第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論N2_第1頁
第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論N2_第2頁
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文檔簡(jiǎn)介

1、2021-11-24 南京工業(yè)大學(xué)1第第 1 1 章章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)2本章學(xué)習(xí)內(nèi)容 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成 計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和性能指標(biāo) 計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)31.1 1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 從從1946年年2月月15日第一臺(tái)計(jì)算機(jī)日第一臺(tái)計(jì)算機(jī)-eniac (electronic numerical integrator and co

2、mputer)誕生以來誕生以來,計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了近計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了近60年的迅猛發(fā)展。年的迅猛發(fā)展。電子數(shù)值積分計(jì)算器電子數(shù)值積分計(jì)算器 eniac: 8英尺高英尺高x3英尺寬英尺寬x100英尺長(zhǎng)英尺長(zhǎng) 18000vocum, 150 kw, 30t, 5m add/s2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)41.1.1 計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件更新?lián)Q代更新?lián)Q代 1. 電子管時(shí)代(電子管時(shí)代(1946年年-1959年)年) 在第一代電子管階段,計(jì)算機(jī)以電子管作在第一代電子管階段,計(jì)算機(jī)以電子管作為基本邏輯單元,主存儲(chǔ)器采用的是汞延為基本邏輯單元,主存儲(chǔ)器采用的是汞延遲線、磁鼓等材料,數(shù)據(jù)用定點(diǎn)表示。遲

3、線、磁鼓等材料,數(shù)據(jù)用定點(diǎn)表示。 我國有我國有: 103機(jī)、機(jī)、104機(jī)、機(jī)、119機(jī)機(jī) 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)5世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)eniac返回返回2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)6 2. 晶體管時(shí)代(晶體管時(shí)代(1959年年-1964年年 ) 第二代晶體管階段的計(jì)算機(jī)主要以晶體管第二代晶體管階段的計(jì)算機(jī)主要以晶體管代替電子管作為基本邏輯元件,主存儲(chǔ)器代替電子管作為基本邏輯元件,主存儲(chǔ)器由磁芯構(gòu)成,通過引入浮點(diǎn)運(yùn)算硬件加強(qiáng)由磁芯構(gòu)成,通過引入浮點(diǎn)運(yùn)算硬件加強(qiáng)科學(xué)計(jì)算能力??茖W(xué)計(jì)算能力。 我國推出:我國推出:djs-5機(jī)、機(jī)、djs-121機(jī)、機(jī)、djs-108機(jī)機(jī)

4、 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)7 3. 中、小規(guī)模集成電路時(shí)代(中、小規(guī)模集成電路時(shí)代(1964年年-1975年)年) 集成電路器件成為了計(jì)算機(jī)的主要邏輯元件,集成電路器件成為了計(jì)算機(jī)的主要邏輯元件,推動(dòng)計(jì)算機(jī)進(jìn)入了第三個(gè)發(fā)展階段推動(dòng)計(jì)算機(jī)進(jìn)入了第三個(gè)發(fā)展階段中、中、小規(guī)模集成電路(小規(guī)模集成電路(msi、ssi)時(shí)代。主存)時(shí)代。主存儲(chǔ)器也隨之進(jìn)入了由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器替代磁芯儲(chǔ)器也隨之進(jìn)入了由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器替代磁芯存儲(chǔ)器的發(fā)展階段,采用多處理器并行結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的發(fā)展階段,采用多處理器并行結(jié)構(gòu)的大型、巨型機(jī)和物美價(jià)廉的小型機(jī)得到快的大型、巨型機(jī)和物美價(jià)廉的小型機(jī)得到快速發(fā)展。速發(fā)展。 2021-1

5、1-24南京工業(yè)大學(xué)8 本階段典型的計(jì)算機(jī)有:本階段典型的計(jì)算機(jī)有:ibm公司的公司的ibm360系列(系列(1964年)、年)、cdc公司的公司的cdc6600(1964年)和年)和dec公司的公司的pdp-8(1964年)。我國在此時(shí)期也推出了大、年)。我國在此時(shí)期也推出了大、中、小型計(jì)算機(jī),如中、小型計(jì)算機(jī),如150機(jī)(機(jī)(1973年)、年)、djs-130機(jī)(機(jī)(1974年,并形成了年,并形成了100系列系列機(jī))、機(jī))、220機(jī)(機(jī)(1973年年-1981年,年,200系系列機(jī))和列機(jī))和182機(jī)(機(jī)(1976年,年,180系列機(jī))。系列機(jī))。 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)9 4.

6、 超、大規(guī)模集成電路時(shí)代(超、大規(guī)模集成電路時(shí)代(1975年年-1990年)年) 隨著集成電路的集成度進(jìn)一步提高,超隨著集成電路的集成度進(jìn)一步提高,超規(guī)模、大規(guī)模電路被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī),規(guī)模、大規(guī)模電路被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī),進(jìn)入了第四個(gè)階段進(jìn)入了第四個(gè)階段超、大規(guī)模集成超、大規(guī)模集成電路電路(電路電路(vlsi、lsi)時(shí)代。此時(shí)半)時(shí)代。此時(shí)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器已完全替代了磁芯存儲(chǔ)器,導(dǎo)體存儲(chǔ)器已完全替代了磁芯存儲(chǔ)器,并發(fā)展了并行技術(shù)、多機(jī)系統(tǒng)和分布式并發(fā)展了并行技術(shù)、多機(jī)系統(tǒng)和分布式計(jì)算技術(shù),出現(xiàn)了計(jì)算技術(shù),出現(xiàn)了risc指令集。指令集。 ( large scale integrated circu

7、it)2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)10 在這一時(shí)期,巨型向量機(jī)、陣列機(jī)等高級(jí)計(jì)在這一時(shí)期,巨型向量機(jī)、陣列機(jī)等高級(jí)計(jì)算機(jī)得到了發(fā)展,如美國的算機(jī)得到了發(fā)展,如美國的cray-i,我國,我國的的yh-i等,同時(shí)低檔的微處理器開始面世,等,同時(shí)低檔的微處理器開始面世,并迅速推向社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域和家庭。并迅速推向社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域和家庭。 1978年采用年采用intel 8086微處理器構(gòu)成的微處理器構(gòu)成的16位微機(jī)位微機(jī)ibm-pc/xt的面世,真正使得臺(tái)式的面世,真正使得臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī)走進(jìn)辦公室和家庭。個(gè)人計(jì)算機(jī)走進(jìn)辦公室和家庭。 與此同時(shí),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也由實(shí)驗(yàn)研究階段轉(zhuǎn)與此同時(shí),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也由實(shí)驗(yàn)研究

