計算機組成原理第1章計算機系統(tǒng)概論.ppt

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,,目 錄,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 第6章：總線系統(tǒng) 第7章：外圍設備 第8章：輸入輸出系統(tǒng) 參考文獻,第一章 計算機系統(tǒng)概論,1-1 計算機的發(fā)展簡史 1-2 計算機的分類和應用 1-3 計算機的硬件和軟件 1-4 計算機系統(tǒng)的層次結構,1-1 計算機的發(fā)展簡史,電子計算機是一個統(tǒng)稱，實際上它被明確地分兩大類：“電子模擬計算機”和“電子數(shù)字計算機”。前者是使用連續(xù)變化的物理量(例如電流、電壓等)來表示數(shù)值的大小并參加機內運算，其運算結果自然也是連續(xù)變化的物理量；后者是將運算對象數(shù)字化成為離散的數(shù)字量，用數(shù)碼進行運算，其運算結果也是離散的數(shù)字信息，它運算速度快、運算精度高，現(xiàn)代人們所說的“電子計算機”或“計算機”，都是指“電子數(shù)字計算機”，也是本書討論的對象。,電子計算機的發(fā)展，如果從第一臺計算機的問世算起，到現(xiàn)在半個多世紀，在人類科技史上還沒有一種學科的發(fā)展速度可以與電子計算機的發(fā)展速度相提并論。 20世紀40年代，無線電技術和無線電工業(yè)的發(fā)展為電子計算機的研制準備了物質基礎，1943年～1946年美國賓夕法尼亞大學研制的電子數(shù)字積分和計算機ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)是世界上第一臺電子計算機。ENIAC計算機共用18000多個電子管，1500個繼電器，重達30噸，占地170平方米，耗電140千瓦，每秒鐘能計算 5000次加法，研制人是埃克特(J．P．Eckert)和莫克利(J．W．Mauchly)。ENIAC計算機存在兩個主要缺點，一是存儲容量太小，只能存20個字長為10位的十進制數(shù)，二是用線路連接的方法來編排程序，,因此每次解題都要依靠人工改接連線，準備時間大大超過實際計算時間。 在ENIAC計算機研制的同時，馮諾依曼(Von Neumann)與莫克利、埃克特小組合作研制EDVAC計算機，在這臺計算機中確立了計算機的五個基本部件：輸入器、輸出器、運算器、存儲器、控制器。程序和數(shù)據(jù)存放在存儲器中，并采用了二進制，確立了存儲程序的原則?，F(xiàn)代的一般計算機被稱作馮諾依曼結構計算機。 第一代： 電子管計算機時代(從1946年第一臺計算機研制成功到五十年代后期)，將電子管、繼電器和存儲器用絕緣導線互連在一起，由單個CPU構成，CPU用程序計數(shù)器和累加器順序完成定點運算，采用機器語言或匯編語言，用CPU程序控制I／O。其主要特點是采用電子管作為基本器件。,,代表性系統(tǒng)有由John von Neumann，AnhurBurks和HermanGoldstine于1946年在普林斯頓大學研制成功的IAS計算機、由賓夕法尼亞大學莫爾學院于1950年制成的ENIAC、由IBM于1953年制造的IBM701計算機。 第二代：晶體管計算機時代(1955～1964)，采用分立式晶體三極管、二極管和鐵氧體的磁芯，用印刷電路將它們互連起來。采用了變址寄存器、浮點運算、多路存儲器和I／O處理機。采用有編譯程序的高級語言、子程序庫、批處理監(jiān)控程序。這時期計算機的主要器件逐步由電子管改為晶體管，因而縮小了體積，降低了功耗，提高了速度和可靠性。而且價格不斷下降。后來又采用了磁心存儲器，使速度得到進一步提高。代表性系統(tǒng)有1959年制成的UnivacI。ARC、60年代的CDCl604和1962年制成的IBM7030。1969年1月制成的超大型計算機CDC 7600，速度達到每秒千萬次浮點運算，是這一時期設計最成功的產(chǎn)品。,第三代：集成電路計算機時代(1965—1974)，采用小規(guī)?；蛑幸?guī)模集成電路和多層印刷電路。采用了流水線、高速緩存和并行處理機。軟件方面采用多道程序設計和分時操作系統(tǒng)。這時期的計算機采用集成電路作為基本器件，因此功耗，體積，價格等進一步下降，而速度及可靠性相應地提高，這就促使了計算機的應用范圍進一步擴大。正是由于集成電路成本的迅速下降，產(chǎn)生了成本低而功能不是太強的小型計算機供應市場，占領了許多數(shù)據(jù)處理的應用領域。代表性系統(tǒng)有IBM／360—370系列、CDC6600／7600系列、Texas儀表公司的ASC和Digital Equipment公司的PDP—8系列。