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1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学1946年，美国宾夕法尼亚大学研制成功第一台通用可编程计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）17000个电子管500英里导线重量超过30吨运算速度10万次/秒电子管的功耗大，寿命低，维护难。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学ENIAC推动世界进入了电子计算机时代。编程方法：重新连接线路来实现编程。许多工人化几天，对6000多个开关定位，再用转插线连接各控制部件以构成程序序列，很像电话总机的接线。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学后来采用机器语言（MachineLanguage）编程由1和0组成的代码构成指令（Instruction）,告诉计算机要执行的运算和操作。提高了编程的效率，但用到很多代码，仍很费时。冯诺依曼结构计算机数学家冯诺依曼（JohnVonNeumann）开发出了能接收指令，并将指令保存在存储器中的系统。为纪念他，常将计算机称为冯诺依曼结构的机器。半个多世纪以来，计算机技术不断发展，相继出现了各种类型的计算机，就其结构而言，都是冯诺依曼计算机结构的延续和发展。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学1.2.1计算机的基本结构1.2.2计算机软件1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学1.计算机的基本组成冯.诺依曼计算机的基本框图，包含5个部分：运算器存储器控制器输入设备输出设备读/写指令程序和数据处理结果1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学存储器（Memory）以二进制形式存放原始数据、中间结果和程序。运算器（ArithmeticUnit）执行算术运算（＋－×÷）、逻辑运算（与、或、非、异或）和移位等操作的部件，包含：加法器或算术逻辑单元（ArithmeticLogicUnit，ALU），累加器（Accumulator）。控制器（ControlUnit）指挥和控制各部件协调工作，例如取指令，译码，形成控制命令，让计算机按程序设定的步骤自动操作。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学输入设备（InputDevice）输入原始数据和程序，转换成计算机能识别的信息，送入存储器去等待处理。早期的输入设备只有纸带读入机和电传。输出设备（OutputDevice）输出运算结果。打印机是常用的输出设备，后来又发明了显示器、磁带机和磁盘等。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学运算器和控制器称为中央处理单元（CentralProcessingUnit，CPU）CPU+存储器称为主机输入设备+输出设备称为外部设备（外设）（Peripherals）或I/O设备1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学CPU由门电路、寄存器和触发器等高速电子电路组成，经历了电子管、晶体管、集成电路(IC)、大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)等几代。IC技术发展,把整个CPU做在一块芯片上，称为微处理器（Microprocessor），习惯称为CPU。典型微处理器：Intel:8086、80286、80386、80486、Pentium等，Zilog:Z80、Z8000等。用微处理器设计的计算机称为微型计算机（Micro-computer）。早期的微型计算机，如1980年代初推出的IBMPC机以8086/8088为CPU。由于速度较低，外设种类较少，处理能力有限，主要处理个人事务，故称之为个人计算机（PersonalComputer，PC）。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学1）上机前，先把要求解的问题分解为计算机能执行的基本运算，编写好程序，程序由一条条指令组成。2）将编写好的程序和要处理的原始数据，通过输入设备送到计算机的存储器中存放好。每个存储单元有一个编号，称之为地址，指令和数据按一定的顺序存放在存储器中。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学3）启动计算机执行程序。即从程序指定的存储器地址开始逐条取出指令，送到控制器，经译码后产生各种控制信号，送到其它部件，自动执行指令规定的操作。控制器可以向存储器发读/写命令，允许从存储器中取出数据（读），送往运算器进行运算，也可以将运算结果或中间结果送回存储器的指定单元（写），运算完成后将最终结果送到输出设备。控制器向运算器发出各种操作命令，指挥它完成算术运算或逻辑运算等操作。控制器还可向输入或输出设备发启动或停止等命令。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学4）计算机执行完一条指令后，会自动指向下一条指令的地址，继续取出下一条指令，经译码分析后执行，直至遇到程序中的停机指令后才停止操作。仅有CPU、存储器、外设等硬件（Hardware）构成的计算机称为“裸机”。裸机什么也不会做，必须有指令和程序等软件（Software）配合，才能按设定步骤快速、自动地执行希望的操作。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学1.2.1计算机的基本结构1.2.2计算机软件1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学1.指令和程序程序由一条条指令组成，将它和需要处理的数据一起以二进制的形式送到计算机的存储器中，再启动计算机工作，使机器按这些命令一步步执行。例如，要让计算机完成操作(a+b)c，假设a、b、c已存入存储器，就要编写以下指令序列：从存储器中取出a，送到运算器；从存储器中取出b，在运算器中进行(a+b)运算；从存储器中取出c送到运算器；执行(a+b)c操作；运算结果送到存储单元，也可输出到外设。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学指令—用命令形式表示让计算机执行的各种操作。指令集—一台计算机所能识别和执行的全部命令称为该机器的指令集（InstructionSet）或指令系统。不同计算机有不同的指令系统，包含的指令数也不一样。