组成原理---概论

计算机系统的发展与应用

计算机的发展

• 第一代电子管计算机1946 年～1959 年
  宾西法尼亚大学莫尔电气工程学院研制的 ENIAC 于 1946 年交付使用，其首要任务就是完成了一系列测定氢弹可靠性的复杂运算。

• 第二代晶体管计算机 1956 年～1964 年
  1947 年 12 月，贝尔实验室的三位科学家肖克利（W.Shockley）、布拉顿（W.Brattain）和巴丁（J.Bardeen）成功地用半导体硅作为基片，制成了第一个晶体管。

  1955 年，贝尔实验室研制出世界上第一台全晶体管计算机 TRADIC，装有 800 只晶体管，仅 100 瓦功率，占地也只有 3 立方英尺。
  三年后 IBM 公司，全面推出晶体管化的 7000 系列计算机。全球出现了一场以晶体管替代电子管的革命，计算机的性能有了很大的提高。

  人们需要把晶体管、电阻、电容等一个个元件都焊接到一块电路板上，再由一块块电路板通过导线连接成一台计算机。其工艺的繁琐不仅严重影响到计算机的生产效率，且由几十万个元件产生几十万个焊点导致计算机的可靠性高。

• 第三代集成电路计算机1964 年～1975 年
  1957 年 10 月，在美国以诺依斯（N.Noyce）为首的仙童（Fairchild）半导体公司和德克萨斯仪器公司（TI）的青年研究员基尔比（J.Kilby）几乎同时发明了集成电路，基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”，而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。

  1961 年，德州仪器公司研制出第一台集成电路计算机，标志着电子计算机从此进入它的第三代历史。

  集成电路制造技术出现并发展后，可以实现将成百上千个这样的门电路全部制作在一块极小的硅片上，大大缩小了计算机的体积，大幅度下降了功耗，极大地提高了计算机的可靠性。

  摩尔定律：集成电路上能被集成的晶体管的晶体管数目，将会以每18 个月翻一翻的速度稳定增长，并在今后数十年内保持这种势头。

• 第四代大规模与超大规模集成电路计算机1975 年～1990 年
  1971 年，英特尔公司首创了一种“开启集成电路新纪元”的半导体芯片，以霍夫（M.Hoff）为首的研制小组，制成了世界上第一个微处理器芯片，在 3×4 毫米面积上集成晶体管 2250个，每秒运算速度达 6 万次。第一块微处理器芯片已属于大规模集成电路范畴，英特尔公司命名它为 4004。1972 年，霍夫小组研制出另一型号的微处理器 8008。

  Intel 公司研制的 4004 微处理器（4 位）和 8008 微处理器（8 位），这一代微处理器其指令系统简单、速度慢，并且运算能力较差。 1971 年到 1990 年，作为第四代计算机的重要产品的微型计算机得到了飞速的发展，对计算机的普及起到了决定性的作用。

• 1990 年～至今 第五代甚大规模集成电路计算机（ULSI），第三、四、五、六代及多核微处理器

计算机的应用

• 科学计算领域
• 工业应用领域：实时控制 CAD/CAM 企业管理 辅助决策
• 商业应用领域 ：电子银行 电子商务
• 教育应用领域：远程教学 模拟教学 多媒体教学 数字图书馆
• 生活应用领域：数字社区 信息服务
• 人工智能领域

计算机的分类和性能指标

按计算机系统结构分类

• 单指令流、单数据流（SISD）结构（single instruction stream，single data stream）
  指传统的顺序执行的处理器，它由单一控制器、单一执行部件和单一存储器组成。控制器每次只对一条指令译码，执行部件每次只对单一数据进行处理，也有些 SISD 处理器具有指令流水线、运算操作流水线和多体交叉存储器等，从而提高计算机的速度及效率，但结构上仍是 SISD 结构。
  

• 单指令流、多数据流（SIMD）结构（single instruction stream，multiple data stream）
  SIMD 是指由单一控制器、多个执行部件和多个存储模块组成的计算机系统结构。控制部件每次执行只对一条指令译码后，并向多个执行部件发出相同的控制命令，使多个执行部件执行相同的操作。而每个执行部件加工的对象都是从不同存储模块中取出不同的数据。

