Chapter 1 計算機系統(tǒng)的概論

現(xiàn)代計算機

• 一種可以進行算術(shù)和邏輯運算，具有存儲記憶功能，并能夠按照程序自動、高速處理信息的智能電子設(shè)備。
• 具有計算精確度高、存儲容量大、邏輯運算能力強、自動化程度高等特點。
• 由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)所組成。

1.1 計算機的發(fā)展

• 第一臺電子計算機
• 計算機的五代變化
• 中國計算機的發(fā)展
• 計算機的分類
• 計算機的發(fā)展趨勢

現(xiàn)代計算機問世之前

計算機的發(fā)展也經(jīng)歷了機械式計算機、機電式計算機和萌芽期的電子計算機3個階段。了解幾個階段的著名科學(xué)家的貢獻。

• 1642年，法國數(shù)學(xué)家帕斯卡采用與鐘表類似的齒輪傳動裝置，制造了最早的十進制加法器。
• 1678年，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨制造的計算機可以進行十進制乘、除運算。
• 英國數(shù)學(xué)家巴貝奇：
• 1822年制作差分機時提出一種設(shè)想，每次只完成一次算術(shù)運算，將發(fā)展為自動完成某個特定的完整運算過程。
• 1834年設(shè)計了一種通用解析機，它可以進行各種算術(shù)和邏輯運算，能解多元方程組。
• 巴貝奇的設(shè)想包含了現(xiàn)代計算機的一些主要思想，已經(jīng)有了程序控制方式的雛形，但限于當(dāng)時的技術(shù)條件而未能實現(xiàn)。
• 1941年德國克蘭德·楚澤（Konrad Zuse，1910—1995年）制成了全自動的繼電器計算機Z-3，它已經(jīng)具備了二進制運算、數(shù)字存儲地址的指令形式等現(xiàn)代計算機的特征
• 1940—1947年，在美國也相繼推出了MARK-1、MARK-2、Model-1、Model-5等繼電器計算機。
• 繼電器的開關(guān)速度太慢，大約為百分之一秒，使當(dāng)時的計算機速度受到很大限制。

事物的發(fā)展是一個曲折的、復(fù)雜的漫長過程。

第一臺電子計算機

1946年 美國 ENIAC

• 采用十進制，邏輯線路復(fù)雜。
• 無存儲器，只有20個10位的累加器，存儲20個十進制數(shù)。
• 不完全具有“內(nèi)部存儲程序”功能，采用布線接板進行控制，必須通過開關(guān)和插線來安裝計算程序，甚至要搭接幾天，計算速度被這一工作抵消了。

馮?諾依曼思想

1945年數(shù)學(xué)家馮?諾依曼對計算機的組成結(jié)構(gòu)提出了重大的改進理論：

• 計算機中采用二進制，數(shù)據(jù)和指令均采用二進制存儲在存儲器中，二進制的采用將大大簡化機器的邏輯線路。
• 編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器，然后再啟動計算機工作，從而大大加快運算進程。
• 進一步明確指出整個計算機的結(jié)構(gòu)應(yīng)由5個部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入裝置和輸出裝置。

馮·諾依曼 計算機結(jié)構(gòu)體系

計算機的五代

現(xiàn)代計算機的發(fā)展大體分為五個年代，主要依據(jù)三個方面進行劃分：

• 構(gòu)成CPU的主要器件
• 存儲器件的發(fā)展
• 軟件（操作系統(tǒng)）的發(fā)展及應(yīng)用

硬件技術(shù)對計算機更新?lián)Q代的影響

第一代（1946-1957年）電子管計算機

• 邏輯元件 —— 電子管
• 數(shù)據(jù)表示 —— 定點數(shù)
• 主 存 —— 磁鼓或磁芯
• 輔 存 —— 磁帶
• 軟 件 —— 機器語言、匯編語言
• 應(yīng) 用 —— 科學(xué)計算

IBM650 小型機于1954年12月推出，是第一代計算機中銷量最廣的計算機

第二代（1958-1964年）晶體管計算機

• 邏輯元件 —— 晶體管
• 輔 存 —— 磁盤、磁帶
• 主 存 —— 鐵淦氧磁芯
• 運算方式 —— 浮點運算
• 軟 件 —— 操作系統(tǒng)、高級語言（FORTRAN、ALGOL等）
• 應(yīng) 用 —— 科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、過程控制

CDC6600 大型機于1963年8月由控制數(shù)據(jù)公司(CDC)推出，當(dāng)時很受各原子能機構(gòu)、航空宇航、氣象研究等機構(gòu)的認可。安裝了35萬個晶體管，運算速度為1Mflops。至1969年，CDC6600以及改進型CDC7600巨型機共售出150余臺。