8、階段轉(zhuǎn)入商業(yè)市場(chǎng),推動(dòng)了計(jì)算機(jī)信息處理的發(fā)展入商業(yè)市場(chǎng),推動(dòng)了計(jì)算機(jī)信息處理的發(fā)展和應(yīng)用。從而帶動(dòng)并形成了信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用。從而帶動(dòng)并形成了信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)it業(yè)。業(yè)。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)11 5. 超級(jí)規(guī)模集成電路時(shí)代(超級(jí)規(guī)模集成電路時(shí)代(1990年年-現(xiàn)在)現(xiàn)在) 從集成度來看,計(jì)算機(jī)使用的半導(dǎo)體芯片的從集成度來看,計(jì)算機(jī)使用的半導(dǎo)體芯片的集成度已接近極限,出現(xiàn)了極大、甚大規(guī)模集成度已接近極限,出現(xiàn)了極大、甚大規(guī)模集成電路(集成電路(ulsi、elsi)。)。 (ultra、extremely large scale integrated circuit) 這一階段,出現(xiàn)了采用

9、大規(guī)模并行計(jì)算和高這一階段,出現(xiàn)了采用大規(guī)模并行計(jì)算和高性能機(jī)群計(jì)算技術(shù)的超級(jí)計(jì)算機(jī),如性能機(jī)群計(jì)算技術(shù)的超級(jí)計(jì)算機(jī),如ibm公公司的司的“深藍(lán)深藍(lán)”計(jì)算機(jī)就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)就是一臺(tái)rs/6000 sp2超級(jí)并行計(jì)算機(jī),它具有超級(jí)并行計(jì)算機(jī),它具有256塊處理器塊處理器芯片。芯片。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)12 我國的我國的yh-iii(大規(guī)模并行處理,(大規(guī)模并行處理,128個(gè)個(gè)cpu,1997年)、年)、yh-iv(機(jī)群技術(shù))(機(jī)群技術(shù))巨型機(jī)已達(dá)到國際水平巨型機(jī)已達(dá)到國際水平. 2004年,我國年,我國的研制開發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)的研制開發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)曙光曙光4000a進(jìn)入全球超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)入

10、全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行強(qiáng)排行榜的前榜的前10名,標(biāo)志著我國超級(jí)計(jì)算機(jī)技名,標(biāo)志著我國超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)已跨入了世界前列。術(shù)已跨入了世界前列。 微處理器技術(shù)也在高速發(fā)展,推出了微處理器技術(shù)也在高速發(fā)展,推出了32位、位、64位的微處理器芯片,如位的微處理器芯片,如pentium iv、itanium ii等,使微機(jī)性能更上了等,使微機(jī)性能更上了一個(gè)臺(tái)階。一個(gè)臺(tái)階。 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)131.1.2 計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件日臻完善日臻完善 1. 匯編語言階段匯編語言階段 (20世紀(jì)世紀(jì)50年代)年代) 2. 程序批處理階段(程序批處理階段(20世紀(jì)世紀(jì)60年代)年代) 3. 分時(shí)多用戶

11、階段(分時(shí)多用戶階段(20世紀(jì)世紀(jì)70年代)年代) 4. 分布式管理階段(分布式管理階段(20世紀(jì)世紀(jì)80年代)年代) 5. 軟件重用階段軟件重用階段 (20世紀(jì)世紀(jì)90年代)年代) 6. web服務(wù)階段服務(wù)階段 (21世紀(jì)初期世紀(jì)初期 ) 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)141.2 1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成 個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。部分組成。 硬件是指組成計(jì)算機(jī)的各種設(shè)備實(shí)體。硬件是指組成計(jì)算機(jī)的各種設(shè)備實(shí)體。 軟件通常泛指各種程序和文件。軟件通常泛指各種程序和文件。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)151.2.1

12、計(jì)算機(jī)的功能部件計(jì)算機(jī)的功能部件 計(jì)算機(jī)的基本功能主要包括數(shù)據(jù)加工、計(jì)算機(jī)的基本功能主要包括數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)傳送和操作控制等。數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)傳送和操作控制等。 為了實(shí)現(xiàn)這些基本功能,計(jì)算機(jī)必須要為了實(shí)現(xiàn)這些基本功能,計(jì)算機(jī)必須要有相應(yīng)的功能部件(硬件)承擔(dān)有關(guān)工有相應(yīng)的功能部件(硬件)承擔(dān)有關(guān)工作。計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)就是指組成一臺(tái)作。計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)就是指組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的各種物理裝置,它是由各種實(shí)計(jì)算機(jī)的各種物理裝置,它是由各種實(shí)實(shí)在在的器件組成的,是計(jì)算機(jī)進(jìn)行工實(shí)在在的器件組成的,是計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。作的物質(zhì)基礎(chǔ)。 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)16運(yùn)算器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)

13、備cpu主機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)器i/o系統(tǒng)圖1-1 計(jì)算機(jī)功能部件2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)17 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)的五大部件以及將計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)的五大部件以及將它們組織成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)的它們組織成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)的五大部件包括:五大部件包括: 1. 1. 輸入設(shè)備輸入設(shè)備 輸入設(shè)備的主要功能是:將程序和數(shù)據(jù)以機(jī)器輸入設(shè)備的主要功能是:將程序和數(shù)據(jù)以機(jī)器所能識(shí)別和接受的信息形式輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)。所能識(shí)別和接受的信息形式輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)。 最常見的輸入設(shè)備是鍵盤,還有掃描儀、語音最常見的輸入設(shè)備是鍵盤,還有掃描儀、語音輸入設(shè)備、手寫筆、觸摸屏、輸入設(shè)備、手寫筆、

14、觸摸屏、鼠標(biāo)、鼠標(biāo)、數(shù)碼攝像數(shù)碼攝像設(shè)備設(shè)備等。等。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)18 2. 2. 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 輸出設(shè)備主要功能是:將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果輸出設(shè)備主要功能是:將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果以人們所能接受的信息形式或其它系統(tǒng)所要求以人們所能接受的信息形式或其它系統(tǒng)所要求的信息形式輸出。的信息形式輸出。 最常見的輸出設(shè)備是顯示器、打印機(jī)。還有最常見的輸出設(shè)備是顯示器、打印機(jī)。還有繪繪圖儀圖儀 、音箱等。音箱等。 計(jì)算機(jī)的輸入、輸出設(shè)備簡(jiǎn)稱為計(jì)算機(jī)的輸入、輸出設(shè)備簡(jiǎn)稱為i/0i/0設(shè)備設(shè)備。 i/oi/o設(shè)備是計(jì)算機(jī)與外界聯(lián)系的橋梁,沒有設(shè)備是計(jì)算機(jī)與外界聯(lián)系的橋梁,沒有i/oi/o設(shè)備,計(jì)

15、算機(jī)既不知道干什么,也不知道怎么設(shè)備,計(jì)算機(jī)既不知道干什么,也不知道怎么干,干的結(jié)果也無法知道。所以干,干的結(jié)果也無法知道。所以i/oi/o設(shè)備是計(jì)設(shè)備是計(jì)算機(jī)中不可缺少的一個(gè)重要組成部分。算機(jī)中不可缺少的一個(gè)重要組成部分。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)19 3. 3. 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)部件,用于存放程序存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)部件,用于存放程序和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息的核心。和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息的核心。 存儲(chǔ)器可分為存儲(chǔ)器可分為 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器( (也稱內(nèi)存儲(chǔ)器,簡(jiǎn)稱主存也稱內(nèi)存儲(chǔ)器,簡(jiǎn)稱主存) ) cpu cpu能夠直接訪問的存儲(chǔ)器能夠直接訪問的存儲(chǔ)器 輔

