計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

第1幸計(jì)算機(jī)系髭貓卷

目錄

1.0預(yù)備知識

1.1計(jì)算機(jī)的分類

1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史

1.3計(jì)算機(jī)的硬件

1.4計(jì)算機(jī)的軟件

1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

2012年10月4日星期四2

學(xué)習(xí)要求

?了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程；

?清楚計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成（五大部

件的構(gòu)成）、計(jì)算機(jī)軟件的分類，以及計(jì)算機(jī)的基本工作過程；

?了解計(jì)算機(jī)性能評價(jià)指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)；

。吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPUCPU執(zhí)行時(shí)間;

MIPS、MFLOPS等。

?要求

。初步掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念及基本結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)

打下基礎(chǔ)。

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1.0預(yù)備知識

?問題彳小二臺計(jì)算機(jī)二般有哪幾部分組成？

。顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、音箱、主機(jī)箱等；

O主機(jī)箱中有：主梃、CPU、光驅(qū)、硬盤、內(nèi)存、顯卡、聲卡等;

?問題2:如何對以上設(shè)備分類？

O輸入輸出設(shè)備顯不器，鍵盤，鼠標(biāo)，首箱

O中央處理設(shè)備CPU（集處理和控制于一身）

。存儲設(shè)備光驅(qū)、硬盤、內(nèi)存

。接口轉(zhuǎn)換卡顯卡、聲卡

。部件連接線主板上的印制總線、部件連接總線

?問題3:有了以上設(shè)備，計(jì)算機(jī)是否能發(fā)揮其功效？

O一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。

2012年10月4日星期四4

5

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2012年10月4日星期四7

2012年10月4日星期四8

SDRAM內(nèi)存條

DDR內(nèi)存條

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80G硬盤

硬盤數(shù)據(jù)線

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DVD光馬區(qū)

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機(jī)內(nèi)電源插頭

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：如P2圖1.1

1.1計(jì)算機(jī)的分類?_J________I____*

/石田二：皆用是針對某一任務(wù)設(shè)計(jì)的最有效、

廠專用計(jì)舁機(jī)最經(jīng)濟(jì)彳口最快遑的計(jì)算凱，但

適應(yīng)性很差。

低高

r數(shù)字計(jì)算機(jī)單片機(jī)

處理數(shù)字量信息微型機(jī)體積

按位運(yùn)算，功能

分簡

不連續(xù)地跳動計(jì)算媼用計(jì)算機(jī)＜小型機(jī)數(shù)據(jù)存儲量

類］易

指令系統(tǒng)

適應(yīng)性很大，但中型機(jī)性

是犧牲了雙率、價(jià)格

大型機(jī)

I模擬計(jì)算機(jī)速度和經(jīng)濟(jì)性。

處理模擬量信息

.超級計(jì)算機(jī)I高低

數(shù)值連續(xù)、運(yùn)算過程連續(xù)

2012年10月4日星期四15

1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史

1.2.1計(jì)算機(jī)的五代變化

工946~1957年，第一代計(jì)算機(jī)

電子管

日狀警

日日怦目1958~1964^摩爾定律

第二代計(jì)算機(jī)

1965~1971^

中小規(guī)模^=^1972~1990^

集成電路1991■年~至今

［超大規(guī)模集成電跖巨大規(guī)模

集成電路

16

2012年10月4日星期四

第一代計(jì)算機(jī)

?第一代計(jì)算機(jī)（1945年—1958年）

O采用電子管。

?代表機(jī)型：ENIAC

01941年美國賓夕法尼亞大學(xué)開始研制；

O主要是為了解決美陸軍提出的彈道計(jì)算

問題；

?；ㄙM(fèi)40萬美元；

01955年10月2日最后切斷電源。

2012年10月4日星期四17

ENIAC

第二代計(jì)算機(jī)(1958—1964)