• 多指令流、单数据流（MISD）结构（multiple instruction stream，single data stream）
  MISD 是指多个控制器、多个执行部件对单一数据同时执行不同的指令,但这种方式意义不大，不太使用。
  

• 多指令流、多数据流（MIMD）结构(multiple instruction stream，multiple data stream)
  MIMD 是指多处理器系统，由多个控制器、多个执行部件和多个存储模块组成。MIMD 结构的计算机系统是大多数高性能并行计算机系统和计算机集群系统的结构模型。它由多个互相连接的处理器构成，又称并行处理器系统。这种计算机中的每个处理器在各自程序的控制下运行，独立地对各自的数据进行协作运算，形成多个指令流和多个数据流。各处理器可以是相同的，也可以是不完全相同的，分别构成同构型和异构型并行计算机系统。随着集成电路技术的发展，这种结构的并行计算机的应用将越来越广泛。
  

按计算机的用途分类

• 通用计算机
  为解决各种问题，具有较强的通用性而设计的计算机。本身有较大的适用面。
• 专用计算机
  为适应某种特殊应用而设计的计算机，具有运行效率高、速度快、精度高等特点。一般用在过程控制中，如智能仪表、飞机的自动控制、导弹的导航系统等。

按计算机的使用方式分类

• 桌上型计算机(应用广)
  包括 PC 机、工作站和笔记本型计算机，为用户提供良好的计算性能和较低成本的工作环境。过去工作站的系统配置比 PC 机高，现在，两者的性能差别逐渐消失。

  桌上型计算机系统包括 CPU、存储器芯片和外设接口芯片，可以连接图形显示设备、磁盘以及各种串行设备、并行设备、输入/输出总线等。

  一般台式计算机可以允许较高的耗电功率和风扇散热，而笔记本计算机则因为可采用电池供电和体积较小，要求耗电和发热量小。

• 服务器型计算机
  指在网络环境或具有客户—服务器结构的分布式计算环境中，为客户请求提供服务的节点计算机。

  为满足客户提出的数据库、文件、打印等服务要求，服务器必须具备良好的数据交换性能、极高的可用度、良好的安全性、强大的扩展能力等特性。

  为了实现高可靠性和高可用度，要求网络服务器具有子系统管理的功能，能够进行故障记
  录和故障报告，以便系统管理员了解系统情况，及时更换可能出现问题的部件。

• 嵌入式计算机
  将计算机作为一个部件，成为某个设备的一部分，成本更低，用途更广。它的结构一般是面向特定应用。不同的嵌入式应用有不同的要求，需要根据不同的应用进行专门的开发设计。

  一般的嵌入式计算机硬件包括微处理器、存储器、外设接口、图形控制器等。例如，常用的外部设备键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、声卡、打印机、扫描仪、USB 集线器等中都包含了嵌入式微处理器。

  嵌入式微处理器通常对实时多任务有很强的支持能力，能实现多任务并快速的响应，采用实时操作系统，要求程序代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。

  嵌入式微处理器一般具有可扩展的结构，从而能迅速地开发出满足应用的嵌入式系统。

  大多数嵌入式计算机都要求低功耗，尤其是手持的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统。

按计算机的规模分类

• 巨型计算机
  指运算速度快、存储容量大，每秒可达 1 亿次以上浮点运算速度，主存容量高达几百兆字节甚至几百万兆字节，字长可达 32 位的机器。
  这类机器价格相当昂贵，主要用于复杂、尖端的科学研究领域，特别是军事科学计算。由国防科技大学研制的“银河”和国家智能中心研制的“曙光”都属于这类机器。

• 大/中型计算机
  大/中型计算机是指通用性能好、外部设备负载能力强、处理速度快的一类机器。
  运算速度在 100 万次至几千万次/秒，字长为 32 位至 64 位，主存容量在几十兆字节至几百兆字节左右。

