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1、计算机组成原理任课教师：马玉峰 时间：7-18周n教材n白白中中英英，计计算算机机组组成成原原理理第第五五版版立立体体化化教教材，科学出版社，材，科学出版社，20132013n参考书n陈陈智智勇勇，计计算算机机组组成成原原理理, , 西西安安电电子子科科技技大大学学出版社，出版社，20092009n钱钱晓晓捷捷，微微型型计计算算机机原原理理及及应应用用, , 清清华华大大学学出出版社，版社，20062006n王王爱爱英英, ,计计算算机机组组成成与与结结构构第第3 3版版, , 清清华华大大学学出版社，出版社，20012001n白白中中英英 邝邝坚坚，计计算算机机组组织织与与结结构构网网络络版
2、版，科学出版社，科学出版社，20032003第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论第二章第二章 运算方法和运算器运算方法和运算器第三章第三章 多层次的存储多层次的存储器器第四章第四章 指令系统指令系统 第五章第五章 中央处理中央处理机机 第六章第六章 总线系统总线系统 第七章第七章 外存与外存与I/OI/O设备设备 第八章第八章 输入输出系统输入输出系统目录一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）“计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。计算机组成原理是计算机教学中的一门
3、核心课程，是学习计算机课程所要必修的主干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算器、控制器、存储器、输入输出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器部件、存储器子系统、输入/输出子系统与输入/输出系统设备，围绕各自的功能、组成、设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程性、实践性、技术性比较强，还强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。二、课
4、程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）二、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的组成和工作原理。通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。三、课程与其他课程的联系与分工三、课程与其他课程的联系与分工先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计后续课：计算机系统结构、微型计算机系统与设计，关系密切的还有操作系统等课程。四、课程总学时中各环节的学时分配
5、（讲授、实验、上机、实践等）四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等）授课学时：48，实验学时：8教学大纲第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 1.1 计算机的分类计算机的分类1.2 计算机发展简史计算机发展简史 1.3 计算机的硬件计算机的硬件 1.4 计算机的软件计算机的软件 1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构目录系统结构基本概念第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.概念概念v计计算算机机（Computer）是是一一种种以以电电子子器器件件为为基基础础的的，不不需需人人的的直直接接干干预预，能能够够对对各各种种数数字字化信息，进行算术和逻辑运算
6、的快速工具。化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。系统结构基本概念（1 1）内部特征内部特征内部特征内部特征： （A） 高速高集成度开关元件高速高集成度开关元件 （B） 数字化信息编码数字化信息编码 （C） 逻辑判断和处理能力逻辑判断和处理能力 （D） 存储程序存储程序（2 2）外部特征外部特征外部特征外部特征： （A） 快速性（由（快速性（由（1）中（）中（A）（）（D）决定）决定） （B） 准确性（由（准确性（由（1）中（）中（B）（）（D）决定）决定） （C） 逻辑性（由（逻辑性（由（1）中（）中（A）（）（C）（）（D）决定）决定） （D） 通用性（由（通用性（由（1）中（）中（A）（
