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1、2007.7.2,计算机组成原理,1,第1章 计算机系统概论,计算机组成原理,第1章 计算机系统概论,计算机是一种能够自动、高速解决数学问题及逻辑问题的现代化电子装置。一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，硬件构成了计算机系统的物质基础，软件则是计算机系统的应用基础。自从1946年第一台计算机 ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）诞生到第五代计算机的出现，计算机的硬件和软件正朝着相互渗透、相互融合的方向发展，计算机的应用领域也已经涉及到了各行各业，现代计算机的设计理念和设计技术更是日新月异。,2007.7.2,
2、2,计算机组成原理,计算机系统的分类 计算机硬件的组成及功能 计算机软件的分类 计算机的分类及应用领域 现代计算机应用技术,本章要点：,2007.7.2,3,计算机组成原理,1.1 计算机的硬件系统,计算机硬件（Hardware）是指计算机系统使用的电子线路和电子元件等物理设备的总称。硬件是构成计算机的物质基础，是计算机系统的核心。,2007.7.2,4,计算机组成原理,1.1.1 冯诺依曼计算机,计算机硬件（Hardware）是指计算机系统使用的电子线路和电子元件等物理设备的总称。硬件是构成计算机的物质基础，是计算机系统的核心。,20世纪40年代中期，美国科学家冯诺依曼大胆的提出了采用二进制
3、作为数字计算机的数制基础的理论。同时，他还提出了计算机组成结构、程序存储和程序设计等思想。人们把冯诺依曼的这些理论总结为冯诺依曼体系结构。,2007.7.2,5,计算机组成原理,从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。 冯诺依曼指出计算机硬件系统应由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分构成，基本结构框图如图1-1所示。根据冯诺依曼体系结构构成的计算机必须具有如下特征： 程序和数据在计算机中以二进制的方式执行。 必须能够记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果。,2007.7.2,6,计算机组成原理,具有完成各种算术、逻辑运
4、算和数据传送等数据加工处理的能力。 指令由操作码和地址码组成。 能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。,图1-1 冯诺依曼型计算机的基本结构,2007.7.2,7,计算机组成原理,半个世纪以来，计算机已发展为一个庞大的家族，尽管各种类型的计算机的性能、结构、应用等方面存在着差别，但是它们的基本组成结构却是相同的。现代计算机仍然采用的是冯诺依曼体系结构，硬件系统仍由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备构成。,1.1.2 计算机硬件组成,2007.7.2,8,计算机组成原理,在计算机中，运算器是一种执行部件。其主要任务是完成信息的加工处理。这些处理主要有加、减、乘、
5、除等算术运算和与、或、非、异或、同或等逻辑运算。运算器主要由运算逻辑单元ALU和寄存器两部分组成，寄存器部件用来提供参与运算的操作数，并暂时存放运算结果，执行流程如图1-2所示。图中寄存器A和寄存器B主要保存从内存储器取来的操作数，然后运算逻辑单元ALU对两个寄存器中的数据进行算术或逻辑运算，并将运算结果送给寄存器A暂时存放。,1. 运算器,2007.7.2,9,计算机组成原理,图1-2 运算器结构图,2007.7.2,10,计算机组成原理,数据在计算机中通常以二进制数形式存储和运算，这是因为二进制数的运算规律较为简单。二进制数就是以2为基数来计数，即逢二进一，在二进制中只有0和1两个独立的数
