計算機科學導論(第2版)第3章 計算機體系結構

計算機科學導論 學習計算機專業(yè)的第一門基礎課程 第三章 計算機體系結構 本章要點： 掌握數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 了解數(shù)據(jù)的機器表示 了解存儲系統(tǒng)組織結構 了解輸入輸出系統(tǒng) 了解計算機系統(tǒng)體系結構 數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 本邏輯關系及邏輯門 1. “與”邏輯關系及“與”門 : 運算符號可以是“ ”、“ ”、“ ”或“ 邏輯函數(shù)： F AB “與”門的邏輯符號 ： 2. “或”邏輯關系及“或”門： 運算符號可以是“”、“ ”、“ ”或“ 邏輯函數(shù)： F A B “或”門的邏輯符號 ： 3. “非”邏輯關系及“非”門 邏輯函數(shù)： F “非”門的邏輯符號： 4. “異或”邏輯關系及“異或”門 邏輯函數(shù)： F “異或”門的邏輯符號： A 數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 輯代數(shù)與邏輯函數(shù) 1. 邏輯變量與函數(shù) ： 邏輯函數(shù)由邏輯變量 A、 B、 C、 和算子“ ”、“”、“”及括號、等號等構成的一個表達式。例如： F=A+B G=AB 2. 基本邏輯運算： “ 與 ” 運算、 “ 或 ” 運算、 “ 非 ” 運算。 3. 邏輯代數(shù)的定理及常用公式 （ 1）公理系統(tǒng) 公理 1 交換律 對于任意邏輯變量 A、 B，有 A B B A AB BA 公理 2 結合律 對于任意邏輯變量 A、 B、 C，有 （ A B） C A（ B C） （ AB） C A（ BC） 公理 3 分配律 對于任意邏輯變量 A、 B、 C，有 A（ BC）（ A B） （ A C） A（ B C） AB AC 公理 4 01律 對于任意邏輯變量 A，有 A 0 A Al A A 1 1 A0 0 公理 5 互補律 對于任意邏輯變量 A，存在唯一的 ，使得 01 2）基本定理 3）邏輯代數(shù)的重要規(guī)則 對偶規(guī)則 如果將邏輯函數(shù)表達式 ” 變成“”，“”變成“ ”“0” 變成“ 1” ，“ 1” 變成“ 0” ，而邏輯變量保持不變，則所得到的新邏輯表達式稱為函數(shù) 作F 。 例 )()( 數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 反演規(guī)則 如果將邏輯函數(shù)表達式 ” 變成“十”，“”變成“ ” ，“ 0” 變成“ 1” ，“ 1”變成“ 0” ，原變量變成反變量，反變量變成原變量，則所得到的新函數(shù)表達式為原函數(shù) 。 已知： 根據(jù)規(guī)則得： 代入規(guī)則 代入規(guī)則是指任何一個含有變量 果將所有出現(xiàn) ，則等式仍然成立 。 )()( 4. 邏輯表達式的化簡 代數(shù)化簡法 運用邏輯代數(shù)的公理、定理和規(guī)則對邏輯函數(shù)進行化簡。 例 = = 卡諾圖化簡法 最小項之和 ( 數(shù)據(jù)的機器表示 據(jù)的機器級表示 操作碼：規(guī)定 地址碼：指出源操作數(shù)從哪里取，結果送往什么 地方以及下一條指令從哪里取 操作碼 地址碼 據(jù)的匯編級表示 介于機器語言和高級語言之間的計算機編程語言，是將機器語言符號化的一種語言。 特點：匯編代碼效率高，編程復雜，可移植性差。 存儲系統(tǒng)組織結構 存儲器與存儲系統(tǒng)概述 1. 存儲器的作用 存儲器存儲程序信息和數(shù)據(jù)信息 。 存儲系統(tǒng)組織結構 2. 存儲器分類 （ 1）按存儲介質分：半導體存儲器、磁存儲器和光存儲器 （ 2）按工作方式分：隨機存儲器、只讀存儲器、順序存儲器、直接存取存儲器 （ 3）按信息的可保存性：易失性存儲器、非易失性存儲器 （ 4）按作用：主存儲器、輔助存儲器、高速緩沖存儲器 存儲系統(tǒng)組織結構 1) 存儲容量 存儲器中可以容納的存儲單元總數(shù)稱為存儲容量 。 2）存儲周期 處理機可以連續(xù)二次啟動該存儲器所需的最小時間間隔。 存儲系統(tǒng)組織結構 3) 存儲訪問時間 存儲器收到有效地址到其輸出端出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的時間間隔 4）性價比 性能與價格的比值是衡量存儲器經(jīng)濟性能好壞的綜合性指標 。 5）功耗 存儲器耗電的多少，也相應地反映了發(fā)熱的程度 。 6）可靠性 在規(guī)定的時間內存儲器正常工作的概率。 存儲系統(tǒng)組織結構 存儲系統(tǒng)組織結構 存儲器、輔助存儲器 速緩沖存儲器、主存儲器、輔助存儲器 (三級結構的存儲器系統(tǒng)的運行原理，是建立在程序運行的局部性原理之上的。 ) 中央處理器 C P a c h （ 1）時間局部性原理 : 在一小段時間內，最近被訪問過的程序和數(shù)據(jù)很可能再次被訪問 。 （ 2）空間局部性原理 :最近被訪問過的程序和數(shù)據(jù)往往集中在一小片存儲區(qū)域中。 （ 3）指令執(zhí)行順序的局部性原理 :指令順序執(zhí)行比轉移執(zhí)行的可能性要大。 注意：三級存儲系統(tǒng)中，存儲的信息必須滿足 信息一致性 原則和 信息包含性 原則。 存儲系統(tǒng)組織結構 高速緩沖存儲器 一種放置在規(guī)模較小的存儲器。 中央處理器C P UC a c h e 存儲系統(tǒng)組織結構 虛擬存儲器 虛擬存儲器用于“主存一輔存”層次，它能使計算機具有輔存的容量，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 。 中央處理器C P 存儲系統(tǒng)組織結構 虛擬存儲器 1. 主存輔存層次與 存層次的比較： 聯(lián)系： 主存 們采用的地址變換、映像方式及替換算法在原理上是相同的。 區(qū)別： 訪問時間 、傳送的基本信息單位 、實現(xiàn)。 存儲系統(tǒng)組織結構 虛擬存儲器 2. 虛擬存儲器的基本信息傳送單位 （ 1）段式虛擬存儲器 （ 2）頁式虛擬存儲器 （ 3）段頁式虛擬存儲器 存儲系統(tǒng)組織結構 3. 虛擬存儲器的工作過程 在虛擬存儲器中將對虛擬地址與輔存實地址的變換。 輸入輸出系統(tǒng) 輸入輸出系統(tǒng)概述 1) 外部設備 2) 設備控制器 3) I/4) 中央處理機 C P O 設備設備控制器I / O 輸入輸出系統(tǒng) 總線結構 1) 按照總線所傳輸?shù)男畔热莘诸悾?地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線 2）按照總線在計算機中所處的位置分類 片級總線、內部總線和外部總線 3）按照二進制數(shù)碼的傳送方式分類 串行總線、并行總線 輸入輸出系統(tǒng) 總線結構 1) 單總線結構 C P U 輸入輸出系統(tǒng) 總線結構 2）雙總線結構 C P U I / O 接口I / O 通道主存I / O 接口I / O 接口內存總線 I / O 輸入輸出系統(tǒng) 總線結構 3）三總線結構 C P O 接口高速外設主存I / O 接口 I / O 接口內存總線I / O 總線I / O 設備I / O 設備D M A 輸入輸出系統(tǒng) 1) 傳輸線： 包括地址線、數(shù)據(jù)線和控制線三部分。 2) 接口： 具有雙向傳輸信息功能。 3) 總線控制器： 用于決定總線使用權。 輸入輸出系統(tǒng) 輸入輸出接口 在主機與外設進行數(shù)據(jù)交換時引入相應的邏輯部件解決兩者之間的同步與協(xié)調、數(shù)據(jù)格式轉換等問題的邏輯部件。 輸入輸出系統(tǒng) 1) 實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖 2) 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉換 3) 提供外設和接口的狀態(tài) 4) 實現(xiàn)主機與外設之間的通訊聯(lián)絡控制 輸入輸出系統(tǒng) 3. I/ 數(shù)據(jù)寄存器； 設備地址譯碼器； 設備狀態(tài)寄存器； 數(shù)據(jù)格式變換器，用于串到并、并到串的轉換； 總線通信控制用的定時信號線路。 輸入輸出系統(tǒng) 1) 統(tǒng)一編址： 將對內存的操作和對 I/ 2) 單獨編址： 單獨設置 I/。 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、 （ 3）按操作節(jié)拍分：同步接口和異步接口 輸入輸出系統(tǒng) 外設數(shù)據(jù)傳送控制方式 處理機方式 計算機系統(tǒng)體系結構 高性能計算機 指令流： 是指機器執(zhí)行的指令序列； 數(shù)據(jù)流： 是由指令流調用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結果。 計算機系統(tǒng)體系結構 計算機系統(tǒng)的分類 由一個處理器和一個存儲器組成。每次執(zhí)行一條指令，每次從存儲器取或存一個數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)由一個指令控制部件、多個處理部件和多個存儲器組成。各處理器和各存儲器間通過互聯(lián)網(wǎng)絡進行通信。 在同一時間執(zhí)行多條指令，但處理同一個數(shù)據(jù)。 多臺處理部件，（有自己的存儲器）。每個處理部件執(zhí)行各自的指令，并存取各自的數(shù)據(jù)。 計算機系統(tǒng)體系結構 高性能計算機 是一個擁有最先進的硬件、軟件、網(wǎng)絡和算法的綜合概念。 網(wǎng)格計算是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術迅速發(fā)展起來的，專門針對復雜科學計算的新型計算機模式 。 集群是指共同為客戶機提供網(wǎng)絡資源的一組計算機系統(tǒng)。 計算機系統(tǒng)體系結構 并行計算機 是由多個處理器組成，并能