7、）（B）（）（C）（）（D）决定）决定） 2、特征特征：系统结构基本概念1.1 计算机的分类计算机的分类 计算机从总体上来说分为两大类计算机从总体上来说分为两大类: 模拟计算机模拟计算机和和数字计算机数字计算机。各自主要特点各自主要特点：模模拟拟计计算算机机由由模模拟拟运运算算器器件件构构成成，其其变变量量由由连连续续量量（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的。（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的。数数字字计计算算机机则则是是由由逻逻辑辑电电子子器器件件构构成成，其其变变量量为为开开关关量量（离离散散的的数数字字量量），采采用用数数字字式式按按位位运运算算，运运算算模式是离散
8、式的。模式是离散式的。系统结构基本概念数字计算机与模拟计算计的主要区别数字计算机与模拟计算计的主要区别比较内容比较内容数字计算机数字计算机模拟计算机模拟计算机数据表示方式数据表示方式数字数字0和和1电压、电流等电压、电流等计算方式计算方式数字计数数字计数电量组合和测量值电量组合和测量值控制方式控制方式程序控制程序控制模拟信号组合控制模拟信号组合控制精度、抗干扰性精度、抗干扰性高、好高、好低、差低、差数据存储量数据存储量大大小小逻辑判断能力逻辑判断能力强强无无系统结构基本概念数字计算机分类数字计算机分类 数数字字计计算算机机根根据据计计算算机机的的效效率率、速速度度、价价格格、运运行行的的经经济
9、济性性和和适适应应性性来来划划分分，可可以以划划分分为两类：为两类：专专用用计计算算机机：专专用用机机是是最最有有效效、最最经经济济和和最最快快速的计算机，但是它的适应性很差。速的计算机，但是它的适应性很差。通通用用计计算算机机：通通用用计计算算机机适适应应性性很很大大，但但是是牺牺牲了效率、速度和经济性。牲了效率、速度和经济性。系统结构基本概念通用计算机类别系统结构基本概念v巨巨型型机机、大大型型机机、中中型型机机、小小型型机机、微微型型机机和和单单片片机机，它它们们的的结结构构规规模模和和性性能能指指标标依依次次递减。递减。v随随着着超超大大规规模模集集成成电电路路的的迅迅速速发发展展,
10、,今今天天的的小小型型机机可可能能是是明明天天的的微微型型机机, ,而而今今天天的的微微型型机机可可能是明天的单片机。能是明天的单片机。系统结构基本概念 1.2. 数字数字计算机的发展史计算机的发展史v世界上第一台电子数字计算机世界上第一台电子数字计算机ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Calculator）诞生于诞生于1946年年2月月15日，是美国宾日，是美国宾夕法尼亚大学摩尔理工学院的摩切利和埃卡特发夕法尼亚大学摩尔理工学院的摩切利和埃卡特发明的。计算机的发展大致经历了五代的变化：明的。计算机的发展大致经历了五代的变化：1.1946年开
11、始，第一代年开始，第一代电子管电子管计算机计算机2.1958年开始，第二代年开始，第二代晶体管晶体管计算机计算机 3.1965年开始，第三代年开始，第三代中小规模集成电路中小规模集成电路计算机计算机 4.1971年开始，第四代年开始，第四代大规模集成电路大规模集成电路计算机计算机 5.1986年开始，第五代年开始，第五代巨大规模集成电路巨大规模集成电路计算机计算机 系统结构基本概念类型类型时期时期主要器件主要器件重重 要要 特特 征征第第1代代1946-1957电子管电子管机机器器语语言言，汇汇编编语语言言。速速度度低低，体体积积大大，价价格格昂昂贵贵，可可靠靠性性差差，用用于于科科学学计计算
12、算。速度达几千次到几万次速度达几千次到几万次第第2代代1958-1964晶体管晶体管算算法法语语言言，操操作作系系统统。体体积积缩缩小小，可可靠靠性性提提高高。从从科科学学计计算算到到数数据据处处理理。每每秒秒几万次到几十万次几万次到几十万次第第3代代1964-1971中中小小规规模模集集成电路成电路体体积积小小，可可靠靠性性大大大大提提高高，速速度度达达几几百百万万次次，软软件件技技术术和和外外设设发发展展迅迅速速应应用用领领域不断扩大。域不断扩大。第第4代代1971-1986大大/超超大大规规模模集成电路集成电路速度提高至几千万亿次速度提高至几千万亿次出现微型计算机出现微型计算机第第5代代