程序—让计算机求解一个数学问题或者完成一项复杂工作前，要把解决问题的过程分解为若干步骤，并用指令序列来表示，以便控制计算机完成这项任务，这样的指令序列就叫程序(Program)。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学计算机只认得二进制，因此指令都用二进制表示，称为机器码（MachineCode）。指令由操作码（Opecode）和操作数（Operand）组成，操作码说明计算机执行什么操作，操作数指出参加操作的数的本身或操作数所在的地址。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学例如，在8086CPU中，把数字1200H取到累加器AX中去的指令的机器码为：操作码B8H，规定了要从后面两个字节单元中取出一个2字节数（1200H），送到累加器AX中的操作。数据存放：低字节放在前面，高字节放在后面。指令中的16进制数，在计算机中要存放为二进制。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学初期，就是用指令的机器码直接来编制程序的，处于机器语言阶段。机器码是一连串的0和1组成的代码，输入计算机时，由纸带穿孔机在纸带上凿孔，有孔表示1，无孔表示0。这种代码不好理解和记忆，还很容易出错，所以编程是一件极其繁杂而困难的工作。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学汇编语言用助记符（Mnemonic）代替二进制的机器码，用指令功能的英文缩写代替操作码，用符号代替地址，用寄存器存放地址等，用汇编语言程序编程比机器语言方便。例如，对于8086数据传送指令用助记符MOV（Move）加法指令用ADD（Addition）跳转指令用JMP（Jump）用RESULT、SUM等符号来表示存储单元地址将1200H送到累加器AX中去的指令为：MOVAX，1200H1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学例1.13编写求解（2+3）=5的汇编语言程序，要求将和存入SUM单元。程序如下：MOVAX，2;累加器AX←2ADDAX，3;AX←AX+3MOVSUM，AX;结果单元SUM←和数51.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学汇编语言程序比机器语言程序进了一大步。但计算机只认识由0、1组成的机器码。因此，汇编语言程序必须翻译成机器码表示的目标程序（ObjectProgram），才能被计算机识别和执行。能让计算机自动完成翻译工作的程序称为汇编程序（Assembler）。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学汇编语言的不足之处汇编语言的语句与机器语言一一对应，因此汇编语言程序语句很多，编程工作很繁琐。程序员必须十分熟悉CPU的指令系统。汇编语言的针对性很强，在某种机器上编写的汇编语言程序，不能直接在别的机器上运行。于是，各种高级语言应运而生。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学更接近于人们使用习惯的程序设计语言。允许用英文编写解题的计算程序；程序中的运算符号和式子，与数学式子类似；程序员不必了解具体的机器，就能编写出通用性更强的程序。例如BASIC、FORTRAN、PASCAL、COBOL、JAVA、C、C++1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学用高级语言编写的程序，必须翻译成机器指令表示的目标程序，计算机才能执行。因此，需要有各种翻译程序。例如：BASIC用的解释程序（Interpreter）FORTRAN、C、COBOL等用的编译程序（Compiler）1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学高级语言有许多优点，使用极广泛。特别是C/C++，允许程序员几乎完全控制程序设计环境和计算机系统，在许多情况下能替代汇编语言。汇编语言在程序设计中仍是重要角色，例如，为PC写的视频游戏程序，几乎都用汇编语言编写。只有对计算机软、硬件了解很透彻的高水平人员，才能熟练地用汇编语言编程。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学早期计算机既无键盘、显示器、磁盘等外设，也无操控程序。用户带着记录有程序和数据的卡片或打过孔的纸带，拨动计算机面板上的开关将程序输入机器运行。计算机技术发展到多道程序能成批自动运行，于是出现了能控制计算机中所有资源（CPU、存储器、I/O设备及各种软件），使多道程序能成批自动运行，且充分发挥各种资源最大效能的操作系统（OS）。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学操作系统是计算机中不可缺少的系统软件，它直接控制和管理系统中的软、硬件资源，合理组织工作流程，并提供各种服务功能，使用户能灵活有效地使用计算机。操作系统包括5个方面的功能：处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理、作业管理根据使用环境和提供的功能，分为：分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统等1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学1973年，比尔盖茨设计出了第一个BASIC语言解释器，为MS-DOS操作系统奠定了基础，并凭借该项目的版权费创建了Microsoft（微软）公司。1980年代，微软为IBMPC机开发了第一个磁盘操作系统DOS(DiskOperationSystem)。DOS使用字符界面，用户从键盘输入命令执行程序；开始是单任务操作系统，同一时刻只能运行一个任务；DOS4.0具备了初步的多任务管理能力。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学1985年微软公司推出了基于图形用户界面的多任务操作系统Windows。随后设计了多个版本的Windows，如Win95，Win98、WinNT、Win2000、WinXP、Win7等。目前，与触摸屏配套的Win8已问世。几乎所有微型计算机上都装有Windows操作系统。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学DOS操作系统已很少使用，但仍有不少应用程序需要在DOS环境下运行。因此，Windows兼容MS-DOS。可在执行“开始”和“运行”命令后，键入“cmd”命令，就能进入DOS命令行，执行DOS命令和运行DOS环境下的程序。1.2计算机结构第1章绪论中国科学技术大学UNIX操作系统，1970年就在小型