计算机导论课件

1计算机科学导论第三章计算机体系结构2计算机科学导论本章要点：◆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计算机科学导论3.1数字逻辑与数字系统3.1.1基本逻辑关系及逻辑门1.“与”逻辑关系及“与”门:运算符号可以是“·”、“∧”、“∩”或“AND”。逻辑函数：F＝A·B“与”门的逻辑符号：2.“或”逻辑关系及“或”门：运算符号可以是“＋”、“∨”、“∪”或“OR”。逻辑函数：F＝A＋B“或”门的逻辑符号：3.“非”逻辑关系及“非”门逻辑函数：F＝“非”门的逻辑符号：4.“异或”逻辑关系及“异或”门逻辑函数：F＝“异或”门的逻辑符号：ABABAFABFABFAFABF4计算机科学导论3.1数字逻辑与数字系统3.1.2逻辑代数与逻辑函数1.逻辑变量与函数：逻辑函数由逻辑变量A、B、C、…和算子“·”、“＋”、“－”及括号、等号等构成的一个表达式。例如：F=A+BG=A·B2.基本逻辑运算：“与”运算、“或”运算、“非”运算。5计算机科学导论3.逻辑代数的定理及常用公式（1）公理系统公理1交换律对于任意逻辑变量A、B，有A＋B＝B＋AA·B＝B·A公理2结合律对于任意逻辑变量A、B、C，有（A＋B）＋C＝A＋（B＋C）（A·B）·C＝A·（B·C）公理3分配律对于任意逻辑变量A、B、C，有A＋（B·C）＝（A＋B）·（A＋C）A·（B＋C）＝A·B＋A·C6计算机科学导论公理40—1律对于任意逻辑变量A，有A＋0＝AA·l＝AA＋1＝1A·0＝0公理5互补律对于任意逻辑变量A，存在唯一的，使得01AAAAA7计算机科学导论（2）基本定理P66（3）逻辑代数的重要规则对偶规则如果将逻辑函数表达式F中所有的“·”变成“＋”，“＋”变成“·”“0”变成“1”，“1”变成“0”，而逻辑变量保持不变，则所得到的新逻辑表达式称为函数F的对偶式，记作F’。[例])()('DBCAFDBCAF8计算机科学导论3.1数字逻辑与数字系统反演规则如果将逻辑函数表达式F中所有的“·”变成“十”，“＋”变成“·”，“0”变成“1”，“1”变成“0”，原变量变成反变量，反变量变成原变量，则所得到的新函数表达式为原函数F的反函数。已知：根据规则得：代入规则代入规则是指任何一个含有变量A的逻辑等式，如果将所有出现A的位置都代之以同一个逻辑函数F，则等式仍然成立。FDCBAF)()(DCBAF9计算机科学导论4.逻辑表达式的化简代数化简法运用逻辑代数的公理、定理和规则对逻辑函数进行化简。[例]==卡诺图化简法最小项之和CBAABCBCAAB)(CABABCAB10计算机科学导论3.2数据的机器表示3.2.1数据的机器级表示操作码：规定CPU执行什么操作；地址码：指出源操作数从哪里取，结果送往什么地方以及下一条指令从哪里取操作码地址码11计算机科学导论3.2.2数据的汇编级表示介于机器语言和高级语言之间的计算机编程语言，是将机器语言符号化的一种语言。特点：汇编代码效率高，编程复杂，可移植性差。12计算机科学导论3.3存储系统组织结构3.3.1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。13计算机科学导论3.3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14计算机科学导论3.3存储系统组织结构3.存储器的主要性能指标1)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。15计算机科学导论3.3存储系统组织结构3)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。16计算机科学导论3.3存储系统组织结构3.3.2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。)中央处理器CPU高速缓冲存储器Cache主存储器辅助存储器17计算机科学导论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。18计算机科学导论3.3存储系统组织结构3.3.3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。中央处理器CPUCache主存辅助硬件19计算机科学导论3.3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。中央处理器CPU主存辅存辅助软件及硬件20计算机科学导论3.3存储系统组织结构3.3.4虚拟存储器1.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。21计算机科学导论3.3存储系统组织结构3.3.4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22计算机科学导论3.3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。23计算机科学导论3.4输入输出系统3.4.1输入输出系统概述1)外部设备2)设备控制器3)I/O接口4)中央处理机CPUI/O设备设备控制器I/O接口主存24计算机科学导论3.4输入输出系统3.4.2总线结构1.总线分类1)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25计算机科学导论3.4输入输出系统3.4.2总线结构2.计算机总线结构类型1)单总线结构CPU输出设备输入设备主存总线26计算机科学导论3.4输入输出系统3.4.2总线结构2.计算机总线结构类型2）双总线结构CPUI/O接口I/O通道主存I/O接口I/O接口内存总线I/O总线27计算机科学导论3.4输入输出系统3.4.2总线结构2.计算机总线结构类型3）三总线结构CPUI/O接口高速外设主存I/O接口I/O接口内存总线I/O总线I/O设备I/O设备DMA总线28计算机科学导论3.4输入输出系统3.总线的组成1)传输线：包括地址线、数据线和控制线三部分。2)接口：具有双向传输信息功能。3)总线控制器：用于决定总线使用权。29计算机科学导论3.4输入输出系统3.4.3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。30计算机科学导论3.4输入输出系统2.输入输出接口的基本功能1)实现数据缓冲2)实现数据的转换3)提供外设和接口的状态4)实现主机与外设之间的通讯联络控制31计算机科学导论3.4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。32计算机科学导论3.4输入输出系统4.外部设备的寻址1)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。2)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33计算机科学导论3.4输入输出系统3.4.4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34计算机科学导论3.5计算机系统体系结构3.5.1高性能计算机•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。35计算机科学导论3.5计算机系统体系结构3.5.1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。36计算机科学导论3.5计算机系统体系结构3.5.2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。37计算机科学导论3.5计算机系统体系结构3.5.3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。38计算机科学导论3.5计算机系统体系结构3.5.4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。3.5.5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。39计算机科学导论3.6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。