IBM360系統(tǒng)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。它的主要特點是通用化，系列化、標準化。,通用化：指令系統(tǒng)豐富，兼顧科學計算、數(shù)據(jù)處理、實時控制三個方面。 系列化：IBM360各檔機器采用相同的系統(tǒng)結構，即在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式，字符編碼、中斷系統(tǒng)、控制方式、輸入／輸出操作方式等方面保持統(tǒng)一，從而保證了程序兼容，當用戶更新機器時原來在低檔機上編寫的程序可以不作修改就使用在高檔機上。IBM360系統(tǒng)后來陸續(xù)增加的幾種型號仍保持與前面的產(chǎn)品兼容。后來，西歐與日本的一些通用計算機也保持與IBM360系統(tǒng)兼容。蘇聯(lián)和東歐國家聯(lián)合制造的“統(tǒng)一系統(tǒng)”也是與IBM360系統(tǒng)兼容的。 標準化：采用標準的輸入／輸出接口，因而各個機型的外部設備是通用的。采用積木式結構設計，除了各個型號的CPU獨立設計以外，存儲器、外部設備都采用標準部件組裝。,第四代：大規(guī)模集成電路計算機時代(1974—1991)，采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路和半導體存儲器，出現(xiàn)了用共享存儲器、分布存儲器或向量硬件選擇的不同結構的并行計算機，開發(fā)了用于并行處理的多處理操作系統(tǒng)、專用語言和編譯器，同時產(chǎn)生了用于并行處理或分布處理的軟件工具和環(huán)境。七十年代初，半導體存儲器問世，迅速取代了磁心存儲器，并不斷向大容量、高速度發(fā)展，此后，大體上集成度每三年翻兩番(1971年每片1K位，到1984年達到每片256K位)，價格平均每年下降30％。邏輯電路也得到相應的發(fā)展。 隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，計算機進入大發(fā)展時期，通用機、巨型機，小型機、微型機都得到了發(fā)展。,1． 通用機 通用機是計算機工業(yè)中價值比重最大的產(chǎn)品，其中以IBM 370系統(tǒng)影響最大，它在與IBM 360系統(tǒng)兼容的前提下進行了改進。IBM公司為開發(fā)360系統(tǒng)的軟件耗費了巨大的人力和財力，1982年宣布的IBM 3084K大型通用機速度達到每秒2500萬次，主存容量為64兆字節(jié)。其他計算機廠家在發(fā)展新機種時也遵循兼容的原則。某些計算機廠家走上與IBM計算機兼容的道路，稱之為PCM：Plug Compatible Mainframe(插接兼容主機)或Program Compltible Mainframe(程序兼容主機)，制造與IBM兼容的計算機，它們按IBM系列機的系統(tǒng)結構制造主機，并直接引用IBM計算機的軟件，因而使產(chǎn)品的性能價格比優(yōu)于IBM原裝機，以爭奪市場。,2． 巨型機 現(xiàn)代科學技術，尤其是國防技術的發(fā)展，需要有很高運算速度，很大存儲容量的計算機，一般的大型通用計算機不能滿足要求。集成電路的進展，為制造巨型機提供了條件。從60年代到70年代相繼完成了一些巨型機，其中取得最高成績的要推Cray—1計算機。針對天氣預報、飛行器的設計和核物理研究中存在大量向量運算的特點， Cray—1計算機的向量運算速度達每秒8000萬次，并兼顧了一般的標量運算。1983年研制成功的CrayX—MP機向量運算速度達每秒4億次。與此同時，CDC公司的CYBER 203和205先后完成，CYBER205每秒可進行4億次浮點運算。這些是80年代初期的水平最高的巨型機。但是這些成就還不能滿足一些復雜問題的需要，所以不少單位開展了性能更高的巨型機的研究工作。日本、英國、蘇聯(lián)，法國也先后開始研制巨型機。,3． 小型機 小型機規(guī)模小，結構簡單所以設計試制周期短，便于及時采用先進工藝，生產(chǎn)量大，硬件成本低，同時由于軟件比大型機簡單，所以軟件成本也低。再加上容易操作，容易維護和可靠性高等特點，使得管理機器和編制程序都比較簡單，因而得以迅速推廣，掀起一個計算機普及應用的浪潮。DEC公司的PDP—11系列是16位小型機的代表，到70年代中期32位高檔小型機開始興起，DEC公司的VAXll／780于1978年開始生產(chǎn)，應用極為廣泛。VAXll系列與PDPIl系列是兼容的。小型機的出現(xiàn)打開了在控制領域應用計算機的局面，許多大型分析儀器，測量儀器，醫(yī)療儀器使用小型機進行數(shù)據(jù)采集，整理、分析、計算等。