13、1986-巨巨大大规规模模集集成电路成电路速度提高至几亿次乃至上百亿次。速度提高至几亿次乃至上百亿次。出现单片机出现单片机计算机的发展史计算机的发展史系统结构基本概念 第一台电子计算机（第一台电子计算机（ENIACENIAC）5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170M218,800只电子管只电子管1500个继电器个继电器耗电耗电150KW计算机发展史计算机发展史系统结构基本概念Top500 (2004)Top500 (2004)曙光曙光5000A5000A计算机发展史计算机发展史系统结构基本概念Top500 (200Top500 (2008 8)曙光曙光5000A5000A计算
14、机发展史计算机发展史系统结构基本概念摩尔定律摩尔定律v早早在在19641964年年，英英特特尔尔公公司司创创始始人人戈戈登登. .摩摩尔尔（Gordon Gordon MooreMoore）在在一一篇篇很很短短的的论论文文里里断断言言：每每1818个个月月，集集成成电电路路的的性性能能将将提提高高一一倍倍，而而其价格将降低一半。这就是著名的其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律摩尔定律。v作作为为迄迄今今为为止止半半导导体体发发展展史史上上意意义义最最深深远远的的定定律律，摩摩尔尔定定律律被被集集成成电电路路近近4040年年的的发发展展历历史准确无误地验证着。史准确无误地验证着。系统结构基本概
15、念1.2.2 半导体存储器的发展半导体存储器的发展 v20世世纪纪5060年年代代，所所有有计计算算机机存存储储器器都都是是由由微小的铁磁体环微小的铁磁体环v1970年年，仙仙童童半半导导体体公公司司生生产产出出了了第第一一个个较较大大容量半导体存储器容量半导体存储器v从从1970年年起起，半半导导体体存存储储器器经经历历了了11代代：单单个个芯芯 片片 1KB、 4KB、 16KB、 64KB、 256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。v其中其中1K=210,1M=220,1G=230系统结构基本概念1.2.3 微处理器的发展微处理器的发展 v1971年年Intel
16、公公司司开开发发出出Intel 4004。这这是是第第一一个个将将CPU的的所所有有元元件件都都放放入入同同一一块块芯芯片片内内的的产产品品，于于是是，微微处处理理器诞生了。器诞生了。 v微微处处理理器器演演变变中中的的另另一一个个主主要要进进步步是是1972年年出出现现的的Intel 8008，这这是是第第一一个个8位位微微处处理理器器，它它比比4004复复杂杂一倍。一倍。 v1974年年出出现现了了Intel 8080。这这是是第第一一个个通通用用微微处处理理器器，而而4004和和8008是是为为特特殊殊用用途途而而设设计计的的。8080是是为为通通用用微机而设计的中央处理器。微机而设计的
17、中央处理器。 v20世世纪纪70年年代代末末才才出出现现强强大大的的通通用用16位位微微处处理理器器，8086便是其中之一。便是其中之一。 v这这一一发发展展趋趋势势中中的的另另一一阶阶段段是是在在1981年年，贝贝尔尔实实验验室室和和HP公司开发出了公司开发出了32位单片微处理器。位单片微处理器。 vIntel于于1985年推出了年推出了32位微处理器位微处理器Intel 80386。 v到现在的到现在的64位处理器和多核处理器位处理器和多核处理器系统结构基本概念1.2.4 计算机的性能指标计算机的性能指标v吞吞吐吐量量表表征征一一台台计计算算机机在在某某一一时时间间间间隔隔内内能能够够处处
18、理理的的信息量，单位是字节信息量，单位是字节/秒（秒（B/S）。）。v响响应应时时间间表表征征从从输输入入有有效效到到系系统统产产生生响响应应之之间间的的时时间间度度量量，用用时时间间单单位位来来度度量量，例例如如微微秒秒（10-6S）、纳纳秒秒（10-9S）。）。v利利用用率率表表示示在在给给定定的的时时间间间间隔隔内内，系系统统被被实实际际使使用用的时间所占的比率，一般用百分比表示。的时间所占的比率，一般用百分比表示。v处处理理机机字字长长指指处处理理机机运运算算器器中中一一次次能能够够完完成成二二进进制制数数运运算算的的位位数数。当当前前处处理理机机的的字字长长有有8位位、16位位、32