第三代（1965-1971年）中小規(guī)模集成電路計算機

• 中小規(guī)模集成電路成為主要部件，過渡到半導(dǎo)體存儲器。
• 體積更小，功耗更低，速度更快，一般為幾十萬次至幾百萬次每秒。減少了焊點和接插件，可靠性更高。
• 出現(xiàn)了分時操作系統(tǒng)，使得計算機在中心程序的控制協(xié)調(diào)下可以同時運行許多不同的程序。出現(xiàn)了標準化的程序設(shè)計語言和人機會話式語言，如BASIC，采用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法。
• 應(yīng)用：科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、過程控制
• 出現(xiàn)了小型計算機。 1965年美國的DEC(數(shù)字設(shè)備公司)推出第一臺商業(yè)化集成電路為主的小型計算機PDP-8。

1964年由IBM推出的IBM 360 是最早采用集成電路的通用計算機，也是影響最大的第三代計算機。平均運算速度從每秒幾千次到一百萬次，它的主要特點是通用化、系列化和標準化。

第四代（1972年至今） LSI和VLSI計算機

• 以Intel公司的第一代微處理器Intel 4004為標志。
• 1972年，第一部真正的個人計算機（PC）誕生。隨著“半導(dǎo)體”及“晶體管”的發(fā)展，世界各國也不斷翻開計算機史上新的一頁。
• 1981年，IBM推出個人計算機（Personal Computer，PC），主要用于家庭、辦公室和學(xué)校。
• 微電子技術(shù)的發(fā)展促使計算機的體積越來越小，從桌上到膝上,再到掌上；成本越來越低，性能和可靠性越來越高
• 操作系統(tǒng)也不斷完善，應(yīng)用軟件也變得豐富多彩，計算機的應(yīng)用遍及社會各個領(lǐng)域，成為人們不可缺少的工具。

第五代計算機

• 20世紀80年代初，日本首先提出第五代計算機發(fā)展計劃，引起各發(fā)達國家競相開始研究。
• 第五代計算機的主要思想：模擬人類視神經(jīng)控制系統(tǒng)，本身具有學(xué)習(xí)機理，能模仿人的視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行工作。它不僅能進行數(shù)值計算或處理一般的信息，主要能面向知識處理，具有形式化推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)和解釋的能力，能夠幫助人們進行判斷、決策、開拓未知領(lǐng)域和獲得新的知識。需要人工智能的理論和技術(shù)，涉及通信技術(shù)、仿生學(xué)等多種科學(xué)技術(shù)。
• 目前人工智能技術(shù)在模式識別、知識處理方面已經(jīng)取得很大的進步，并產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益。應(yīng)用大量專家知識和推理方法解決復(fù)雜問題的專家系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛用于管理調(diào)度、輔助決策、故障診斷、教育咨詢等各個方面。
• 計算機在文字、語音、圖形圖像的識別與理解，及機器翻譯等領(lǐng)域的應(yīng)用也取得重大進展，相關(guān)產(chǎn)品也已經(jīng)問世。

存儲器的發(fā)展

存儲器技術(shù)的發(fā)展是促進計算機的一個重要因素

• 20世紀50～60年代：磁芯存儲器——所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán)
• 1970年：半導(dǎo)體存儲器——美國仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半導(dǎo)體存儲器
• 從1970年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片為1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB直至更高

摩爾定律

摩爾定律：“集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一番”。當(dāng)初預(yù)測這個假定只能維持10年左右，然而芯片制造技術(shù)的進步讓摩爾定律保持了40年。

集成電路：依據(jù)一片集成電路芯片上包含的邏輯門個數(shù)或元件個數(shù)分小規(guī)模集成電路SSI（邏輯門數(shù)小于10門或含元件數(shù)小于100個）；中規(guī)模集成電路MSI（所含邏輯門數(shù)為10～99門或含元件數(shù)100～999個）；大規(guī)模集成電路LSI（邏輯門數(shù)為100～9999門或含元件數(shù)1000～99999個）；超大規(guī)模集成電路VLSI（106～107個元件或10000個以上邏輯門）；巨大規(guī)模集成電路ULSI（107～109個元件；GSI集成109以上個元件）。