應用于工業(yè)生產(chǎn)上的計算機除了進行上述工作外還可進行自動控制。,4． 微型機 微型機的出現(xiàn)與發(fā)展，掀起計算機大普及的浪潮。利用4位微處理器Intel 4004組成的MCS—4是世界上第一臺微型機，于1971年問世。Intel 8086是最早開發(fā)成功的十六位微處理器(1978年)，Intel80286、80386與8086兼容。1981年以后32位微處理器相繼問世，70年代后期，興起個人計算機(一種獨立微型機系統(tǒng))熱潮，最早出現(xiàn)的是Apple公司的AppleⅡ型微機(1977年)，此后各種型號的個人計算機紛紛出現(xiàn)。1981年一向以生產(chǎn)大中型通用機為主的IBM公司推出了IBM PC機，后來又推出擴充了性能的IBM PC／XT，IBM PC／AT機，由于具有設計先進、軟件豐富，功能齊全、價格便宜等特點，很快成為微型機市場主流。國內外不少廠家相繼生產(chǎn)了與IBM PC兼容的個人計算機。低檔的個人計算機可供家庭娛樂和業(yè)余愛好者使用，高檔的用于經(jīng)營管理、科學計算以及教育等方面。,第五代：(1991～現(xiàn)在)采用超大規(guī)模集成電路（VLSI）工藝更加完善的高密度、高速度處理機和存儲器芯片。它的最重要特點是進行大規(guī)模并行處理，采用可擴展的和允許時延的系統(tǒng)結構。第五代計算機具有：智能接口功能：能識別自然語言(文字、語音)、圖形、圖象；解題和推理功能：根據(jù)自身存儲的知識進行推理，求解問題。知識庫管理功能：計算機內存儲大量知識，可供檢索。代表性系統(tǒng)有Fujitsu的VPP500、Cray Research的MPP、Thinking Machines公司的CM—5、Intel超級計算機系統(tǒng)Paragon、SGI的Origin 2000和Sun公司的10000服務器。,隨同計算機硬件發(fā)展的還有軟件，應該指出，發(fā)揮計算機的作用，推廣計算機的應用，改進計算機的設計以及簡化計算機的操作，使它從只供專家使用轉為面向大眾，軟件工作者起了決定性的作用。系統(tǒng)軟件不斷完善、升級，操作系統(tǒng)自動地管理計算機系統(tǒng)中各個設備以及多個程序的高效運行，是第三代計算機時期的重大成就。 廣泛應用計算機的結果，計算機廠家向用戶提供軟件(系統(tǒng)軟件和應用軟件)時與硬件分別計價，并產(chǎn)生了專門從事軟件研制、生產(chǎn)、銷售工作的軟件公司。但是軟件的發(fā)展跟不上需要，軟件費用急劇增長，這是因為硬件是工業(yè)化生產(chǎn)，價格不斷下降，而軟件為人工勞動，生產(chǎn)率低，可靠性不高。,1-2 計算機的分類和應用,1．2．1 計算機的分類 電子計算機從總體上來說分為兩大類。一類是電子模擬計算機。模擬計算機的特點是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算過程也是連續(xù)的。模擬計算機用電壓表示數(shù)據(jù)，電壓組合和測量值用來計算，盤上連線用來控制，精度低，數(shù)據(jù)存儲量小，沒有邏輯判斷能力。 另一類是電子數(shù)字計算機，數(shù)字計算機的主要特點是按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算。數(shù)字計算機數(shù)據(jù)表示是0和1，用數(shù)字計數(shù)，用程序控制，精度高，數(shù)據(jù)存儲量大，有較強的邏輯判斷能力。 電子模擬計算機由于精度和解題能力都有限，所以應用范圍較小。電子數(shù)字計算機則與模擬計算機不同，它是以近似于人類的“思維過程”來進行工作的，所以有人把它叫做電腦。,數(shù)字計算機進一步又可分為專用計算機和通用計算機。專用和通用是根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應性來劃分的。專用機是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但是它的適應性很差。通用計算機適應范圍很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。 通用計算機又可分巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機和單片機六類，它們的區(qū)別在于指令系統(tǒng)規(guī)模、性能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、體積、簡易性、功率損耗和機器價格，見圖1-1。,圖1-1 各種機型的區(qū)別,1．2．