第三章 计算机体系结构

本章要点： ◆掌握数字逻辑与数字系统 ◆了解数据的机器表示 ◆了解存储系统组织结构 ◆了解输入输出系统 ◆了解计算机系统体系结构

3.1 微型计算机系统组成 硬件系统 软件系统

3.1.2 微型计算机硬件组成 体系结构指的是,构成系统主要部件的总体布局、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。 冯·诺依曼体系结构的要点： 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。 控制器和运算器是其核心，称为CPU 按存储程序原理进行工作 数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放的位置由地址确定 控制器是根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由一个程序计数器控制指令的执行。

冯·诺依曼体系结构 控制器 输入设备 运算器 （ALU） 输出设备 存储器

微型计算机硬件组成 CPU 内存 主机 主板 硬件 外存 输入设备 外设 输出设备 硬盘 磁盘 软盘 光盘 闪存 键盘 鼠标 扫描仪 摄像头 数码相机 显示器 音箱 打印机

微型计算机的硬件结构 微型计算机硬件的系统结构与冯·诺依曼结构无本质上的差异，不过CPU已被集成在一片大规模或超大规模集成电路上，称为MPU。此外，微型计算机内部的连接方式都是采用总线结构。 系统总线：把CPU、存储器和输入输出设备连接起来，用来传送各部分之间的信息。 系统总线包括数据总线、地址总线和控制总线三组。 处理器 存储子 系统 I/O子

数据总线 数据总线(DB)：数据总线是传送数据和指令代码的信号线,它是双向总线。 8088 CPU内部的数据线是16位，但CPU与存储器、I/O端口之间是8位。 80286 内/外数据线都是16位宽，是16位的微处理器。 80486 有32位数据线，一次可传输4个字节的数据。 信息流向是双向流动。

控制总线 控制总线CB ：控制总线是管理总线上活动的信号线。控制总线中的信号是用来实现CPU对外部部件的控制、状态等信息的传送以及中断信号的传送等。 不同的CPU，其条数不同。 信息流向大部分是单向的：或者是CPU发出的操作命令；或者是其他部件向CPU提出的请求信号。 少数控制线是双向控制线。

地址总线 地址总线AB:传送CPU所要访问的存储单元或输入输出接口地址的信号线，它是单向总线。传输地址信息，用来寻址存储单元和I/O端口。其“宽度”决定了内存的最大容量： 8088/8086有20根地址线，能寻址1兆内存； 80286 有24根地址线，能寻址16兆内存； 80486 有32根地址线，能寻址4G内存；

计算机的硬件组成 CPU 内存 主机 主板 外存 硬件 输入设备 外设 输出设备 硬盘 磁盘 软盘 光盘 闪存 键盘 鼠标 扫描仪 摄像头 数码相机 显示器 音箱 打印机

主板 内存 CPU 芯片组 串行接口 USB接口 总线插槽 接口卡

主板 又叫系统板或是母板 主板是整个电脑的基板，是CPU 、内存、显卡及各种扩展卡的载体 主板是否稳定关系着整个电脑是否 稳定，主板的速度在一定程度上也 制约着整机的速度 是计算机各部件的连接工具

CPU中央处理器 英文名称是Central Processing Unit简称为CPU 主要包括运算器和控制器两部分 是电脑的核心部件，决定计算机 的性能 主要由INTEL和AMD公司生产 发展：286、386、486、奔腾、 PⅡ、PⅢ、PⅣ

存储器 通用寄存器堆 存储容量越来越大 速度越来越快 指令和数据缓冲栈 Cache（SRAM） 主存储器（DRAM） 脱机外部存储器（磁带、光盘等） 联机外部存储器（磁盘等） 主存储器（DRAM） Cache（SRAM） 存储容量越来越大 速度越来越快 存储器的层次结构

存储器容量 存储器的容量是衡量存储器性能的重要指标之一，以字或字节为单位来表示存储器存储单元的总数，就得到了存储器的容量。 1KB等于1024字节。 1MB等于1024×1024字节。 1GB等于1024×1024×1024字节。 1TB等于1024×1024×1024×1024字节 。

存储器的分类 内存（主存）：存放将执行的程序（指令）和程序执行所需的数据。目前内存主要由半导体器件构成。相对外存来说，价格贵、容量小。 存储器 外存（辅存）：存放备用数据或程序。如软盘、硬盘、CD-ROM等，属于外部设备。相对价格低，容量大。 一般概念上说存储器往往指的是内存。

主存储器 主存储器又称为内存储器或内存，是指能够通过指令中的地址直接访问的存储器，它被用来存储正在被CPU使用的程序和数据。 随机存储器（RAM） 动态RAM（DRAM） 静态RAM（SRAM） 只读存储器（ROM） 可编程只读存储器(PROM) 可删除编程只读存储器(EPROM) 电可删除编程存储器(EEPROM)