6、符，而这恰好能够与电子器件中电压的高低、脉冲的有无对应起来，在电路中容易实现。,2007.7.2,11,计算机组成原理,控制器是计算机的控制中心。控制器作为CPU（中央处理器）的核心部件主要用来协调计算机的工作，完成程序信息的处理和数据的输入/输出。 控制器的实现方法有两种，即组合逻辑方法和微程序控制方法。组合逻辑方法的特点是以集成电路来产生指令执行的微操作信号。具有程序执行的速度快，控制单元的体积小等优点。近年来随着集成电路技术的迅速发展，组合逻辑方法得到了广泛的应用。,2. 控制器,2007.7.2,12,计算机组成原理,微程序控制方法相对于组合逻辑方法来说设计过程比较复杂，但并不像设计组
7、合逻辑控制电路那么烦琐、不规则，而是有一定规律可循，修改起来也方便。尤其是可编程只读存储器的应用，为微程序控制器的设计提供了更大的灵活性和适用性，进而使微程序设计技术的应用越来越广泛。目前已在中、小型和微型计算机中得到广泛的应用，只是在一些巨型、大型计算机中，由于速度的限制不宜采用微程序控制技术。,2007.7.2,13,计算机组成原理,存储器的主要功能是存放程序与数据。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。程序和数据在存储器中都是以二进制的形式表示，每8位二进制划分为一个存储单元。访问存储单元中程序与数据必须先给出该单元地址。 存储器主要由存储体、地址寄存器与译码线路、读写电路与数
8、据寄存器、控制线路等构成，包括ROM（只读存储器）和RAM（随机存取存储器）两种。,3. 存储器,2007.7.2,14,计算机组成原理,输入设备的任务是输入用户提供的原始信息，并且将其转换为计算机能识别的信息。常用的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪等。,4. 输入设备,2007.7.2,15,计算机组成原理,输出设备的任务是将计算机的处理结果以能被人们接受的或能为其他计算机所接受的形式输出。常用的输出设备有：打印机、显示器、绘图仪等。 一般情况下，由于输入、输出设备种类繁多而且速度各异，因此它们一般不是直接同高速工作的主机相连接，而是通过适配器部件与主机相联系，适配器的作用相当于一个转换器。,
9、5. 输出设备,2007.7.2,16,计算机组成原理,说明：除了上述五个部件外，计算机系统中还必须有总线。计算机通过总线将五大部件连接起来，总线是它们相互通信的公共通路，主要任务是在各部件之间传送地址信息、数据信息和控制信息。因此，总线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。,思考：联系实际应用，请列举你所熟知计算机的输入/输出设备都有那些？,2007.7.2,17,计算机组成原理,1.2 计算机的软件系统,监控程序计算机软件系统语言处理程序应用软件科学计算 数据处理自动控制系统软件操作系统工程设计 软件（Software）是计算机系统中使用的各种程序，而软件系统是指挥整个计算机硬件系统工作的
10、程序集合。软件系统所包含的内容非常丰富，因而对其分类也较为困难。图1-3给出了现代计算机系统的软件分类，整个软件系统按其功能分为系统软件和应用软件两大类。,2007.7.2,18,计算机组成原理,图1-3 计算机的软件系统,2007.7.2,19,计算机组成原理,系统软件主要功能是对整个计算机系统进行调度、管理、监视及服务等。它能够使系统的各种资源得到合理的调度和高效的使用，并能监视系统的运行状态，一旦出现故障就能自动保护现场信息使之不受破坏，并诊断出故障部位。它还可以帮助用户调试程序、查找程序中的错误等。,1.2.1 系统软件,系统软件主要分类及其基本功能如下：,2007.7.2,20,计算
11、机组成原理,操作系统是一组控制程序的总称。可以用它控制和管理计算机的各种资源，实现计算机系统运行自动化。它是系统软件中最核心的组成部分，其主要任务有两个：一是管好计算机系统的全部资源，使它们能充分发挥作用、高效率的工作。在这里所提及的资源是指计算机系统的各种功能部件，主要包括微处理器、存储器、各种外部设备、各种软件。二是为计算机系统和用户之间提供接口，使用户利用操作系统提供的功能去使用计算机，进而在用户面前展现的是一台功能强、使用方便的计算机。,1. 操作系统（Operating System）,2007.7.2,21,计算机组成原理,一台计算机可以配置不同类型的操作系统，常用的操作系统类型有