2 計算機的應用 隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，計算機的應用范圍在不斷地擴大，從國民經(jīng)濟各部門到個人家庭生活，從軍事部門到民用部門，從科學教育到文化藝術，從生產(chǎn)領域到消費娛樂，小到電子手表、兒童玩具，大到衛(wèi)星、導彈的發(fā)射，應該說計算機已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟的各個部門，是否使用計算機已經(jīng)成為各單位或部門技術應用水平高低的重要標志。下面從幾個主要方面簡述計算機的應用領域。 1．科學計算 科學研究和工程技術計算領域，是計算機應用最早的領域，也是應用得較廣泛的領域。例如數(shù)學、化學、原子能物理學、天文學、地球物理學、生物學等基礎科學的研究，以及航天飛行、飛機設計、橋梁設計、水力發(fā)電、地質找礦等方面的大量計算都要用到計算機。,例如導彈或衛(wèi)星的發(fā)射，必須精確地計算其運行軌道和目標，24小時天氣預報，用手搖計算器進行計算需要幾個星期，改用高速計算機則只需要幾個小時或更短時間；生命科學中為測定胰島素的晶體結構，需要進行大量的、高精度的復雜運算，只有采用高速計算機才成為可能。 2.計算機控制 在現(xiàn)代化工廠里，計算機普遍用于生產(chǎn)過程的自動控制，對于減輕工人的勞動強度，改善工人的工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率能起到很好的作用。一般來說是計算機根據(jù)給定的數(shù)據(jù)實時地對生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化控制，因此又被稱做“過程控制”。各種類型的程控機床的推出，對于提高產(chǎn)品精度和合格率是任何人工所不可能達到的。用于生產(chǎn)過程自動控制的計算機，一般都是實時控制，它們對計算機的速度要求不高，但可靠性要求很高，否則將生產(chǎn)出不合格的產(chǎn)品，甚至造成重大設備事故或人身事故。用于控制的計算機，其輸入信息往往是電壓，溫度，機械位置等模擬量，要先將它們轉換成數(shù)字量，然后計算機才能進行處理或計算。當從被控制對象測量到的信息是溫度、位置等非電量時，要將它們轉換成電量，然后再轉換成數(shù)字量。,,如何測量，用什么儀表測量也是一個很重要的問題。計算機的處理結果是數(shù)字量，一般要將它們轉換成模擬量去控制對象，。 3.數(shù)據(jù)處理方面 計算機發(fā)展初期，它僅僅用于數(shù)值計算。但是后來應用范圍逐漸發(fā)展到非數(shù)值計算領域，可用來處理文字、表格、圖像、聲音等各類問題。因此，確切地講，計算機應當稱為信息機，或叫信息處理機。信息處理的范圍相當廣泛。網(wǎng)絡就是計算機!正因為如此，這一領域由于internet的廣泛應用，所占的比例也最大，帶來的各種效益也十分明顯。,4.計算機輔助設計／計算機輔助制造(CAD／CAM) 由于計算機有快速的數(shù)值計算、較強的數(shù)據(jù)處理以及模擬的能力，因而目前在飛機、船舶、光學儀器、超大規(guī)模集成電路VLSI等的設計制造過程中，CAD／CAM占據(jù)著越來越重要的地位。 在超大規(guī)模集成電路的設計和生產(chǎn)過程中，要經(jīng)過設計制圖、照相制版、光刻、擴散、內部連接等多道復雜工序，是人工難以完成的。使用已有的計算機輔助設計新的計算機，達到設計自動化或半自動化程度，從而減輕人的勞動強度并提高設計質量，這也是計算機輔助設計的一項重要內容。 由于設計工作與圖形分不開，一般供輔助設計用的計算機配備有圖形顯示、繪圖儀等設備以及圖形語言、圖形軟件等。設計人員可借助這些專用軟件和輸入輸出設備把設計要求或方案輸入計算機，通過相應的應用程序進行計算處理后把結果顯示出來，設計人員可用光筆或鼠標器進行修改或選擇，直到滿意為止。,近些年來，伴隨著CAD技術的推廣，計算機輔助設計出現(xiàn)了許多新的分支。例如，計算機輔助制造(CAM)，計算機輔助測試(CAT)，計算機輔助教學(CAl)等均屬于計算機輔助設計的范疇。國家教育部明確指示，學校要將CAI引入教學領域，促進教學內容、教學體制、教學思想和教學方法的改革，要改變傳統(tǒng)的“一支粉筆、一塊黑板”的教學模式，把教學水平推上一個新的臺階，努力實現(xiàn)教學手段的現(xiàn)代化。尤其是近年來，網(wǎng)上大學問世，各種不同規(guī)模、不同類型的教學課件在網(wǎng)上大顯神通，教學體制將產(chǎn)生重大改革，不能說這不是計算機的功勞。 5.人工智能 人類的許多腦力勞動，諸如證明數(shù)學定理、進行常識性推理，理解自然語言，診斷疾病、下棋游戲、破譯密碼等都需要“智能”。