随机存储器RAM RAM通常有三个特点： 可以读出、也可以写入。 所谓随机存取，意味着存取任一单元所需的时间相同。 当断电后，存储内容立即消失，称为易失性（volatile）。 通常内存容量为32、64、128、256MB

随机存储器的分类 RAM可分为动态（Dynamic RAM）和静态（Static RAM）两大类。 动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容来作存储元件的，由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确。 静态随机存储器SRAM是用双极型电路或MOS电路的触发器来作存储元件的，没有电容造成的刷新问题。只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据。 DRAM的特点是高密度，低成本，高耗电量；SRAM的特点是高速度，低密度，高成本。

只读存储器 1．ROM ROM为只读存储器（Read Only Memory）的缩写。它只能读出原有的内容，而不能写入新内容，原有内容由厂家一次性写入，并永久保存下来，当然是非易失的。 ROM的用途很广。 （1）与微程序设计相结合。 （2）与操作系统、高级语言相结合。 （3）与应用软件相结合。 （4）无磁盘网络工作站。

只读存储器 2．PROM PROM是可编程只读存储器（Programmable Read Only Memory）的缩写。它与ROM的性能一样，存储的程序在处理过程中不会丢失、也不会被替换。区别仅是厂家能针对用户对软件的专门需求来烧制其中的内容。因此，PROM大都固化某些在使用中不需变更的程序或数据，从结构上说它是根本无法擦除的。 3. EPROM EPROM是可删除编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory),能通过可编程设备写入程序等信息，并可通过紫外线删除所存储的信息。

只读存储器 4．EEPROM EEPROM是电擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable ROM）的缩写，它包含了 EPROM的全部功能，而在擦除与编程方面更加方便。这就使EEPROM比EPROM有更大的灵活性和更广泛的适应性。

只读存储器 5．Flash ROM Flash ROM也是一种ROM，但它也有自己的特点。它是设计在系统内部用于更新BIOS数据时使用，而且无需使用烧录器。 Flash ROM主要用在主板上，用户将可以很容易地更新BIOS，而勿需打开电脑机箱。Flash ROM在写入数据时是以一个块为单位，例如8KB为一块，一次清除及写入8KB，这一点它和EEPROM不一样，EPROM是针对每一字节进行访问的。

外存 是一个外部的，永久的存储区域，当电源关闭时，其存储的信息不会丢失。 软盘 硬盘 光盘 U盘 磁带

软 盘 可以移动的存储介质，但容量很小，常见的有1.2MB 5.25英寸和.44MB 3.5英寸两种规格，5.25英寸盘基本上被淘汰了，目前使用的软盘都是l.44MB的3.5英寸软盘。 通过软盘驱动器进行读写操作 读：从磁盘里读取数据；写：向磁盘里写入数据 3.5英寸软盘外观 5.25英寸软盘外观

软盘的结构和存储原理 软盘片是软盘的核心，是记录数据的载体，它由一种塑料物构成，表面涂着一层由铁氧化物构成的磁性材料。这与录音机中使用的磁带有点相似，盘片在软盘驱动器中水平旋转并通过磁头来读写盘片上的信息，写的过程是以电脉冲将磁头下方磁道上那一点磁化，而读的过程则将磁头下方磁道上那一点的磁化信息转化为电信号，并通过电信号的强弱来判断为“0”还是“1”。

软盘格式化 软盘格式：软盘的平面圆片在逻辑上进一步划分为面，磁道和扇区。 格式化 未格式化

软盘格式化的原理 软盘只有经过格式化后才可以使用。格式化是为存储数据作准备，在此过程中，软盘被划分为若干个磁道，磁道又被划分为若干个扇区。例如，3.5英寸软盘共有80个磁道，18个扇区，每个扇区的容量均为512个字节，两面的总容量约为1.44MB。软盘的容量可以用下列公式计算。 软盘的容量=记录面数×磁道数/面×扇区数/道×字节/扇区

两种密度的软盘格式

使用软盘的注意事项 不要弯曲或放置重物在磁盘上。 不要触摸磁盘保护套内可见的东西。 保存时应避免强磁场，高热和化学物品。 将磁盘放置在硬塑料盒内。

硬 盘 程序、各种数据和结果的存放处 ，里面存储的信息不会由于断电 而丢失 通过硬盘驱动器进行读写操作， 制作时将驱动器与硬盘本身二合 为一 硬 盘 程序、各种数据和结果的存放处 ，里面存储的信息不会由于断电 而丢失 通过硬盘驱动器进行读写操作， 制作时将驱动器与硬盘本身二合 为一 存储容量大，硬盘为10、20、30 、40、60GB 硬盘片 读写磁头

