计算机原理与操作系统.ppt

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1、,2013.3,计算机原理与操作系统,教学目的与要求,本课程包括计算机(微机）组成原理和操作系统（UNIX和LINUX)两大部分，通过本课程的学习，使大家了解计算机系统的组成、原理和内部运行机制，准确理解和掌握操作系统如何管理和控制计算机系统软、硬件资源等知识点，熟悉地球物理学中广泛使用的Unix和Linux操作系统，培养良好的程序设计思维和使用计算机的能力，为将来的地球物理软件的研制与应用奠定基础。,课程的主要内容,计算机系统概述 数制与码制 计算机主机的工作原理8086指令系统和汇编语言程序设计计算机外围设备简介操作系统的基本原理,主要参考书,1、周佩玲 16位微型计算机原理接口及其应用

2、中国科学技术大学出版社 20022、蒋本珊 电子计算机组成原理（3版）北京理工大学出版社 2004 3、白中荣 计算机组成原理 科学出版社 20054、汤子瀛 计算机操作系统 西安电子科技大学出版社 20025、程丽芳 操作系统原理教程 电子工业出版社 20046、UNIX、LINUX及网络相关教程7、计算机文化基础 石油大学出版社 2000,课程要求 以课件内容为主 重视练习 授课内容有侧重考查方式 闭卷考试 卷面成绩70，平时成绩30（作业和上机）,计算机（Computer）：计算机是一种以电子器件为基础的，不需人的直接干预，能够对各种数字化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。,第一章 概

3、 论,计算机发展中的关键人物,维纳的现代计算机设计五原则,1940年，美国科学家维纳阐述了自己对现代计算机的五点设计原则：数字式而不是模拟式；以电子元件构成并尽量减少机械装置；采用二进制而不是十进制；内部存放计算表；内部存储数据。维纳在1948年完成了著作控制论，这不仅使维纳成为控制论的创始人，而且对计算机后来的发展和人工智能的研究产生了深刻的影响。,现代电子计算机之父,19441945年间，美籍匈牙利科学家冯诺伊曼(Von Neumann)在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：采用二进制和“存储程序”的通用电子计算机体系

4、结构原理，确立了计算机的五个基本部件：I/O设备、运算器、存储器和控制器，从而奠定了当代电子数字计算机体系结构的基础，也使冯诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，现在的微型计算机就是采用这种结构。,计算机开关电路 1938年，信息论的创始人、美国科学家仙农发表论文继电器和开关电路的符号分析，首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础。,图林机：1936年，24岁的英国数学家图林发表著名论文论可计算数及其在密码问题的应用，提出了“理想计算机”，后人称之为“图林机”。图林通过数学证明得出理论上存在“通用图林机”，这为可计算性的概念提供了严格的数学定义，图林机成为现代

5、通用数字计算机的数学模型，它证明通用数字计算机是可以制造出来的。,1科学计算 在大型的系统工程中，往往需要大量的计算。比如天气预报：全国甚至全世界各个地域的温度、湿度、各个不同高度的大气数据、地域地理数据，反正是惊人的数据量集中到大型计算中心，进行大规模的数据运算，得出今后不同时期的天气概率。2过程控制 这里往往用在生产、军事领域。这样的计算机实时采集外界的数据，并且尽量快的加以处理，用事先定义好的应对方式加以响应和控制相关部件。比如化工生产当中的各个管道的压力、温度、流量必须在一定的范围内，这是各个探头实时采集以上数据，发现不对时立刻控制相关阀门加以处理。,计算机的主要应用领域,3信息处理

6、计算机不仅能处理数值数据和字符信息，还能处理图形、图象、声音、动画等各种信息。在业务处理、情报处理、办公自动化、管理和决策方面，计算机都得到了广泛的应用，如管理信息系统（MIS），决策支持系统（DSS）等。4计算机辅助设计、辅助制造和辅助教学 计算机辅助设计（CAD），计算机辅助制造（CAM），计算机辅助教学（CAI），这些都是新兴的行业，利用计算机在这些传统领域的拓展，大大缩短了制造业的设计制造周期。5人工智能（AI）用计算机代替人类的某些脑力劳动。,1.1 计算机的发展简史,一、第一代电子管计算机（1946-1957）1946年2月15日，世界上第一台通用数字电子计算机ENIAC研制成功。