人工智能是將人腦在進行演繹推理的思維過程、規(guī)則和所采取的策略、技巧等編成計算機程序，在計算機中存儲一些公理和推理規(guī)則，然后讓機器去自動探索解題的方法，所以這種程序不同于計算機的一般應用程序。人工智能的研究課題是多種多樣的，諸如計算機學習、計算機證明、景物分析、模擬人的思維過程、機器人等等，內容很多。,以下棋為例，如果程序人員把走棋子的法則編成程序存入計算機，計算機就可以按規(guī)則走動棋子，與人對弈。下棋的結果，計算機可能輸了，第二次再下，當人的走法不變時，計算機就再輸一次。但是如果我們從方法和程序上研究一種新的手段，使計算機下棋輸了一次以后它能進行自學習、自組織、自積累經(jīng)驗，那么下次再下棋時就不會重犯上次的錯誤，這就是人工智能所研究的課題。 智能機器人是人工智能各種研究課題的綜合產(chǎn)物，有感知和理解周圍環(huán)境、進行推理和操縱工具的能力，并能通過學習適應周圍環(huán)境，完成某種動作。在不允許人進入的場所(如高溫、有放射性物質等)使用機器人有特殊的意義。 人工智能研究中最有成就的要算“機器人”。目前世界上有大量的“工業(yè)機器人”在生產(chǎn)線上或在高溫、有毒、輻射、深水等環(huán)境下工作。盡管它們只做一些非常簡單的事情，但是任務完成得非常出色?，F(xiàn)在，又出現(xiàn)了比“工業(yè)機器人”更高明的“智能機器人”，它會自己識別控制對象和工作環(huán)境，作出判斷和決策，直接領會人的口令和意圖，能避開障礙物，適應環(huán)境條件的變化，靈活機動地完成控制任務與信息處理任務。,1．3 計算機的硬件和軟件,1．3．1 計算機的硬件 計算機的硬件由輸入設備、輸出設備、運算器，存儲器和控制器五部分組成。圖1．2為計算機硬件組成框圖。 輸入設備用來輸入原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序。最常用的輸入設備是鍵盤、掃描儀等。輸入的信息有數(shù)字，字母和控制符等，人們經(jīng)常用八位二進制碼來表示一個數(shù)字(0～9)、一個字母(A，B，C，…，X，Y，Z)或其他符號，當前通用的是ASCⅡ碼，它用七位二進制碼來表示一個字符，最高的一位可用于奇偶校驗或作其它用處。在計算機中，一般把八位二進制碼稱為一個字節(jié)。 輸出設備用來輸出計算機的處理結果，可以是數(shù)字、字母、表格、圖形等。最常用的輸入輸出設備是顯示終端和打印機，處理結果顯示在屏幕上，而打印機則將結果打印在紙上，除此以外，為了監(jiān)視人工輸入信息的正確性，在用鍵盤輸入信息時，將剛輸入的信息顯示在屏幕上，如有錯誤，可及時糾正。,圖1-2 計算機硬件組成框圖,,,1.運算器 運算器是對信息或數(shù)據(jù)進行處理和運算的部件，經(jīng)常進行的是算術運算和邏輯運算，所以在其內部有一個算術及邏輯運算部件（ALU）。算術運算是按照算術規(guī)則進行的運算，例如加、減、乘、除、求絕對值、求負值等。邏輯運算一般是指非算術性質的運算，例如比較大小、移位、邏輯乘、邏輯加等。 二進制數(shù)的運算規(guī)律非常簡單。例如加法：0+0＝0，0+1＝1，l+0＝1，1+1＝10，最后一個加式中等號右邊的“1”表示向上一位的進位。又如乘法：0X0＝0，Ox1＝0，1X0＝0，1X1=l0，正是由于二進制數(shù)運算規(guī)律簡單，在電子器件中比較容易實現(xiàn)，因此，在電子數(shù)字計算機中廣泛采用二進制數(shù)。 二進制數(shù)和十進制數(shù)一樣，在運算中，當數(shù)的位數(shù)越多時，計算的精度就越高。理論上講，數(shù)的位數(shù)可以任意多。但是位數(shù)越多，所需的電子器件也越多，因此目前計算機的運算器長度一般是8位、16位、32位或64位。,2.存儲器 存儲器用來存放程序和數(shù)據(jù)，是計算機各種信息的存儲和交流中心。存儲器的功能是保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟。為此，在運算前需要把參加運算的數(shù)據(jù)和解題步驟通過輸入設備送到存儲器中保存起來。在控制器控制之下，存儲器可與輸入輸出設備、運算器、控制器交換信息，起存儲、緩沖、傳遞信息的作用。 存儲器存儲的全是0或1表示的二進制代碼。那么大量的0、1代碼在存儲器中如何保存呢?目前采用半導體器件來擔當此任務。我們知道，一個半導體觸發(fā)器有0和l兩種狀態(tài)，可以記憶一個二進制代碼。一個數(shù)假定用16位二進制代碼來表示，那么就需要有16個觸發(fā)器來保存這些代碼。通常，在存儲器中把保存一個數(shù)的16個觸發(fā)器稱為一個存儲單元。存儲器是由許多存儲單元組成的。每個存儲單元都有編號，稱為地址。