硬盘的分类 从外形磁盘直径尺寸分有5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸和1.8英寸等。 从存储容量上分。 从接口分有IDE、SATA、SCSI和光纤通道接口 IDE，Integrated Drive Electronics。主要家用 SCSI，Small Computer System Interface，小型机、服务器 光纤通道，用于高端服务器、海量存储

硬盘的结构和存储原理 硬盘与软盘的工作原理相同。硬盘一般由多个盘片固定在一个公共的转轴上，构成盘片组。微机上用的硬盘采用了温彻斯特技术，它把硬盘、驱动电机、读写磁头等组装并封装在一起，成为曼彻斯特驱动器。硬盘工作时，固定同一个转轴上的多张盘片以每分钟数千转甚至更高的速度旋转，磁头在驱动马达的带动下在磁介质盘做径向移动，寻找定位，完成写入或读出数据工作。 硬盘经过低级格式化、分区及高级格式化后即可使用。  

硬盘盘片图

硬盘分区 物理磁盘:磁盘实体 逻辑磁盘:经过分割所建立的磁盘区 磁盘分区命令:FDISK

硬盘的存储容量 硬盘的容量可用下式计算： 硬盘容量=记录面数×柱面数×扇区数/磁道×字节/扇区 硬盘片以硬质的铝合金片为片基，并涂上精细磁性材料制作而成。磁盘表面也以转轴中心为圆点，被均匀地划分为若干个半径不等的同心圆，称为磁道。不同记录面上相同直径的磁道在垂直方向构成同心圆柱，称为柱面，柱面数等于磁道数。每个磁道同样被划分为若干个扇区，每个扇区的容量均为512字节。 磁道 面柱 扇区 硬盘的磁道、扇区、柱面

常见硬盘 内置硬盘：简称硬盘，安装在系统单元的内部。 盒式硬盘：与录音机的磁带一样，可以方便的移动，用于作为内置硬盘的补充。 硬盘组：存储大容量信息可移动的存储设备，其容量远远大于上述两种硬盘。 USB移动硬盘：支持即插即用。

光盘 可以移动的存储介质，光盘的容量 比软盘大多了 通过光盘驱动器进行读写操作 普通光盘CD-ROW （600MB）都是只能读不能写的 有一种特殊的光盘CD-R是可以写的，但需要使用“光盘刻录机”才能把 数据写到CD-R光盘上 ，写一次，读多次 DVD（digital video disc):数字化视频光盘，容量可达4.7GB

闪存（优盘） 闪存不仅具有RAM内存可擦除、可编程的优点,而且还具有ROM内存的写入数据在断电后不会消失的优点。USB闪存盘普遍采用USB接口，与计算机的理论传输速率可达12MB/s，具有易扩展、即插即用的优点。 CompactFlash又称CF卡，是美国SanDisk公司于1994年推出的，它广泛应用于笔记本计算机和数字产品中。 SmartMedia又称SM卡，是东芝和Taec公司于1995年11月发布的。 Memory Stick又称记忆棒，是索尼公司独立推出的，它的体积非常小，广泛用于索尼公司的电子产品上。 U盘：可移动存储时髦美观小巧，容量常见16MB、32MB、64MB、128MB，USB接口，即插即用。

显示卡 简称显卡，是主机与显示器之间的接口电路，其功能是将主机输出的信号转换成显示器能接受的信息。

声卡 又称声效卡，声卡又称音频卡，是处理音频信号的硬件，大多数主板集成了声卡，也可安装声卡。

网卡 用来连接一台计算机到其他计算机，或通过网络总线连接多台计算机、打印机、服务器等设备。目前配置有100M和1000M。

输入设备 键盘 鼠标 光笔 数字相机 数字摄像机 扫描仪

键盘 基本的输入设备 常见的为104键位的键盘 键盘是最常用的输入设备，可以输入字符、数字和特殊符号，并需要显示器的配合。 用键盘所输入的符号都要被转换成对应的二进制码，如 ASCII 码。

键盘分区 整个键盘大致分为4个区： 功能键区、打字键区、数字小键盘区、屏幕编辑键和光标移动键区。

打字练习 指法： 关键是把双手的拇指放在空格键上，其他八个手指分别放在基本行上，即两食指放在F、J上，两手在各自的范围内上下移动。按键时要弹击，不要狠敲硬打。

键盘的清洗 关闭电源,拔下键盘与主机的连接线 使用吸尘器清除键盘中的灰尘与垃圾 用软性的布料粘上90%的异丙基酒精,轻轻清洗键盘表面,然后使用干净的软布擦干 当键盘彻底干了以后,重新连接键盘和主机

