1、計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 上海交通大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院 陳澤宇 博士 副教授2 本課程與計算機專業(yè)其他課程的關(guān)系 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課 離散數(shù)學(xué) 計算機基礎(chǔ)課計算機應(yīng)用基礎(chǔ) <國家統(tǒng)考) 計算機專業(yè)課硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)3計算機專業(yè)課軟件類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) <學(xué)位課)操作系統(tǒng) <學(xué)位課)程序設(shè)計 <C) 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計 <Java) 應(yīng)用軟件開發(fā) <C#) 數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用 網(wǎng)絡(luò)類 計算機網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)與信息安全硬件類計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用 講座信息技術(shù)前沿專題講座選修課軟件項目與項目管理 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理與維護 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計與管理維護 網(wǎng)絡(luò)攻擊與防御技術(shù) 可視計算及應(yīng)用4

2、第 1 章 計算機系統(tǒng)概論第 2 章 運算方法和運算器第 3 章 存儲系統(tǒng)第 4 章 指令系統(tǒng)第 5 章 中央處理器 <CPU )第 6 章 總線系統(tǒng)第 7 章 輸入輸出 <I/O )系統(tǒng)第 8 章 并行計算機系統(tǒng)5第 1 章 計算機系統(tǒng)概論1.1 計算機的分類、發(fā)展與應(yīng)用1.2 計算機的基本組成1.3 計算機系統(tǒng)的概念61.1 計算機的分類、發(fā)展與應(yīng)用1.1.1 計算機的分類1.1.2 計算機的發(fā)展簡況1.1.3 計算機的應(yīng)用7電子數(shù)字計算機 <Electronic Digital Computer ) 通常簡稱為計算機 <Computer ) 是按照一系列指令來對數(shù)

3、據(jù)進行處理的機器 計算機擁有眾多的物理形態(tài)個人計算機 <Personal Computer ， PC) 便攜計算機 <Portable Computer ) 又稱膝上型計算機 <Laptop Computer ) 嵌入式計算機 <Embedded Computer ) 使用最為廣泛的計算機形態(tài)8根據(jù) Church - Turing 理論， 任何一臺具有最基本功能的計算機，原則上都能夠執(zhí)行任何其他計算機可以執(zhí)行的任務(wù) 只要不考慮時間和存儲容量，性能和復(fù)雜度均相差甚遠(yuǎn)的各種計算機，都能夠執(zhí)行相同的 運算任務(wù)9 美國 SGI 公司為 NASA 制造 的 Columbia 超級

4、計算機 GNUX<GNU+Linux )操作系統(tǒng)下 運行視頻會議軟件的手表計算機101.1.1 計算機的分類1計算機分類2通用計算機分類111計算機分類 根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應(yīng)性來劃分，計算機可分為通用計算 機和專用計算機兩大類通用計算機 功能齊全，通用性強，適應(yīng)面廣，可完成各種各樣的工作 但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性12 專用計算機 是專為某些特定問題而設(shè)計的功能單一的計算機，一般結(jié)構(gòu)簡單 具有可靠性高、速度快、成本低的優(yōu)點，是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機 但是其適應(yīng)性很差132通用計算機分類通用計算機分為 6 類，其區(qū)別在于體積、復(fù)雜度、功耗、性能指標(biāo)、數(shù)

5、據(jù)存儲容量、指令 系統(tǒng)規(guī)模和價格超級計算機 <Supercomputer)大型機 <Mainframe )服務(wù)器 <Server)工作站 <Workstation )微型機 <Microcomputer )單片機 <Single-Chip Computer ）14超級計算機主要用于科學(xué)計算運算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他計算機，數(shù)據(jù)存儲容量很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴單片機是只用單片集成電路<lntegrated Circuit , IC）做成的計算機體積小，結(jié)構(gòu)簡單，性能指標(biāo)較低，價格便宜大型機、服務(wù)器、工作站、微型機結(jié)構(gòu)規(guī)模和性能指標(biāo)依次遞減隨著超大規(guī)模集成電路的