16、助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器( (也稱外存儲(chǔ)器,簡(jiǎn)稱外存、輔存也稱外存儲(chǔ)器,簡(jiǎn)稱外存、輔存) ) cpu cpu不能直接訪問的大容量、速度較慢的存不能直接訪問的大容量、速度較慢的存 儲(chǔ)器。儲(chǔ)器。 輔助存儲(chǔ)器幫助主存記憶更多的信息,輔輔助存儲(chǔ)器幫助主存記憶更多的信息,輔助存儲(chǔ)器中的信息必須調(diào)入主存后,才能為助存儲(chǔ)器中的信息必須調(diào)入主存后,才能為cpucpu所使用。所使用。 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)20 主存分為若干個(gè)存儲(chǔ)單元。每個(gè)單元都主存分為若干個(gè)存儲(chǔ)單元。每個(gè)單元都有自己唯一的地址編碼。有自己唯一的地址編碼。 每個(gè)主存單元的長(zhǎng)度依機(jī)器而定。通常每個(gè)主存單元的長(zhǎng)度依機(jī)器而定。通常是一個(gè)字節(jié)或字節(jié)

17、的若干倍。是一個(gè)字節(jié)或字節(jié)的若干倍。 存儲(chǔ)器總是按地址進(jìn)行訪問的。如果響存儲(chǔ)器總是按地址進(jìn)行訪問的。如果響應(yīng)對(duì)存儲(chǔ)器某個(gè)單元進(jìn)行讀應(yīng)對(duì)存儲(chǔ)器某個(gè)單元進(jìn)行讀/ /寫操作,必寫操作,必須首先給出被訪問的存儲(chǔ)單元的地址碼。須首先給出被訪問的存儲(chǔ)單元的地址碼。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)21主存的基本的組成主存的基本的組成圖1-2 主存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖時(shí)序控制邏輯存儲(chǔ)體數(shù)據(jù)寄存器地址寄存器2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)22 存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體:存放二進(jìn)制信息的主體:存放二進(jìn)制信息的主體 地址寄存器地址寄存器:存放所要訪問的存儲(chǔ)單元:存放所要訪問的存儲(chǔ)單元的地址碼,由它經(jīng)地址譯碼找到被選的的地址碼,由它經(jīng)地

18、址譯碼找到被選的存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)單元。 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器:主存與其它部件的接口。:主存與其它部件的接口。用于暫存從存儲(chǔ)器讀出用于暫存從存儲(chǔ)器讀出( (取出取出) )或向存儲(chǔ)或向存儲(chǔ)器中寫入器中寫入( (存入存入) )的信息。的信息。 控制邏輯控制邏輯:用于產(chǎn)生存儲(chǔ)器操作所需各:用于產(chǎn)生存儲(chǔ)器操作所需各種時(shí)序信號(hào)。種時(shí)序信號(hào)。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)23 4 4運(yùn)算器運(yùn)算器 運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)的執(zhí)行部件,用于完運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)的執(zhí)行部件,用于完成算術(shù)邏輯運(yùn)算以及對(duì)數(shù)據(jù)的加工處理。成算術(shù)邏輯運(yùn)算以及對(duì)數(shù)據(jù)的加工處理。 運(yùn)算器的核心是算術(shù)邏輯部件運(yùn)算器的核心是算術(shù)邏輯部件( (a arithme

19、tic and rithmetic and l logical ogical u unit)nit),簡(jiǎn)稱,簡(jiǎn)稱為為alualu。arithmetic logic unit 運(yùn)算器中設(shè)有若干寄存器,用于暫存操運(yùn)算器中設(shè)有若干寄存器,用于暫存操作數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。作數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。 由于寄存器往往兼?zhèn)涠喾N用途,如用作由于寄存器往往兼?zhèn)涠喾N用途,如用作累加器、變址寄存器、基址寄存器等,累加器、變址寄存器、基址寄存器等,所以通常稱為所以通常稱為通用寄存器通用寄存器。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)24運(yùn)算器的簡(jiǎn)單框圖運(yùn)算器的簡(jiǎn)單框圖2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)25 5 5控制器控制器 控制器是整個(gè)

20、計(jì)算機(jī)的指揮中心。用于控制控制器是整個(gè)計(jì)算機(jī)的指揮中心。用于控制整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各部件有條不紊地進(jìn)行工整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各部件有條不紊地進(jìn)行工作。作。 計(jì)算機(jī)控制器是根據(jù)事先編好的程序進(jìn)行指揮計(jì)算機(jī)控制器是根據(jù)事先編好的程序進(jìn)行指揮的。的。 程序:程序:就是解題步驟,控制器按著事先安排好就是解題步驟,控制器按著事先安排好的解題步驟,控制計(jì)算機(jī)各個(gè)部件有條不紊地的解題步驟,控制計(jì)算機(jī)各個(gè)部件有條不紊地自動(dòng)工作。自動(dòng)工作。 程序按指令序列的形式存放在存儲(chǔ)器中,控制程序按指令序列的形式存放在存儲(chǔ)器中,控制器依次讀出存儲(chǔ)器中存放的程序指令實(shí)施控制。器依次讀出存儲(chǔ)器中存放的程序指令實(shí)施控制。 這種工作

21、方式稱為這種工作方式稱為存儲(chǔ)程序方式存儲(chǔ)程序方式。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)261.2.2 馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī) 1. 1. 存儲(chǔ)程序概念存儲(chǔ)程序概念 存儲(chǔ)程序概念是美國數(shù)學(xué)家馮存儲(chǔ)程序概念是美國數(shù)學(xué)家馮諾依曼諾依曼于于1946年年6月月首先提出來的,它奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的首先提出來的,它奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),盡管幾十年來,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),盡管幾十年來,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)生許多重大變革,但存儲(chǔ)程序的概念仍是普遍生許多重大變革,但存儲(chǔ)程序的概念仍是普遍采用的結(jié)構(gòu)原則,現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)仍屬采用的結(jié)構(gòu)原則,現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)仍屬于馮于馮諾依曼的結(jié)構(gòu)格式。諾依曼的結(jié)構(gòu)格

22、式。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)27 馮馮諾依曼思想的基本要點(diǎn):諾依曼思想的基本要點(diǎn): (1)(1)采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令 指令是程序的基本單位,程序是若干指令的指令是程序的基本單位,程序是若干指令的有序集合。馮有序集合。馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)中,指令與數(shù)諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)中,指令與數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制代碼的形式同存于存儲(chǔ)器中。據(jù)均以二進(jìn)制代碼的形式同存于存儲(chǔ)器中。 (2)(2)采用存儲(chǔ)程序方式采用存儲(chǔ)程序方式 存儲(chǔ)程序方式是指在用計(jì)算機(jī)解題之前,事存儲(chǔ)程序方式是指在用計(jì)算機(jī)解題之前,事先編制好程序,并連同所需的數(shù)據(jù)預(yù)先存入主先編制好程序,并連同所需的數(shù)據(jù)預(yù)先存入主存