鼠标 计算机输入设备 使用鼠标使计算机的某些操作更容易、更方便、更有趣，对计算机的普及具有伟大的贡献

鼠标的清洗 关闭电源,拔下鼠标与主机的连接线 将鼠标翻转,打开底盖,取出滚动球 用清洁剂或酒精和软布清洁滚动球,然后擦干 吹出放置滚动球隔舱中的灰尘,用棉花球擦净滚轮上的油腻和垃圾 将滚动球重新放入隔舱中并安装好底盖

光笔 与计算机连接并放置在显示屏旁的特殊输入笔 内部有光电感应器，可检测显示屏上的光栅扫描光束，然后通过相应电路定位光笔所在屏幕的位置 使用了蓝牙协议作为无线传输 发射端接受端都 相当细小，其中接受端使用了USB口，传输距离并没有受到影响，达到了9m，分辨率依然相当高，达到800dpi

摄像头 数码相机 都不是计算机的常规外设，但可以拓展计算机的使用功能。你可以根据需要选择是否配置。

数字摄像机 将场景以数字形式记录在磁盘或摄像机的内存中 质量优于传统摄像机 可捕获静态数字图像，故可作为数字相机使用

扫描仪 输入设备，但不是常规，可以根 据需要选择是否配置 常用扫描图片、像片、文本，有 的扫描仪来可以扫描立体实物

显示器 计算机工作状态的反应、信息处 理结果的输出 基本的计算机输出设备

打印机 输出设备 通过并口与主机相连 分非接触式打印机和接触式打印机

打印机 通过打印机或绘图仪将信息输出到纸上称为硬拷贝（显示器输出称为软拷贝） 非接触式打印机 喷墨打印机：喷墨打印机以非常高的速度喷射微滴墨水到打印纸的表面，不仅产生字符质量的图像，也能打印彩色的图像 激光打印机：激光打印机使用与复印机相似的技术，即利用激光束产生很高质量的字符和图像 热学打印机：热学打印机使用热元素在热敏感打印纸上产生字符和图像

打印机（续） 接触式打印机：使用“锤子”敲击字符形体，字符形体进一步敲击色带，引起色带上的字符图像印刷在打印纸上 点针打印机：它通过打印头上的细小针所形成的模型打印字符和图形 菊花轮打印机：使用一个塑料或金属打印元素，其形状相似于菊花上的花瓣 行式打印机：利用一个打印轮或一个运动的链，一次能够打印整个一行

绘图仪 绘图仪是用于产生直方图、地图、建筑图纸以及三维图表的专用输出设备 笔式绘图仪：通过在设计图纸上移动一个水笔或铅笔创建线图 喷墨绘图仪：通过喷射墨水微滴创建线图和彩色立体图像 静电绘图仪：使用静电电荷在特殊处理的纸张上创建高分辨率的“图像点” 直接成像绘图仪：使用热感应纸和电加热针创建图像

3.1.3 微型计算机的软件系统 软件可分为两大类 系统软件(system software) 应用软件(application software)

应用软件、系统软件、硬件之间的层次关系 应用软件 系统软件 计算机硬件 11:01 Hi，OS ，打印我 送到你那里的工资 报表文件 ！ Hi，财务系统，键盘输入的是‘P’，看着办吧！ 系统软件 Hi，激光打印机， 把我送给你的数据 打印出来 ！ Hi ，OS ，发生了 一个事件：‘P’ 键 被按下了！ 计算机硬件 激光打印机 开始打印 用户按下 ‘P’ 键

系统软件

管理和控制计算机的要求 计算机有许多部件，需要对它们进行统一管理，包括： 内存和外存； 各个部件之间的通信与协调运行。 还有许多与硬件有关的、公共的事情： 接受输入设备（例如键盘）送来的数据； 把数据存储到外存，或者从外存读取所需要的数据； 把数据送给输出设备（例如显示器、打印机等）。 这些事情： 完全可以用程序来做。因为计算机不仅可以为用户计算，还可以为自己计算。 不应当由每一个程序都来做，而应当由专门的程序来做。

系统软件 这类软件不需要用户的干预，就能处理技术上很复杂的、繁杂的、一般用户处理不了的那些事情。 这类软件包括： 操作系统 语言处理系统 数据库管理系统 系统实用程序

操作系统 操作系统的功能（Basic functions）： 处理器管理：负责在多道程序之间分配，使每道程序都能高效而有序的执行。 存储器管理：内存空间的分配和回收，地址转换和内存保护，内存的虚拟存储器扩充。 设备管理：统一管理各种已登入系统的外部设备并负责外设和主机之间的信息交换。 文件管理：统一管理各种以文件形式保存在外存上的信息，负责文件的建立、读、写、复制和删除等。 作业和进程管理：对程序运行进行管理。