7、,计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）,重达30吨，占地170m2,耗电140KW，用了18800多个电子管。据传ENIAC每次一开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色。另外，真空管的损耗率相当高，几乎每15分钟就可能烧掉一支真空管，操作人员须花15分钟以上的时间才能找出坏掉的管子，使用上极不方便。曾有人调侃道：“只要那部机器可以连续运转五天，而没有一只真空管烧掉，发明人就要额手称庆了”。,ENIAC的开发经费几经追加，达到48万美元，相当于现在的1000万美元以上。,埃克特（右）和莫克利（左）因共同研制成功ENIAC而名

8、垂青史。总工程师埃克特当时年仅24岁。,二、第二代晶体管计算机（1958-1964）这一时期主要采用晶体管作为基本器件，因而缩小了体积，降低了功耗，提高了速度和可靠性。,晶体管与电子管的比较,1959-1964：晶体管造就第二代计算机,晶体管,肖克莱（左）、巴丁（中）、布拉顿（右）于1956年共同获得诺贝尔物理学奖。,第二代计算机 TRADIC,美国贝尔实验室于1954年研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机TRADIC。装有800只晶体管，仅100瓦功率，占地也只有3立方英尺。相比采用定点运算的第一代计算机，第二代计算机普遍增加了浮点运算，计算能力实现了一次飞跃。,IBM 7090 晶体管电

9、脑,第二代电子计算机的典型代表,三、集成电路计算机（1964-1972）,1958年，美国物理学家基尔比和诺伊斯同时发明集成电路。,1969年，法庭判决基尔比(左)和诺伊斯（右）为集成电路的共同发明人，他们都因此成为微电子学创始人并获得巴伦坦奖章。,IBM S/360,S/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有“360度”全方位的特点，并因此得名。开发S/360被称为“世纪豪赌”，IBM为此投入了50亿美元的研发费用，远远超过制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元。,四、大规模或超大规模集成电路计算机（1972-）出现集成电路后，唯一的发展方向是扩大规模。大规模集成电路(LSI)可以在一

10、个芯片上容纳几百个元件。到了80年代，超大规模集成电路(VLSI)在芯片上容纳了几十万个元件，后来的ULSI将数字扩充到百万级。,台式PC微机,笔记本电脑,格鲁夫、诺依斯和摩尔,Intel公司成立于1968年，Intel这个字是由“集成/电子(Integrated Electronics)两个英文单词组合成的，象征新公司将在集成电路市场上飞黄腾达,1.2 微处理器和微型计算机的发展,冯、诺依曼结构计算机的 五大部件中，存储器又分为内存储器和外存储器，外存储器和输入设备、输出设备统称为外围设备；运算器和控制器合称主机，这两部分又称中央处理器（CPU,Central Processing Unit

11、），将主机集成为一块芯片就是微处理器（p，Microprocessor），又称微处理机。,一、微处理器、微型计算机和微型计算机系统,（一）定义 微处理器（p，Microprocessor）：是指由一片或几片大规模集成电路组成的中央处理器。微型计算机（c，Microcomputer）：是指以微处理器为基础，配以内存储器以及输入/输出（I/O）接口和相应的辅助电路而构成的裸机。微型计算机系统（cs，Microcomputer System）：是指由微型计算机配以相应的外围设备及其它专用电路、电源、面板、机架及足够的软件而构成的系统。三者间的关系如下：,1、第一代 4位和低档8位微处理器（1972-

12、1974）Intel 4004,Intel 80082、第二代 中档8位微处理（1974-1978）Intel 8080,Motorola M6800,Zilog z803、第三代 16位微处理器（1978-1981）Intel 8086/8088,Motorola M68000,Zilog z80004、第四代 32位微处理器（1981-2001）Intel 80486 Pentium I-IV6、第五代 64位微处理器（2001-）,微处理器发展历史,微处理器飞速发展,80386,80486,奔腾,奔腾2代,奔腾4代,80286,8086,奔腾3代,IA-64(安腾),4004,1971年

13、,1978年,1983年,1985年,1989年,1993年,1997年,1999年,2000年,Moore(摩尔)定律:“微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番”,双核,2006年,2001年,摩尔定律,摩尔预言，晶体管的密度每过18个月就会翻一番，这就是著名的摩尔定律。这 个 趋 势 一 直 延 续 至 今。在 26 年 的 时 间 里，芯 片 上 的 晶 体 管 数 量 增 加 了 3200 多 倍，从 1971 年 推 出 的 第 一 款 4004 的 2300 个 增 加 到 奔 腾 II 处 理 器 的 750 万 个。,1971：微处理器时代的开端,1971年1月，Intel公司的