FIRSTSILICONTRANSISTOR

2012年10月4日星期四19

*

摩爾定律

A1964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登?摩爾(GordonMoore)在

一篇很短的論文里斷言：每18個(gè)月，集成電路的性能將提高一

倍，而其價(jià)格將降低一半。這就是著名的摩爾定律。

A作為迄今為止半導(dǎo)體發(fā)展史上意義最深遠(yuǎn)的定律，摩爾定律被

集成電路40多年的發(fā)展歷史準(zhǔn)確無誤地驗(yàn)證著。

A摩爾定律有另外一種表述方法，即每過10年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能將

會增加100倍，通訊帶寬也會提高100倍，而花費(fèi)的資金不會增

2012年10月4日星期四21

1.2.2半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展

?20世紀(jì)50~60年代，磁芯存儲器

。價(jià)格昂貴，體積大，破壞性讀出

?1970年，半導(dǎo)體存儲器

。價(jià)格更加昂貴，體積小，非破壞性讀寫

?1974年之后，半導(dǎo)體存儲器

。價(jià)格不斷降低，體積不斷減少，讀寫速度更快。

?有關(guān)存儲器的介紹詳見第3章

2012年10月4日星期四22

1.2.3微處理器的發(fā)展

?20世紀(jì)70星代的處理器

040046800898080今808698088

?20世紀(jì)80年代的處理器

080286個(gè)386TMDX今386TMSX9486TMDX

?20世紀(jì)90年代的處理器

O486TMSX-PentiumPentiumProPentiumII今

PentiumIII

?最近10年的處理器

OPentium4Itanium今Itanium2

2012年10月4日星期四23

Intel4004Intel8088

Intel的發(fā)展史就是從這塊CPU起步的

Intel80286

Intel最后一塊16位CPU

Intel386

ZU叱午IU/j4口生現(xiàn)由

Intel80386,Intel第一代32位CPU

Intel486

這是Intel最后一代以數(shù)字編號的CPUIntelPentium

IntelPentiumII

IntelPentiumPro

IntelCeleron

工ntelPentiijjnIII

IntelPentiumlllTualatin/Coppermine

2012年10月4日星期四26

雙核CPU三核CPU

2012年10月4日星期四27

1.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)(1/3)

?吞吐量

O表征一臺計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量。

?響應(yīng)時(shí)間

O從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間度量，用時(shí)間單位來表示。

?利用率

O在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占的比率，用百分

比表示。

?處理機(jī)字長(機(jī)器字長)

。處理機(jī)運(yùn)算器中一次能夠完成二進(jìn)制運(yùn)算的位數(shù)，如32、64位；

。機(jī)器字長與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度具有一定的相關(guān)性。

2012年10月4日星期四28

1.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)(2/3)

■總線寬度

。一般指運(yùn)算器與存儲器之間的數(shù)據(jù)總線寬度。

?注意課本上的表述錯(cuò)誤！

?主存儲器容量

O主存儲器所能存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。

?或者說“主存儲器中所有存儲元的總數(shù)目?！保恰按鎯卧?

?主存儲器帶寬

。單位時(shí)間內(nèi)從主存儲器讀出的二進(jìn)制信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示O

?主頻/時(shí)鐘周期

OCPU主時(shí)鐘的頻率——主頻；其倒數(shù)為CPU的時(shí)鐘周期(T周期)。

2012年10月4日星期四29

1.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（3/3）

?CPU的運(yùn)算速度

OCPU執(zhí)行時(shí)間：CPU執(zhí)行一般程序所占用的CPU時(shí)間；

OCPI:執(zhí)行一條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)；

OMIPS:每秒百萬指令數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)；

?針對標(biāo)量機(jī)（執(zhí)行一條指令，只得到一個(gè)運(yùn)算結(jié)果）

OMFLOPS:每秒百萬次浮點(diǎn)操作數(shù)，衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能。

?針對向量機(jī)（執(zhí)行一條向量指令，通常可得到多個(gè)運(yùn)算結(jié)果）

?其他的性能指標(biāo)

。主存儲器的讀寫速度、I0的數(shù)據(jù)傳送率、帶寬的均衡性……

2012年10月4日星期四30

1.3計(jì)算機(jī)的硬件?紙

O相當(dāng)于存儲器；'一

1.3.1硬件的組成要素

O保存源數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù);