操作系统 自身的运行方式： 操作系统的类别： 开机即开始运行，关机时终止运行； 开机时，由ROM中的程序从外存读入操作系统的一部分到内存并运行它，再由运行中的操作系统自己把操作系统的其他部分读入内存并执行之； 关机时，操作系统终止其他程序后，最后才终止运行。 操作系统的类别： 单用户操作系统 多用户操作系统 单道批处理操作系统 多道批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统

计算机专业人员应当怎样看待操作系统？ 当然要能够熟练地通过操作系统来使用计算机，但绝不能满足于只会手工使用操作系统。 在开发应用系统时： 能够通过系统功能调用，来充分、有效地利用操作系统已有的功能，而不是一切白手起家； 能够充分发挥操作系统同时运行多个应用程序的能力，这就是并发程序设计（Concurrent programming）； 操作系统是一类水平最高的软件，要认真学习其设计思想，以及表示和管理各种资源的手法，再应用到自己的开发工作中去。 建议在学过《操作系统》课程后，读一读经典操作系统的源程序。

语言处理系统 高级语言，汇编语言，机器语言 将用高级语言或汇编语言编写的程序（源程序，Source programs），翻译成等价的机器语言程序。 翻译时，要对源程序进行检查，来保证翻译后的程序是可执行的。但是，语言翻译程序无法保证程序的执行结果是否正确，这要靠程序设计人员自己来判断。这是因为，在正确地表达了一个错误的源程序时，语言翻译程序只能肯定源程序的表达方式（语法，Syntax）是正确的，而没有能力判断出程序的内涵（语义，Semantics）是错误的。

语言处理系统 类别： 编译程序（Compiler）：将高级语言程序翻译成对应的汇编语言程序，或者直接翻译成对应的机器语言程序（称为目标程序（Object program)，存储于外存，不能直接执行） 。 汇编程序（Assembler）：将汇编语言程序翻译成对应的目标程序。 链接程序（Linker）：将一个或多个目标程序与一个或多个相关的程序库（Library，也是由一些目标程序构成）组织在一起，产生可执行代码（Executable code）并存入外存，在需要运行时再由操作系统加载后执行。 解释程序（Interpreter）：对高级语言程序逐句地进行翻译，产生对应的机器语言指令序列并执行之。

Executable Code 语言处理系统 编译－链接－加载－执行的过程： 目标程序 源程序 编译 可执行程序 链接 加载 其他目标程 序与程序库 Executable Code 执行

语言处理系统 不同的高级语言有不同的编译程序或解释程序。目前主要的高级语言有： C++、C# 、C Java Visual Basic PASCAL、Delphi Ada Fortran COBOL 计算机的机器指令不同，汇编程序就不同。 链接程序通常与操作系统有关，可以链接同一操作系统中不同语言的编译程序或汇编程序所产生的目标程序。

计算机专业人员应当怎样看待语言处理系统？ 计算机上所使用的语言并不限于程序设计语言： 计算机总是要与用户对话的。对话时所使用的语言应当易于用户理解和使用，可能是文字语言，可能是图形语言，还可能就直接是用户的声音或图像。 与用户对话的语言，必须能够被翻译成计算机中的程序能够理解和执行的方式。 用户在使用对话语言时，不可能不犯错误，因此需要把能够判断清楚的错误都查出来，而不能稀里糊涂地执行。 因此，计算机专业人员应当能够设计和实现与用户对话的语言。 认真学习语言处理系统的原理和技术是必要的。

系统实用程序 是专门用于系统维护（System maintenance）的程序： 基本的实用程序所具有的功能： 解决系统出现的一些问题； 提高系统的运行效率； 保护系统，使得系统能够安全、可靠、持续地运行。 基本的实用程序所具有的功能： 帮助人来诊断与排除系统故障（Troubleshooting） 防病毒（Antivirus） 安装（Install）和卸载（Uninstall）计算机中的程序 对系统中的程序和数据进行备份（Backup） 对文件进行压缩（File compression），以减少存储空间，提高传送速度

设备驱动程序 外设本身也是靠既定的程序（即设备驱动程序）来控制的，使得外设与计算机系统能够进行通信。 大部分设备驱动程序是在计算机启动时被操作系统加载到内存中并开始运行的，还有一些就包含在操作系统之中。 来源： 操作系统内含 设备供应商提供 从互联网下载（ Download ）