14、霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。,4004的样子很像小虫子,4004的集成度只有2300个晶体管，功能其实比较弱，且计算速度较慢，以致只能用在Busicom计算器上，更不用说进行复杂的数学计算了。不过比起第一台电子计算机ENIAC来说，它已经轻巧太多太多了。而且最大的历史意义是，它是第一个通用型处理器,1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。,I,1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel

15、8080,主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。,8086,1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，标志着第三代微处理器问世。它采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。,8088：IBM PC的御用之选,1979年，Intel推出4.77MHz的准16位微处理器8088。它在内部以16位运行，但支持8位数据总线，采用现有的8位设备控制芯片，包含29000个3微米技术的晶体管，可访问1MB内存地址，速度为0.33MIPS。,第

16、一台IBM PC,早在1980年7月，一个负责“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，开始开发后来被称为IBM PC的产品。一年后的8月12日，IBM公司在纽约宣布第一台IBM PC诞生,第一台IBM PC采用了主频为4.77MHz的Intel 8088，操作系统是Microsoft提供的MS-DOS。IBM将其命名为“个人电脑（Personal Computer）”，不久“个人电脑”的缩写“PC”成为所有个人电脑的代名词。,PC之父,IBM微电脑技术总设计师埃斯特利奇（Don Estridge）负责整个跳棋计划的执行，他的天才和辛勤工作直接导致了IBM PC

17、的成功，并被后人尊称为“PC之父”。不幸的是，4年后“PC之父”因乘坐的班机遭台风袭击而英年早逝，没能够亲眼目睹他所开创的巨大辉煌。,Intel 80286,1983年,Intel推出6MHz的Intel 80286微处理器，采用16位数据总线。它提供了保护模式操作功能，最初的批发价为360美元。,80386进入了32位元的世代,1985年10月，Intel推出16MHz 80386DX微处理器,Intel 486（1988）,Pentium（586）,Intel于1993年3月推出奔腾（Pentium）处理器,Pentium MMX，支持多媒体技术的奔腾,Pentium MMX是英特尔在Pe

18、ntium内核基础上改进，最大的特点是增加了57条MMX指令。这些指令专门用来处理音视频相关的计算，目的是提高CPU处理多媒体数据的效率。,Pentium Pro，面向工作站的处理器,1995年11月1日，Intel推出Pentium Pro微处理器，采用了一种新的总线接口Socket 8。新的处理器对多媒体功能提供了很好的支持。,Pentium II，芯片封装有着巨大的改变,Pentium II首次引入了S.E.C封装(Single Edge Contact)技术，将高速缓存与处理器整合在一块PCB板上。,1999年1月，Intel推出奔腾III处理器，其身份代码可通过Internet读取。

19、,2000年英特尔发布了Pentium 4处理器。用户使用基于Pentium 4处理器的个人电脑，可以创建专业品质的影片，透过因特网传递电视品质的影像，实时进行语音、影像通讯，实时3D渲染，快速进行MP3编码解码运算，在连接因特网时运行多个多媒体软件。这是目前空前强大的个人电脑处理器产品，仍然在继续销售中。,微处理机时代,Intel公司和HP公司在2001年共同开发的64位处理器Itanium(安腾)处理器2003年4月AMD公司推出首款64位处理器，这是一款采用x86兼容架构的64位CPU，它最大的特点 就是在支持64位数据寻址的同时，向下兼容32位数据寻址，妥善解决了CPU从32位到64位

20、的过渡和兼容问题，从而掀起了桌面处理器从32位向64位过 渡的技术革命。,微处理机时代,2004年3月，Intel也发布了其首款64位Xeon处理器，它采用EM64T(Intel Extended Memory 64 Technology)技术，同时支持32位和64位运算，在运行64位程序时采用64位工作方式，而在处理32位运算时依然是IA32(即x86)工作 结构，这实际上也一起被称为x86-64架构。,微处理机时代,2006 年 5 月：英特尔 酷睿 2 双核处理器品牌隆重推出 全新处理器可实现高达 40%的性能提升，其能效比最出色的英特尔 奔腾 处理器高出 40%。英特尔 酷睿 2 双核