  它有完善的指令系统，丰富的外部设备和功能齐全的软件系统，并允许多个用户同时使用。这类机器主要用于科学计算、数据处理或做网络服务器。

• 小型计算机
  规模较小、结构简单、成本较低、操作简单、易于维护、与外部设备连接容易，是在 60 年代中期发展起来的一类计算机。

  当时的小型机字长一般为 16位，存储容量在 32KB 与 64KB 之间。DEC 公司的 PDP 11/20 到 PDP 11/70 是这类机器的代表。当时微型计算机还未出现，因而得以广泛推广应用，许多工业生产自动化控制和事务处理都采用小型机。

  近期的小型机，像 IBM AS/400，其性能已大大提高，主要用于事务处理。

• 微型计算机
  微型计算机(简称微机)是以运算器和控制器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器、输入/输出接口和系统总线构成的体积小、结构紧凑、价格低但又具有一定功能的计算机。如果把这种计算机制作在一块印刷线路板上，就称为单板机。如果在一块芯片中包含运算器、控制器、存储器和输入/输出接口，就称为单片机。以微机为核心，再配以相应的外部设备(例如，键盘、显示器、鼠标器、打印机)、电源、辅助电路和控制微机工作的软件就构成了一个完整的微型计算机系统。

目前，微型计算机、小型计算机乃至中、大型机之间的界限愈来愈模糊。各类计算机之间的主要区别是运算速度、存储容量及机器体积等。

计算机的性能指标

计算机系统的技术性能是由其体系结构、采用的器件、外设配置以及系统软件资源等多
方面因素决定的。

• 机器字长
  机器字长是指 CPU 一次能处理的数据位数，它决定了寄存器、运算部件、数据总线的位数。字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高，其相应的硬件成本也越高。

  因此为了适应不同的设计需要，较好地协调数据精度与硬件成本的关系，在硬件或软件上可以采用变字长运算，如采用半字长、全字长或双字长等等。

  机器字长与机器的运算速度
  因为，假设 CPU 字长短，而运算的数据位数较多，则需要经过多次运算才能完成，这样会影响整机的运算速度。

  机器字长与机器指令
  指令和数据都是存放在主存储器中，因此指令长度受到机器字长的限制，机器字长对指令系统的功能也有着影响。一般指令长度可以是机器字长的整数倍。

• 存储容量
  存储器容量应包括主存储器容量和辅助存储器容量。

  主存储器指 CPU 能通过地址线直接访问的存储器，如 RAM、ROM 等；
  辅助存储器是主存储器以外的存储器。

  主存储器容量是指主存中存放数据的字节（以字节为单位）或字（以字为单位）的数量，以字节为单位表示主存每个单元存放一个字节数据，而以字为单位则表示主存每个单元存放一个字数据。

  以字节为单位的主存容量用字节数乘以字节长度来表示主存容量。
  以字为单位的主存容量用字数乘以存储字长来表示主存容量。

  现代大多计算机以字节为单位来表示主存和辅存的容量。

• 运算速度
  计算机的运算速度与许多因素有关，如机器的主频、执行何种操作、访问存储器的速等。

  早期曾经采用综合折算的方法，它综合考虑每条指令的执行时间以及它们在全部操作中所占的百分比。

  现在普遍采用单位时间内执行指令的平均条数来作为运算速度的指标。并用 MIPS
  （Million Instruction Per Second）每秒多少百万条指令表示。也可以用 CPI（Cycle Per Instruction）执行一条指令所需的周期数表示，或者用 FPOPS（Floating Point Operation Per Second ）每秒浮点运算次数来衡量运算速度。

• 可配置的外设
  由于总线技术、计算机系统结构及网络技术的发展，使得计算机系统扩展外设变得越来越简单可靠。

  南桥芯片集成了 PCI-ISA（Pedherd Component Interconnect- Industrial Standard Architecture）连接器、IDE（Inter_grated Device Electronics）控制器、DMA（直接存储器存取）控制器、中断控制器、时钟发生器和实时时钟，这些接口可以连接 PentiumⅡ以前的微机所有可带的外设，如软盘、硬盘、打印机、鼠标等；另外还集成了一些新的功能，如 USB 控制器、电源管理逻辑及支持可选的 I/O APIC（高级可编程中断控制器）等。