应用软件

什么是应用软件？ 应用软件是由信息系统或计算机的使用者（称为最终用户，End users）来使用的那些软件。 应用软件可分为两大类： 通用应用软件（General-purpose applications） 被广泛使用的软件； 完成的是常见的任务。 专用应用软件（Special-purpose applications） 只在特定领域或场合使用的软件； 完成的是专门的任务。 应用软件的共同特征： 具有友好的界面，一般应是 GUI。 能有效地防止各种最终用户可能产生的使用错误。

常用的通用应用软件 字处理程序（Word processing programs）。如： 互联网工具。如： 个人数据库。如： Microsoft Word 互联网工具。如： 浏览器（Browser）软件：Microsoft IE 电子邮件（E-Mail）软件： Microsoft Outlook 个人数据库。如： Microsoft Access 电子表（Spreadsheets） 。如： Lotus 1-2-3 Microsoft Excel 图形化展示工具。如：Microsoft PowerPoint

专用应用软件 Computers are everywhere ! 专用应用软件是信息系统中直接面向最终用户、进行相应的业务处理与数据管理的那些部件。如管理信息系统，计算机集成制造系统等。 专用应用软件通常与应用领域有关。常见的领域是： 财务 金融（银行、证券、保险、...） 交通（航空、铁路、公路、水运、海运、城市交通、...） 通信（固定电话、移动通信、网络管理、...） 物流（特快专递、货运、...） 商业与服务业（超市、宾馆、旅游、...） 企业管理 电子商务 电子政务 Computers are everywhere !

软件开发过程

软件开发是智力密集型的工作 到目前为止，无论是系统软件还是应用软件，还主要靠人（通常是许多人一起合作）来进行开发（development）；开发工作完成后，要向用户交付，并继续进行维护和扩充。 因此，软件的开发与维护有一个过程，其持续时间少则几个月，多则十几年。 软件开发是一种高风险工作。如果对软件开发过程不进行科学的、系统的管理，几乎可以肯定将导致软件开发的失败。 1960年代末，出现了软件危机（Software crisis）。 软件工程：对软件开发过程进行管理和控制的技术。

软件开发与建造房屋的类比 由一个团队来建造是最有效、时间最快的。 需要的是： 一个人就可以建造。 需要的是： 认真的建模 认真定义的建造过程 功能强大的工具 一个人就可以建造。 需要的是： 最小限度的设计（建模，modeling） 简单的建造过程 简单的工具

软件开发与建造房屋的类比 一般需要多个专业团队（公司）来共同建造。 需 要的是： 认真的建模 认真定义的建造过程 功能强大的工具 标准化 构件化

系统生存周期（System Life Cycle） 初步调查 （Preliminary investigation） 系统维护 （Systems maintenance） 系统分析 （Systems analysis） 系统实现 （Systems implementation） 系统设计 （Systems design） 系统开发 （Systems development）

程序的开发过程 规格说明 维护 （数据结构与算法）设计 产生文档 编码 测试 （Specification） （Maintenance） （Design） 产生文档 （Documentation） 编码 （Code） 测试 （Test）

对程序设计的建议 不要急于动手写程序。 应当先对这个程序所面向的问题进行认真的分析，用规范的语言（能够用数学语言最好）来阐述分析的结果。 认真考虑解决这个问题的方案，把关键的步骤一一列出来，这就是初步的算法（Algorithm）。 不能把程序看成隐私。所写的程序一定要让别人能够看懂，不要故意在细节上耍小聪明。 学会读别人写的程序，特别是高手写的程序（例如操作系统、程序库等）。 大家将来会体会到，程序设计的水平高低主要在于数据结构（Data structure）的设计与实现。

3.2 存储系统组织结构 3.2.1 存储器与存储系统概述 1. 存储器的作用 存储器存储程序信息和数据信息。

3.2 存储系统组织结构 2. 存储器分类 （1）按存储介质分：半导体存储器、磁存储器和光存储器 3.2 存储系统组织结构 2. 存储器分类 （1）按存储介质分：半导体存储器、磁存储器和光存储器 （2）按工作方式分：随机存储器、只读存储器、顺序存储器、直接存取存储器 （3）按信息的可保存性：易失性存储器、非易失性存储器 （4）按作用：主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器

3.2 存储系统组织结构 3.存储器的主要性能指标 存储容量 2）存储周期 存储器中可以容纳的存储单元总数称为存储容量 。 3.2 存储系统组织结构 3.存储器的主要性能指标 存储容量 存储器中可以容纳的存储单元总数称为存储容量 。 2）存储周期 处理机可以连续二次启动该存储器所需的最小时间间隔。