6、迅速發(fā)展，今天的工作站可能是明天的微型機，而今天的微型機 也可能是明天的單片機15計算機的發(fā)展簡況1 第一臺通用電子數(shù)字計算機2 數(shù)字計算機的發(fā)展史3計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程4 數(shù)字計算機的發(fā)展趨勢16“ Computer ”一詞最初指的是從事數(shù)值運算的人，他們往往借助于某種機械運算裝置來完成數(shù)值運算工作現(xiàn)在專指計算機，即電子數(shù)字計算機171 第一臺通用電子數(shù)字計算機ENIAC<Electro nic Numerical In tegrator And Computer，電子數(shù)字積分計算機）1946年，美國賓夕法尼亞大學(xué)18000多個電子管占地170平方M總重量達30噸耗電140千瓦每秒

7、能做5000次加減運算是科學(xué)史上一次劃時代的創(chuàng)新，奠定了現(xiàn)代電子數(shù)字計算機的基礎(chǔ)最初的結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠靈活，每一次重新編程都必須重新連線vRewiring ）18存儲程序體系結(jié)構(gòu) <Stored-Program Architecture ）給計算機一個指令序列<即程序），計算機會存儲它們，并在未來的某個時間里，從計算機存儲器中讀出，依照程序給定的順序執(zhí)行它們現(xiàn)代計算機區(qū)別于其他機器的主要特征，就在于這種可編程能力馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu) <von Neumann Architecture ）早在ENIAC完成之前，數(shù)學(xué)家約翰馮諾伊曼<John von Neumann）就在其論文中提

8、出了存儲程序計算機的設(shè)計思想因此，存儲程序體系結(jié)構(gòu)又稱為馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)大多數(shù)當(dāng)代計算機仍然采用馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)192 數(shù)字計算機的發(fā)展史從使用器件的角度來說，計算機的發(fā)展大致經(jīng)歷了5代的變化時間使用器件執(zhí)行速度 < 次/秒）典型應(yīng)用第1代19461957電子管幾千至幾萬數(shù)據(jù)處理機第2代19581964晶體管幾萬至幾十萬工業(yè)控制機第3代19651970小規(guī)模/中規(guī)模集成電路幾十萬至幾百萬小型計算機第4代19711985大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路幾百萬至幾千萬微型計算機第5代1986甚大規(guī)模集成電路幾億至上百億單片計算機20第一代計算機1946年到1957年使用電子管<Vacuum T

9、ube）作為電子器件使用機器語言與符號語言編制程序體積龐大，存儲容量小，成本很高，可靠性較低主要用于科學(xué)計算在此期間，形成了計算機的基本體系結(jié)構(gòu)，確定了程序設(shè)計的基本方法21第二代計算機1958年到1964年使用晶體管<Transistor）作為電子器件開始使用計算機高級語言體積縮小，存儲容量擴大，成本降低，可靠性提高不僅用于科學(xué)計算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理，并逐漸用于工業(yè)控制“工業(yè)控制機”開始得到應(yīng)用22第三代計算機1965年到1970年使用小規(guī)模集成電路<Small-Scale Integration , SSI）與中規(guī)模集成電路 <Medium-ScaleIntegr

10、ation , MSI）作為電子器件操作系統(tǒng)開始出現(xiàn)計算機小型化、微型化不僅用于科學(xué)計算，還用于文字處理、企業(yè)管理和自動控制等領(lǐng)域出現(xiàn)了管理信息系統(tǒng) <Ma nageme nt In formation System ， MIS）“小型計算機”開始出現(xiàn)23第四代計算機1971年到1985年使用大規(guī)模集成電路 <Large-Scale Integration , LSI）與超大規(guī)模集成電路<Very-Large-ScaleIntegration，VLSI ）作為電子器件計算機在辦公自動化、數(shù)據(jù)庫管理、圖像識別、語音識別和專家系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域大顯身手由幾片大規(guī)模集成電路組成的“微型