23、儲(chǔ)器中。在解題過程存儲(chǔ)器中。在解題過程( (運(yùn)行程序運(yùn)行程序) )中,由控制中,由控制器按照事先編好并存入存儲(chǔ)器中的程序自動(dòng)地、器按照事先編好并存入存儲(chǔ)器中的程序自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依次取出指令并執(zhí)行,直到連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依次取出指令并執(zhí)行,直到獲得所要求的結(jié)果為止。存儲(chǔ)程序方式是諾依獲得所要求的結(jié)果為止。存儲(chǔ)程序方式是諾依曼思想的核心,是計(jì)算機(jī)能高速自動(dòng)運(yùn)行的基曼思想的核心,是計(jì)算機(jī)能高速自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。礎(chǔ)。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)28 (3)指令的執(zhí)行是順序的,即一般按照指令指令的執(zhí)行是順序的,即一般按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行,程序分支由轉(zhuǎn)移在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行,程序

24、分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。指令實(shí)現(xiàn)。 (4)(4)計(jì)算機(jī)由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、計(jì)算機(jī)由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和控制器五大部件組成。存儲(chǔ)器和控制器五大部件組成。 通常把運(yùn)算器和控制器統(tǒng)稱為通常把運(yùn)算器和控制器統(tǒng)稱為 cpucpu,把,把cpucpu與主存儲(chǔ)器與主存儲(chǔ)器( (內(nèi)存內(nèi)存) )統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)主機(jī),而把輸統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)主機(jī),而把輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存儲(chǔ)器稱為計(jì)算機(jī)的外入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存儲(chǔ)器稱為計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備,簡(jiǎn)稱為部設(shè)備,簡(jiǎn)稱為i/oi/o設(shè)備。設(shè)備。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)292. 早期的馮早期的馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī) 在微處理器問世之前,運(yùn)算器和控制器是

25、兩個(gè)分離的功能部件,加上當(dāng)時(shí)存儲(chǔ)器還是以磁芯存儲(chǔ)器為主,計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的信息量較少,因此早期馮諾依曼提出的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)是以運(yùn)算器為中心以運(yùn)算器為中心的,其它部件都通過運(yùn)算器完成信息的傳遞。 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)302021-11-24南京工業(yè)大學(xué)31 3. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組組織結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組組織結(jié)構(gòu) 微處理器將運(yùn)算器和控制器兩個(gè)主要功能部件微處理器將運(yùn)算器和控制器兩個(gè)主要功能部件合二為一,集成到一個(gè)芯片里。同時(shí)半導(dǎo)體存合二為一,集成到一個(gè)芯片里。同時(shí)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器代替磁芯存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)容量成倍地?cái)U(kuò)大,儲(chǔ)器代替磁芯存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)容量成倍地?cái)U(kuò)大,加上需要計(jì)算機(jī)處理、加工的信息量與日俱增,加上需要計(jì)算

26、機(jī)處理、加工的信息量與日俱增,以運(yùn)算器為中心的結(jié)構(gòu)已不能滿足計(jì)算機(jī)發(fā)展以運(yùn)算器為中心的結(jié)構(gòu)已不能滿足計(jì)算機(jī)發(fā)展的需求,甚至?xí)绊懹?jì)算機(jī)的性能。必須改變的需求,甚至?xí)绊懹?jì)算機(jī)的性能。必須改變這五大功能部件的組織結(jié)構(gòu),以適應(yīng)發(fā)展的需這五大功能部件的組織結(jié)構(gòu),以適應(yīng)發(fā)展的需要,因此現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐?,因此現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐源嬉源鎯?chǔ)器為中心儲(chǔ)器為中心,如圖,如圖1-5所示。但是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)所示。但是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)仍然遵循馮的基本結(jié)構(gòu)仍然遵循馮諾依曼思想。諾依曼思想。 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)322021-11-24南京工業(yè)大學(xué)331.3 計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的軟

27、件系統(tǒng) 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,各種軟件的有機(jī)組合在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,各種軟件的有機(jī)組合構(gòu)成了軟件系統(tǒng)?;镜能浖到y(tǒng)應(yīng)包構(gòu)成了軟件系統(tǒng)?;镜能浖到y(tǒng)應(yīng)包括系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件兩大類。括系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件兩大類。 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)341.3.1 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件是一組保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高效、系統(tǒng)軟件是一組保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高效、正確運(yùn)行的基礎(chǔ)軟件,通常作為系統(tǒng)資正確運(yùn)行的基礎(chǔ)軟件,通常作為系統(tǒng)資源提供給用戶使用。主要有以下幾類源提供給用戶使用。主要有以下幾類: 1. 操作系統(tǒng) 2. 語言處理程序 4. 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 5. 分布式軟件系統(tǒng) 6. 網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng) 7. 各種服務(wù)程序2021-

28、11-24南京工業(yè)大學(xué)351.3.2 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是指用戶為解決某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用軟件是指用戶為解決某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中的各類問題而編制的程序,如各種科中的各類問題而編制的程序,如各種科學(xué)計(jì)算類程序、工程設(shè)計(jì)類程序、數(shù)據(jù)學(xué)計(jì)算類程序、工程設(shè)計(jì)類程序、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理程序、情報(bào)檢索程序、企業(yè)統(tǒng)計(jì)與處理程序、情報(bào)檢索程序、企業(yè)管理程序、生產(chǎn)過程控制程序等。由于管理程序、生產(chǎn)過程控制程序等。由于計(jì)算機(jī)已應(yīng)用到各種領(lǐng)域,因而應(yīng)用程計(jì)算機(jī)已應(yīng)用到各種領(lǐng)域,因而應(yīng)用程序是多種多樣,極其豐富的。序是多種多樣,極其豐富的。 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)361 14 4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的

29、組織結(jié)構(gòu) 1.4.1 1.4.1 硬件與軟件的關(guān)系硬件與軟件的關(guān)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件、軟件兩大部分組成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件、軟件兩大部分組成。 硬件和軟件是緊密相關(guān)、缺一不可的整體。硬件和軟件是緊密相關(guān)、缺一不可的整體。 硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 沒有硬件,再好的軟件也無法運(yùn)行;沒有強(qiáng)有沒有硬件,再好的軟件也無法運(yùn)行;沒有強(qiáng)有力的硬件支持,就不可能編制出高質(zhì)量、高效力的硬件支持,就不可能編制出高質(zhì)量、高效率的軟件;沒有好的硬件環(huán)境,一些先進(jìn)的軟率的軟件;沒有好的硬件環(huán)境,一些先進(jìn)的軟件也無法運(yùn)行。件也無法運(yùn)行。 軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂。 沒有軟