向存儲器中存數(shù)或者從存儲器中取數(shù)，都要按給定的地址來尋找所選的存儲單元，這相當于上面所講的橫格紙每一行存放一個數(shù)一樣。圖1-3為存儲器的結構示意圖。,圖1-3為存儲器的結構示意圖,,存儲器所有存儲單元的總數(shù)稱為存儲器的存儲容量，通常用單位KB，MB來表示，存儲容量越大，表示計算機記憶儲存的信息就越多。 半導體存儲器的存儲容量畢竟有限，因此計算機中又配備了存儲容量更大的磁盤存儲器和光盤存儲器，稱為外存儲器。 3.控制器 控制器主要用來實現(xiàn)計算機本身運行過程的自動化，即實現(xiàn)程序的自動執(zhí)行。 (1)計算程序 (2)指令的形式 (3)控制器的基本任務 (4)指令流和數(shù)據(jù)流 4.適配器與輸入輸出設備,1．3．2 計算機的軟件 1．軟件的組成與分類 所有軟件都是使用某種語言編寫的、可完成各種功能的程序。計算機語言有機器語言、匯編語言和高級語言之分。 機器語言是計算機硬件可直接識別的最低級的語言。它要求程序員不僅要了解機器的硬件結構，而且要掌握各條機器指令的二進制編碼格式，這是很難做到的。因此利用機器語言編寫程序是非常困難的。 匯編語言是采用助記符編程的語言，用匯編語言編寫的源程序必須由匯編程序將其翻譯成機器語言程序才能被機器執(zhí)行，匯編語言與機器的硬件結構有一定的關系，能較好地發(fā)揮機器硬件的功能，因此要求程序員對機器硬件有一定的了解，在系統(tǒng)結構相同的序列機內部可實現(xiàn)匯編語言級的軟件兼容。匯編語言的優(yōu)點是執(zhí)行速度快，因此多用于實時控制。 高級語言是完全脫離機器硬件結構，根據(jù)應用領域的不同要求而設計出的通用的程序設計語言，品種繁多，目前世界上使用的高級語言有上百種，大體上可分成兩大類：其一是會話型的高級語言，它必須由解釋程序將其翻譯成機器語言程序才能被執(zhí)行，而且是一邊解釋一邊執(zhí)行，即每解釋一個語句就執(zhí)行一個語句，以達到人機會話的要求。,換句話說，完全不了解計算機硬件的人，同樣可使用高級語言來編寫可執(zhí)行的源程序。 計算機軟件可分成系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類，如圖1-4 計算機軟件組成圖。應用軟件是由應用程序員根據(jù)要求，使用各種語言編寫的源程序,是利用計算機來解決某些問題而編制的程序。系統(tǒng)軟件通常包括用來管理機器的操作系統(tǒng)，各種高級語言的編譯或解釋程序，匯編程序，數(shù)據(jù)庫管理程序，還有系統(tǒng)調試程序、故障診斷程序和錯誤檢測程序等，它們是由系統(tǒng)程序員編寫的，一般不允許修改，可固定存放在機內的只讀存儲器中，或者存放在外部存儲器中，需要時調入機器的內存儲器中去執(zhí)行。它包括以下四類：(1)各種服務性程序，如診斷程序、排錯程序、練習程序等；(2)語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等；(3)操作系統(tǒng)；(OperatingSystem簡稱OS)用來管理和控制計算機系統(tǒng)的軟硬件資源，提高這些資源的利用率，并為用戶使用計算機提供方便，屬于核心的系統(tǒng)程序。 一個操作系統(tǒng)的研制，常常需要上百個“人年”甚至更長，目前比較流行的操作系統(tǒng)有MS-DOS，UNIX，WINDOWS，LINIX等。匯編、編譯或解釋程序屬于語言處理程序，是各種語言的源程序能在機內正常運行的關鍵軟件。,(4)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫管理程序是管理數(shù)據(jù)庫的工具，計算機在工作過程中常常需要處理大量的數(shù)據(jù)信息，它們可集中存放在各種類型的數(shù)據(jù)庫中。為了數(shù)據(jù)庫的建立、使用和維護，使各種類型的數(shù)據(jù)庫管理程序應運而生。從早期的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBASE到目前流行的面向對象的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)ORACLE、SYBACE等，它們都能在操作系統(tǒng)的管理下，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的管理和控制功能。除此之外，系統(tǒng)調試程序、故障診斷程序也是系統(tǒng)軟件中不可缺少的部分。 2．軟件的發(fā)展演變 早期的計算機中，是直接用機器語言(即機器指令代碼)來編寫程序的，這種方式編寫的程序稱為手編程序。這種用機器語言書寫的程序，計算機完全可以“直接識別”并能執(zhí)行，所以又叫做目的程序。