。使用計(jì)算器計(jì)算y=ax+b?c

?計(jì)算器

O已知a=1,b=2,c=3,x=4

。解題步驟：O相當(dāng)于運(yùn)算器；

運(yùn)算、暫存中間結(jié)果；

①獲取數(shù)據(jù)a和數(shù)據(jù)x；O

?筆和手

②輸入計(jì)算器，得出結(jié)果；

O相當(dāng)于輸入/輸出設(shè)備;

③繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)b,送入計(jì)算器;

。將數(shù)據(jù)的輸入/輸出；

④得到結(jié)果，繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)c；

?人

⑤送入計(jì)算器，獲得結(jié)果；

。相當(dāng)于控制器；

⑥在紙上記錄結(jié)果；

O協(xié)調(diào)整個(gè)計(jì)算過程；

2012年10月4日星期四31

馮?諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

1.計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和

輸出設(shè)備五個(gè)部分組成；

2.存儲器以二進(jìn)制形式存儲指令和數(shù)據(jù)；

3.指令由操作碼和地址碼組成；

4.計(jì)算機(jī)能夠存儲程序并按地址順序執(zhí)行；

o馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的核心設(shè)計(jì)思想，機(jī)器自動

化工作的關(guān)鍵；

5.以運(yùn)算器為中心。

2012年10月4日星期四32

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

1.將運(yùn)算器、控制器和片內(nèi)高速緩存，統(tǒng)稱為CPU;

而將CPU、主存儲器、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線統(tǒng)

稱為主機(jī)；其余的設(shè)備均為外設(shè)。

。主機(jī)內(nèi)僅包含主存儲器，即內(nèi)存；

。硬盤、光盤等輔助存儲器屬于I/O設(shè)備；

2.以存儲器為中心。

。減輕了CPU的數(shù)據(jù)傳送負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性

2012年10月4日星期四34

1.3.2運(yùn)算器

處理所有的算術(shù)及邏輯運(yùn)

。通常稱為ALU（算術(shù)邏輯單，

?特點(diǎn)：

O采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算；

O運(yùn)算器一次可以處理的數(shù)據(jù)

位數(shù)稱為機(jī)器字長；

。機(jī)器字長一般為8、16、32圖L3運(yùn)算器結(jié)構(gòu)示意圖

64位，機(jī)器字長直接決定著運(yùn)算的精度和能力;

O運(yùn)算器主要由ALU和各類通用寄存器構(gòu)成。

?運(yùn)算器結(jié)構(gòu)示意圖演示

2012年10月4日星期四35

1.3.3存儲器(1/2)

?功能?保存所有的程序和數(shù)據(jù)。v

?特點(diǎn)：

o二進(jìn)制形式保存程序和數(shù)據(jù)；

O存儲器是按存儲單元組織的，讀寫存儲單元必須給出單元地址;

?相關(guān)的概念

。存儲元：用于保存一位0/1二進(jìn)制數(shù)據(jù)的物理器件；

。存儲單元：能夠保存一個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)的器件，由若干個(gè)存儲元構(gòu)成;

。單元地址：能區(qū)分每一個(gè)存儲單元的編號，一般從。開始編號；

。存儲容量：一個(gè)存儲器所能保存的二進(jìn)制信息的總量。

?注意：不同系統(tǒng)中的存儲器組織方式并不一定相同；

2012年10月4日星期四36

1.3.3存儲器（2/2）

?存儲器的分類：J"

。外存（輔助存儲器）

?磁盤存儲器、光盤存儲器；

?CPU不可直接訪問；

。內(nèi)存（主存儲器）

?半導(dǎo)體存儲器；

?CPU直接訪問，存放當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行所需的所有的程序和數(shù)據(jù)。