30、件,再好的硬件也毫無用途;沒有高質(zhì)沒有軟件,再好的硬件也毫無用途;沒有高質(zhì)量的軟件,硬件也不可能充分發(fā)揮它的效率。量的軟件,硬件也不可能充分發(fā)揮它的效率。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)37 雖然在一個(gè)具體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,雖然在一個(gè)具體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,硬件、軟件是緊密相關(guān)、缺一不可硬件、軟件是緊密相關(guān)、缺一不可的,但是對(duì)某一具體功能來說,可的,但是對(duì)某一具體功能來說,可以用硬件實(shí)現(xiàn),也可以用軟件實(shí)現(xiàn),以用硬件實(shí)現(xiàn),也可以用軟件實(shí)現(xiàn),這就是硬件、軟件在邏輯功能上的這就是硬件、軟件在邏輯功能上的等效。等效。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)38硬件、軟件在邏輯功能上的等效硬件、軟件在邏輯功能上的等效

31、 任何由硬件實(shí)現(xiàn)的操作,在原理上,均任何由硬件實(shí)現(xiàn)的操作,在原理上,均可用軟件來實(shí)現(xiàn);同樣,任何由軟件實(shí)可用軟件來實(shí)現(xiàn);同樣,任何由軟件實(shí)現(xiàn)的操作,在原理上都可硬化由硬件來現(xiàn)的操作,在原理上都可硬化由硬件來實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)。 如乘除運(yùn)算,早期均由軟件編程實(shí)現(xiàn)。如乘除運(yùn)算,早期均由軟件編程實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)已由硬件乘、除法器實(shí)現(xiàn)?,F(xiàn)已由硬件乘、除法器實(shí)現(xiàn)。 在一些大型機(jī)中由硬件實(shí)現(xiàn)的功能,在在一些大型機(jī)中由硬件實(shí)現(xiàn)的功能,在微小型機(jī)中,為了降低系統(tǒng)復(fù)雜程度和微小型機(jī)中,為了降低系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本,也可由軟件編程實(shí)現(xiàn)成本,也可由軟件編程實(shí)現(xiàn)。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)39 硬件的軟化硬件的軟化:將由硬件實(shí)現(xiàn)的

32、功能用軟:將由硬件實(shí)現(xiàn)的功能用軟件實(shí)現(xiàn)。件實(shí)現(xiàn)。 軟件的硬化軟件的硬化:將由軟件實(shí)現(xiàn)的功能用硬:將由軟件實(shí)現(xiàn)的功能用硬件實(shí)現(xiàn)。件實(shí)現(xiàn)。 固件:固件:將復(fù)雜且常用的程序?qū)懭胫蛔x存將復(fù)雜且常用的程序?qū)懭胫蛔x存儲(chǔ)器就構(gòu)成了儲(chǔ)器就構(gòu)成了固件。固件。 固件從功能上看是軟件,但從形態(tài)上看固件從功能上看是軟件,但從形態(tài)上看是硬件。是硬件。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)40硬件軟件的功能分配硬件軟件的功能分配 在設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí),必須根據(jù)設(shè)在設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí),必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求、現(xiàn)實(shí)技術(shù)與器件條件,首先確計(jì)要求、現(xiàn)實(shí)技術(shù)與器件條件,首先確定哪些功能直接由硬件實(shí)現(xiàn),哪些功能定哪些功能直接由硬件實(shí)現(xiàn),哪些

33、功能通過軟件實(shí)現(xiàn)。這就是硬件軟件的功能通過軟件實(shí)現(xiàn)。這就是硬件軟件的功能分配。分配。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展,可以使軟件逐漸隨著電子技術(shù)的發(fā)展,可以使軟件逐漸“固化固化”乃至乃至“硬化硬化”。所以設(shè)計(jì)計(jì)算。所以設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)必須首先解決機(jī)系統(tǒng)時(shí)必須首先解決硬、軟件的功能硬、軟件的功能分配問題。分配問題。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)41l 4l 42 2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)是一個(gè)硬件與軟件組成的綜合體。現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)是一個(gè)硬件與軟件組成的綜合體。由于面對(duì)的應(yīng)用范圍越來越廣,所以必須有復(fù)由于面對(duì)的應(yīng)用范圍越來越廣,所以必須有復(fù)雜的系統(tǒng)軟件和硬件的支持。雜

34、的系統(tǒng)軟件和硬件的支持。 由于軟件、硬件的設(shè)計(jì)者和使用者是從不同的由于軟件、硬件的設(shè)計(jì)者和使用者是從不同的角度,以各種不同的語言來對(duì)待同一個(gè)計(jì)算機(jī)角度,以各種不同的語言來對(duì)待同一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此,他們各自看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬系統(tǒng)。因此,他們各自看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性及對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提出的要求也就不一樣。性及對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提出的要求也就不一樣。 如硬件設(shè)計(jì)人員要求機(jī)器能夠高速有效地執(zhí)行如硬件設(shè)計(jì)人員要求機(jī)器能夠高速有效地執(zhí)行機(jī)器指令所規(guī)定的各種操作。而高級(jí)語言使用機(jī)器指令所規(guī)定的各種操作。而高級(jí)語言使用者則關(guān)心機(jī)器能否提供高效方便的編程環(huán)境者則關(guān)心機(jī)器能否提供高效方便的編程環(huán)境。2021-11-2

35、4南京工業(yè)大學(xué)42 對(duì)不同的對(duì)象而言,一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就對(duì)不同的對(duì)象而言,一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就成為成為實(shí)現(xiàn)不同語言的、具有不同屬性實(shí)現(xiàn)不同語言的、具有不同屬性的的機(jī)器。機(jī)器。 假如在軟件、硬件之間,系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和假如在軟件、硬件之間,系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和使用者之間不能很好地協(xié)調(diào)、配合,就使用者之間不能很好地協(xié)調(diào)、配合,就會(huì)大大影響系統(tǒng)的性能與效率。會(huì)大大影響系統(tǒng)的性能與效率。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)43計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu) 根據(jù)從各種角度所看到的機(jī)器之間的有根據(jù)從各種角度所看到的機(jī)器之間的有機(jī)關(guān)系,可以將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為多級(jí)層機(jī)關(guān)系,可以將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。次結(jié)構(gòu)。

36、 將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為多級(jí)層次結(jié)構(gòu)的目的將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為多級(jí)層次結(jié)構(gòu)的目的在于:分清各級(jí)層次結(jié)構(gòu)彼此之間的界在于:分清各級(jí)層次結(jié)構(gòu)彼此之間的界面,明確各自的功能,以便構(gòu)成合理、面,明確各自的功能,以便構(gòu)成合理、高效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。高效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)44計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)45 第一級(jí)第一級(jí) 微程序機(jī)器層微程序機(jī)器層實(shí)際的硬件層,它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行實(shí)際的硬件層,它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令。微指令。 第二級(jí)第二級(jí) 傳統(tǒng)機(jī)器語言層傳統(tǒng)機(jī)器語言層實(shí)際的硬件層,由微程序解釋機(jī)器指令實(shí)際的硬件層,由微程序解釋機(jī)器指令系