11、計算機”開始出現(xiàn)，并進入家庭24第五代計算機1986年開始采用甚大規(guī)模集成電路 <Ultra-Large-Scale Integration ， ULSI ）作為電子器件由一片甚大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的“單片計算機”開始出現(xiàn)25總體而言電子管計算機在整個 20世紀(jì)50年代居于統(tǒng)治地位20世紀(jì)60年代，晶體管計算機逐漸取而代之20 世紀(jì) 70 年代，集成電路技術(shù)的采用和其后微處理器的產(chǎn)生，導(dǎo)致計算機有了一次新的 飛躍20世紀(jì) 80年代，計算機被個人廣泛使用，成為現(xiàn)在無處不在的個人計算機20 世紀(jì) 90 年代以來，幾乎所有的現(xiàn)代電子設(shè)備都會包含某種形式的計算機在內(nèi)263計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程在

12、馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以提高速度、擴大存儲容量、降低成本、提高系統(tǒng)可靠 性、方便用戶使用為目的，不斷采用新的器件、研制新的軟件 主要是指令系統(tǒng)、微程序設(shè)計、流水線結(jié)構(gòu)、多級存儲器體系結(jié)構(gòu)、輸入/ 輸出體系結(jié)構(gòu)、并行體系結(jié)構(gòu)、分布式體系結(jié)構(gòu)、多媒體體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的形成和發(fā)展274數(shù)字計算機的發(fā)展趨勢1）多處理2）網(wǎng)絡(luò)化3）智能化4）微型化5）巨型化6）多媒體281）多處理多處理 <Multiprocessing ）在一個或多個 CPU 之間劃分工作 傳統(tǒng)上用于超級計算機、大型機和服務(wù)器這類大型、強大的計算機上 超級計算機經(jīng)常擁有幾千個 CPU、定制的高速互連網(wǎng)絡(luò)和專

13、門的計算硬件低端市場應(yīng)用配備多處理器 <Multiprocessor ）和多核 <Multi-Core ）處理器的臺式 /便攜式計算機292）網(wǎng)絡(luò)化20 世紀(jì) 70 年代， 美國國防部高級研究計劃署 <ARPA ）資助形成 ARPANET 此后，該網(wǎng)絡(luò)傳播開來，最終形成了互聯(lián)網(wǎng) <Internet ）20 世紀(jì) 90 年代，電子郵件 <e-Mail ）和萬維網(wǎng) <World Wide Web ， WWW ）等應(yīng)用普及以太網(wǎng) <Ethernet）和非對稱數(shù)字用戶線路 <Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL

14、 ）等 廉價、快速聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展計算機網(wǎng)絡(luò)變得無處不在303）智能化 人們將用自然語言和機器對話 計算機將從數(shù)值計算為主過渡到知識推理為主,進入知識處理階段4）微型化 微型計算機將向更加微型化、網(wǎng)絡(luò)化、高性能、多用途方向發(fā)展5）巨型化 超級計算機將向更加巨型化、超高速、并行處理、智能化方向發(fā)展316）多媒體多媒體信息文本、圖像、圖形、聲音、視頻等多媒體計算機 將真正改善人機界面 使計算機向著人類接受和處理信息的最自然的方式發(fā)展321.1.3 計算機的應(yīng)用1科學(xué)計算2自動控制3測量測試4信息處理5教育衛(wèi)生6電子電器7人工智能331科學(xué)計算科學(xué)計算領(lǐng)域數(shù)學(xué)、化學(xué)、原子能、天文學(xué)、地球物理學(xué)、生物學(xué)等

15、基礎(chǔ)科學(xué)研究 航天飛行、飛機設(shè)計、橋梁設(shè)計、水力發(fā)電、地質(zhì)找礦、天氣預(yù)報等方面的大量計算 益處大大減輕計算工作量 一些以往無法解決、無法及時解決或無法精確解決的問題得到圓滿的解決342自動控制有了體積小、價廉、可靠的微型機和單片機作為工具，自動控制進入了以計算機為主要控 制設(shè)備的新的發(fā)展階段353測量測試提高測量精度提高工作效率完成非人力所能完成的測量和測試任務(wù) 如高溫、低溫、有毒、輻射環(huán)境的測量和測試，核爆炸時的數(shù)據(jù)采集等等 364信息處理人本身就是一個非常高級的信息處理系統(tǒng) 一臺計算機實際上就是一臺信息處理機 可用來處理文字、表格、圖像、聲音等各類信息 信息處理的典型應(yīng)用辦公自動化、管理信