  USB 接口，可以连接很多外部设备，如拥有 USB 接口的扫描仪、打印机、数码相机和摄像头等等。

  北桥芯片集成有 CPU 总线接口，支持单、双处理器；同时还集成有主存控制器、PCI 总线接口、PCI 仲裁器及 AGP（加速图形处理速度）接口，并支持系统管理模式（SMM）和电源管理功能。

  南北桥结构尽管为外设提供高速的外围总线，但南北桥之间频繁的交换数据使得 PCI 总线信息通路仍显拥挤。Intel 公司在 PentiumⅢ微机中抛弃了南北桥结构，采用了中心控制结构，中心结构芯片分别是存储控制中心 MCH（Memory Controller Hub）、 I/O 控制中心 ICH（I/O Controller Hub）和固件中心 FWH（Firmware Hub）。

  MCH 的作用是提供高速的 AGP接口、动态显示管理、电源管理和内存管理功能。
  ICH 含有内置 AC’97 控制器提供音频编码和调制解调器编码接口、IDE 控制器提供高速磁盘接口、2 个或 4 个 USB 接口、局域网络接口以及和 PCI 插卡之间的连接。

  固件中心包含了主板 BIOS 和显示 BIOS 以及一个可用于数字加密、安全认证等领域的硬件随机数发生器。

• 性能价格比

• 可靠性、可维修性和可用性
  通常用平均无故障时间（MTBF）来衡量可靠性。MTBF 表示两次故障之间能正常工作时间的平均值，MTBF 值越大越可靠。

  可维修性是指系统出了故障能否尽快恢复，可用平均修复时间（MTRF）表示，它是指从故障发生到机器修复平均所需要的时间。

  可用性是指计算机的使用效率，它以系统在执行任务的任意时刻能正常工作的概率 A 来表示。 A=MTBF/(MTBF+MTRF)

• 兼容性

• 系统的可扩展性

• 系统对环境的要求

• 耗电量的大小

计算机系统的基本组成

• 一个完整的计算机系统，应当包括两大部分，即硬件系统和软件系统。

  硬件系统是指构成计算机的物理设备，即由机械、光、电、磁等器件构成的具有计算、控制、存储、输入和输出功能的实体部件。整机硬件也称“硬设备”。

  软件系统则是指管理计算机软件系统和硬件系统资源、控制计算机运行的程序、命令、指令、数据等，软件系统就是程序系统，也称为“软设备”。

• 计算机是依靠硬件和软件的协同工作来执行一个具体任务。硬件是软件的基础，任何软件都是建立在硬件基础上的。硬件是计算机系统的物质基础，而软件又是硬件功能的扩充和完善。
  

计算机硬件系统

• 冯·诺伊曼的存储程序的计算机
  采用二进制表示数据和指令。指令和数据同等地位的存放于存储器内，并可按地址寻访。

  指令由操作码和地址码组成。 操作法用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。

  采用存储程序，即把编好的程序和原始数据预先存入计算机主存中，使计算机工作时能连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并执行，从而自动完成预定的任务；即“存储程序”和“程序控制”的概念。 指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。

  计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成，并规定了五大部件的基本功能。

  运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成。
  

• 现代计算机
  存储器（中心）
  存储器存放指令和数据的部件。计算机可根据需要随时向存储器存取数据。存储器中有许多存储单元。每个单元可以存放一个字或字节的信息。每个存储单元有一个地址。存储器的工作方式就是按存储单元的地址来实现对存储字或字节的存（写入）和取（读出）的，通常称为按地址访问存储器。地址是识别存储器中不同存储单元的唯一标志。

  运算器（即算术逻辑运算单元）
  运算器在控制器控制下，完成算数逻辑运算。在运算过程中，运算器不断从存储器获取数据，并把所得的结果送回存储器。运算器的技术性能高低直接影响着计算机的运算速度和整机性能。