中央處理器的發(fā)展

• 1971年，Intel 4004 CPU
• 1978年，Intel 8086 CPU

中國計算機的發(fā)展

• 1958年，中科院計算所研制成功的小型電子管通用計算機----103機，標志著我國第一臺電子計算機的誕生。
• 1965年，中科院計算所研制成功第一臺大型晶體管計算機109乙，之后推出109丙機，該機在兩彈試驗中發(fā)揮了重要作用。
• 1974年，清華大學(xué)等單位聯(lián)合設(shè)計、研制成功采用集成電路的DJS-130小型計算機，運算速度達每秒100萬次。
• 1983年，國防科技大學(xué)研制成功運算速度上億次每秒的銀河-Ⅰ巨型機，這是我國高速計算機研制的一個重要里程碑
• 1985年，電子工業(yè)部計算機管理局研制成功與IBM PC兼容的長城0520 CH微型計算機。
• 1992年，國防科大研究出銀河-Ⅱ通用并行巨型機，浮點運算峰值速度達4億次每秒，為共享主存儲器的四處理機向量機，其向量中央處理機的中小規(guī)模集成電路是我國自行設(shè)計的，總體上達到20世紀80年代中后期的國際先進水平。
• 1993年，國家智能計算機研究開發(fā)中心研制成功曙光一號，是國內(nèi)首次以基于超大規(guī)模集成電路的通用微處理器芯片和標準UNIX操作系統(tǒng)開發(fā)的并行計算機。
• 1995年，曙光推出曙光1000(含36個處理機),是國內(nèi)第一臺具有大規(guī)模并行處理機(MPP)結(jié)構(gòu)的超級計算機，浮點運算的峰值速度為25億次每秒。曙光1000與美國Intel公司1990年推出的大規(guī)模并行機體系結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)技術(shù)相近，與國外的差距縮小到5年左右。
• 1997年，國防科大研制成功銀河-Ⅲ百億次并行巨型計算機系統(tǒng)，采用可擴展分布共享存儲并行處理體系結(jié)構(gòu)，由130多個處理結(jié)點組成，浮點運算峰值性能為130億次每秒，系統(tǒng)綜合技術(shù)達到20世紀90年代中期國際先進水平。
• 2001年，中科院計算所研制出我國第一款通用CPU（龍芯）芯片。 2002年，在具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的龍騰服務(wù)器上采用了“龍芯-1”CPU。該服務(wù)器是國內(nèi)第一臺完全實現(xiàn)自有產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，在國防、安全等部門發(fā)揮了重大作用。
• 我國在超級計算機的技術(shù)上發(fā)展迅猛，國防科技大學(xué)計算機研究所研制的“銀河”系列機，中科院計算技術(shù)研究所研制的“曙光”系列機，以及國家并行計算機工程技術(shù)中心研制的“神威”系列機，都先后登上全球超級計算排行榜的前列。2016年6月20日，“神威·太湖之光” 超級計算機系統(tǒng)在法蘭克福世界超算大會上，登頂國際TOP500榜首，至2017年11月13日仍據(jù)榜首。

計算機的發(fā)展 —趨勢

• 未來計算機性能向著微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和巨型化的方向發(fā)展。
• 計算機結(jié)構(gòu)和元件：電子電路的局限性將會使電子計算機的發(fā)展受到限制，人們已經(jīng)開始研制不使用集成電路的計算機，例如生物計算機、光子計算機、量子計算機等，并取得了一定的進展。

計算機的分類

計算機的分類方法較多，根據(jù)處理的對象、用途和規(guī)模不同可有不同的分類方法。

1.按處理的對象劃分

（1）模擬計算機

用一種連續(xù)變化的模擬量作為運算對象的計算機。

特點：運算過程是連續(xù)的，計算精度較低，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗干擾能力極差，應(yīng)用范圍較窄。

（2）數(shù)字計算機

參與運算的數(shù)值用非連續(xù)的數(shù)字量表示，運算過程按數(shù)字位進行，具有邏輯判斷等功能。相比模擬計算機，計算精度高，運算速度快，抗干擾能力強。

2.根據(jù)計算機的用途劃分

（1）通用計算機

用于解決一般問題，其適應(yīng)性強，應(yīng)用面廣，可用于科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理和過程控制等領(lǐng)域，但其運行效率、速度和經(jīng)濟性依據(jù)不同的應(yīng)用對象會受到不同程度的影響。

（2）專用計算機

用于解決某一特定方面的問題，配有專門開發(fā)的軟件和硬件，應(yīng)用于軍事、自動化控制或儀器儀表等領(lǐng)域。專用計算機針對某類問題能顯示出最有效、最快速和最經(jīng)濟的特性，但它的適應(yīng)性較差。

3.根據(jù)計算機的規(guī)模劃分

衡量計算機的規(guī)模的主要技術(shù)指標：字長、運算速度、存儲容量、外部設(shè)備、輸入和輸出能力、配置軟件豐富與否、價格高低等。

根據(jù)計算機的規(guī)模可分為巨型計算機、小巨型計算機、大型主機、小型計算機、微型計算機、圖形工作站等。

（1）巨型計算機：又稱超級計算機，一般用于國防尖端技術(shù)和科學(xué)計算等領(lǐng)域。速度最快，容量最大，體積最大，造價也最高。

（2）大型主機：包括通常所說的大、中型計算機。具有較高的運算速度和較大的存儲容量，一般用于科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理或用作網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。隨著微機與網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，很多應(yīng)用中正在被高檔微型計算機所取代。

（3）小型計算機：指采用8-32顆處理器，性能和價格介于PC服務(wù)器和大型主機之間的一種高性能 64 位計算機。例如DEC公司的PDP-11系列、VAX-11系列等。一般用于工業(yè)自動控制、醫(yī)療設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集等方面。