12、： （1）单用户操作系统，用于系统规模不大又要求完成较广泛任务的场合，例如：MS-DOS、PC-DOS、CP/M等。,操作系统由执行程序、调度程序、中断处理和中断服务程序、设备处理程序、存储管理程序、程序库管理程序等模块组成。,2007.7.2,22,计算机组成原理,（2）多用户操作系统，又称为分时系统，用于多个用户需要同时使用计算机的场合，例如：Unix、Linux、OS/2、Windows 98/2000/XP、Windows Vista等。 （3）网络操作系统，用于需要对网络信息进行管理，实现信息共享的场合，例如：NetWare、Windows NT等。 （4）实时操作系统，用于在严格时
13、间范围内，对外部请求做出反应，系统具有高度可靠性的场合，例如：Windows CE、UcLinux、Rdos等。,2007.7.2,23,计算机组成原理,目前，新一代操作系统 Windows Vista已投入使用。Windows Vista是美国微软公司开发代号为长角(Longhorn)的下一版本Microsoft Windows操作系统的正式名称。它是继Windows XP和Windows Server 2003之后的又一重要的操作系统。该系统带有许多新的特性和技术，改进或新增加了包括Windows防火墙、无线网络链接、家长控制、安全中心、Windows Movie Maker、图片库、反病
14、毒、间谍软件、网络映射、搜索、图片收藏夹、Windows Media Player、支持RSS的Outlook Express、P2P Messenger等更多功能。,2007.7.2,24,计算机组成原理,用户往往是用某一种程序设计语言来编写程序，也就是常说的源程序。但计算机只能识别二进制信息，语言处理程序的实质就是完成翻译计算机各种语言的一组程序。其主要任务是对用户使用的各种语言进行处理，进而使计算机能完成用户以各种语言所描述的任务。在软件分类中，除了将语言处理程序划分为系统软件外，各种程序设计语言也被视为系统软件。在计算机应用中，程序设计语言主要包括以下种类。,2. 语言处理程序,200
15、7.7.2,25,计算机组成原理,（1）机器语言：是一种用二进制形式表示的，并且能够直接被计算机硬件识别和执行的语言。机器语言与计算机的逻辑结构相关，也就是说，机器语言因计算机不同而异。利用机器语言编写的程序称之为机器语言程序。机器语言的缺点是：不易书写，可阅读性差，出错也不易修改。 （2）汇编语言：是一种将机器语言符号化的语言，它用形象、直观、便于记忆的字母、符号来代替数字编码的机器指令。汇编语言的语句与机器指令一一对应，不同的计算机具有不同的汇编语言。用汇编语言写的程序称为汇编语言程序。例如：Nasm、Masm、Tasm等都属于汇编语言程序。,2007.7.2,26,计算机组成原理,（3）
16、高级语言：是一种与具体计算机逻辑结构不相关的，表达方式接近于被描述的问题的程序设计语言。高级语言程序具可书写性和可阅读性强等优点。高级语言程序在计算机并不能直接执行，需要利用编译程序或解释程序将其翻译成机器语言程序后再执行。例如：Basic、Fortran、Pascal、C语言、Delphi、C+、Java等都属于高级语言程序。 （4）面向对象语言：是当今软件开发的主流方法和技术。面向对象语言具有的抽象性、封装性、模块性、继承性和多态性，以及支持自顶向下和自底向上的软件开发风范和良好的可维护性日益被人们重视。,2007.7.2,27,计算机组成原理,并且面向对象的思想已经渗透到了计算机科学的其他领域，如操作系统、人工智能、数据库、分布式计算和并行计算等领域，并成为这些领域的研究热点。例如：Java、C+、Visual Basic、Visual C+、Delphi等都属于面向对象语言。,注意：面向对象语言均属于高级语言，但并不是所有的高级语言都是面向对象语言，例如：C语言是高级语言但不是面向对象语言。,2007.7.2,28,计算机组成原理,服务性程序又称实用程序，是为系统提供各种服务性手段而设置的一组程序。其主要功能是完成对用户程序的装入、连接、编辑、查错和纠错以及硬件故障诊断等工作。服务性程序执行的过程和详细功能如下：,