16、息系統(tǒng)、電子銀行<e-Banking )、電子購物 <e-Shopping )、網(wǎng)上訂票、虛擬圖書館、網(wǎng)絡(luò)流媒體 <Streaming Media )375教育衛(wèi)生計算機輔助教案 <Computer-Aided Instruction ， CAI )基于網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教案 <Distance Learning ，或 e-Learning )38使用計算機的各種醫(yī)療設(shè)備CT 圖像處理設(shè)備、心腦電圖分析儀、血液分析儀專家系統(tǒng) 中醫(yī)專家診療系統(tǒng)、各種疾病的電子診療系統(tǒng)396電子電器 電子電器產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用了各種嵌入式計算機 微波爐、洗衣機、家用空調(diào)、 DVD 播放機、電

17、子玩具、游戲機 電子電器產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化許多家用電器可以通過各種有線或無線的網(wǎng)絡(luò)連接<如 Internet 、紅外線、藍牙等），完成自身程序的自動更新、遠(yuǎn)程控制等復(fù)雜任務(wù)407人工智能人工智能簡而言之就是使計算機模仿人的高級思維活動 文字識別、圖形識別、景物分析、語音識別、語音合成、語言理解 機器人人工智能研究中最突出的成就41工業(yè)機器人在生產(chǎn)線上完成簡單重復(fù)的工作 代替人類在高溫、有毒、輻射、深水等惡劣環(huán)境下工作 智能機器人自己識別控制對象和工作環(huán)境 自動作出判斷和決策 直接領(lǐng)會人的命令和意圖 避開障礙物，適應(yīng)環(huán)境變化 靈活機動地完成指定的控制任務(wù)與信息處理任務(wù) 汽車生產(chǎn)中的工業(yè)機器人421

18、.2 計算機的基本組成1.2.1 計算機硬件1.2.2 計算機軟件1.2.3 軟件與硬件的邏輯等價性43計算機由硬件 <Hardware ）和軟件 <Software ）兩部分組成 硬件是基礎(chǔ)，是軟件活動的舞臺軟件是靈魂，使硬件最大限度地發(fā)揮作用兩者缺一不可計算機硬件由物理元器件構(gòu)成的有形實體 主要是數(shù)字邏輯電路 計算機軟件由計算機程序構(gòu)成的無形的東西需要存儲在有形的硬件 <如主存儲器、硬盤等）中 可以實現(xiàn)更高層次的邏輯功能441.2.1 計算機硬件1控制器2運算器3存儲器4輸入輸出設(shè)備5總線45 計算機硬件是組成計算機的所有電子器件和機電裝置的總稱馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)主要特點：

19、使用二進制數(shù)和存儲程序 設(shè)計思想：存儲程序并按地址順序執(zhí)行 把程序及其操作數(shù)據(jù)一同存儲 哈佛體系結(jié)構(gòu) <Harvard Architecture ） 把程序與其操作數(shù)據(jù)分開存儲 源自 Harvard Mark I 計算機現(xiàn)代的馮諾伊曼計算機在設(shè)計中展示出了某些哈佛體系結(jié)構(gòu)的特性，如高速緩存Cache46馮諾伊曼計算機具有5大部件控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備 <CAI 演示） 這些部件用總線相互連接中央處理器 <Central Processing Unit ， CPU） 控制器和運算器的合稱早期由許多分立元件組成， 現(xiàn) 在通常 被制作 在單片 集成電路上， 稱為

20、微處理器 <Microprocessor ）CPU 和存儲器通常組裝在一個機箱內(nèi)，合稱為主機 除去主機以外的硬件裝置稱為外圍設(shè)備47計算機系統(tǒng)工作時，輸入設(shè)備將程序與數(shù)據(jù)存入存儲器 控制器從存儲器中逐條取出指令，將其解釋成控制命令，去控制各部件的動作 數(shù)據(jù)在運算器中加工處理，處理后的結(jié)果通過輸出設(shè)備輸出481控制器1）控制器的基本工作流程2）控制器的基本任務(wù)3）指令和數(shù)據(jù)49控制器是計算機的管理機構(gòu)和指揮中心 按照預(yù)先確定的操作步驟，協(xié)調(diào)控制計算機各部件有條不紊地自動工作 控制器工作的實質(zhì)就是解釋程序逐條讀取、分析、執(zhí)行指令，控制各部件動作 高級計算機中的控制器可以改變某些指令的順序，以