（4）微型計算機：是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的一種計算機。PC（Personal Computer個人計算機）是現(xiàn)在比較流行的微型計算機。其中央處理器采用微處理芯片，體積小輕便。

（5）圖形工作站：是以個人計算環(huán)境和分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為前提的高性能計算機，其規(guī)模介于微型機和小型機之間。通常配有高分辨率的大屏幕顯示器及容量很大的內(nèi)存和外部存儲器，具有較強的信息處理功能和高性能的圖形、圖像處理功能以及聯(lián)網(wǎng)功能。主要應(yīng)用在專業(yè)的圖形處理和影視創(chuàng)作等領(lǐng)域，

1.2計算機系統(tǒng)的硬件

概述

• 計算機的硬件是指組成計算機的所有電子器件和機電裝置的總稱，是構(gòu)成計算機的物質(zhì)基礎(chǔ)。
• 現(xiàn)代計算機的硬件：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大功能部件組成。
• 本節(jié)主要介紹計算機硬件組成結(jié)構(gòu)，及其各功能部件協(xié)調(diào)工作的簡單工作原理。

馮?諾依曼結(jié)構(gòu)

馮?諾依曼計算機的主要特點

（1）計算機硬件系統(tǒng)由5個基本部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。

（2）數(shù)據(jù)和指令都采用0或1組成的二進制編碼。

（3）采用存儲程序的方式，事先將程序（包括指令和數(shù)據(jù)）存入存儲器中，計算機在運行程序時自動地、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令并加以執(zhí)行，直到程序執(zhí)行完畢，不需要人工干預(yù)。

其核心思想：程序存儲并按地址順序執(zhí)行。

早期的馮?諾依曼計算機---- 以運算器為中心

輸入輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸都需通過運算器。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制復(fù)雜。

現(xiàn)代計算機---- 以存儲器為核心，總線結(jié)構(gòu)

典型的單CPU、單總線結(jié)構(gòu)圖：

運算器和控制器合稱為中央處理單元（CPU，Central Processing Unit)。

系統(tǒng)連線減少，結(jié)構(gòu)變得清晰，大大簡化了硬件的設(shè)計。

知識拓展

• 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)：程序指令和數(shù)據(jù)存儲在同一個存儲器的不同物理位置，取數(shù)據(jù)和取指令通過同一套數(shù)據(jù)總線。信息流的傳輸成為限制計算機性能的瓶頸，影響了數(shù)據(jù)處理速度的提高。
• 哈弗結(jié)構(gòu)：程序指令和數(shù)據(jù)分別放在不同的存儲器中，通過不同的總線取指令和存取數(shù)據(jù)，這就允許取指令和取操作數(shù)同時進行，大大地提高了系統(tǒng)的工作速度。如DSP和ARM等微處理器，采用了哈佛結(jié)構(gòu)，方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和現(xiàn)場實時控制。

組成部件

計算機硬件系統(tǒng)由5個基本部件組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。構(gòu)成計算機的五大部件有相對獨立的功能，在控制器的控制下協(xié)調(diào)統(tǒng)一地完成各自不同的工作。

存儲器----組成結(jié)構(gòu)

• 功能：用來存放計算機要執(zhí)行的程序或者程序所處理的數(shù)據(jù)。
• 組成結(jié)構(gòu)

存儲體

地址譯碼電路

讀寫控制電路

輸入輸出線路

存儲器----幾個基本概念

• 存儲單元：對應(yīng)一個地址編號、存放一定位數(shù)二進制代碼的電路集合。

• 存儲字長：一個存儲單元存放的二進制信息也稱為一個存儲字，其位數(shù)稱為存儲字長。

• 單元地址：存儲單元的地址編號。

• 單元內(nèi)容：存儲單元中存放的二進制信息。

• 存儲容量：存儲器能夠存放的二進制信息的總量稱為其存儲容量。

  兩種表示形式：

• 存儲器芯片：用字數(shù)×字長表示，如1K×4位，它表示一個芯片有1K個單元，每個單元可以存放4位二進制代碼；

• 系統(tǒng)的存儲器：通常用字節(jié)數(shù)表示，如4GB、1TB。

存儲容量的數(shù)量單位

• 位/比特（bit）：存儲器容量的最小表示單位，二進制編碼序列中的一個0或1就是一個比特位。
• 字節(jié)（B、Byte）：也是計算機中最常用、最基本單位。一個字節(jié)等于8個比特，即1 Byte=8bit。
• 其他數(shù)量單位

KB（Kilo Byte）、MB（Mega Byte）、GB（Giga Byte）、TB（Tera Byte）、PB(Peta Byte)、EB(Exa Byte)、ZB(Zetta Byte)和YB(Yatta Byte)等。

數(shù)量關(guān)系：1KB= 1024B，1 MB=1024KB，1GB= 1024MB，…，它們之間存在1024倍的數(shù)量級關(guān)系。