37、統(tǒng)。系統(tǒng)。 第三級(jí)第三級(jí) 操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。操作系統(tǒng)程序是由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。操作系統(tǒng)程序是由機(jī)器指令和廣義指令組成的。其中廣由機(jī)器指令和廣義指令組成的。其中廣義指令是為擴(kuò)展機(jī)器功能而設(shè)置的,是義指令是為擴(kuò)展機(jī)器功能而設(shè)置的,是由操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令。這由操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令。這一層也稱為混合層。一層也稱為混合層。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)46 第四級(jí)第四級(jí) 匯編語言層匯編語言層匯編語言是一種符號(hào)形式語言,用戶借此可編匯編語言是一種符號(hào)形式語言,用戶借此可編寫匯編語言源程序。這一層由匯編程序支持和寫匯編語言源程序。這一層由匯編程序支持和執(zhí)行。執(zhí)行。

38、第五級(jí)第五級(jí) 高級(jí)語言層高級(jí)語言層高級(jí)語言層為方便用戶編寫各類應(yīng)用程序而設(shè)高級(jí)語言層為方便用戶編寫各類應(yīng)用程序而設(shè)置的。它是面向用戶的。該層由各種高級(jí)語言置的。它是面向用戶的。該層由各種高級(jí)語言編譯程序支持和執(zhí)行。編譯程序支持和執(zhí)行。 第六級(jí)第六級(jí) 應(yīng)用語言層應(yīng)用語言層應(yīng)用語言層是直接面向某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,為方便應(yīng)用語言層是直接面向某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,為方便用戶編寫該應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用程序而設(shè)置的。由用戶編寫該應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用程序而設(shè)置的。由相應(yīng)的應(yīng)用軟件包支持和執(zhí)行。相應(yīng)的應(yīng)用軟件包支持和執(zhí)行。 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)47 高級(jí)語言程序高級(jí)語言程序c ca ab b 匯編語言程序匯編語言程序mov

39、 al,amov al,aadd al,badd al,bmov c,almov c,al 機(jī)器語言程序機(jī)器語言程序1000h000000011001h000000101002h000000000000h101000000001h000000000002h000100000003h000000100004h000000010005h000100000006h100010000007h000001100008h000000100009h000100002021-11-24南京工業(yè)大學(xué)48 在多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中,第一級(jí)和第二級(jí)是在多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中,第一級(jí)和第二級(jí)是實(shí)機(jī)器實(shí)機(jī)器,上面幾層均為上面幾層均為虛

40、機(jī)器虛機(jī)器。 虛機(jī)器:是指用軟件技術(shù)構(gòu)成的機(jī)器。虛機(jī)器:是指用軟件技術(shù)構(gòu)成的機(jī)器。 虛機(jī)器建立在實(shí)機(jī)器的基礎(chǔ)上,利用軟件技術(shù)虛機(jī)器建立在實(shí)機(jī)器的基礎(chǔ)上,利用軟件技術(shù)擴(kuò)充實(shí)機(jī)器的功能。從整體看就好像有了一臺(tái)擴(kuò)充實(shí)機(jī)器的功能。從整體看就好像有了一臺(tái)更強(qiáng)功能的機(jī)器,所以稱它為虛機(jī)器。更強(qiáng)功能的機(jī)器,所以稱它為虛機(jī)器。 機(jī)器語言層和操作系統(tǒng)層是虛、實(shí)機(jī)器的分界機(jī)器語言層和操作系統(tǒng)層是虛、實(shí)機(jī)器的分界面。軟、硬件功能的分配,決定了虛、實(shí)機(jī)器面。軟、硬件功能的分配,決定了虛、實(shí)機(jī)器的界面。的界面。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)49 利用多級(jí)層次結(jié)構(gòu)觀點(diǎn),可以在設(shè)計(jì)計(jì)利用多級(jí)層次結(jié)構(gòu)觀點(diǎn),可以在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)

41、系統(tǒng)時(shí),明確哪些功能由硬件完成,算機(jī)系統(tǒng)時(shí),明確哪些功能由硬件完成,哪些功能由軟件完成。同樣還可以明確哪些功能由軟件完成。同樣還可以明確在虛機(jī)器中各層次應(yīng)完成的功能,上級(jí)在虛機(jī)器中各層次應(yīng)完成的功能,上級(jí)應(yīng)得到下級(jí)的哪些支持。應(yīng)得到下級(jí)的哪些支持。 多級(jí)層次結(jié)構(gòu)觀點(diǎn),對(duì)于了解掌握計(jì)算多級(jí)層次結(jié)構(gòu)觀點(diǎn),對(duì)于了解掌握計(jì)算機(jī)的組成,設(shè)計(jì)一個(gè)良好的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)的組成,設(shè)計(jì)一個(gè)良好的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有很大的幫助結(jié)構(gòu)有很大的幫助。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)501.4.31.4.3 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織 如何把五大基本部件互連起來構(gòu)成計(jì)算如何把五大基本部件互連起來構(gòu)成計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

42、,是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組機(jī)的硬件系統(tǒng),是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織問題。織問題。 在計(jì)算機(jī)的五大部件之間,有大量的信在計(jì)算機(jī)的五大部件之間,有大量的信息需要傳送,如何實(shí)現(xiàn)信息的傳送,取息需要傳送,如何實(shí)現(xiàn)信息的傳送,取決于數(shù)據(jù)通路的邏輯結(jié)構(gòu)。決于數(shù)據(jù)通路的邏輯結(jié)構(gòu)。 早期的計(jì)算機(jī)往往在各部件之間直接連早期的計(jì)算機(jī)往往在各部件之間直接連接傳送線路,數(shù)據(jù)通路復(fù)雜、零亂,控接傳送線路,數(shù)據(jù)通路復(fù)雜、零亂,控制不便,而且沒有多少擴(kuò)展余地。制不便,而且沒有多少擴(kuò)展余地。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)51總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)普遍采用總線結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)普遍采用總線結(jié)構(gòu)。 1.1. 總線總線:一組可為

43、多個(gè)功能部件共享的公共:一組可為多個(gè)功能部件共享的公共信息傳送線路。信息傳送線路。 2.2. 總線的使用規(guī)定總線的使用規(guī)定 共享總線的各個(gè)部件必須分時(shí)使用總線發(fā)共享總線的各個(gè)部件必須分時(shí)使用總線發(fā)送信息,保證總線上的信息在任何時(shí)候都是唯送信息,保證總線上的信息在任何時(shí)候都是唯一的。一的。 總線上的各個(gè)部件可同時(shí)接收總線上的信總線上的各個(gè)部件可同時(shí)接收總線上的信息。息。 總線的使用規(guī)定,保證了總線上的信息不沖突,總線的使用規(guī)定,保證了總線上的信息不沖突,且總線上的各部件可以共享總線信息。且總線上的各部件可以共享總線信息。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)52 3. 3. 總線的分類總線的分類 按總

