計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論3章課件

第三章計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)本章要點(diǎn)：◆了解存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)◆了解輸入輸出系統(tǒng)◆了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3.3存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)3.3.1存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)系統(tǒng)概述1.存儲(chǔ)器的作用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序信息和數(shù)據(jù)信息。3.3存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)3.存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)存儲(chǔ)容量2）存儲(chǔ)周期存儲(chǔ)訪問(wèn)時(shí)間4）性價(jià)比5）功耗6）可靠性

3.3存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)3.3.2存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)1.二級(jí)結(jié)構(gòu)：主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器2.三級(jí)結(jié)構(gòu)：高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器(三級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)的運(yùn)行原理，是建立在程序運(yùn)行的局部性原理之上的。

)3.程序運(yùn)行局部性原理：（1）時(shí)間局部性原理:在一小段時(shí)間內(nèi)，最近被訪問(wèn)過(guò)的程序和數(shù)據(jù)很可能再次被訪問(wèn)。

（2）空間局部性原理:最近被訪問(wèn)過(guò)的程序和數(shù)據(jù)往往集中在一小片存儲(chǔ)區(qū)域中。

（3）指令執(zhí)行順序的局部性原理:指令順序執(zhí)行比轉(zhuǎn)移執(zhí)行的可能性要大。注意：三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，存儲(chǔ)的信息必須滿足信息一致性原則和信息包含性原則。

3.3.4虛擬存儲(chǔ)器

虛擬存儲(chǔ)器用于“主存一輔存”層次，它能使計(jì)算機(jī)具有輔存的容量，接近于主存的速度。它使程序員能夠在比主存大得多的空間編制程序，即按虛存空間編址。

3.4輸入輸出系統(tǒng)3.4.1輸入輸出系統(tǒng)概述外部設(shè)備設(shè)備控制器I/O接口中央處理機(jī)3.4.2總線結(jié)構(gòu)1.總線分類按照總線所傳輸?shù)男畔?nèi)容分類：

地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線

2）按照總線在計(jì)算機(jī)中所處的位置分類片級(jí)總線、內(nèi)部總線和外部總線3）按照二進(jìn)制數(shù)碼的傳送方式分類

串行總線、并行總線

2）雙總線結(jié)構(gòu)3）三總線結(jié)構(gòu)3.4輸入輸出系統(tǒng)3.總線的組成傳輸線：包括地址線、數(shù)據(jù)線和控制線三部分。接口：具有雙向傳輸信息功能?？偩€控制器：用于決定總線使用權(quán)。3.4輸入輸出系統(tǒng)2.輸入輸出接口的基本功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換提供外設(shè)和接口的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)之間的通訊聯(lián)絡(luò)控制3.4輸入輸出系統(tǒng)3.I/O接口的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)寄存器；設(shè)備地址譯碼器；設(shè)備狀態(tài)寄存器；數(shù)據(jù)格式變換器，用于串到并、并到串的轉(zhuǎn)換；總線通信控制用的定時(shí)信號(hào)線路。3.4輸入輸出系統(tǒng)4.外部設(shè)備的尋址統(tǒng)一編址：將對(duì)內(nèi)存的操作和對(duì)I/O設(shè)備的操作用相同的指令來(lái)完成。

單獨(dú)編址：?jiǎn)为?dú)設(shè)置I/O指令來(lái)對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行操作。

5.接口的分類（1）按數(shù)據(jù)傳輸寬度分：并行接口與串行接口（2）按數(shù)據(jù)傳送的控制方式分：程序直接控制的輸入輸出接口、程序查詢控制接口、程序中斷輸入輸出接口、DMA接口（3）按操作節(jié)拍分：同步接口和異步接口3.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3.5.1高性能計(jì)算機(jī)指令流：是指機(jī)器執(zhí)行的指令序列；數(shù)據(jù)流：是由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。

3.5.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類1.單指令流單數(shù)據(jù)流SISD計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由一個(gè)處理器和一個(gè)存儲(chǔ)器組成。每次執(zhí)行一條指令，每次從存儲(chǔ)器取或存一個(gè)數(shù)據(jù)。

2.單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由一個(gè)指令控制部件、多個(gè)處理部件和多個(gè)存儲(chǔ)器組成。各處理器和各存儲(chǔ)器間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

3.多指令流單數(shù)據(jù)流MISD計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在同一時(shí)間執(zhí)行多條指令，但處理同一個(gè)數(shù)據(jù)。

4.多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多臺(tái)處理部件，（有自己的存儲(chǔ)器）。每個(gè)處理部件執(zhí)行各自的指令，并存取各自的數(shù)據(jù)。

3.5.2高性能計(jì)算機(jī)1.高性能計(jì)算機(jī)概述是一個(gè)擁有最先進(jìn)的硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)和算法的綜合概念。2.網(wǎng)格計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)格計(jì)算是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)的，專門針對(duì)復(fù)雜科學(xué)計(jì)算的新型計(jì)算機(jī)模式。3.集群系統(tǒng)集群是指共同為客戶機(jī)提供網(wǎng)絡(luò)資源的一組計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。3.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3.5.4網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱NC，是專用于高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的計(jì)算機(jī)終端設(shè)備。3.5.5分布式