,圖1-4 計算機軟件組成圖,,為了編寫程序方便和提高機器的使用效率，人們想了一種辦法，用一些約定的文字、符號和數(shù)字按規(guī)定的格式來表示各種不同的指令，然后再用這些特殊符號表示的指令來編寫程序。這就是所謂的匯編語言。對人來講，符號語言簡單直觀、便于記憶，比二進制數(shù)表示的機器語言方便了許多。借助于匯編程序，計算機本身可以自動地把符號語言表示的程序(稱為匯編源程序)翻譯成用機器語言表示的目的程序，從而實現(xiàn)了程序設計工作的部分自動化。使用符號語言編程序比用機器語言編程序是進了一步，但符號語言還是一種最初級的語言，和數(shù)學語言的差異很大，并且仍然面向一臺具體的機器。由于不同的計算機其指令系統(tǒng)也不同，所以人們使用計算機時必須先花很多時間熟悉這臺機器的指令系統(tǒng)，然后再用它的符號語言來編寫程序，因此還是很不方便，節(jié)省的人力時間也有限。為了進一步實現(xiàn)程序自動化和便于程序交流，使不熟悉具體計算機的人也能很方便地使用計算機，人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學語言的算法語言。,所謂算法語言，是指按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構成程序的規(guī)則。算法語言比較接近數(shù)學語言，它直觀通用，與具體機器無關，只要稍加學習就能掌握，便于推廣使用計算機。有影響的算法語言有BASIC，F(xiàn)ORTRAN，C等。用算法語言編寫的程序稱為源程序。但是，這種源程序如同匯編源程序一樣，是不能由機器直接識別和執(zhí)行的，也必須給計算機配備一個既懂算法語言又懂機器語言的“翻譯”，才能把源程序翻譯為機器語言。通常采用編譯方法和解釋方法這兩種方法。 用戶直接使用機器總覺得機器“太硬了”，很多情況都得依附它。而計算機又覺得用戶及外部設備“太笨”，常常使它處于無事可做的狀態(tài)，要擺脫這種情況還要依靠計算機來管理自己和管理用戶，于是人們又創(chuàng)造出一類程序，叫做操作系統(tǒng)。它是隨著硬件和軟件不斷發(fā)展而逐漸形成的一套軟件系統(tǒng)，用來管理計算機資源(如處理器、內存、外部設備和各種編譯、應用程序)和自動調度用戶的作業(yè)程序，而使多個用戶能有效地共用一套計算機系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使計算機的使用效率成倍地提高，并且為用戶提供了方便的使用手段和令人滿意的服務質量。,根據(jù)不同使用環(huán)境要求，操作系統(tǒng)目前大致分為批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)等多種。個人計算機中廣泛使用微軟公司的“視窗”操作系統(tǒng)。 隨著計算機在信息處理、情報檢索及各種管理系統(tǒng)中應用的發(fā)展，要求大量處理某些數(shù)據(jù)，建立和檢索大量的表格。這些數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來，使得處理更方便，檢索更迅速，用戶使用更方便，于是出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫。所謂數(shù)據(jù)庫就是實現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量相關數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計算機軟、硬件資源組成的系統(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)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有各種類型。目前許多計算機包括微型機，都配有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。軟件的進一步發(fā)展，將開發(fā)更高級的計算機語言。這是因為目前所有的高級語言編寫程序時，程序比較復雜，開發(fā)成本高。計算機語言發(fā)展的方向是標準化、積木化、產(chǎn)品化，最終是向自然語言發(fā)展，它們能夠自動生成程序。,1．4 計算機系統(tǒng)的層次結構,1.計算機系統(tǒng)結構概念 “計算機系統(tǒng)結構”這個名詞來源于英文computer architecture，也有譯成“計算機體系結構”的。Architecture這個字原來用于建筑領域，其意義是“建筑學”、“建筑物的設計或式樣”，它是指一個系統(tǒng)的外貌。 