的计算只有“1”和“0”两个状态，任何一个物理状态都可以表示为“有”和“无”，比如： 电信号电压或电流的有无（高、低） 磁信号磁性的有无 实现二种状态的机电元器件也容易制造。若采用十进制数时要用10个不同状态表示09十个数，而要找到同时具有10个不同稳定状态的机电元器件是极困难的,11,理论基础,英国

5、24岁的青年数学家阿兰图灵在其论文中，严格地描述了计算机的逻辑结构，首次提出了计算机的通用模型图灵机，为近代电子数字计算机的发展奠定了理论基础。,12,社会基础,1939年9月，第二次世界大战爆发，1941年，太平洋战争爆发，美国对日宣战。军事上的迫切需要加速了电子计算机研制的步伐。 宾夕法尼亚大学莫尔学院和美国陆军军械部签署了合作项目“弹道表”的计算工作。,13,社会基础,1945年年底第一台实用的通用电子数字计算机“埃尼阿克” （ENIAC，Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分器和计算器） 1946年2月15日ENIAC计算

6、机在宾夕法尼亚大学正式投入运行,14,社会基础,制作成本高达1000万美元 共用18800个电子管 1500个继电器 重达30吨，占地170平方米，耗电150千瓦 运算速度为： 每秒钟能进行5000次加法运算（或330次乘法运算或100次除法运算），用来进行弹道计算，几分钟能完成一条弹道的计算。,15,现代电子计算机的奠基人冯诺依曼,冯诺依曼生于匈牙利，苏黎士大学数学博士，1930年赴美，1933年与爱因斯坦一起受聘为普林斯顿大学终身教授。 1944年底1945年初他参加ENIAC计算机研制小组，成为研制小组的顾问 研制成笫一台实用的通用电子数字计算机,16,“冯诺依曼机”,计算机的主要改进有

7、： 采用二进制计数； 采用延时线作内部存储器，容量为1024字节； 提出了“存储程序”的概念， 程序设计者按计算要求编制好程序，将程序和运行程序中所用的数据以二进制代码的形式存入计算机的存储器中，由计算机自动执行程序。 使电子计算机有了通用性，只要能写出正确的指令，计算机执行时就无须人工干预。 按此方案构成的计算机称为“冯诺依曼机”。,17,1.1.2 电子计算机,电子计算机 4代电子计算机 电子数字计算机分类 我国计算机事业发展概况,18,电子计算机,电子计算机（electronic computer）能自动地、高速地进行大量运算的电子设备， 能通过对输入的数据进行指定的数值运算和逻辑运算来

8、求解各种算题， 也能用来处理各种数据和事务， 是一种自动化信息处理工具， 当它与一定的机电设备或仪器设备相结合时，能实现对生产过程和实验过程的控制。,19,2.4代电子计算机,第一代电子管计算机： 从1946年第一台计算机研制成功开始到50年代后期， 以电子管为基本器件，运算速度为每秒几千次运算。 特点是精度低、存储容量小、稳定性差以及体积庞大等。 其主要应用于军事及国防领域。,20,4代电子计算机,第二代晶体管计算机： 从20世纪50年代中期到60年代后期， 以晶体管为基本器件，开始使用磁芯存储器，运算速度在每秒几万次运算以上 后期的晶体管计算机已达每秒千万次运算 其特点是精度较高、存储容量

9、较大、稳定性较好以及体积较小等。 应用领域已扩大到工程设计和科学研究。,21,4代电子计算机,第三代集成电路计算机： 从20世纪60年代中期到70年代前期 采用小规模或中规模集成电路为基本器件， 后期开始使用半导体存储器， 运算速度在每秒几十万次运算以上， 后期的集成电路计算机速度已达每秒千万次运算，其特点是功耗、体积和价格等进一步下降，而速度及可靠性相应地提高,22,4代电子计算机,第四代大规模和超大规模集成电路计算机： 从20世纪70年代中期开始 采用大规模集成电路和超大规模集成电路器件，高密度、高速度的处理器芯片和存储器芯片。 运算速度可达每秒几千万次上亿次。 特点：精度更高、存储容量更

10、大、稳定性更好、体积更小（在实现相同功能的条件下）等。,23,3.电子数字计算机分类,巨型机 大型机 小型机 微型机 工程工作站,24,（1）小型机,规模小、结构简单、设计试制周期短 具有硬件和软件成本低、操作和维护容易以及可靠性高等特点， 管理机器和编制程序都比较简单， 便于计算机的普及和推广 使用小型机进行数据采集、整理、分析、计算等工作 可使小型机的应用领域扩展到控制领域。,25,（2）大型机,具有高可靠性、高吞吐能力、高安全性、高可扩展能力以及防病毒和防黑客能力。 它用作一个安全的、开放的大型服务器，作为企业的计算平台。 大型机软件开发成本很高，为了减少研发的软件开发成本，大型机一般具