19、位位、64位。位。字长越长，表示计算的精度越高。字长越长，表示计算的精度越高。系统结构基本概念v总总线线宽宽度度一一般般指指CPU中中运运算算器器与与存存储储器器之之间间进进行行互互连的内部总线二进制位数。连的内部总线二进制位数。v存存储储器器容容量量存存储储器器中中所所有有存存储储单单元元的的总总数数目目，通通常常用用KB、MB、GB、TB来来表表示示。其其中中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位位（1个个字字节节）。存存储储器器容容量量越越大大，记忆的二进制数越多。记忆的二进制数越多。v存存储储器器带带宽宽存存储储器器的的速速度度指指标标，单单位位时时间间内内从从存存储
20、储器读出的二进制数信息量，一般用字节数器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。秒表示。v主主频频/ /时时钟钟周周期期CPU的的工工作作节节拍拍受受主主时时钟钟控控制制，主主时时钟钟不不断断产产生生固固定定频频率率的的时时钟钟，主主时时钟钟的的频频率率（f）叫叫CPU的的主主频频。度度量量单单位位是是MHz（兆兆赫赫兹兹）、GHz（吉吉赫赫兹兹）。例例如如Pentium系系列列机机为为60MHz266MHz，而而Pentium4升至升至3.6GHz。系统结构基本概念v主主频频的的倒倒数数称称为为CPU时时钟钟周周期期（T），即即T=1/f，度度量量单单位位是是微秒、纳秒。微秒、纳秒。vC
21、PU执执行行时时间间表表示示CPU执执行行一一段段程程序序所所占占用用的的CPU时时间间，可用下式计算：可用下式计算：CPU执行时间执行时间CPU时钟周期数时钟周期数CPU时钟周期时钟周期vCPI表表示示每每条条指指令令周周期期数数，即即执执行行一一条条指指令令所所需需的的平平均均时钟周期数。用下式计算：时钟周期数。用下式计算：CPI执执行行某某段段程程序序所所需需的的CPU时时钟钟周周期期数数该该程程序序包包含含的的指指令令条条数数vMIPS表示每秒执行百万条定点指令数，用下式计算：表示每秒执行百万条定点指令数，用下式计算：MIPS指令条数指令条数（程序执行时间程序执行时间106）vFLOP
22、S表示每秒执行浮点操作次数，用下式计算：表示每秒执行浮点操作次数，用下式计算：MFLOPS=程序中的浮点操作次数程序中的浮点操作次数（程序执行时间（程序执行时间）系统结构基本概念1.3 计算机的硬件计算机的硬件一、硬件组成要素一、硬件组成要素通通过过一一个个例例子子我我们们来来了了解解数数字字计计算算机机的的主主要组成和工作原理。要组成和工作原理。v假假设设给给一一个个算算盘盘、一一张张带带有有横横格格的的纸纸和和一一支支笔笔，要求我们计算要求我们计算 y=ax+b-c 这样一个题目。这样一个题目。v解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。系统结构基本概
23、念手工模仿计算机工作（手工模仿计算机工作（1）手工模仿计算机工作（1）系统结构基本概念二、数字计算机二、数字计算机基本组成基本组成v控制器：人的大脑的操作控制功能控制器：人的大脑的操作控制功能v运算器：人的大脑的计算功能运算器：人的大脑的计算功能v存储器：人的大脑记忆功能存储器：人的大脑记忆功能v输入设备：交互接口，笔输入设备：交互接口，笔v输出设备：交互接口，纸输出设备：交互接口，纸系统结构基本概念三、三、 冯冯诺依曼计算机的基本思想诺依曼计算机的基本思想v采采用用二二进进制制形形式式表表示示数数据据和和指指令令。指指令令由由操操作作码码和和地地址址码组成；码组成；v将将程程序序和和数数据据
24、存存放放在在存存储储器器中中，使使计计算算机机在在工工作作时时从从存存储储器器取取出出指指令令加加以以执执行行，自自动动完完成成计计算算任任务务。这这就就是是“存存储储程程序序”和和“程程序序控控制制”（简简称称存存储储程程序序控控制制）的的概概念；念；v指指令令的的执执行行是是顺顺序序的的，即即一一般般按按照照指指令令在在存存储储器器中中存存放放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。的顺序执行，程序分支由转移指令实现。v计计算算机机由由存存储储器器、运运算算器器、控控制制器器、输输入入和和输输出出设设备备五五大基本部件大基本部件组成，规定了组成，规定了5部分的基本功能。部分的基本功能。系统结构
25、基本概念存储器输出输入运算器控制器数据信号控制信号地址信号冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机系统结构基本概念1.3 计算机的硬件系统组成计算机的硬件系统组成运运算算器器控控制制器器主存储器主存储器输入设备输入设备输出设备输出设备总总线线和和输输入入输输出出接接口口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟存储器(磁盘设备磁盘设备)（第二章第二章）（第五章第五章）（第第三三章章）（第六章第六章）（ 第第七七、八八章章）中央处理单元中央处理单元CPU系统结构基本概念1. 运算器运算器v算术运算算术运算v逻辑运算逻辑运算v采用二进制数（容易实现）采用二进制数（容易实现）v位数越多，计算精度越高位数越多，计算精度越