21、改善性能 程序計數(shù)器 <Program Counter ）是一個特殊的寄存器記錄著將要讀取的下一條指令在存儲器中的位置501）控制器的基本工作流程一種簡化描述 從程序計數(shù)器所指示的存儲單元中，讀取下一條指令代碼 把指令代碼譯碼為一系列命令或信號，發(fā)向各個不同的功能部件 遞增程序計數(shù)器，以指向下一條指令 根據(jù)指令需要，從存儲器<或輸入設(shè)備）讀取數(shù)據(jù)，所需數(shù)據(jù)的存儲器位置通常保存在指令代碼中 把讀取的數(shù)據(jù)提供給運算器或寄存器 如果指令需要由運算器 <或?qū)ｉT硬件）來完成，則命令運算器執(zhí)行所請求的操作 把來自運算器的計算結(jié)果寫回到存儲器、寄存器或輸出設(shè)備 轉(zhuǎn)回第步512）控制器的基本

22、任務(wù)控制器的基本任務(wù) 按照程序所排的指令序列，從存儲器取出一條指令<簡稱取指），對該指令進行譯碼分析，根據(jù)指令性質(zhì)，執(zhí)行這條指令 再取指、譯碼、執(zhí)行，52 取指周期與執(zhí)行周期 把取指令的一段時間稱為取指周期 把執(zhí)行指令的一段時間稱為執(zhí)行周期 控制器反復(fù)交替地處在取指周期與執(zhí)行周期之中 指令順序存放每取出一條指令，程序計數(shù)器就加1，為取下一條指令做好準(zhǔn)備正因為如此，指令在存儲器中必須順序存放533）指令和數(shù)據(jù) 計算機中有兩股信息在流動 控制信息即操作命令發(fā)源地是控制器，分散流向各個部件數(shù)據(jù)信息 受控制信息的控制，從一個部件流向另一個部件，邊流動邊加工處理 如何區(qū)分存放在一起的指令和數(shù)據(jù)？

23、取指周期中從存儲器讀出的信息流是指令流由存儲器流向控制器 執(zhí)行周期中從存儲器讀出的信息流是數(shù)據(jù)流由存儲器流向運算器54<CAI 演2運算器 運算器是一個用于信息加工的部件，用于對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算 運算器通常由算術(shù)邏輯單元 <Arithmetic Logic Unit ， ALU ）和一系列寄存器組成 示）ALU 是具體完成算術(shù)與邏輯運算的單元是運算器的核心 由加法器和其他邏輯運算單元組成 寄存器用于存放參與運算的操作數(shù)累加器一個特殊的寄存器除了存放操作數(shù)之外，還用于存放中間結(jié)果和最后結(jié)果55ALU 所支持的算術(shù)運算 可能僅局限于加法和減法，也可能包括乘法、除法，甚至三角函

24、數(shù)和平方根 有些只支持整數(shù)，有些則可以使用浮點來表示有限精度的實數(shù) 任何計算機都可以通過編程來執(zhí)行任何的算術(shù)運算簡單的計算機可以通過編程，把復(fù)雜的運算分解成它可以執(zhí)行的簡單步驟如果 ALU 不能從硬件上直接支持，則可把復(fù)雜運算用軟件方式實現(xiàn)，但需要花費較多的時 間56ALU 所支持的邏輯運算與AND ）、或0R）、異或XOR ）、非NOT ）等布爾運算比較數(shù)值新型 ALU超標(biāo)量Superscalar）計算機包含多個 ALU可以同時處理多條指令 圖形處理器和具有并行特性的計算機的 ALU 可以執(zhí)行矢量和矩陣算術(shù)運算573存儲器1）主存儲器2）寄存器3）閃速存儲器4）高速緩沖存儲器 Cache5）

