第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

一、考試范圍：（一）計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程（二）計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)1、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成2、計(jì)算機(jī)軟件的分類3、計(jì)算機(jī)的工作過程（三）計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)吞吐量、響應(yīng)時(shí)間；CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時(shí)間；MIPS、MFLOPS。1

二、復(fù)習(xí)要點(diǎn)了解計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的硬件基本組成、軟件分類和工作過程。了解計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)及有關(guān)的計(jì)算和術(shù)語解釋

軟件、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。高級(jí)語言、匯編語言、機(jī)器語言。存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)元件、存儲(chǔ)基元、存儲(chǔ)字、存儲(chǔ)字長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量。機(jī)器字長(zhǎng)、指令字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)。英文縮寫：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MAR、MDR、I／O、MIPS、CPI、MIPS、MIPS。2一、硬件的發(fā)展第一代電子管時(shí)代(1946-1957)

耗電高，體積大，定點(diǎn)計(jì)算，機(jī)器語言，匯編語言第二代晶體管時(shí)代(1958-1964)

變集中處理為分級(jí)處理，浮點(diǎn)運(yùn)算、高級(jí)語言第三代中小規(guī)模集成電路時(shí)代(1965-1971)

存儲(chǔ)容量大，運(yùn)算速度快，幾十至幾百萬次/秒第四代大規(guī)模集成電路時(shí)代(1971至今)

向大型機(jī)和微型機(jī)兩個(gè)方向發(fā)展現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展方向巨型化，微型化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，多媒體化，多核。31.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程二、計(jì)算機(jī)的分類信號(hào)類型分類：模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)。規(guī)模分類：嵌入式、單片機(jī)、微型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)和巨型機(jī)。發(fā)展歷程分：電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。指令流和數(shù)據(jù)流：1）單指令流和單數(shù)據(jù)流SISD（馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)）；2）單指令流和多數(shù)據(jù)流SIMD（向量處理機(jī)）；3）多指令流和單數(shù)據(jù)流MISD（實(shí)際不存在）；4）多指令流和多數(shù)據(jù)流MIMD（多處理機(jī)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）。41.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)一、

計(jì)算機(jī)硬件的基本組成

1、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)

1945年，馮·諾依曼提出了存儲(chǔ)程序的概念，即將程序和數(shù)據(jù)一起存放在存儲(chǔ)器中，稱為馮.諾依曼機(jī)。其特點(diǎn)為：

(1)計(jì)算機(jī)硬件由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成。

(2)指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器內(nèi)．并可按地址尋訪。5(3)指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制代碼表示。

(4)指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置。

(5)指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放。通常，指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果或根據(jù)設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序。

(6)早期的馮.諾依曼機(jī)以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備通過運(yùn)算器與存儲(chǔ)器傳送數(shù)據(jù)。61.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)2、計(jì)算機(jī)硬件的組成CPU（包括運(yùn)算器和控制器）存儲(chǔ)器ROMRAM輸入/輸出設(shè)備(I/O設(shè)備)總線D—BUSA—BUSC—BUS7運(yùn)算器和控制器

CPU存儲(chǔ)器輸入輸出設(shè)備地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖8算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運(yùn)行存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)二、

計(jì)算機(jī)軟件的組成9軟件組成系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)或管理軟件匯編程序高級(jí)語言的編譯或解釋程序故障診斷或檢驗(yàn)程序系統(tǒng)調(diào)試程序數(shù)據(jù)庫管理程序使用者根據(jù)需要采用各類語言編寫的各種應(yīng)用程序，包括各類應(yīng)用軟件包

沒有配備任何軟件的“裸機(jī)”無法投入使用，沒有配備足夠的軟件，其功能就不能很好的發(fā)揮。計(jì)算機(jī)軟件的分類如下：

1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)的語言簡(jiǎn)介10自然語言：人類相互交流信息所用的語言

高級(jí)語言：由于當(dāng)前的計(jì)算機(jī)還不具備理解自然語言的能力，于是人們希望找到一種和自然語言接近并能為計(jì)算機(jī)接受的語言，這種語言被稱為計(jì)算機(jī)的高級(jí)語言。

匯編語言：用助記符和符號(hào)地址表示的語言，屬于低級(jí)語言。機(jī)器語言：然而目前的通用計(jì)算機(jī)不會(huì)直接執(zhí)行用高級(jí)語言編寫的程序，因而要先將其翻譯成機(jī)器能執(zhí)行的語言，這種語言被稱為機(jī)器語言（由二進(jìn)制代碼表示的指令組成）。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)．它由硬件和軟件兩大部分組成。讀者必頒清楚地認(rèn)識(shí)到硬件和軟件各自在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用以及它們相互之間的依存關(guān)系。硬件是指計(jì)算機(jī)的實(shí)體部分。它由看得見摸得著的各種電子元器件及各類光、電、機(jī)設(shè)備的實(shí)物組成，包括主機(jī)、外設(shè)等。軟件是看不見摸不著的，由人們事先編制成的具有各類特殊功能的信息組成。通常把這些信息，諸如各類程序存儲(chǔ)于各類媒體中，如RAM、ROM、磁盤、光盤、磁帶甚至紙帶等。

