搜索
计算机组成与系统结构第一章计算机系统结构概述（第07讲）2006年3月08日李媛媛1.2功能模块级的计算机组成计算机扩展和延伸了人脑的功能,故又称电脑.计算机结构:从元器件级(开关电路)功能模块级.构建计算机系统的两种方法:●结构模拟法:仿照人脑由神经细胞组成,从制造神经细胞开始构建计算机.●功能模拟法:从分析人脑的基本功能出发,分别制造能完成这些功能的模块,来模拟人脑的功能.结论:现代计算机基本采用功能模拟法.1.2.1计算机的Neumann体系结构电子计算机是一种自动计算工具,而算盘是手动计算工具.计算机有存储程序的功能,即能把由操作步骤编制成的程序(program)记住,然后按程序的要求,逐一完成程序规定的操作任务——程序存储控制原理。1812年英国人巴贝奇(Babbage)开始研制机械计算机,提出了程序存储控制原理的雏形.巴贝奇提出了自动计算机必须包含的五大功能,即：输入(I)+存储(M)+处理(P)+控制(C)+输出(O)ChariesBabbage（1792-1871）VonNeumann是在电子时代提出把程序存储控制原理用于计算机的第一人。Neumann原理可总结为三条（1946）:(1)指令像数据一样存放在存储器中,并像数据那样进行处理(2)要使用二进制(3)要使用程序存储控制方式工作.1.2.1计算机的Neumann体系结构1.2.1计算机的Neumann体系结构Neumann理论奠定了现代电子数字计算机的理论.按照该理论制成的计算机叫Neumann体系结构的计算机,简称Neumann计算机.JohnvonNeumann冯诺依曼(1903-1957)第一台电子计算机（通用可编程序）–18800电子管–30吨–150平方米–1500个电磁继电器–5000次十进制加法/秒1946年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)第一台电子计算机（ENIAC）ENIACENIACENIAC输出设备输入设备运算器控制器存储器计算结果程序和数据控制流CS数据流DS冯.诺依曼体系结构计算机的5大部件中，运算器和控制器是信息处理的中心部件，所以它们合称为“中央处理部件”（CPU：CentralProcessingUnit）。存储器、运算器和控制器在信息处理操作中起主要作用，是计算机硬件的主体部分，通常称为“主机”。输入（Input）设备和输出（Output）设备统称为“外部设备”，简称为外设或I/O设备。Neumann计算机的基本组成比喻:若把计算机比作一个工厂,那么运算器车间控制器生产科输入设备供应科输出设备销售科存储器仓库冯.诺依曼机具有如下基本特点：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改。指令和数据均采用二进制码表示。指令由操作码和地址码组成，指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增。1.2.2计算机系统的功能部件一台完整计算机的功能——运算+控制+存储+输入/出+用户界面实现：CPU+M+I/O+BUS+软件1.2.2计算机系统的功能部件1.输入/出(I/O)设备1.2.2计算机系统的功能部件2.中央处理器(CPU):它是计算机的核心,它由A+C+Regs组成(1)控制器:按时钟提供的统一节拍,使计算机中各部件协调工作.(2)算术逻辑部件ALU(ArithmeticLogicalUnit)是直接进行数据变换与运算的部件.由加法器组成,ALU的最基本操作是加法和逻辑运算.(3)寄存器组:暂存运算中间结果通用寄存器组:存放操作数专用寄存器组:存储特定信息CPU的寄存器堆2.中央处理器(CPU)运算部件(ALU)工作示意图状态标志寄存器通用寄存器累加器ALUAB结果C=A+B标志每位对应一个特征3.存储器(记忆装置)(1)功能:保存程序,原始数据及中间结果.(2)特点:采用线性地址存取方式地址单元内容可按位(b),字节(B),半字，字(W),双字(DW)编址。以字节(B)编址居多。即1个存储单元存1个字节的信息.存储器容量:M中存储单元的数量。通常用KB、MB表示。……信息m-1信息m信息m+1…………n-1nn+1……3.存储器(记忆装置)(3)存储器的三大指标容量(C)+价格(C)+速度(S)容量大速度,速度成本容量采用分级存储方式来解决上述矛盾主存辅存cacheCPU主存辅存辅助软硬件主辅存两级存储系统cache主辅存三级存储系统辅存主存4.总线下图是早期计算机中典型模块间的连接方式。因没从全局角度统一考虑各部件间的连接问题，造成部件间连接的复杂性。为减少部件连接的复杂性，现代计算机采用了总线连接技术。