事實上，1K=2(10)? 10(3)，1M=2(20)? 10(6)，1G=2(30)? 10(9)等等 。

存儲器----內(nèi)存與外存

• 內(nèi)存：CPU能夠直接訪問的存儲器。內(nèi)存的存取速度較高，一般由半導(dǎo)體器件構(gòu)成。其位成本較高，容量有限。
• 外存：屬于外部設(shè)備，它不能被CPU直接訪問，其內(nèi)容需要導(dǎo)入到內(nèi)存才能被CPU訪問。
• 通常外存用來存放永久保存的、大量的程序或數(shù)據(jù)；內(nèi)存存放一些臨時的或少量的數(shù)據(jù)和程序。

注意：

目前內(nèi)存是由半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成，但不能說半導(dǎo)體存儲器就是內(nèi)存。

• 為了解決速度、容量、成本之間的矛盾，計算機系統(tǒng)中通常采用主存、輔存和高速緩存的三級結(jié)構(gòu)。三者之間協(xié)調(diào)工作的原理，詳見第4章介紹。

運算器

• 基本功能：計算機系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)加工和處理的部件，完成各種算術(shù)和邏輯運算。
• 基本組成：核心部件是算術(shù)邏輯運算單元ALU（Arithmetic Logic Unit），另外還包含累加器和若干個寄存器。基本組成結(jié)構(gòu)如下圖所示。

控制器

控制器是整個計算機的指揮中心，它發(fā)布各種操作命令控制計算機的各功能部件有條不紊地進行工作。

（1）控制器的功能

（2）程序和指令

程序是為計算機解決某一問題或完成某一任務(wù)，由一組特定編程語句構(gòu)成的有序集合。

編程語言分高級語言、匯編語言和機器語言三種。

指令是計算機硬件能夠直接執(zhí)行，完成一些基本操作的編程語句，它屬于機器語言。

指令編碼中包含兩部分信息：操作碼表明指令進行何種操作，地址碼部分表明指令操作的數(shù)據(jù)位置。指令的一般格式如下：

例如：假設(shè)某計算機只有8條指令，其操作碼可用3位二進制編碼來定義，如表1-1所示。

101 1000表示從1000單元取數(shù)送入累加器；

001 1000表示從1000單元取數(shù)和累加器相加，結(jié)果存入累加器。

不同的計算機的指令的格式及編碼規(guī)則會有區(qū)別，詳細內(nèi)容參考第5章指令系統(tǒng)。

各部件協(xié)調(diào)工作過程

輸入輸出設(shè)備及適配器

• 輸入設(shè)備：把人們熟悉的某種形式的信息轉(zhuǎn)換為計算機內(nèi)部能夠識別的二進制信息形式。理想的計算機輸入設(shè)備應(yīng)該“會看”、“會聽”，即能夠把人們用文字或語言所表達的問題，直接送入計算機內(nèi)部處理。目前常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、掃描儀、光筆、攝像頭、語音輸入裝置等。
• 輸出設(shè)備：將計算機處理的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘶蚱渌O(shè)備能接收或識別的信息形式。理想的輸出設(shè)備應(yīng)該“會寫”、“能講”。目前常用的顯示器、打印機、繪圖儀。 輸入輸出設(shè)備統(tǒng)稱外圍設(shè)備，簡稱外設(shè)。
• 適配器：保證外圍設(shè)備與主機之間可靠地進行信息的交流。不同類型的外設(shè)有不同的適配器，如顯卡是顯示器的適配器。

總線

• 總線是連接計算機系統(tǒng)各部件并進行數(shù)據(jù)傳送的公共通道，是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架。
• 傳統(tǒng)總線，按其傳送的信號的作用不同分為地址總線 (AB，Address Bus)、數(shù)據(jù)總線 (DB，Data Bus)、控制總線 (CB，Control Bus) 三種。

計算機系統(tǒng)中有多種總線，關(guān)于總線相關(guān)概念和技術(shù)的內(nèi)容在第8章詳細介紹。

幾個常用術(shù)語

• 主機：計算機的硬件系統(tǒng)中，CPU和內(nèi)存合稱為主機。
• 微處理器：運算器和控制器集成在一個芯片上，即人們?nèi)粘？吹降腃PU芯片，也稱為微處理器。
• 單片機：CPU芯片中包含一定量的內(nèi)存，還有大量的接口電路。

數(shù)據(jù)流和指令流

• 計算機中存儲或流動的信息既有指令又有數(shù)據(jù)，從形式上看，它們都是二進制數(shù)碼，控制器是如何區(qū)分哪些表示的是指令哪些是數(shù)據(jù)呢？
• 在取指令階段，從內(nèi)存中讀出的信息流是指令流，它流向控制器；
• 在執(zhí)行指令階段，從內(nèi)存中讀出或?qū)懭雰?nèi)存的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器，或者由運算器流向內(nèi)存。