111.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

硬件必須依靠軟件來發(fā)揮其自身的各種功能及提高自身的工作效率。軟件甚至還能使硬件發(fā)揮類似人腦思維的功能。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)倘若失去了軟件，其硬件將一籌莫展，猶如人類失去了大腦。而軟件必須依托硬件的支撐才能真正施展其才華，一旦失去了硬件，猶如人類失去了軀體，軟件也毫無意義。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件互依互存，互相發(fā)展，缺一不可。121.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)13高級(jí)語言虛擬機(jī)器M3匯編語言虛擬機(jī)器M2機(jī)器語言實(shí)際機(jī)器M1微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器M01.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)14用編譯程序翻譯成匯編語言程序用匯編程序翻譯成機(jī)器語言程序用機(jī)器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件虛擬機(jī)器M4虛擬機(jī)器M3虛擬機(jī)器M2實(shí)際機(jī)器M1微程序機(jī)器M01.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)15程序員所見到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性有無乘法指令如何實(shí)現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/O機(jī)理）（具體指令的實(shí)現(xiàn)）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)四、計(jì)算機(jī)的工作過程本節(jié)要求讀者掌握一個(gè)較細(xì)化的計(jì)算機(jī)組成框圖，如下圖所示。而且要求根據(jù)此圖描述計(jì)算機(jī)內(nèi)部的控制流和數(shù)據(jù)流的變化，從而初步認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的工作過程。圖中主存儲(chǔ)器由存儲(chǔ)體M、MAR和MDR組成。存儲(chǔ)體由很多存儲(chǔ)單元組成，用來存放指令或數(shù)據(jù)，MAR存放欲訪問的存儲(chǔ)單元的地址，MDR存放從存儲(chǔ)單元讀出的信息或即將存入某存儲(chǔ)單元的信息。運(yùn)算器由累加器Acc、操作數(shù)寄存器x和算術(shù)邏輯部件ALU組成，用來完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。控制器由PC、IR、CU組成，PC存放欲執(zhí)行指令的地址，IR存放欲執(zhí)行的指令，CU用來發(fā)出各種操作命令。161.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)171.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.上機(jī)前的準(zhǔn)備建立數(shù)學(xué)模型-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序確定計(jì)算方法程序—運(yùn)算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令—每一個(gè)步驟（一）、計(jì)算機(jī)的工作步驟1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)取x

至運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中乘以a在運(yùn)算器中存ax2在存儲(chǔ)器中取b至運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中加ax2

在運(yùn)算器中加c在運(yùn)算器中=(ax+b)x+c取x

至運(yùn)算器中乘以a在運(yùn)算器中加b在運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中加c在運(yùn)算器中計(jì)算ax2+bx+c編程舉例1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)0000010000001000打印

停機(jī)取數(shù)α[α]ACC存數(shù)β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]

ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式舉例操作碼地址碼

[

]打印機(jī)1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000010000001000取數(shù)x至ACC10001000000001001乘a得ax存于ACC中20000110000001010加b得ax+b,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c,存于ACC50000100000001100將ax2+bx+c存于主存單元60001010000001100打印7000110停機(jī)8

x原始數(shù)據(jù)x9

a原始數(shù)據(jù)a10

b原始數(shù)據(jù)b11

c原始數(shù)據(jù)c12存放結(jié)果計(jì)算ax2+bx+c程序清單1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)ACCMQX2.計(jì)算機(jī)的解題過程(1)運(yùn)算器的基本組成及操作過程被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位運(yùn)算器MQACCALUX1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)運(yùn)算器MQACCALUXACC被加數(shù)ACC初態(tài)①加法操作過程[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)②減法操作過程運(yùn)算器MQACCALUX指令減MACC被減數(shù)ACC初態(tài)[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)運(yùn)算器MQACCALUXACCACC被乘數(shù)初態(tài)ACCMQ[M]MQ指令乘M③乘法操作過程X[ACC]X00ACCALU[X]×[MQ]ACC∥MQACCMQ1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)運(yùn)算器MQACCALUXACC被除數(shù)ACC初態(tài)[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余數(shù)在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作過程1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)體大樓存儲(chǔ)單元存放一串二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)字存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)按地址尋訪–存儲(chǔ)單元–存儲(chǔ)元件（0/1）–

房間–

床位（無人/

有人）(2)存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARMDR1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)MARMDR存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)

16存儲(chǔ)字長(zhǎng)

8

設(shè)MAR

=

4

位

MDR

=

8

位存儲(chǔ)器地址寄存器反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)(2)存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MARMDR1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCU取指執(zhí)行PC存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址具有計(jì)數(shù)功能（PC）+