3.2 存储系统组织结构 存储访问时间 4）性价比 5）功耗 6）可靠性 存储器收到有效地址到其输出端出现有效数据的时间间隔 3.2 存储系统组织结构 存储访问时间 存储器收到有效地址到其输出端出现有效数据的时间间隔 4）性价比 性能与价格的比值是衡量存储器经济性能好坏的综合性指标 。 5）功耗 存储器耗电的多少，也相应地反映了发热的程度 。 6）可靠性 在规定的时间内存储器正常工作的概率。

3.2 存储系统组织结构 3.2.2 存储系统组织结构 1.二级结构：主存储器、辅助存储器 3.2 存储系统组织结构 3.2.2 存储系统组织结构 1.二级结构：主存储器、辅助存储器 2.三级结构：高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器(三级结构的存储器系统的运行原理，是建立在程序运行的局部性原理之上的。 )

3.程序运行局部性原理： （1）时间局部性原理: 在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问。 （2）空间局部性原理:最近被访问过的程序和数据往往集中在一小片存储区域中。 （3）指令执行顺序的局部性原理:指令顺序执行比转移执行的可能性要大。 注意：三级存储系统中，存储的信息必须满足信息一致性原则和信息包含性原则。

3.2 存储系统组织结构 3.2.3 高速缓冲存储器 Cache是一种存储空间较小而存取速度却很高的一种存储器。是一种放置在CPU和主存储器之间的存取速度快、而规模较小的存储器。

3.2 存储系统组织结构 3.3.4 虚拟存储器 虚拟存储器用于“主存一辅存”层次，它能使计算机具有辅存的容量，接近于主存的速度。它使程序员能够在比主存大得多的空间编制程序，即按虚存空间编址。

3.2 存储系统组织结构 3.2.4 虚拟存储器 主存－辅存层次与Cache－主存层次的比较： 3.2 存储系统组织结构 3.2.4 虚拟存储器 主存－辅存层次与Cache－主存层次的比较： 联系：主存-辅存层次与Cache-主存层次有许多相似之处，它们采用的地址变换、映像方式及替换算法在原理上是相同的。 区别：访问时间 、传送的基本信息单位 、实现。

3.2 存储系统组织结构 3.2.4 虚拟存储器 2. 虚拟存储器的基本信息传送单位 （1）段式虚拟存储器 （2）页式虚拟存储器 3.2 存储系统组织结构 3.2.4 虚拟存储器 2. 虚拟存储器的基本信息传送单位 （1）段式虚拟存储器 （2）页式虚拟存储器 （3）段页式虚拟存储器

3.2 存储系统组织结构 3.　虚拟存储器的工作过程 在虚拟存储器中将对虚拟地址与辅存实地址的变换。

3.3 输入输出系统 3.3.1 输入输出系统概述 外部设备 设备控制器 I/O接口 中央处理机

3.3 输入输出系统 3.3.2 总线结构 1.总线分类 按照总线所传输的信息内容分类： 地址总线、数据总线和控制总线 3.3 输入输出系统 3.3.2 总线结构 1.总线分类 按照总线所传输的信息内容分类： 地址总线、数据总线和控制总线 2）按照总线在计算机中所处的位置分类 片级总线、内部总线和外部总线 3）按照二进制数码的传送方式分类 串行总线、并行总线

3.3 输入输出系统 3.3.2 总线结构 2.计算机总线结构类型 单总线结构

3.3 输入输出系统 3.3.2 总线结构 2.计算机总线结构类型 2）双总线结构

3.3 输入输出系统 3.3.2 总线结构 2.计算机总线结构类型 3）三总线结构

3.3 输入输出系统 3.总线的组成 传输线：包括地址线、数据线和控制线三部分。 接口：具有双向传输信息功能。 3.3 输入输出系统 3.总线的组成 传输线：包括地址线、数据线和控制线三部分。 接口：具有双向传输信息功能。 总线控制器：用于决定总线使用权。

3.3 输入输出系统 3.3.3 输入输出接口 1.接口的概念 在主机与外设进行数据交换时引入相应的逻辑部件解决两者之间的同步与协调、数据格式转换等问题的逻辑部件。

3.3 输入输出系统 2.输入输出接口的基本功能 实现数据缓冲 实现数据的转换 提供外设和接口的状态 实现主机与外设之间的通讯联络控制

3.3 输入输出系统 3. I/O接口的基本结构 数据寄存器； 设备地址译码器； 设备状态寄存器； 3.3 输入输出系统 3. I/O接口的基本结构 数据寄存器； 设备地址译码器； 设备状态寄存器； 数据格式变换器，用于串到并、并到串的转换； 总线通信控制用的定时信号线路。