21、处理器包含 2.91 亿个晶体管。,微处理机时代,在2007年的9月6日，Intel发布 代号为“Tigerton”的7300系列 四核心处理器。Tigerton是一款 面向4路及以上服务器的四核服务器处理器，构成拥有16个核心的服务器。Tigerton将意味着双独立总线架构的终结，它将使用专用连接，连接内核和芯片组。,INTEL宣布，在2008年9月14日推出业界首款六核心服务器处理器Dunnington。型号分别是Xeon X7450/2.40GHz和Xeon X7460/2.66GHz,以及2.13GHz低压版Xeon L7455，热设计功耗分别为130W、90W以及65W。前端总线均为

22、1066MHz。,Dunnington Xeon基于45nm Penryn核心，兼容Tigerton Xeon 7300系列。这三款服务器处理器均采用45nm制程工艺。其中Xeon X7460内建16MB L3共享缓存，Xeon L7455和Xeon E7450内建12MB L3共享缓存。,龙芯处理器：通用微处理器，RISC CPU，兼容MIPS指令龙芯系列微处理器介绍：1.2001年5月，在中科院计算所知识创新工程的支持下，龙芯课题组正式成立。2.2001年8月19日，龙芯1号设计与验证系统成功启动Linux操作系统，10月10日通过由中国科学院组织的鉴定。3.2002年8月10日，首片龙芯

23、1号芯片X1A50流片成功。4.2002年9月22日龙芯1号通过由中国科学院组织的鉴定。9月28日举行龙芯1号发布会，人大常委会副委员长路甬祥、全国政协副主席周光召参加了龙芯1号发布会。5.2003年10月17日，龙芯2号首片MZD110流片成功。6.2004年1月，龙芯技术服务中心前身龙芯实验室成立。7.2004年9月28日，经过多次改进后的龙芯2C芯片DXP100流片成功。8.2004年11月，国务院总理温家宝视察中科院计算所听取龙芯研发情况汇报。9.2005年2月，国家主席胡锦涛等党和国家领导人在参观中科院建院55周年展览时参观了龙芯处理器展览。,国产通用处理器：龙芯处理器系列,10.2

24、005年1月31日举行了由中国科学院组织的龙芯2号鉴定会，2005年4月18日在人民大会堂召开了由科技部、中科院和信息产业部联合举办的龙芯2号发布会，人大常委会副委员长顾秀莲参加了龙芯2号发布会。11.2005年5月，龙芯课题组派出骨干成员赴江苏参与组建龙芯产业化基地（龙梦科技前身）。12.2006年3月18日，龙芯2号增强型处理器CZ70流片成功，9月13日通过科技部组织的鉴定，徐冠华部长亲临鉴定会现场。13.2006年10月，中法两国在北京签署了关于中国科学院与意法半导体公司合作研发龙芯多核处理器的框架协议，中国国家主席胡锦涛与法国总统希拉克共同出席了协议的签字仪式。14.2007年3月2

25、8日，中国科学院计算所与意法半导体公司（ST）在北京人民大会堂召开龙芯处理器技术合作及产品发布会，全国人大常委会副委员长许嘉璐、信息产业部副部长娄勤俭、中国科学院秘书长李志刚参加了会议。,龙芯系列微处理器介：1）龙芯处理器主要包括三个系列。2）龙芯1 号处理器及其IP 系列主要面向嵌入式应用，龙芯2 号超标量处理器及其IP 系列主要面向桌面应用，龙芯 3 号多核处理器系列主要面向服务器和高性能机应用。3）根据应用的需要，其中部分龙芯2 号也可以面向部分高端嵌入式应用，部分低端龙芯3 号也可以面向部分桌面应用。以后上述三个系列将并行发展。4）龙芯系列处理器通过充分开发指令级并行性、数据级并行性、

26、以及线程级并行性来提高性能。其中龙芯1 号系列微处理器实现了带有静态分支预测和阻塞Cache 的单发射的乱序执行流水线；龙芯2 号系列微处理器实现了带有动态分支预测和非阻塞Cache 的超标量四发射乱序执行流水线，龙芯2 号系列微处理器还使用浮点数据通路复用技术实现了定点的单指令流多数据流指令；下一代的龙芯3 号系列微处理器将实现片内多核技术。,龙芯1号处理器,龙芯一号CPU采用0.18um CMOS工艺制造，具有良好的低功耗性，平均功耗0.5瓦特，在片内提供了一种特别设计的硬件机制，可以抗御缓冲区溢出类攻击。在硬件上根本抵制了缓冲溢出类攻击危险，从而大大增加了服务器的安全性。基于龙芯CPU的