計算機系統(tǒng)結構這個詞是Amdahl等人在1964年提出的。他們把系統(tǒng)結構定義為由程序設計者所看到的一個計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結構和功能特性。這實際上是計算機系統(tǒng)的外特性。按照這一定義，不同程序設計者所看到的計算機有不同的屬性。 在計算機技術中，一種本來存在的事物或屬性，但從某種角度看似乎不存在，稱為透明性現(xiàn)象。通常，在一個計算機系統(tǒng)中，低層機器級的概念性結構和功能特性，對高級語言程序員來說是透明的。由此看出，在層次結構的各個級上都有它的系統(tǒng)結構。,2.計算機系統(tǒng)層次結構 計算機系統(tǒng)由硬件和軟件組成，按功能劃分成多級層次結構，如圖所示。圖中每一級各對應一種機器。圖中的第0級機器由硬件實現(xiàn)，第1級機器由微程序(固件)實現(xiàn)，第2級至第6級機器由軟件實現(xiàn)。我們稱由軟件實現(xiàn)的機器為虛擬機器，以區(qū)別于由硬件或固件實現(xiàn)的實際機器。 第0和第1級是具體實現(xiàn)機器指定功能的中央控制部分。它根據(jù)各種指令操作所需要的控制時序，配備一套微指令，編寫出微程序，控制信息在各寄存器之間的傳送，這就是第1級機器。實現(xiàn)這些微指令本身的控制時序只需要很少的邏輯線路，可采用硬聯(lián)邏輯實現(xiàn)，它就是第0級機器，是機器的硬件內核。 第2級是傳統(tǒng)機器語言機器。這級的機器語言是該機的指令系統(tǒng)。機器語言程序員用這級指令系統(tǒng)編寫的程序由第1級的微程序進行解釋。,第3級是操作系統(tǒng)機器。這級的機器語言中的多數(shù)指令是傳統(tǒng)機器的指令，如算術運算、邏輯運算和移位等指令。此外，這一級還提供操作系統(tǒng)級指令，操作系統(tǒng)是運行在第2級的解釋程序。 第4級是匯編語言機器。這級的機器語言是匯編語言。用匯編語言編寫的程序首先翻譯成第3級或第2級語言，然后再由相應的機器進行解釋。完成翻譯的程序叫作匯編程序。 第5級是高級語言機器。這級的機器語言就是各種高級語言。用這些語言所編寫的程序 一般是由編譯程序翻譯到第4級或第3級上的語言，個別的高級語言也用解釋的方法實現(xiàn)。 第6級是應用語言機器。這級的機器語言是應用語言。這種語言使非計算機專業(yè)人員也能直接使用計算機，只需在用戶終端用鍵盤或其他方式發(fā)出服務請求就能進入第6級的信息處理系統(tǒng)。,,計算機系統(tǒng)層次結構圖,從學科領域來劃分，大致可以認為第0至第1級是計算機組織與結構討論的范圍，第3至第5級是系統(tǒng)軟件，第6級是應用軟件。但是，嚴格說起來又不盡然，它們之間仍有交叉。例如，第0級要求一定的數(shù)字邏輯基礎；第2級涉及匯編語言程序設計的內容；第3級與計算機系統(tǒng)結構密切相關。在特殊的計算機系統(tǒng)中，有些級別可能不存在。 把計算機系統(tǒng)按功能劃分成多級層次結構，首先有利于正確理解計算機系統(tǒng)的工作，明確軟件、硬件和固件在計算機系統(tǒng)中的地位和作用。其次有利于理解各種語言的實質及其實現(xiàn)。最后還有利于探索虛擬機器新的實現(xiàn)方法，設計新的計算機系統(tǒng)。,1．5 本章小結,“電子計算機”是指現(xiàn)在廣泛應用的電子數(shù)字計算機，它分為專用計算機和通用計算機兩大類。專用和通用是根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應性來劃分的。通用計算機又分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機、單片機六類，其結構復雜性、性能、價格依次遞減。 計算機的生命力在于它的廣泛應用，應用的范圍幾乎涉及人類社會的所有領域。計算機的硬件是由有形的電子器件等構成的，它包括運算器、存儲器、控制器、適配器、輸入輸出設備。計算機的軟件是計算機系統(tǒng)結構的重要組成部分，也是計算機不同于一般電子設備的本質所在。計算機軟件一般分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件用來管理計算機的軟硬件它包括各種服務性程序、語言類程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。應用程序是針對某一具體應用領域開發(fā)的軟件。 計算機系統(tǒng)是一個由硬件、軟件組成的多級層次結構，它通常由微程序級、一般機器級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級、高級語言級組成。,