3.3 输入输出系统 4.外部设备的寻址 统一编址：将对内存的操作和对I/O设备的操作用相同的指令来完成。 3.3 输入输出系统 4.外部设备的寻址 统一编址：将对内存的操作和对I/O设备的操作用相同的指令来完成。 单独编址：单独设置I/O指令来对I/O设备进行操作。 5. 接口的分类 （1）按数据传输宽度分：并行接口与串行接口 （2）按数据传送的控制方式分：程序直接控制的输入输出接口、程序查询控制接口、程序中断输入输出接口、DMA接口 （3）按操作节拍分：同步接口和异步接口

3.3 输入输出系统 3.3.4 外设数据传送控制方式 1.程序直接控制方式 2.程序查询方式 3.程序中断方式 4.DMA输入输出方式 3.3 输入输出系统 3.3.4 外设数据传送控制方式 1.程序直接控制方式 2.程序查询方式 3.程序中断方式 4.DMA输入输出方式 5.通道控制方式 6.I/O处理机方式

3.4 计算机系统的分类 指令流：是指机器执行的指令序列； 数据流：是由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。

3.4 计算机系统的分类 1.单指令流单数据流SISD计算机系统结构 2.单指令流多数据流SIMD计算机系统结构 3.4 计算机系统的分类 1.单指令流单数据流SISD计算机系统结构 由一个处理器和一个存储器组成。每次执行一条指令，每次从存储器取或存一个数据。 2.单指令流多数据流SIMD计算机系统结构 系统由一个指令控制部件、多个处理部件和多个存储器组成。各处理器和各存储器间通过互联网络进行通信。 3.多指令流单数据流MISD计算机系统结构 在同一时间执行多条指令，但处理同一个数据。 4.多指令流多数据流MIMD计算机系统结构 多台处理部件，（有自己的存储器）。每个处理部件执行各自的指令，并存取各自的数据。

3.5 高性能计算机 1.高性能计算机概述 是一个拥有最先进的硬件、软件、网络和算法的综合概念。 2.网格计算机系统 3.5 高性能计算机 1.高性能计算机概述 是一个拥有最先进的硬件、软件、网络和算法的综合概念。 2.网格计算机系统 网格计算是伴随着互联网技术迅速发展起来的，专门针对复杂科学计算的新型计算机模式。 3.集群系统 集群是指共同为客户机提供网络资源的一组计算机系统。

3.6 并行计算机 1.并行计算机 是由多个处理器组成，并能够调整、高效率地进行复杂问题计算的计算机系统。 2.并行算法 3.6 并行计算机 1.并行计算机 是由多个处理器组成，并能够调整、高效率地进行复杂问题计算的计算机系统。 2.并行算法 是在给定并行模型下的一种具体明确的计算机方法和步骤。

3.7 网络计算机 3.8 分布式系统 简称NC，是专用于高速网络环境下的计算机终端设备。 3.7 网络计算机 简称NC，是专用于高速网络环境下的计算机终端设备。 3.8 分布式系统 是指呈现在用户面前如同单机系统一样的独立计算机的集合。

3.9 多媒体计算机

媒体的定义 媒体是一种分发和表示信息的方法，例如，文本、图形、图像和声音。  

多媒体计算机 多媒体计算机（MPC)：能处理多种媒体的计算机，它能综合处理文字，声音，图形，图像等多种媒体信息的计算机系统。 PC机、CD-ROM、声卡、音箱和Windows操作系统 MPC 4.0，它为将PC机升级成MPC提供了一个指导原则，要求在普通微机的基础上增加以下4类软、硬件设备 ： ① 声/像输入设备 光驱、话筒、扫描仪、录音机、摄像机等。 ② 声/像输出设备 音效卡、刻录光驱、投影仪等。 ③ 功能卡 电视卡、视频采集卡、视频输出卡、网卡、VCD压缩卡等。 ④ 软件支持 ： 音响、视频和通讯信息以及实时、多任务处理软件。

多媒体技术 多媒体指令集 多媒体数据的表示技术 大容量的存储技术 音频/视频处理技术 多媒体计算机显示技术 光盘与光盘驱动器技术 其他技术，如宽带综合业务数据网等

多媒体计算机的基本特征 多媒体计算机的集成性 是指将多种媒体有机地组织在一起，共同表达一个完整的多媒体信息，使文字、声音、图形、图像等一体化。 交互性 通过软件增强人与计算机双向交流信息的能力。 处理信息形式的多样性 非纸张输出形式 实时性

多媒体技术的应用 教育 电子出版 信息咨询 辅助设计 多媒体视频会议系统 游戏和娱乐

本章小结 本章主要介绍了计算机的组织和体系结构。通过本章的学习，让读者了理解计算机及并行处理技术的体系结构。