11、有系列化的特点 IBM公司于1998年推出的IBM S/390系列的第5代产品，其主机速度为每秒10亿次。,26,（3）巨型机,需要有很高的运算速度、很大存储容量的计算机 以Cray-1计算机为例，针对天气预报、飞行器设计和核物理研究中存在大量向量运算的特点，Cray-1计算机的向量运算速度达每秒8000万次，并兼顾了一般的标量运算。 1983年研制成功的Cray X-MP机向量运算速度达每秒4亿次。,27,（4）微型机,产生于20世纪60年代末至70年初 由于集成电路工艺和计算机技术的发展，袖珍计算器得到了普遍的应用。 1971年10月，美国Intel公司首先推出Intel 4004微处理器

12、 实现4位并行运算的单片处理器 构成运算器和控制器的所有元件都集成在一片大规模集成电路芯片上，是第一片微处理器。,28,微型机,微型机（Microcomputer，微型计算机） 是指以微处理器为基础，配以内存储器以及输入/输出接口电路和相应的辅助电路而构成的计算机。 微型机的出现与发展，掀起了计算机普及的大浪潮。,29,个人计算机PC,20世纪70年代后期，出现了一种通用微机系统个人计算机(Personal Computer，PC)。 最早的、在个人计算机发展史中有重大影响的是1977年Apple公司推出的Apple II型微机， 1981年8月12日IBM公司推出了IBM PC机， 后来又推

13、出IBM PC/XT机（扩充型PC），IBM PC/AT机（先进型PC）。,30,个人计算机PC,具有设计先进、软件丰富、功能齐全、价格低廉等特点，成为微型机市场主流。 国内外许多计算机厂家相继生产了与IBM PC兼容的个人计算机。 个人计算机是一类通用计算机， 可应用于多种领域， 低档的个人计算机可供家庭娱乐和业余爱好者使用， 高档的个人计算机用于经营管理、科学计算以及教育等方面。,31,（5）工程工作站,工程工作站EWS（Engineering Work Station）简称工作站， 一种微型化的功能强的计算机系统。 速度快、内存大、图像处理能力强、联网 适合于进行较复杂的科学和工程计算。

14、 由高性能主机（包括高性能处理器和大容量内存）、高分辨率显示器、高速I/O设备以及其他必要的仪器设备组合而成。它置于终端台上，并可通过网络连接起来。 本身可作为一台计算机使用，能完成工程业务、技术业务和管理业务，并能作为一个工作站加入网络中。,32,我国电子计算机事业发展的三个阶段：,第一阶段：19561970年 主要应用于国防、军事和科研单位，用来进行高速计算。 第二阶段：19711980年 应用开始扩展到经济领域，并开始从国外引进电子计算机。 第三阶段：从1981年开始 主要是面向应用，使计算机应用覆盖到各个领域。,5.我国计算机事业发展概况,33,计算机系统的组成,系统软件 应用软件,计

15、算级系统分为：硬件系统+软件系统,硬 件,软 件,主机 外设,34,计算机系统的组成,35,1.2电子计算机硬件的主要组成部分,1.2.1 运算器 1.2.2 控制器 1.2.3 存储器 1.2.4 输入设备 1.2.5 输出设备,36,硬件的主要组成部分,电子计算机硬件由 运算器、 控制器、 存储器、 输入设备 输出设备 五部分组成,37,电子计算机的组成部分,其中运算器和控制器合称中央处理器（Central Processing Unit，CPU）， CPU与存储器(内存储器)合称为主机 而输入设备和输出设备合称为外部设备,38,1.2.1 运算器,运算器是直接完成各种算术、逻辑运算的部件

16、， 主要部件是ALU（算术逻辑部件）。 算术运算就是加、减、乘、除等运算。 逻辑运算是按照逻辑代数规律进行的运算，如逻辑与、逻辑或等。,39,1.2 .2 控制器,控制器是整个计算机的指挥系统。 对所要操作的程序中的每一条指令进行分析和判断。 向机器各部件发出控制信号来指挥整个机器自动地、协调地进行工作。,40,控制器的主要功能,在控制器的控制下，将程序和原始数据送入内存； 控制运算器和内存等部件实现自动计算和处理，并将结果送到输出设备； 控制内存与外存之间的信息交换； 控制随机事件的处理。,41,1.2.3 存储器,计算机之所以能够自动地、高速地进行各种复杂的运算， 其原因之一是它能把算题所需的各种数据和程序事先存放在一个记忆装置中，这个记忆装置就是存储器。 存储器的职能是存储程序、数据以及中间结果，而在运算和处理过程中由存储器快速地提供给运算器进行加工处理，这就是“程序存储”的工作方式。,42,存储器,存储器通常分为内存储器（简称“内