1PCIR存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存完成一條指令(3)控制器的基本組成PCIRCU1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)12356789以取數(shù)指令為例4(4)主機(jī)完成一條指令的過程CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)12356798以存數(shù)指令為例4CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O(4)主機(jī)完成一條指令的過程1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(5)ax2+bx+c程序的運(yùn)行過程將程序通過輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī)程序首地址打印結(jié)果分析指令取指令…停機(jī)啟動(dòng)程序運(yùn)行,(PC

)+

1PC執(zhí)行指令

MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)的工作過程是本章的重點(diǎn)。人們需將事先編好的程序(指令序列)送至計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器內(nèi)，然后計(jì)算機(jī)按此指令序列逐條完成全部指令的功能，直至程序結(jié)束。因此，要了解計(jì)算機(jī)的工作過程，必須首先了解計(jì)算機(jī)完成一條指令的信息流程。

1）完成一條指令的信息流程以取數(shù)指令(即將指令地址碼指示的存儲(chǔ)單元中的操作數(shù)取出后送至運(yùn)算器的ACC中)為例,其信息流程是：取指令PCMARMMDRIR

分析指令OP(IR)CU

執(zhí)行指令A(yù)d(IR)MARMMDRACC

此外，每完成一條指令，還必須為取下條指令作準(zhǔn)備，形成下一條指令的地址，即(PC)+1PC。331.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

2）計(jì)算機(jī)的工作過程計(jì)算機(jī)的工作過程實(shí)質(zhì)就是不斷從存儲(chǔ)器中逐條取出指令，送至控制器，經(jīng)分析后由CU發(fā)出各種操作命令，指揮各部件完成各種操作，直至程序中全部指令執(zhí)行結(jié)束。341.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.3主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)算機(jī)的性能是由多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)綜合確定的。硬件的主要技術(shù)指標(biāo)有：機(jī)器字長(zhǎng)：CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。通常與通用寄存器的位數(shù)有關(guān)。存儲(chǔ)容量：包括主存容量和輔存容量。運(yùn)算速度：與主頻、執(zhí)行什么樣的操作、主存本身的速度等許多因數(shù)有關(guān)。現(xiàn)在普遍采用單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)來衡量，并用MIPS作為計(jì)量單位，即每秒執(zhí)行百萬條指令。也有用CPI及執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期（主頻的倒數(shù)）數(shù)，或用FLOPS即每條浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)來衡量運(yùn)算速度。吞吐量：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的吞吐量是指流入、處理和流出系統(tǒng)的信息的速率，它主要取決于主存的存取周期。35f=CPI×MIPS×106361.3主要技術(shù)指標(biāo)四、例題精選

（一）單項(xiàng)選擇題完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括

。

A．運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器B．外部設(shè)備和主機(jī)

C．主機(jī)和實(shí)用程序D．配套的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)2.至今為止，計(jì)算機(jī)中的所有信息仍以二進(jìn)制方式表示的理由是

。

A．節(jié)約元件B．運(yùn)算速度快

C．物理器件的性能決定D．信息處理方便3.從器件角度看，計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了四代變化。但從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，至今絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍屬于

型計(jì)算機(jī)。

A.并行B.馮.諾依曼C.智能D.實(shí)時(shí)處理

37DCB4.馮·諾依曼機(jī)工作的基本方式的特點(diǎn)是

。

A.多指令流單數(shù)據(jù)流B.按地址訪問并順序執(zhí)行指令

C.堆棧操作D.存貯器按內(nèi)容選擇地址5.帶有處理器的設(shè)備一般稱為

設(shè)備。

A．智能化；B．交互式；

C．遠(yuǎn)程通信；D．過程控制。6.用于筆記本電腦的外存儲(chǔ)器是

。

A．軟磁盤B．硬磁盤

C．固態(tài)盤D．光盤7.馮.諾依曼型計(jì)算機(jī)的基本工作方式是

。

A.微程序方式B.控制流啟動(dòng)方式

C.多指令流多數(shù)據(jù)流方式D.數(shù)據(jù)流啟動(dòng)方式38BACB（二）綜合應(yīng)用題

1.1什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常有六個(gè)層次，由下至上可排序?yàn)椋旱谝患?jí)微程序機(jī)器級(jí)，微指令由硬件直接執(zhí)行；第二級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)，用微程序解釋機(jī)器指令；第三級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)，一般用機(jī)器語言程序解釋作業(yè)控制語句；第四級(jí)匯編語言機(jī)器級(jí)，這一級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行；第五級(jí)高級(jí)語言機(jī)器級(jí)，采用高級(jí)語言，由各種高級(jí)語言編譯程序支持和執(zhí)行。第六級(jí)應(yīng)用語言機(jī)器級(jí)，采用各種面向問題的應(yīng)用語言。39

1.2畫出計(jì)算機(jī)硬件基本組成框圖，通過解題過程說明每一功能部件的作用及它們之間的信息流向。答：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由五大部件組成。控制器指揮各部件協(xié)調(diào)工作；運(yùn)算器能