27、网络安全设备可以满足国家政府部门，企业机关对于网络与信息系统安全的需求。,龙芯一号32位微处理器性能参数,龙芯2号处理器芯片,龙芯2号采用180nm的CMOS工艺制造，片上集成了1350万个晶体管，硅片面积6.2毫米6.7毫米，最高频率为500MHz，功耗为3-5瓦。龙芯2号实现了先进的四发射超标量超流水结构，片内一级指令和数据高速缓存各64KB，片外二级高速缓存最多可达8MB。龙芯2号的SPEC CPU2000标准测试程序的实测性能是龙芯1号的8-10倍，是1.3GHz的威盛处理器的2倍，已达到相当于Pentium 3的水平。基于龙芯2号的Linux-PC系统可以满足绝大多数的桌面应用。,龙

28、芯2号增强型处理器芯片（龙芯2E）,龙芯2E是一款实现64位MIPS指令集的通用RISC处理器，采用90nm的CMOS工艺，布线层为七层铜金属，芯片晶体管数目为4700万，芯片面积6.8mm5.2mm，最高工作频率为1GHz，典型工作频率为800MHz，实测功耗5-7瓦。龙芯2E具有片上128KB一级缓存、512KB二级缓存，单精度峰值浮点运算速度为80亿次/秒，双精度浮点运算速度为40亿次/秒，在1GHz主频下SPEC CPU2000的实测分值达到500分，综合性能已经达到高端Pentium 以及中低端Pentium 4处理器的水平。,龙芯2F,龙芯2F是基于龙芯2E处理器的改进版本，于20

29、07年研制成功。龙芯2F在龙芯2E的基础上提高了I/O性能和内存访问带宽，增加了通过软件调节工作频率的机制，并且兼容MIPS64标准。龙芯2F集成了高性能龙芯2号CPU核，DDR2内存控制器，PCI/PCI-X 接口,Local bus,中断控制器以及视频加速部件。龙芯2F采用CMOS90纳米标准工艺生产。龙芯2F的具体特性如下：64位 MIPS III 及扩展指令集兼容,64位字长;四发射动态超标量结构，支持2个定点部件，2个浮点部件和一个访存部件。9-10 级超流水线，支持寄存器重命名、动态调度、转移预测等乱序执行技术IEEE 754兼容的浮点部件，每个浮点部件都支持全流水浮点乘加运算，硬

30、件实现浮点除法和开方运算，并支持多媒体加速。64项全相联TLB，每项映射两页，页大小4KB-4MB可变；独立的16-32项指令TLB，支持可执行位以防止缓冲区溢出攻击。分离的片上一级指令Cache和数据Cache，4路组相联，大小各为64KB，每块32字节。512KB片上4路组相连二级Cache（每块32字节），能够由软件控制打开或关闭。集成64位DDR2内存控制器，最高333MHz频率。集成133MHz PCIX总线控制器，支持PCIX和PCI总线兼容。1-GHz 主频，支持动态频率调节以及关闭内核时钟等动态功耗管理功能。低功耗：1GHz频率下功耗小于5瓦集成视频加速模块，该模块位于PCI/

31、PCI-X 控制器的写数据通路中，利用软件驱动，视频加速模块能够进行YUV格式到RGB格式的视频数据转换和自动缩放运算.,龙芯3号,3A（4核，已经流片成功，性能在测试中）龙芯 3A 处理器是第一款集高性能、低成本、低功耗于一体的多核处理器,内部集成 4 个主频为 1GHz 的 64 位超标量通用处理器核,采用 65nm工艺设计,芯片晶体管数目为4.7亿。龙芯 3A 处理器集成了 2 个 16 位的 Hyper Transport 接口,2 个 64 位DDR2/3 Memory Cont roller 接口,1 个 32 位的 PCI/PCI-X接口,和 1 个L PC接口,其内部结构模块如