25、輔助存儲器58 存儲器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù) 程序和數(shù)據(jù)都用二進制數(shù)表示，統(tǒng)稱為信息 向存儲器存入或從存儲器取出信息，都稱為訪問存儲器 存儲器由一系列存儲單元組成 每個存儲單元的編號稱為地址要按給定的地址來尋找所選擇的存儲單元信息單位位bit，簡寫成b）數(shù)字計算機的最小信息單位包含 1 位二進制信息 0 或 1）字節(jié)Byte，簡寫成B）由 8 位二進制信息組成字 Word ） 計算機一次所能處理的二進制位數(shù)，至少一個字節(jié) 通常把組成一個字的二進制位數(shù)稱為字長 例如微型機的字長可以少至 8 位，多至 32位，甚至達到 64位59存儲容量 存儲器中所有存儲單元的總數(shù)常用單位KBKilobyte

26、 ，千字節(jié)）、 MBMegabyte ，兆字節(jié)）、 GBGigabyte ，千兆字節(jié)） 各級單位之間的關(guān)系1KB=1024B ， 1MB=1024KB ， 1GB=1024MB存儲器分類 按照存儲器在計算機中的作用，可分為主存儲器、寄存器、閃速存儲器、高速緩沖存儲 器、輔助存儲器等幾種類型 它們均可完成數(shù)據(jù)的存取工作，但性能及其在計算機中的作用差別很大601）主存儲器主存儲器 Main Memory ，簡稱主存）通常采用半導(dǎo)體存儲器 隨機存取存儲器 Random Access Memory ， RAM ） CPU 可讀寫 掉電時內(nèi)容被消除 只讀存儲器 Read-Only Memory ， RO

27、M ）CPU 只能讀取 掉電時可保留其數(shù)據(jù) 事先加載了固化的數(shù)據(jù)和軟件 如 PC 機的 BIOS ，無盤嵌入式計算機的全部軟件） 存儲在 ROM 中的軟件常被稱為固件 Firmware ）612）寄存器寄存器Register）是CPU內(nèi)部的一組特殊存儲單元 讀寫速度比主存快得多 通常被用于使用最為頻繁的數(shù)據(jù)項，以避免多次訪問主存 減少主存訪問可大大加快計算機速度623）閃速存儲器閃速存儲器 Flash Memory ，簡稱閃存）像 ROM 一樣在關(guān)機時保留數(shù)據(jù)像 RAM 一樣可被重寫 通常比 ROM 和 RAM 慢得多 用于非高速的應(yīng)用場合634）高速緩沖存儲器 Cache 高速緩沖存儲器 簡

28、稱高速緩存） Cache 比寄存器慢，但比主存快位于 CPU 和主存儲器之間 規(guī)模較小，但速度很快 能夠很好地解決 CPU 和主存之間的速度匹配問題 計算機自動把頻繁訪問數(shù)據(jù)移入Cache,無需人工干預(yù)當(dāng)需要讀寫數(shù)據(jù)時， CPU 首先訪問 Cache 只有當(dāng)Cache中不包含所需要的數(shù)據(jù)時，CPU才去訪問主存645）輔助存儲器外存儲器 簡稱外存）或輔助存儲器 簡稱輔存） 軟盤存儲器、硬盤存儲器、光盤存儲器等 存放當(dāng)前不在運行的程序和未被用到的數(shù)據(jù) 存儲容量大、成本低，可脫機保存信息 相對而言，半導(dǎo)體存儲器稱為內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存65 4輸入輸出設(shè)備I/O設(shè)備或外圍設(shè)備（Peripheral，簡稱