1.3 計算機系統(tǒng)的軟件

概述

軟件泛指在計算機硬件上運行的各類程序、數(shù)據(jù)文件及相關(guān)的文檔資料。

程序是計算機可以執(zhí)行的，而文檔不能執(zhí)行。程序是計算機軟件的主體，所以一般說到軟件主要是指程序。

軟件系統(tǒng)指一臺計算機中全部程序的統(tǒng)稱。

軟件的作用是擴大計算機系統(tǒng)的功能，提高計算機系統(tǒng)的效率，為計算機運行服務(wù)提供技術(shù)支持。

按照軟件的功能不同，人們把計算機的軟件劃分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件兩大類。

系統(tǒng)軟件是為整個計算機系統(tǒng)配置的、不依賴于特定應(yīng)用領(lǐng)域的一些通用軟件，用來管理計算機的硬件系統(tǒng)或軟件資源。只有在系統(tǒng)軟件的管理下，計算機的各硬件部分才能協(xié)調(diào)一致地工作。系統(tǒng)軟件還為應(yīng)用軟件提供運行環(huán)境，離開系統(tǒng)軟件，應(yīng)用軟件同樣也不能運行。

系統(tǒng)軟件也有很多種，主要包括操作系統(tǒng)、語言處理程序和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)三大類。

應(yīng)用軟件是為解決某個特定應(yīng)用領(lǐng)域的實際問題而編制的程序。

應(yīng)用軟件從其服務(wù)對象的角度，又可分為專用應(yīng)用軟件和通用應(yīng)用軟件兩類。

系統(tǒng)軟件

1.操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)（Operating System，OS）是直接運行在“裸機”上的最基本的必備的系統(tǒng)軟件。

計算機系統(tǒng)各種資源（包括硬件資源和軟件資源）的管理者、控制者、調(diào)度者和監(jiān)督者，合理地組織計算機的工作流程，協(xié)調(diào)計算機各部件之間、系統(tǒng)和用戶之間的關(guān)系。其目標是提高各類資源的利用率，方便用戶使用計算機系統(tǒng)，為其他軟件的開發(fā)提供必要的基礎(chǔ)和軟件接口。

2.語言處理程序

計算機程序設(shè)計的語言可分為三大類：機器語言、匯編語言和高級語言。

機器語言是計算機的硬件可以直接識別并執(zhí)行的二進制編碼語言，但難以記憶和使用。

將匯編語言源程序翻譯成機器語言目標程序的稱作匯編程序。

編譯程序則是將高級語言程序翻譯成機器語言目標程序的軟件。

無論是匯編程序還是編譯程序，它們都是用于處理軟件語言的程序，統(tǒng)稱為語言處理程序。

3.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及相應(yīng)的應(yīng)用程序組成。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，簡稱DBMS（Database Managment System）,是為數(shù)據(jù)庫的建立、使用和維護而配置的軟件。它建立在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一的管理和控制。利用它可以方便地建立、刪除、維護數(shù)據(jù)庫，對庫中數(shù)據(jù)進行各種操作。它是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)人員與數(shù)據(jù)庫之間聯(lián)系的橋梁。它是一個平臺，是一種系統(tǒng)軟件。

常用的數(shù)據(jù)庫管理軟件有Oracle、Sybase、MySQL、Informix

應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是為解決某個特定應(yīng)用領(lǐng)域的實際問題而編制的程序。

如：解決科學(xué)與工程計算問題的科學(xué)計算軟件，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的控制軟件，用于企業(yè)財務(wù)、人事管理的管理軟件，具有人工智能的專家系統(tǒng)等等。

應(yīng)用軟件從其服務(wù)對象的角度，又可分為專用應(yīng)用軟件和通用應(yīng)用軟件兩類。

1.專用的應(yīng)用軟件

專用的應(yīng)用軟件是按照用戶的特定需求，用于解決特定問題而開發(fā)的軟件。其應(yīng)用面較窄，往往只限于特定的部門及其下屬單位使用。這種軟件的運行效率較高，開發(fā)成本較高。如前面提到的某企業(yè)的人事管理軟件，或某特定的生產(chǎn)過程的控制軟件等。

2.通用的應(yīng)用軟件

通用的應(yīng)用軟件是指計算機的應(yīng)用過程中，迅速推廣使用并不斷更新的一些通用工具軟件。如現(xiàn)在計算機中普遍都安裝的文字處理軟件Word、電子表格處理軟件Excel等許多辦公工具軟件。

1.4 計算機系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)

計算機系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，通過配置軟件擴充功能，形成了一個十分復(fù)雜的有機系統(tǒng)。

采用層次結(jié)構(gòu)的觀點和方法去描述計算機系統(tǒng)的組成與功能，有利于正確理解計算機系統(tǒng)的工作過程，明確軟件、硬件在計算機系統(tǒng)中的地位和作用，控制計算機系統(tǒng)的復(fù)雜性。