32、图 1示是龙芯 3A 处理器的芯片布局图,采用 ST Micro公司的65nm工艺制成,硅片尺寸约为12mm x 14mm,面积大约 174mm2,最高频率为 1.0GHz,功耗约为 1520W。3B（8核）3C（16核）,1.3微型计算机的基本结构和组成,一）按数据总线划分、位微机 以“单片微机”形式出现，数据总线为位，可方便地组成码。可组成各种控制器，用于控制微波炉、烘箱、洗衣机、电视机、录音机、冷冻机、缝纫机、高档照相机、各种仪表和办公设备等。,、位微机,以位为核心组成的微机，用位二进制代码表示信息数字、文字字母及符号等。基本指令执行时间2 s左右。有完整的配套接口电路，如可编程的并行接

33、口电路、串行接口电路、定时/计数接口电路以及直接存储器接口电路等。,、位微机,以位构成的微机，运算速度高，指令量短执行时间为300ns以下。软件方面可以使用多种语言，有常驻的汇编程序，完善的操作系统、大型的数据库，并且可以构成多处理机系统。,、位微机,以年Intel公司推出的32位 p-80386为代表。它的寻址能力为4千兆字节，虚存空间达64兆兆字节（）。最短指令执行时间为125ns。在32位处理机中，具有支持高级调度、调试以及系统开发的专用指令，并且，操作系统已经固化。32位字长能有效地处理各种信息-数据、图形、文字和声音。,可以创建专业品质的影片，透过因特网传递电视品质的影像，实时进行语

34、音、影像通讯，实时3D渲染，快速进行MP3编码解码运算，在连接因特网时运行多个多媒体软件。由32位 p构成的32位微机在实时控制、事务管理、数据处理、工程预算、CAD/CAM以及人工智能方面等方面都得到了广泛的应用。,5、64位微机,微处理机时代：Intel公司和HP公司在2001年共同开发的64位处理器Itanium(安腾)处理器2003年4月AMD公司推出首款64位处理器，2004年3月，Intel也发布了其首款64位Xeon处理器，2006 年 5 月：英特尔 酷睿 2 双核处理器在2007年的9月6日，Intel发布代号为“Tigerton”的7300系列四核心处理器。INTEL宣布，

35、在2008年9月14日推出业界首款六核心服务器处理器Dunnington。,二）按组装形式和系统规模划分,1、单片机 又称“微控制器”（Microcontroller)和“嵌入式计算机”（Embcdded-Computer）。这是一种把构成一个微型计算机的一些功能部件集成在一块芯片之中的计算机。这些功能部件包括 p、RAM、ROM（有的单片机中不含ROM）、I/O接口电路、计时器/计数器等，甚至还将模/数转换器和数/模转换器集成在内。如Intel公司的MCS-51、91系列单片机，Motolora公司的MC6805等都是常用的单片机。,2、单板机,将 p、RAM、ROM及一些I/O接口电路，加

36、上相应的外设（键盘、发光二极管显示器）以及监控程序固件等安装在一块印刷电路板上所构成的计算机系统。如TP-801、TP-806等,3、个人计算机（Personal Computer）,是指“由微处理器芯片装成的、便于搬动而且不需要维护的计算机系统”。市售的第一台个人计算机是美国MITS公司1975年推出的Altair8080。,1.3微型计算机的基本结构和组成,冯.诺依曼计算机基本结构,冯诺依曼原理的基本思想：采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成；“程序存储”和“程序控制”；计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。,计算机的工作过程,如果想叫计算机

37、工作，就得先把程序编出来，然后通过输入设备送到存储器保存起来，即程序存储。下面就是执行程序的问题，通过控制器读取程序指令进行相应的操作，即程序控制。,程序存储和程序控制原理,冯.诺依曼原理：,微型计算机的系统组成,微处理器、微型计算机、微型计算机系统之间的关系,微型计算机组成结构,主板的结构,中央处理单元CPU,主存MEMORY,主板,接口卡,总线插槽,存储子系统,输入输出子系统,主板：总线,主板：接口,非冯诺依曼,传统的冯诺依曼型计算机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列。而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理。因此，近年来人们谋求突破传统

38、冯诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。一般认为它表现在以下三个方面的努力。,（1）在冯诺依曼体制范畴内，对传统冯诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。（2）用多个冯诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。（3）从根本上改变冯诺依曼机的控制流驱动方式。,二、微型计算机的系统结构,CPU,MEM,I/O,数据总线 DB,控制总线 CB,地址总线 AB,注：CPU 在某一时刻仅能访问总线上的一个部件,微处理器（CPU）的基本结构,算术逻辑单元（运算器）指令处理单元（控制器）寄存器组,8086/8