?兩個(gè)與主存相關(guān)的寄存器

OMAR（存儲器地址寄存器）：接收由CPU送來的地址信息；

OMDR（存儲器數(shù)據(jù)寄存器）：作為外界與存儲器之間的數(shù)據(jù)通路。

2012年10月4日星期四37

1.3.4控制器

O根據(jù)所要執(zhí)行指令的功能，按順序發(fā)出各種控制命令，協(xié)調(diào)計(jì)算

機(jī)各個(gè)部件的工作。

?主要任務(wù)：

。解釋并執(zhí)行指令；

O控制指令的執(zhí)行順序；

O負(fù)責(zé)指令執(zhí)行過程中，操作數(shù)的尋址；

。根據(jù)指令的執(zhí)行，協(xié)調(diào)相關(guān)部件的工作

?如運(yùn)算類指令執(zhí)行時(shí)對標(biāo)志寄存器的影響設(shè)置。

?指令的形式

。操作碼：指出指令所進(jìn)行的操作，如加、減、數(shù)據(jù)傳送等；

。地址碼：指出進(jìn)行以上操作的數(shù)據(jù)存放位置。

2012年10月4日星期四38

1.3.4控制器（續(xù)）

■控初Q作的周期『J

o取指周期：取指令的一段時(shí)間控制器功能示意圖演示

。執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時(shí)間

?指令按順序執(zhí)行的控制部件：指令計(jì)數(shù)器

。每取出一條指令，指令計(jì)數(shù)器就加1；

。遇到轉(zhuǎn)移類指令，控制器根據(jù)所執(zhí)行指令設(shè)置指令計(jì)數(shù)器的值;

?相關(guān)概念

。數(shù)據(jù)字：該字代表要處理的數(shù)據(jù)；

。指令字：該字為一條指令；

。指令流：取指周期中，從內(nèi)存讀出的信息流；

。數(shù)據(jù)流：執(zhí)行周期中，從內(nèi)存讀出的信息流。

2012年10月4日星期四39

1.3.5適配器與輸入輸出設(shè)備

?輸入設(shè)備

。將人們熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識別的二

進(jìn)制信息形式的設(shè)備。

?輸出設(shè)備

。把計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果變成人或其他機(jī)器設(shè)備所能接收和識別的信

息形式的設(shè)備。

?適配器

O保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性要求的形式發(fā)送或接收信息。

?系統(tǒng)總線

。構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公

共通路。

2012年10月4日星期四40

用簡化模型描述使用計(jì)算機(jī)工作過程

假定機(jī)器字長8位，主存容量24x8bit;

使用計(jì)算機(jī)的工作過程

(1)提出問題：計(jì)算y=ax2+bx+c

(2)按照指令系統(tǒng)編制程序

(3)將指令變?yōu)闄C(jī)器代碼，送入主存儲器

(4)控制器控制執(zhí)行程序

2012年10月4日星期四41

乘商寄存器

MQ

注意圖中的以下內(nèi)容:

運(yùn)

1、各部件的作用、構(gòu)成及其關(guān)系;

控

2、每一部分的位數(shù)及數(shù)據(jù)流動方向;

42

舉例：

假設(shè)簡化計(jì)算機(jī)模型的指令格式如下:

操作碼地址碼

4位4位

(1)指令系統(tǒng)，設(shè)有6條指令

匯編語言助記符操作碼地址碼功能

LMAn0001n[M]-ACC

SAMn0010n[ACC]一M

ADDn0011n[ACC]+[M]-ACC

MULn0100n[ACC]*[M]-ACC

OUTn0101n輸出M

HLT0110停機(jī)

**假定該簡化模型乘法運(yùn)算中的乘積位數(shù)與乘數(shù)相同。

2012年10月4日星期四43

⑵試編制程序，計(jì)算y=ax2+bx+c匯編后內(nèi)存分配情況

指令注釋

oLMAx;[M]^ACC000011010

1MULx;[ACC]*[M]^ACCX01001010

2MULa;[ACC]*[M]^ACC201001011

3SAMy;[ACC]->[M]300101110

4LMAx400011010

5MULb501001100

6ADDy指令系統(tǒng)600111110

7ADDcLMA0001n700111101

8SAMySAMn^0010n800101110

9HLTADDnf0011n901100000

10Xdb?MULn^0100n10x

11Adb?OUTn-0101n11a

12Bdb?HLTnf0110n12b

13Cdb?13c

14Ydb?14y

2012年10月4日星期四44

請思考：計(jì)算機(jī)如何區(qū)分從主存中取出的數(shù)據(jù)是指令還是數(shù)據(jù)?

運(yùn)

算

器

存!

儲!

器!

45

簡化模型演示

2012年10月4日星期四

1.4計(jì)算機(jī)的軟件

?系統(tǒng)程序

。用來簡化程序設(shè)