  控制器
  控制器是计算机的控制指挥部件，也是整个计算机的控制中心，其重要功能是对当前指令进行译码分析其所需要完成的操作，产生各部件所需要的控制信号，通过向计算机的各个部件发出控制信号，使整个计算机自动、协调地工作。

  输入设备
  输入设备是给计算机输入信息的设备。外界的信息通过输入设备转换为计算机能识别的二进制代码。

  输出设备
  输出设备是将计算机处理结果转换成人们或其他设备所能接收的形式。

• 由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，通常制作在同一芯片上，因此，将他们合起来，称为中央处理器(Central Processing Unit)，简称为 CPU。现代微型计算机可认为由 CPU、主存储器和 I/O 设备三大部分组成。CPU 与主存储器合起来又称为主机，I/O 设备又称为外部设备。
  
  

计算机软件系统

计算机软件（Software）是指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料（文档）。

• 系统软件
  指管理、调度、监视和维护计算机系统资源的程序集合。使系统资源得到合理调度，确保高效率运行。

  系统软件是计算机正常运行不可缺少的，一般由计算机生产厂家研制，或软件开发人员研制。其中一些系统软件程序，在计算机出厂时直接写入 ROM 芯片，例如，系统引导程序、基本输入输出系统(BIOS)、诊断程序等。有些直接安装在计算机的硬盘中，如操作系统。也有一些保存在活动介质上供用户购买，如语言处理程序。

  操作系统 （Operating System）
  协调管理计算机系统的各种软、硬件资源，使其被有效使用；组织协调计算机的运行，实现计算机运行自动化；为计算机系统和用户之间提供接口，为用户提供方便。操作系统是直接运行在裸机上的最基本的系统软件，是系统软件的核心，任何其他软件必须在操作系统的支持下才能运行。

  语言处理程序
  程序是计算机语言的具体体现，是用某种计算机程序设计语言按问题的要求编写而成的。机器语言是最底层的计算机语言。用机器语言编写的程序，计算机硬件可以直接识别。每一条机器指令都是二进制的指令代码。在指令代码中一般包括操作码和地址码，其中操作码是指明计算机做何种操作，地址码则指出被操作的对象。对于不同的计算机硬件，其机器语言是不同的。由于机器语言是直接针对计算机硬件，因此它的执行效率高，能充分发挥计算机的速度方面的性能。用机器语言编写程序比较繁琐，容易出错，程序的可读性较差，不容易移植。

  汇编语言
  将机器语言用助记符号代替而形成的一种语言。汇编指令与机器指令一般是对应的，也与具体的计算机有关，他们都是面向机器的语言。用汇编语言编写的程序比机器语言程序易读、易检查并易修改。但计算机不能直接识别汇编语言编写的程序，必须由一种专门的翻译程序将其翻译成机器语言程序后，计算机才能识别并执行。这种“翻译”的过程称为“汇编”，负责翻译的程序称为汇编程序。

  高级语言
  面向问题的程序设计语言，与具体的计算机硬件无关，表达方式接近于自然语言，易于被人们所接受和掌握。用高级语言编程比用前两种低级语言要方便得多，使编程效率得到提高，通用性和可移植性好。对于用高级语言编写的程序，计算机不能直接识别和执行。要执行高级语言编写的程序，首先要将高级语言编写的程序通过语言处理程序翻译成计算机能识别和执行的二进制机器指令，然后供计算机执行。编译程序是将用户编写的高级语言程序（源程序）的全部语句全部翻译成机器语言程序，然后再执行机器语言程序。解释程序则是翻译一次执行一次。

  数据库管理系统
  数据库和数据库管理软件组成了数据库管理系统。
  数据库管理系统的作用是管理数据库，具有建立、编辑、维护、访问数据库的功能，并提供数据独立、完整、安全的保障。
  按数据模型的不同，数据库管理系统可分为层次型、网状型和关系型等三种类型。

  服务性程序
  服务性程序是为了帮助用户使用与维护计算机，提供服务性手段而编制的程序。

  网络管理软件
  网络管理软件主要是指网络通讯协议及网络操作系统。其主要功能是支持终端与计算机、计算机与计算机以及计算机与网络之间的通讯，提供各种网络管理服务，实现资源共享和分布式处理，并保障计算机网络的畅通无阻和安全使用。