39、088内部结构,存储器,存储器是用来存储信息的部件。存储器的性能指标：存储容量存取速度计算机的存储器分为2大类：内部存储器，简称内存或主存。又分为：RAM随机存取存储器：SRAM、DRAMROM只读存储器：ROM、PROM、EPROM、EEPROM外部存储器，简称外存：硬盘、软盘、磁带、光盘另外，还有CACHE RAM,扩展内存 XMS,系统区384KB,TPA 640KB,CPU,PC系统的存储器映象,Cache,主存,辅存,海存,内存,外存,程序暂驻区,常规内存,1MB,奇地址,8位8MB,FFFFFF,微处理器的物理存储系统（一）,偶地址,8位8MB,FFFFFE,D7D0,D15D8,

40、000000,000001,16位机（8086/8088）1MB,16位机（80286）16MB,存储体4,8位1GB,FFFFFFFF,微处理器的物理存储系统（二）,存储体3,8位1GB,FFFFFFFE,D23D16,D31D24,80386DX（4GB）80486SX（4GB）80486DX（4GB）,00000002,00000003,存储体2,8位1GB,FFFFFFFD,D15D8,00000001,存储体1,8位1GB,FFFFFFFC,D7D0,00000000,32位机,I/O设备,输入设备串行通信设备软盘、硬盘鼠标CDROM键盘扫描仪DVD,输出设备打印机（针打、激光、喷墨

41、）软盘、硬盘绘图仪显示器,元件级总线,地址总线 AB（Address Bus）,由 CPU 输出的一组地址通信线，用于确定存储器单元地址或I/O 端口地址。,CPU 与存储器、I/O 接口间的数据通信线，用于CPU与存储器单元或 I/O 端口间读写数据。,CPU 与存储器、I/O 接口间多种且独立的控制通信线，完成CPU与存储器、I/O 接口间的特定操作控制。,数据总线 DB（Data Bus）,控制总线 CB（Control Bus）,三、计算机系统的基本组成,硬件系统,软件系统,微机主板图,硬件（hardware）是指那些组成计算机的物件。其基本功能是接受计算机程序的控制来实现数据输入、运

42、算、数据输出等一系列根本性的操作。由五大部件组成：,（1）控制器（Controller）控制器是计算机的指挥系统，计算机的工作就是在控制器控制下有条不紊、协调地工作的。控制器通过地址访问存储器，逐条取出选中单元的指令，分析指令，根据指令产生相应的控制。信号作用于其他各个部件，控制其他部件完成指令要求的操作。上述过程周而复始，保证了计算机能自动、连续地工作。,(2)运算器（ALUArithmetic Logic Unit）运算器又称算术逻辑部件，简称ALU，是计算机用来进行数据运算的部件。数据运算包括算术运算和逻辑运算。,（3）存储器（Memory）存储器是计算机中具有记忆能力的部件，用来存放程

43、序（指令）或数据。指令总是送到控制器，而数据则总是送到运算器。存储器就是一种能根据地址接收或提供指令或数据的装置。存储器又分为主存(内存）和辅存（外存）。,（4）输入设备（Input device）输入设备是用来输入程序和数据的部件。常用的输入设备有：键盘、鼠标器、光笔、图像扫描仪、数字化仪等。,（5）输出设备（Output device）输出设备正好与输入设备相反，是用来输出结果的部件。要求输出设备能以人们所能接受的形式输出信息，如以文字、图形的形式在显示器上输出。除显示器外，常用的输出设备还打印机、绘图仪等。,软件（software）是相对硬件而言的，它包括计算机运行所需的各种程序及其有关

44、资料。,计算机软件系统,系统软件,系统软件是指那些为了方便计算机资源的使用和管理，为软件开发提供良好手段的软件。其中最重要的系统软件是操作系统(Operating System)，现在微型计算机上常用的操作系统有DOS、Windows、Unix等。此外，语言处理软件、数据库管理系统以及很多工具软件都属于系统软件。,应用软件,应用软件是指用户或者第三方软件公司开发的软件。这类软件是为解决某一具体问题而编制的。例如常用的文字处理、人事管理、工资管理、设备管理、辅助教学等软件。,计算机系统的层次结构,1.4 计算机的主要性能指标,一、主频 即时钟频率，计算机CPU在单位时间内发出的脉冲数。主频很大程