44、線所在位置分按總線所在位置分 (1) cpu(1) cpu內(nèi)部總線內(nèi)部總線 用于連接用于連接cpucpu內(nèi)部各寄存器和算術(shù)內(nèi)部各寄存器和算術(shù)邏輯部件的總線。在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,邏輯部件的總線。在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,cpucpu內(nèi)部總線也就是芯片內(nèi)的總線。內(nèi)部總線也就是芯片內(nèi)的總線。 (2) (2) 部件內(nèi)總線部件內(nèi)總線 在計(jì)算機(jī)中各功能模塊插件上芯片在計(jì)算機(jī)中各功能模塊插件上芯片之間的總線。屬于芯片間的總線。如內(nèi)之間的總線。屬于芯片間的總線。如內(nèi)存條、聲卡等插件上的總線。存條、聲卡等插件上的總線。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)53 (3)(3)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 連接系統(tǒng)內(nèi)各大部件如連接系統(tǒng)內(nèi)各

45、大部件如cpucpu、主存、主存、i/oi/o設(shè)備等的總線,是連接整機(jī)系統(tǒng)的基設(shè)備等的總線,是連接整機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、礎(chǔ)。系統(tǒng)總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制控制/ /狀態(tài)總線。狀態(tài)總線。 (4)(4)外總線外總線 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間的通信總線。外總線往往借用電系統(tǒng)之間的通信總線。外總線往往借用電子工業(yè)領(lǐng)域已有的標(biāo)準(zhǔn)。如子工業(yè)領(lǐng)域已有的標(biāo)準(zhǔn)。如rsrs232232串行串行總線標(biāo)準(zhǔn)。總線標(biāo)準(zhǔn)。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)54 按總線上信息傳送的方向分按總線上信息傳送的方向分 (1) (1) 單向總線單向總線 連

46、接在總線上的部件只能有選擇地將信息連接在總線上的部件只能有選擇地將信息進(jìn)行單向傳送。如地址總線。進(jìn)行單向傳送。如地址總線。 (2) (2) 雙向總線雙向總線 連接在總線上的任何部件既能通過總線發(fā)連接在總線上的任何部件既能通過總線發(fā)送信息,也能通過總線接受信息。如數(shù)據(jù)總線。送信息,也能通過總線接受信息。如數(shù)據(jù)總線。 采用總線結(jié)構(gòu)的好處:采用總線結(jié)構(gòu)的好處: 可以大大減少系統(tǒng)中的信息傳輸線數(shù),減輕發(fā)可以大大減少系統(tǒng)中的信息傳輸線數(shù),減輕發(fā)送部件的負(fù)載送部件的負(fù)載 可以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu),靈活地修改與擴(kuò)充系統(tǒng)??梢院?jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu),靈活地修改與擴(kuò)充系統(tǒng)。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)554.4. 總線的連接

47、方式總線的連接方式 單機(jī)系統(tǒng)中采用的總線類型單機(jī)系統(tǒng)中采用的總線類型 (1) (1) 單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu) 用一組系統(tǒng)總線把用一組系統(tǒng)總線把cpucpu、主存及各種、主存及各種i/oi/o接口連接起來。接口連接起來。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)56 單總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)單總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)總線上各設(shè)備之間(總線上各設(shè)備之間(cpucpu與與memmem、memmem與與i/oi/o、cpucpu與與i/oi/o、i/oi/o與與i/oi/o)都通過單總線交換信息。)都通過單總線交換信息。可將可將i/oi/o與存儲(chǔ)器同等對(duì)待,統(tǒng)一進(jìn)行編址。與存儲(chǔ)器同等對(duì)待,統(tǒng)一進(jìn)行編址??刂坪?jiǎn)單,易于擴(kuò)充??刂坪?jiǎn)單

48、,易于擴(kuò)充。同一時(shí)刻只能在一對(duì)設(shè)備之間或部件之間傳送同一時(shí)刻只能在一對(duì)設(shè)備之間或部件之間傳送信息,因此系統(tǒng)速度受到限制。信息,因此系統(tǒng)速度受到限制。把主存與把主存與i/oi/o設(shè)備同等對(duì)待,降低了主存的地設(shè)備同等對(duì)待,降低了主存的地位。因?yàn)橹鞔媾c位。因?yàn)橹鞔媾ccpucpu間的信息傳送要比間的信息傳送要比cpucpu與與i/oi/o設(shè)備間的信息傳送頻繁很多。設(shè)備間的信息傳送頻繁很多。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)57 (2) (2) 雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu) 面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)面向主存的雙總線結(jié)構(gòu) 在單總線的基礎(chǔ)上,在在單總線的基礎(chǔ)上,在cpucpu與主存之間增與主存之間增加了一組存儲(chǔ)器總線,加

49、了一組存儲(chǔ)器總線,cpucpu訪存直接通過訪存直接通過存儲(chǔ)器總線實(shí)現(xiàn),存儲(chǔ)器總線實(shí)現(xiàn), 面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)保持了單總線結(jié)面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)保持了單總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)由于通過存儲(chǔ)器總線訪構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)由于通過存儲(chǔ)器總線訪存,提高了存,提高了cpucpu的訪存速度,也減輕了系的訪存速度,也減輕了系統(tǒng)總線的負(fù)擔(dān)。統(tǒng)總線的負(fù)擔(dān)。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)58面向存儲(chǔ)器的雙總線結(jié)構(gòu)2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)59 以以cpucpu為中心的雙總線結(jié)構(gòu),采用以為中心的雙總線結(jié)構(gòu),采用以cpucpu為中心的存儲(chǔ)器總線和為中心的存儲(chǔ)器總線和i/oi/o總線,分總線,分別進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。別進(jìn)行數(shù)據(jù)傳

50、送。 以以cpucpu為中心的雙總線,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制為中心的雙總線,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制容易。但由于容易。但由于i/oi/o設(shè)備與主存間的信息傳設(shè)備與主存間的信息傳送都必須通過送都必須通過cpucpu進(jìn)行,使進(jìn)行,使cpucpu要花費(fèi)大要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行信息的輸入輸出處理,從而量時(shí)間進(jìn)行信息的輸入輸出處理,從而降低了降低了cpucpu的工作效率。所以只在早期的的工作效率。所以只在早期的機(jī)器中使用。機(jī)器中使用。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)60以以cpucpu為中心的雙總線結(jié)構(gòu)為中心的雙總線結(jié)構(gòu)2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)61 由于由于i/oi/o設(shè)備的增多使設(shè)備的增多使i/oi/o處理成為又一

51、處理成為又一個(gè)十分突出的問題。許多個(gè)十分突出的問題。許多i/oi/o設(shè)備由于具設(shè)備由于具有機(jī)械動(dòng)作,其工作速度遠(yuǎn)比有機(jī)械動(dòng)作,其工作速度遠(yuǎn)比cpucpu的速度的速度低,因此,如何解決速度匹配問題,使低,因此,如何解決速度匹配問題,使cpucpu與與i/oi/o操作盡可能并行地工作以提高操作盡可能并行地工作以提高cpucpu的工作效率,成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)的工作效率,成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)關(guān)鍵問題,為此;提出了關(guān)鍵問題,為此;提出了“通道通道”的概的概念。念。 2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)62通道通道 通道通道是一種具有處理機(jī)功能的專門用來管理是一種具有處理機(jī)功能的專門用來管理i/oi/o操作