• 应用软件（应用程序）
  是用户在各自不同的应用领域根据具体的任务需要所开发编制的各种程序。

• 软件发展的特点
  开发周期长
  制作成本昂贵
  检测软件产品质量的特殊性

计算机系统的层次结构

• 第一层是微程序设计级
  这是计算机的最底层硬件层。
  微程序设计方式：控制器内部采用微指令来解释要执行的机器指令，从而产生一条机器指令所需的微操作命令，并发给计算机各部件作为控制信号，来完成一条机器指令的执行。其控制器内部需要有存放解释每一条机器指令的微程序的控制存储器和微指令寄存器等。

  硬布线设计方式：控制器是全部采用硬件时序逻辑电路来对机器指令进行译码并产生该机器指令执行时计算机各部件所需的控制信号。

  这一级的设计也就是对计算机硬件电路的设计，微程序的设计要在计算机硬件基础上，根据机器指令系统来设计微指令。对于控制器中存放微程序的控制存储器，除硬件和微程序设计人员外，一般人们不知道它的存在。第三代以后的计算机大多采用了微程序控制方式，以保证计算机系统具有最大的兼容性和灵活性。

• 第二层是机器指令系统级
  它所提供的的是那些计算机硬件可以读懂的，并可以直接操纵计算机硬件工作的二进制信息。是计算机软硬件的分界面，在它以上是各层次的汇编语言软件和高级语言软件。在它以下就是计算机的硬件。硬件系统的操作由机器指令控制，软件系统的各种程序必须转换成机器指令的形式才能执行。

• 第三层是操作系统级即虚拟机
  由操作系统程序实现。这是计算机系统的操作者和管理员所见到的计算机系统。任何计算机操作人员和编程人员必须熟悉它。它起着管理、统一调度硬件资源、支撑其他系统软件和应用软件，使计算机能够自动运行，发挥高效率的作用。它是计算机软硬件功能最直接的延伸。

• 第四层是语言处理程序及其他系统软件级
  语言处理程序功能是用翻译程序将高级语言的源程序翻译成机器语言程序。有了这一层次，程序员就可以使用高级语言和汇编语言的各种符号形式语言来进行编写源程序，以减少程序编写的复杂性。语言处理程序先将用户的高级语言源程序翻译成汇编语言程序，然后再将其汇编语言程序翻译成机器语言程序。语言处理程序直接将高级语言源程序翻译成机器语言程序。用户用汇编语言编写源程序，这时语言处理程序直接将用户的汇编语言源程序翻译成机器语言程序。

  其他系统软件包括很广泛的内容，其主要是为用户提供各种实用软件，提供各种方便编程、调试、运行手段，实现方便的数据管理和实现数据共享等功能。

• 第五层是面向用户应用程序级
  它是针对计算机用户在某一应用领域、某些专门问题而设计开发的应用软件。这一层次的应用程序设计人员所使用的计算机，实际上是建立在大量系统软件及硬件基础上的虚拟机系统，这些应用程序设计人员可以不完全了解计算机系统软件和硬件，只要知道各种软件的使用方法和一些软硬件接口的定义就可以方便地使用计算机来进行编程。

第一层和第二层划分为硬件系统层
第三层和第四层划分为系统软件层，
第五层划分为应用软件层。
除第一层外，其他各层都得到它下面层的支持。

• 现代计算机的解题过程：通常由高级语言编写程序（称为源程序），然后将它和数据一起送入计算机内，然后再由计算机将其翻译成机器能够识别的机器语言程序（称为目标程序），机器自动运行该机器语言程序，并将计算机构输出。
• 计算机的体系结构是指能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性结构与功能性特性。计算机系统的属性通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令集，数据类型，存储器寻址技术， IO机理等，大都属于抽象的属性。由于计算机系统具有多级层次结构，因此，站在不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性也是个不相同的。
• 计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。

计算机的工作步骤

• 上机前的准备
  建立数学模型
  确定计算方法
  编制解题程序
• 计算机的工作过程