29、外設(shè)1）輸入設(shè)備2）輸出設(shè)備3）適配器661）輸入設(shè)備 將人們熟悉的信息形式，變換成計算機能接受并識別的二進制信息形式 理想的輸入設(shè)備應(yīng)該是“會看”和“會聽”的鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等，以及用于文字識別、圖像識別、語音識別的設(shè)備672）輸出設(shè)備 將計算機輸出的處理結(jié)果信息，轉(zhuǎn)換成人類或其他設(shè)備能夠接受和識別的信息形式 理想的輸出設(shè)備應(yīng)該是“會寫”和“會講”的激光打印機、繪圖儀、 CRT/LCD 顯示器等，以及輸出語言的設(shè)備<如語音合成產(chǎn)品）683）適配器外圍設(shè)備通過適配器 <Adapter ）部件與主機相連接 作用相當(dāng)于轉(zhuǎn)換器，保證外圍設(shè)備按照計算機系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息

30、使主機和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作695總線計算機系統(tǒng)通過總線 <Bus ）將CPU、主存儲器及I/O設(shè)備連接起來 總線是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路 按照信號類型，可將總線分為數(shù)據(jù)總線主要傳送數(shù)據(jù)，雙向，可輸入輸出地址總線傳送地址信息，單向，決定數(shù)據(jù)或命令傳送給誰控制總線傳送各種控制信號701.2.2 計算機軟件 計算機軟件是程序的有序集合，而程序則是指令的有序集合1軟件系統(tǒng)2程序設(shè)計語言3操作系統(tǒng)4數(shù)據(jù)庫711軟件系統(tǒng) 一臺計算機中全部程序的集合，統(tǒng)稱為這臺計算機的軟件系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為有效使用計算機而配置的 計算機軟件按其功能可分為

31、應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類721）應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是為解決某種應(yīng)用問題而編制的程序732）系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的管理、調(diào)度、監(jiān)視和服務(wù)等功能 系統(tǒng)軟件一般包括以下 6 類：74服務(wù)性程序 又稱為工具軟件，包括診斷程序、調(diào)試程序等75語言處理程序?qū)⒂脜R編語言或高級語言編制的源程序，翻譯成機器可以直接識別的目的程序<機器語言程序）不同語言的源程序，對應(yīng)有不同的語言處理程序76操作系統(tǒng) 控制和管理計算機的各種資源 自動調(diào)度用戶作業(yè)程序處理各種中斷 是用戶與計算機的接口77數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫 是一種計算機軟、硬件資源組成的系統(tǒng) 能夠有組織、動態(tài)地存儲大量的相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問

32、 數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件一起，組成了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)78標(biāo)準(zhǔn)庫程序 是為方便用戶而預(yù)先按照標(biāo)準(zhǔn)格式編制好的一些常用程序段所組成的標(biāo)準(zhǔn)程序庫79 計算機網(wǎng)絡(luò)軟件 是為計算機網(wǎng)絡(luò)而配置的系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)資源進行組織和管理，實現(xiàn)相互之間的通 信包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信處理程序 前者實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源管理后者實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)操作802程序設(shè)計語言1）機器語言2）匯編語言3）算法語言811）機器語言早期人們直接用機器語言 <即機器指令代碼）編寫程序，計算機完全可以“識別”并執(zhí) 行，所以又叫做目的程序但是用機器語言編寫程序需要耗費大量的人力和時間，且容易出錯822）匯編語言 指令助記符 為了編寫程序方便、提高

33、機器使用效率，人們用約定的文字、符號和數(shù)字按規(guī)定格式來表 示各種不同的指令，每條基本指令都被指定了一個表示其功能又便于記憶的短的名字，稱 為指令助記符 <如 ADD 、SUB、MULT 、 JUMP 等）匯編語言 <Assembly Language ） 用指令助記符表示的指令來編寫程序 匯編程序 <Assembler ） 用來把匯編語言程序轉(zhuǎn)換為計算機可以理解的、用機器語言表示的目的程序 機器語言及匯編語言，對于特定類型的計算機而言是唯一的一臺 ARM 體系結(jié)構(gòu)的計算機無法理解一臺 Intel Pentium 計算機的機器語言833）算法語言 算法語言 是指按實際需要規(guī)定好