計算機系統(tǒng)分層的方法有很多種，常用的層次結(jié)構(gòu)模型：從系統(tǒng)內(nèi)部的有機組成和程序設(shè)計語言功能的角度劃分的。

從計算機系統(tǒng)組成角度劃分層次結(jié)構(gòu)

自上而下看反映了應(yīng)用計算機求解問題的過程

從下向上看，直觀展示了構(gòu)成一個計算機系統(tǒng)時的的逐級生成過程。

從語言功能角度劃分層次結(jié)構(gòu)

如果將計算機功能抽象為“能執(zhí)行某種程序設(shè)計語言編寫的程序”的機器，可以按語言功能劃分計算機層次結(jié)構(gòu)。

實際機器：只能執(zhí)行機器語言的物理實體，是計算機系統(tǒng)的硬件。

虛擬機（Virtual Machine）：一種特殊的軟件，它在計算機平臺和終端用戶之間創(chuàng)建一種環(huán)境，終端用戶可以基于這個軟件所創(chuàng)建的環(huán)境來操作自己的軟件。使用某種語言編程的程序員，看到的就是可以執(zhí)行這種語言的機器，即具有這種語言功能的虛擬機。

多層次結(jié)構(gòu)小結(jié)：

計算機系統(tǒng)雖然復(fù)雜，但具有明顯的層次性。

采用分層的觀點來分析或設(shè)計計算機時，可以根據(jù)需要，忽略一些無關(guān)的細節(jié)，針對相應(yīng)層次去觀察、分析計算機的組成、性能和工作機理，或進行系統(tǒng)各層面的設(shè)計，使得復(fù)雜的問題變得更容易解決。

比如，有人專門致力于微處理器的研制工作，有人致力于操作系統(tǒng)的開發(fā)，也有人專門進行編譯程序的開發(fā)等等。

本書重點討論的是第1、第2層中計算機硬件組成的基本原理和實現(xiàn)方法。

硬件和軟件的邏輯等價性：

計算機系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，通過配置軟件擴充其功能。在計算機系統(tǒng)設(shè)計時，硬件只完成最基本的功能，復(fù)雜的功能通過軟件實現(xiàn)。

早期的計算機，硬件和軟件之間的界限十分清楚。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，軟件、硬件之間的界限變得越來越模糊。許多功能既可以由硬件實現(xiàn)，也可以在硬件支持下靠軟件實現(xiàn)。例如，乘法運算，可由硬件乘法器實現(xiàn)，也可以由乘法子程序?qū)崿F(xiàn)。

• 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，集成芯片上制作復(fù)雜邏輯電路的成本越來越低，原來依靠軟件實現(xiàn)的功能轉(zhuǎn)化為大規(guī)模、超大規(guī)模的集成電路直接實現(xiàn)，出現(xiàn)了軟件硬化，這樣系統(tǒng)將具有更高的處理速度和更強的功能。軟件硬化成為一種趨勢。
• 從系統(tǒng)設(shè)計者的角度來說，需要確定哪些功能由硬件實現(xiàn)，哪些功能由軟件實現(xiàn)。對用戶來說，更關(guān)心的是系統(tǒng)具有哪些功能。這些功能是硬件還是軟件實現(xiàn)，對用戶來說，在邏輯上是等價的。
• 存儲程序工作方式
• 程序執(zhí)行過程
• 高級語言程序與機器語言程序的轉(zhuǎn)換
• 預(yù)處理、編譯、匯編、鏈接
• 程序和指令的執(zhí)行過程
• 取指令、分析指令、執(zhí)行指令

1.5 計算機的主要性能指標

人們在選擇或設(shè)計一臺計算機時，要知道從哪些方面衡量一臺計算機的性能。衡量計算機性能的指標有很多種，而且不同用途的計算機其側(cè)重點也有所不同。

這里主要從速度、容量兩方面簡單介紹幾種常用的性能指標，包括主頻、機器字長、存儲容量、存儲器帶寬、運算速度等。

1.主頻

• CPU的工作節(jié)拍是由主時鐘信號控制的，這個時鐘信號的頻率就是CPU的主頻。
• 主頻或時鐘周期（主頻的倒數(shù)）在很大程度上影響著計算機的工作速度。在一定程度上，主頻越高，CPU的工作速度越高。

2.機器字長

• 指CPU的運算器一次最多能直接處理的二進制信息的位數(shù)
• 位數(shù)越多，運算精度越高。它由CPU內(nèi)部的寄存器、加法器以及總線的位數(shù)決定，因此也直接影響著硬件的代價。

3.存儲器帶寬

單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進制位數(shù)的多少，稱為存儲器帶寬。它也是影響計算機工作速度的一個重要指標。