26、高v计算机的运算器长度：计算机的运算器长度： 8位、位、16位、位、32位或位或64位位运算电路单元寄存器B累加器A系统结构基本概念2. 存储器存储器v功能功能：保存或：保存或“记忆记忆”数据和运算过程数据和运算过程v存储的是存储的是0或或1表示的二进制代码表示的二进制代码v主存采用主存采用半导体器件半导体器件来作为存储器来作为存储器v一个半导体触发器记忆一个二进制位一个半导体触发器记忆一个二进制位v存存储储单单元元： 在在存存储储器器中中保保存存一一个个n位位二二进进制制数数的的n个个触触发器发器，组成一个存储单元组成一个存储单元v存存储储器器地地址址：存存储储器器是是由由许许多多存存储储单
27、单元元组组成成，每每个个存存储单元的编号储单元的编号，称为地址称为地址v存存储储容容量量：存存储储器器所所有有存存储储单单元元的的总总数数。通通常常用用单单位位“KB、MB、GB”等表示等表示v内存储器（主存）内存储器（主存）和和外存储器外存储器（辅存）辅存）系统结构基本概念表示参加运算的数据表示参加运算的数据从存储器的哪个单元取从存储器的哪个单元取运算的结果应存到哪个单元运算的结果应存到哪个单元3. 控制器控制器v控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作v指令指令有两部分：有两部分：操作的操作的性质性质和和操作的操作的地址地址操作码操作码地址码地址码指出指
28、令所进行的操作指出指令所进行的操作加、减、乘、除、取数、存数等加、减、乘、除、取数、存数等 指令指令操作码操作码加法加法减法减法乘法乘法除法除法取数取数存数存数打印打印停机停机001010011100101110111000系统结构基本概念指令指令操作码操作码加法加法减法减法乘法乘法除法除法取数取数存数存数打印打印停机停机001010011100101110111000y=ax+b-c系统结构基本概念电子计算机的设计思想电子计算机的设计思想v存储程序，程序控制存储程序，程序控制v“存储程序存储程序”，是把，是把指令指令以代码的形式事先输入到以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据
29、的同计算机的主存储器中，即用记忆数据的同 一装置一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成程序程序v“程序控制程序控制”，是当计算机启动后，程序就会控制，是当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务的信息处理任务v冯冯诺依曼型计算机的设计思想诺依曼型计算机的设计思想存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行系统结构基本概念控制器的基本任务控制器的基本任务v 按按照照计计算算程程序序所所排排的的指指令令序序列列，先先从从存存储储器器取取出出一一条条指指
30、令令放放到到控控制制器器中中，对对该该指指令令的的操操作作码码由由译译码码器器进进行行分分析析判判别别，然然后后根根据据指指令令性性质质，执执行行这这条条指指令令，进进行行相相应应的的操操作作。接接着着从从存存储储器器取取出出第第二二条条指指令令，再再执执行行第第二二条条指令，依次类推指令，依次类推v取指令的一段时间叫做取指令的一段时间叫做取指周期取指周期v执行指令的一段时间叫做执行指令的一段时间叫做执行周期执行周期v执行完成指令的时间，称为执行完成指令的时间，称为指令周期指令周期系统结构基本概念指令字和数据字，指令流和数据流指令字和数据字，指令流和数据流 v某字为一条指令，则称为某字为一条指
31、令，则称为指令字指令字v某字代表要处理的数据，称为某字代表要处理的数据，称为数据字数据字v在在取取指指周周期期中中从从内内存存读读出出的的信信息息是是指指令令流流，它它流流向向控控制制器器v而而执执行行周周期期中中从从内内存存读读出出的的信信息息流流是是数数据据流流，它它由由内内存存流向运算器流向运算器v时时间间上上：在在取取指指周周期期中中，CPU从从内内存存读读出出的的信信息息一一定定是是指指令令；而而执执行行周周期期中中从从内内存存读读出出或或写写入入的的信信息息一一定定是是数数据。据。v空空间间上上：指指令令一一定定流流向向控控制制器器；而而数数据据则则是是在在内内存存（或或寄存器）与