34、的一套基本符號，以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則比較接近數(shù)學(xué)語言，直觀通用，與具體機器無關(guān) 有影響的算法語言包括 BASIC 、 FORTRAN 、C、C+、JAVA 等 復(fù)雜程序采用算法語言編寫，能夠更便利地表達程序員的設(shè)計思想，幫助減少程序錯誤 源程序 <Source) 是指用算法語言編寫的程序 不能由機器直接識別和執(zhí)行必須“翻譯”為機器語言后才能由機器識別和執(zhí)行84 源程序“翻譯”方法 編譯程序 <Compiler ) 把用算法語言編寫的源程序翻譯成目的程序，然后在運行系統(tǒng)中執(zhí)行目的程序，得出計算 結(jié)果編譯程序和運行系統(tǒng)合稱為編譯系統(tǒng) 解釋程序 <Interpreter

35、 ) 進行解釋執(zhí)行，即逐個解釋并立即執(zhí)行源程序的語句 不是編譯出目的程序后再執(zhí)行，而是逐一解釋語句并立即得出計算結(jié)果 853操作系統(tǒng) 管理計算機資源 <如處理器、存儲器、外圍設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序) 自動調(diào)度用戶的作業(yè)程序使多個用戶能有效地共用一套計算機系統(tǒng)864數(shù)據(jù)庫 大量數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來，形成數(shù)據(jù)庫<Database，DB )數(shù)據(jù)庫就是實現(xiàn)有組織、動態(tài)地存儲大量相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計算機軟、硬件資 源所組成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件一起，組成了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)<Database Management System ，DBMS )871.2.3 軟件與

36、硬件的邏輯等價性 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢 任何操作既可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn) 任何指令的執(zhí)行都可以由硬件完成，也可以由軟件來完成 計算機系統(tǒng)的軟件與硬件可以互相轉(zhuǎn)化，互為補充 軟件固化把復(fù)雜的、常用的程序用只讀存儲器制作成固件 (Firmware> 就其功能而言是軟件，但從形態(tài)來說又是硬件 本來通過軟件手段實現(xiàn)的某些功能，現(xiàn)在可以通過硬件直接解釋執(zhí)行 一些當(dāng)代計算機的特點，就是把原來通過編制程序?qū)崿F(xiàn)的操作，改為直接由硬件完成，如 整數(shù)乘除法指令、浮點運算指令、處理字符串指令等等881.3 計算機系統(tǒng)的概念1.3.1 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3.2 計算機

37、系統(tǒng)的 3 個術(shù)語1.3.3 計算機體系結(jié)構(gòu)的分類891.3.1 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)是硬件、固件和軟件組成的一個十分復(fù)雜的整體 為了對計算機系統(tǒng)進行描述、分析、設(shè)計和使用，人們從語言的角度出發(fā)，把計算機系統(tǒng)按功能劃分成5個層次級別每一級以一種不同的語言為特征每一級都能進行程序設(shè)計90第1級是微程序設(shè)計級，屬于硬件級，由機器硬件直接執(zhí)行微指令，也可直接用組合邏輯 和時序邏輯電路實現(xiàn)第2級是機器語言級，也屬于硬件級，由微程序解釋機器指令系統(tǒng)第3級是操作系統(tǒng)級，屬于 軟硬件）混合級，由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)第4級是匯編語言級，屬于軟件級，由匯編程序支持和執(zhí)行第5級是高級語言級，也屬于軟件

38、級，由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行91第1級微程序設(shè)計 級由機器硬件直接執(zhí)行微指令硬件級二進制語言第2級機器語言級由微程序解釋機器指令系統(tǒng)第3級操作系統(tǒng)級由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)混合級第4級匯編語言級由匯編程序支持和執(zhí)行軟件級符號語言第5級咼級語言級由各種高級語言編譯程序支持和 執(zhí)行各層次之間關(guān)系緊密，上層是下層功能的擴展，下層是上層的基礎(chǔ)92計算機系統(tǒng)的3個術(shù)語1 計算機體系結(jié)構(gòu)2 計算機組成3 計算機實現(xiàn)931 計算機體系結(jié)構(gòu)計算機體系結(jié)構(gòu)Computer Architecture ）定義為機器語言程序員所看到的計算機系統(tǒng)的屬 性這些屬性是計算機系統(tǒng)中由硬件或固件完成的功能對通用寄存器型機器來說，這些屬性主要包括：數(shù)據(jù)表