45、度上决定了计算机的运行速度，主频越高，微机的运算速度就越快。它的单位是兆赫兹（MHz）。二、字长 计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数。字长越长，微机的运算速度就越快，运算精度就越高，内存容量就越大，微机的功能就越强(因支持的指令多)。按微机的字长可分为8位机、16位机、32位机(如386、486奔腾机)和64位机(高档微机)等。,三、存储容量 存储容量是指微机内存储器的容量，它表示内存储器所能容纳信息的字节数。内存容量越大，它所能存储的数据和运行的程序就越多，程序运行的速度就越高，微机的信息处理能力就越强。1Byte=8bit 1KB=1024B=（210）B 1MB=1024KB=

46、（220）B 1GB=1024MB=（230）B 1TB=1024GB=(240)B 1PB=1024TB=（250）B,四、存取周期 连续启动两次独立的“读”或“写”操作所需要的最短时间，称为存取周期。又称为读写周期，访问周期，也即存储器进行一次完整的读或写所需的全部时间。Tm=Ta（存取时间）+复原时间,五、运算速度 运算速度是指微机每秒钟能执行多少条指令。（1）根据不同类型指令在计算过程中出现的频率程 度,乘上不同的系数,求得统计平均值,这时所指 的运算速度是平均运算速度.（2）以每条指令执行所需时钟周期数CPI(Cycles Per Insteruction)来衡量运算速度.（3）以M

47、IPS(百万条指令秒)和MFLOPS（百万次 浮点运算/秒）作为计量单位来衡量运算 速度.（4）还有利用所谓“标准程序”在不同的机器上运行 所得到的实测速度。,除了上述个主要技术指标外，还有其他一些因素，也对微机的性能也起重要作用，它们有：可靠性：是指微型计算机系统平均无故障工作时间。无故障工作时间越长，系统就越可靠。可维护性：是指微机的维修效率，通常用故障平均排除时间来表示。可用性：是指微机系统的使用效率，可以用系统在执行任务的任意时刻所能正常工作的概率来表示。兼容性：兼容性强的微机，有利于推广应用。性能价格比：这是一项综合性评估微机系统的性能指标。性能包括硬件和软件的综合性能，价格是整个微

48、机系统的价格，与系统的配置有关。,1.5 计算机的发展趋势,小型化 随着微电子技术的进一步发展，微型计算机将发展得更加迅速，其中笔记本型、掌上型等微型计算机必将以更优的性能价格比受到人们的欢迎。巨型化 巨型化是指其高速运算、大存储容量和强功能的巨型计算机。其运算能力一般在每秒百亿次以上、内存容量在几百兆字节以上。巨型计算机主要用于尖端科学技术和军事国防系统的研究开发。,网络化 网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户都可共享软件、硬件和数据资源的目的。现在，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业等各行各业中得到广泛的

49、应用。,智能化 智能化就是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力，也是第五代计算机要实现的目标。智能化的研究领域很多，其中最有代表性的领域是专家系统和机器人。目前已研制出的机器人可以代替人从事危险环境的劳动，运算速度为每秒约十亿次的“深蓝”计算机在1997年战胜了国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。,中国超级计算机,1983年，中国首台被命名为“银河”的亿次巨型电子计算机在国防科技大学诞生。1992年，国防科技大学研制出银河通用并行巨型机，峰值速度达每秒10亿次。1995年，曙光公司又推出了曙光1000，峰值速度每秒25亿次浮点运算，实际运算速度上了每秒10亿次浮点运算这一高性能台阶，与国外的差距缩小到5年左右。1997年，国防科技大学研制成功银河百亿次并行巨型计算机系统，峰值性能为每秒130亿次浮点运算。,1999年，国家并行计算机工程技术研究中心研制的神威计算机，峰值运算速度达每秒3840亿次。2004年，由中科院计算所、曙光公司、上海超级计算中心三方共同研发制造的曙光4000实现了每秒10万亿次运算速度。2008年，“深腾7000”是国内第一个实际性能突破每秒百万亿次的异构机群系统。2008年，曙光5000实现峰值速度230万亿次。2009年，每秒1206万亿次的峰值速度“天河一号”计算机诞生，使中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。,