32、运算器之间流动寄存器）与运算器之间流动系统结构基本概念1.3.5适配器与输入输出设备适配器与输入输出设备v输输入入设设备备把把人人们们所所熟熟悉悉的的某某种种形形式式的的信信息息变变换换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。v输输出出设设备备把把计计算算机机处处理理的的结结果果变变换换为为人人或或其其它它机器所能接收和识别的信息形式。机器所能接收和识别的信息形式。vI/O设备设备通常统称为通常统称为外围设备。外围设备。v适适配配器器(I/O接接口口)相相当当与与一一个个转转换换器器，它它可可以以保保证证外外围围设设备备用用计计算算机机所所要要求求的
33、的形形式式发发送送或或接接收信息。收信息。v系系统统总总线线构构成成计计算算机机系系统统的的信信息息链链接接，是是多多个个系统部件之间进行数据传送的公共通路。系统部件之间进行数据传送的公共通路。系统结构基本概念v计计算算机机是是由由运运算算器器、存存储储器器、控控制制器器、适适配配器器、总总线线和和输输入入/输输出出设设备备组组成成的的。都都是是由由元元件件构构成成的的有有形形物物体体，因因而而称称为为硬硬件件或或硬硬设设备备。硬硬件件是是计计算算机机系系统统中中实实际际物物理理装装置置的的总称。总称。v计计算算程程序序，因因为为它它是是无无形形的的东东西西，称称为为软软件件或或软软设设备备。
34、软软件件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。v硬硬件件是是软软件件的的工工作作基基础础，软软件件是是硬硬件件功功能能的的扩扩充充和和完完善善。两两者者相相互互依依存存，相相互互促促进进。软软件件与与硬硬件件的的结结合合，构构成成完完整整的的计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统硬件硬件系统系统软件软件系统系统1.41.4计算机的软件计算机的软件系统结构基本概念计算机软件计算机软件程序程序数据数据文档文档软件分类软件分类操作系统操作系统 语言处理程序语言处理程序服务性程序服务性程序应用软件应用软件办公软件包办公软件包数据库管理系统数据库管理系统浏
35、览器浏览器实时控制软件实时控制软件诊断、排错程序诊断、排错程序反病毒程序反病毒程序备份程序备份程序文件压缩程序文件压缩程序卸载程序卸载程序图形图像处理软件图形图像处理软件其它应用软件其它应用软件系统软件系统软件系统结构基本概念软件的发展演变软件的发展演变v编程语言的发展编程语言的发展手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编高高级级程程序序：算算法法语语言言/高高级级语语言言，机机器器编编译译程程序序/解释程序解释程序v系统软件的发展系统软件的发展操作系统操作系统分布式系统软件分布式系
36、统软件系统结构基本概念目的程序目的程序v早早期期计计算算机机中中，人人们们直直接接用用机机器器语语言言编编写写程程序序，计计算算机机完完全全可可以以“识识别别”并并能能执执行行，所所以以又又叫叫做目的程序做目的程序v用用机机器器语语言言编编写写程程序序很很繁繁琐琐，又又耗耗费费大大量量的的人人力力和和时时间间，容容易易出出错错，出出错错后后寻寻找找错错误误也也相相当当费事，大大限制了计算机的使用费事，大大限制了计算机的使用系统结构基本概念汇编程序汇编程序v为为了了编编写写程程序序方方便便翻翻译译和和提提高高机机器器的的使使用用效效率，人们发明了率，人们发明了汇编语言。汇编语言。v汇汇编编语语言
37、言：用用约约定定的的文文字字、符符号号和和数数字字（助助记符记符）按规定的格式来表示各种不同的指令。）按规定的格式来表示各种不同的指令。v借借助助于于汇汇编编程程序序，计计算算机机本本身身自自动动地地把把符符号号语语言言表表示示的的程程序序（称称为为汇汇编编源源程程序序）翻翻译译成成用机器语言表示的目的程序用机器语言表示的目的程序系统结构基本概念高级语言高级语言v为为了了进进一一步步实实现现程程序序自自动动化化和和便便于于程程序序交交流流，使使不不熟熟悉悉具具体体计计算算机机的的人人也也能能很很方方便便地地使使用用计计算算机机，人人们们又又创创造造了了各各种种接接近近于于数数学学语语言言的的算