控制器输入设备运算器输出设备存储器结果数据取数存数输入命令输出命令注:实线代表传输数据虚线代表传输控制命令和信号4.总线总线连接方式:是现代计算机(尤为微,小型机)采用的方式总线:是一簇由并行导线组成的传递信息的公共通路.总线的三种类型:数据总线——用于传输数据地址总线——用于传输内存存储单元地址控制总线——用于传输控制信号总线的任务:在计算机各部件间起沟通信息的作用.CPU存储器I/O1I/O2I/On……控制总线地址总线数据总线4.总线总线的物理表现形式：由直接印刷在电路板上的导线和安装在电路板上的各种插槽组成。其它部件以插件板形式插装在插槽上。总线技术现已成为现代计算机技术中的一个重要分支.总线总线插槽部件插件板1.2.3计算机的工作过程程序、指令计算机的工作过程：首先由输入设备接受外界信息(程序和数据)，控制器发出指令将其送入(内)存储器，然后向内存储器发出取指令命令。在取指令命令下，程序指令逐条送入控制器。控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求，向存储器和运算器发出存数、取数命令和运算命令，经过运算器计算并把计算结果存在存储器内。最后在控制器发出的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果。计算机的工作过程,也就是不断地取指令、分析指令和执行指令的过程,直到遇到停机指令时才结束机器的运行。取指令，PC值加1停机?译码并执行结束YN计算机工作过程流程图1.3指令系统级的CPU界面1.3.1指令的语法用户使用CPU时,是通过它提供的一些由信号集成的指令进行的。指令:是计算机能识别并执行的操作命令。指令系统:是CPU能提供的所有指令的集合。指令的典型格式:一个操作码+N个地址操作码所占的位数,由该机指令系统规定所能执行的操作种类数决定.每个操作数地址所占的二进制位数，决定了该操作数地址能直接访问的最大存储器空间。例某一操作数地址为4位,则最大寻址空间为24=16。OPAD1AD2…ADN1.3.2寻址方式操作数形式地址—指令中给出的操作数地址，往往不是操作数真实的存储器地址。操作数有效地址—操作数真实的存储器地址。形式地址有效地址寻址方式1.3.3指令的种类1.数据处理类指令:使用ALU。常用的有算术，逻辑运算指令，移位指令和比较指令等。2.数据传送类指令:即数据搬家，内容不变。常用的有存数，取数，输入/出指令和内部传送指令等。3.程序控制类指令:用于改变程序中指令执行的正常顺序，有无条件转移，条件转移，调用子程序，停止或空操作指令等。4.状态管理类指令:用于改变计算机中表示其工作状态的状态字或标志，不改变程序执行的次序。不进行数据处理，只管状态。1.3.4使用指令系统解题的过程1.程序设计2.编辑程序并分配存储单元3.送程序和原始数据到内存中4.执行程序1.4操作系统级的计算机系统界面1.4.1操作系统的概念操作系统(operatingsystem，OS)是管理计算机资源的一组程序。从计算机系统层次结构看，OS是建立在计算机硬件上的第一层软件，是计算机中所有其它软件的基础(平台)；它又不完全信赖于硬件。操作系统可看做用户与计算机硬件设备间的接口。操作系统用户界面作业管理处理器管理CPU存储管理文件管理外存主存设备管理I/O设备总线硬件1.4.2操作系统的功能操作系统四方面的功能:作业管理；提供用户界面；功能扩展；资源管理。1.4.3操作系统的类型操作系统的类型（按照操作系统设计的目标）：批处理系统；分时系统；实时系统。1.5计算机系统评价和发展1.5.1现代计算机的基本特征存储容量大、运算速度快、运算精度高CPU字长主存容量运算速度主频率带宽均衡性软、硬件配置及性能价格比RASIS特性兼容性友好性和环保性指CPU一次所能处理的位数。字长越长，精度越高，所能表示数的范围越大，价格越高。指一个主存所能容纳的全部信息。计算机的最大主存容量由CPU的地址总线的数量决定。例如：16216=64KB一般指单位时间内执行指令的平均条数，单位是MIPS,即百万条指令/每秒计算机内部有一个脉冲装置，被称为主时钟。它可以不断地产生固定频率的时钟脉冲，时钟脉冲的频率就是CPU的主频率。主频率是衡量一台计算机运算速度的重要参数；主频越高，CPU运算速度越快。运算速度也常用带宽衡量,即数据流的最大速度和指令的最大吞吐量。按”木桶”理论,整体的性能取决于最差环节的性能.Reliability(可靠性)、Availability(可用性)、Serviceability(可维护性)、Integrality(完整性)、Security(安全性)，统称RASIS.1.5.2计算机的性能指系统中所含的某些”东西”具有并存性,即程序或设备可用于多种系统中的性能。完