4.運算速度

計算機的運算速度與很多因素有關(guān)，如機器的主頻、執(zhí)行何種操作、主存的存取速度等都有關(guān)系。衡量計算機運算速度不能單從某一方面來定，必須綜合考慮每條指令的執(zhí)行時間以及它們在全部操作中所占的比例。目前，一般用以下三個參數(shù)描述：CPI、MIPS、FLOPS

4.運算速度

（1）CPI（Cycle Per Instruction）指的是執(zhí)行一條指令的平均時鐘周期數(shù)。計算公式為：

（2）MIPS（Million Instruction Per Second） 指平均每秒執(zhí)行定點指令的百萬條數(shù)。對于一個給定的程序，算式為：

（3）FLOPS（Floating-point Operation Per Second）：表示每秒執(zhí)行浮點操作的次數(shù)，算式為：

4.運算速度

MPIS在一定程度上可以反應(yīng)機器的運算速度。但它過于依賴指令集，用來比較指令集不同的機器性能不準確。

FLOPS取決于機器和程序兩方面，只能用來衡量機器浮點操作的性能，不能體現(xiàn)機器的整體性能。不過，F(xiàn)LOPS是基于操作而不是基于指令，用來比較兩種不同的機器相對來說好些。當(dāng)然，浮點操作的類型不同，運算時間相差會很大，如浮點加遠遠快于浮點除

與計算機運算速度相關(guān)的參數(shù)還有3個：

• 吞吐量：一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量。
• 響應(yīng)時間：從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間間隔的時間。
• CPU執(zhí)行時間：CPU執(zhí)行一段程序所占用的時間。 CPU執(zhí)行時間=程序時鐘周期數(shù)*時鐘周期

5.存儲容量

計算機的存儲系統(tǒng)包含主存和外存以及高速緩存。相對于主存，高速緩存的容量很小。外存不能被CPU直接訪問，需要執(zhí)行的程序與處理的數(shù)據(jù)要調(diào)入主存才能被CPU訪問。計算機處理能力的大小在很大程度上與主存有關(guān)。因此一般來說，計算機存儲容量指的是主存容量的大小。

存儲容量：表示存儲器中可以存放的所有二進制位的總數(shù)

關(guān)于存儲器的容量前面已經(jīng)介紹，這里不再贅述。

計算機的體系結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn) 【知識拓展】

計算機體系結(jié)構(gòu)（Computer Architecture）

• 主要研究硬件和軟件功能的劃分，確定硬件和軟件的界面，即哪些功能應(yīng)劃分給硬件子系統(tǒng)完成，哪些功能應(yīng)劃分到軟件子系統(tǒng)中完成。更多說的是計算機的外特性，是硬件子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念及其功能特性。
• 對于不同的計算機系統(tǒng)，從機器語言或匯編語言程序員的角度看，具有不同的屬性。但高級語言程序員看，它們幾乎沒什么區(qū)別，具有相同的屬性。因此，計算機系統(tǒng)是機器語言或者匯編語言的程序設(shè)計人員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性。

計算機組成（Computer Organization）

• 計算機組成是依據(jù)體系結(jié)構(gòu)所確定的硬件子系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)和功能特性，研究硬件子系統(tǒng)各組成部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互聯(lián)系，實現(xiàn)機器指令級的各種功能和特性，是計算機體系結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。
• 例如：AMD Opteron 64與Intel Pentium 4的指令系統(tǒng)相同，即兩者的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，但內(nèi)部組成不同，流水線和Cache結(jié)構(gòu)完全不同。

計算機實現(xiàn)（Computer Implementation）

• 計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)。它包括處理器、主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接，專用器件的設(shè)計，電源、冷卻、裝配等技術(shù)及有關(guān)的制造技術(shù)和工藝等。

三者之間的關(guān)系

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同使得采用的組成技術(shù)產(chǎn)生差異，計算機組成也會影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。計算機實現(xiàn)是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成的基礎(chǔ)，其技術(shù)的發(fā)展，特別是器件技術(shù)的發(fā)展，促進了組成和結(jié)構(gòu)的發(fā)展。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)之間的關(guān)系如圖1-10所示。

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，三者之間的關(guān)系將變得越來越模糊。

本章小結(jié)

• 計算機系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，通過配置軟件擴充其功能。軟硬件在邏輯上是等價的。計算機設(shè)計時，軟件和硬件功能的分配要綜合考慮成本、速度、可靠性等多種因素。
• 采用分層的觀點來分析或設(shè)計計算機，可以根據(jù)需要，忽略一些無關(guān)的細節(jié)，針對相應(yīng)層次去觀察、分析計算機的組成、性能和工作機理，或進行系統(tǒng)各層面的設(shè)計，使得復(fù)雜的問題變得更容易解決。
• 以計算機系統(tǒng)組成的角度劃分層次，有利于認識計算機系統(tǒng)的構(gòu)成過程；以語言的角度劃分層次，有助于理解各種語言的實質(zhì)和實現(xiàn)途徑。