38、算法法语语言言（高高级级程程序序设设计语言）。计语言）。v算算法法语语言言是是指指按按实实际际需需要要规规定定好好的的一一套套基基本本符符号号以以及及由由这这套套基基本本符符号号构构成成程程序序的的规规则则。比比较较接接近近数数学学语语言言，直直观观通通用用，与与具具体体机机器器无无关关，只只要要稍稍加加学学习习就就能能掌掌握握，便于推广使用计算机。便于推广使用计算机。系统结构基本概念编译程序编译程序v用用算算法法语语言言编编写写的的程程序序称称为为源源程程序序，这这种种源源程程序序不不能能由由机机器器直直接接识识别别和和执执行行，必必须须给给计计算算机机配配备备一一个个即即懂懂算算法法语语言
39、言又又懂懂机机器器语语言言的的“翻翻译译”，才才能把源程序翻译为机器语言。能把源程序翻译为机器语言。v通常采用下面两种方法：通常采用下面两种方法：编编译译系系统统： 用用编编译译程程序序将将源源程程序序编编译译成成机机器器语语言言形式的目的程序，然后在目标系统运行。形式的目的程序，然后在目标系统运行。解解释释系系统统 ：逐逐个个解解释释并并立立即即执执行行源源程程序序的的语语句句，它它不不是是编编出出目目的的程程序序后后再再执执行行，而而是是直直接接逐逐一一解解释语句并得出计算结果。释语句并得出计算结果。系统结构基本概念1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构v第第一一级级是是微微程程
40、序序设设计计级级。这这是是一一个个实实在在的的硬硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。件级，它由机器硬件直接执行微指令。v第第二二级级是是一一般般机机器器级级，也也称称为为机机器器语语言言级级，它它由由微微程程序序解解释释机机器器指指令令系系统统。这这一一级级也也是是硬件级。硬件级。v第第三三级级是是操操作作系系统统级级，它它由由操操作作系系统统程程序序实实现。现。v第第四四级级是是汇汇编编语语言言级级，它它给给程程序序人人员员提提供供一一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。v第第五五级级是是高高级级语语言言级级，它它是是面面向向用用户户的的，为为方便
41、用户编写应用程序而设置的。方便用户编写应用程序而设置的。系统结构基本概念1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构用用户户级级高高级级语语言言级级汇汇编编语语言言级级系系统统软软件件级级机机器器级级控控制制级级数数字字逻逻辑辑级级 应用软件应用软件 系统软件系统软件 软硬件界面软硬件界面物理机物理机虚拟机虚拟机硬件硬件固件固件硬件直接执行硬件直接执行Level 0 (门电路、电子线路门电路、电子线路)Level 1 (微程序或硬布线微程序或硬布线)Level 2 (指令集结构指令集结构ISA)Level 3 (操作系统、库代码操作系统、库代码)Level 4 (汇编语言代码汇编语言代码)
42、Level 5 (C+，Java，等，等)Level 6 (可执行程序可执行程序)系统结构基本概念软件与硬件的逻辑等价性v随随着着大大规规模模集集成成电电路路技技术术的的发发展展和和软软件件硬硬化化的的趋趋势势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了v任任何何操操作作可可以以由由软软件件来来实实现现，也也可可以以由由硬硬件件来来实实现现；任任何何指指令令的的执执行行可可以以由由硬硬件件完完成成，也也可可以以由由软软件件来来完完成成v对对于于某某一一功功能能采采用用硬硬件件方方案案还还是是软软件件方方案案，取取决决于于器器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期
43、件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等等软件的特点软件的特点易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约；速度指标和软件容量的制约；硬件的特点硬件的特点可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。习题14. 4. 冯冯诺依曼计算机的主要设计思想是什诺依曼计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些组成部分？么？它包括哪些组成部分？ 5. 5. 什么是存储容量、单元地址、数据字、什么是存储容量、单元地址、数据字、指令字？指令字？7. 7. 计算机如何区分指令还是数据？计算机如何区分指令还是数据？14. 14. 计算机系统结构、计算机组织、计算机计算机系统结构、计算机组织、计算机实现三个术语的概念是什么？彼此有什实现三个术语的概念是什么？彼此有什么关系？么关系？