52、的控制部件。操作的控制部件。 具有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常采用主機(jī)、通道、具有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常采用主機(jī)、通道、i/0i/0設(shè)備控制器、設(shè)備控制器、i/oi/o設(shè)備四級(jí)連接方式。設(shè)備四級(jí)連接方式。 通道結(jié)構(gòu)具有較大的變化和擴(kuò)展余地,通道結(jié)構(gòu)具有較大的變化和擴(kuò)展余地, 對(duì)較小的系統(tǒng),可將設(shè)備控制器與對(duì)較小的系統(tǒng),可將設(shè)備控制器與i/oi/o設(shè)備合設(shè)備合并在一起,將通道與并在一起,將通道與cpucpu合并在一起。合并在一起。 對(duì)較大的系統(tǒng),則可單獨(dú)設(shè)置通道。對(duì)較大的系統(tǒng),則可單獨(dú)設(shè)置通道。 對(duì)更大的系統(tǒng),可將通道發(fā)展為專門的對(duì)更大的系統(tǒng),可將通道發(fā)展為專門的i/oi/o處處理機(jī),甚至更強(qiáng)功能的前端機(jī)

53、。理機(jī),甚至更強(qiáng)功能的前端機(jī)。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)632021-11-24南京工業(yè)大學(xué)641.51.5 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和性能指標(biāo) 1.5.1 1.5.1 計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn) (1) (1) 能自動(dòng)連續(xù)地工作能自動(dòng)連續(xù)地工作 由于計(jì)算機(jī)采用存儲(chǔ)程序工作方式,由于計(jì)算機(jī)采用存儲(chǔ)程序工作方式,一旦輸入了編制好的程序,啟動(dòng)計(jì)算機(jī)一旦輸入了編制好的程序,啟動(dòng)計(jì)算機(jī)后,它就能按程序自動(dòng)地執(zhí)行下去,直后,它就能按程序自動(dòng)地執(zhí)行下去,直到完成預(yù)定的任務(wù)為止。除非工作本身到完成預(yù)定的任務(wù)為止。除非工作本身要求采用人機(jī)對(duì)話方式,一般在運(yùn)算處要求采用人機(jī)對(duì)話方式,一般在

54、運(yùn)算處理過程中不需要人的直接干預(yù)。這是數(shù)理過程中不需要人的直接干預(yù)。這是數(shù)字計(jì)算機(jī)的一個(gè)突出特點(diǎn)。字計(jì)算機(jī)的一個(gè)突出特點(diǎn)。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)65 (2) (2) 運(yùn)算速度快運(yùn)算速度快 由于計(jì)算機(jī)采用高速的電子器件組由于計(jì)算機(jī)采用高速的電子器件組成硬件,能以極高的速度工作?,F(xiàn)在普成硬件,能以極高的速度工作?,F(xiàn)在普通的微機(jī)每秒可執(zhí)行數(shù)十萬甚至上億次通的微機(jī)每秒可執(zhí)行數(shù)十萬甚至上億次加減運(yùn)算,而巨型機(jī)每秒可完成數(shù)億、加減運(yùn)算,而巨型機(jī)每秒可完成數(shù)億、數(shù)十億甚至數(shù)萬億次基本運(yùn)算。隨著計(jì)數(shù)十億甚至數(shù)萬億次基本運(yùn)算。隨著計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展,更新的技術(shù)和更算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展,更新的技術(shù)和更高

55、速器件的誕生,計(jì)算機(jī)將達(dá)到更高的高速器件的誕生,計(jì)算機(jī)將達(dá)到更高的速度。速度。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)66 (3) (3) 運(yùn)算精度高運(yùn)算精度高 由于計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制數(shù)字表示數(shù)由于計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制數(shù)字表示數(shù)據(jù),因此它的精度主要取決于表示數(shù)據(jù)據(jù),因此它的精度主要取決于表示數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù),位數(shù)越多,精度越高。的二進(jìn)制位數(shù),位數(shù)越多,精度越高。所以在計(jì)算機(jī)中不僅有單字長(zhǎng)運(yùn)算,為所以在計(jì)算機(jī)中不僅有單字長(zhǎng)運(yùn)算,為了獲得更高的精度,還可以進(jìn)行雙倍字了獲得更高的精度,還可以進(jìn)行雙倍字長(zhǎng)、多倍字長(zhǎng)的運(yùn)算。長(zhǎng)、多倍字長(zhǎng)的運(yùn)算。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)67 (4)(4)具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)能力和邏輯

56、判斷能力具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)能力和邏輯判斷能力計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器具有存儲(chǔ)大量信息的功計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器具有存儲(chǔ)大量信息的功能,這是數(shù)字計(jì)算機(jī)的又一主要特點(diǎn)。能,這是數(shù)字計(jì)算機(jī)的又一主要特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)的許多功能和特點(diǎn)也是由此派生計(jì)算機(jī)的許多功能和特點(diǎn)也是由此派生的。由于存儲(chǔ)程序,所以能自動(dòng)連續(xù)地的。由于存儲(chǔ)程序,所以能自動(dòng)連續(xù)地工作;存儲(chǔ)容量大,可存儲(chǔ)的信息多,工作;存儲(chǔ)容量大,可存儲(chǔ)的信息多,計(jì)算機(jī)功能就越強(qiáng),使許多信息處理得計(jì)算機(jī)功能就越強(qiáng),使許多信息處理得以實(shí)現(xiàn)。以實(shí)現(xiàn)。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)68 (5)(5)通用性強(qiáng)通用性強(qiáng) 由于計(jì)算機(jī)具有上面一些特點(diǎn),使由于計(jì)算機(jī)具有上面一些特點(diǎn),使計(jì)算機(jī)的

57、使用具有很大的靈活性和通用計(jì)算機(jī)的使用具有很大的靈活性和通用性,能應(yīng)用于各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,并滲性,能應(yīng)用于各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,并滲透到社會(huì)生活的各個(gè)方面。透到社會(huì)生活的各個(gè)方面。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)691.5.2 1.5.2 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) 1.1. 基本字長(zhǎng)基本字長(zhǎng) 基本字長(zhǎng)是指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)?;咀珠L(zhǎng)是指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)。 字長(zhǎng)是硬件組織的基本單位,它決定著寄存器、字長(zhǎng)是硬件組織的基本單位,它決定著寄存器、alualu、數(shù)據(jù)總線的位數(shù),因而直接影響著硬件成本。、數(shù)據(jù)總線的位數(shù),因而直接影響著硬件成本。 字長(zhǎng)標(biāo)志著運(yùn)算精度。字長(zhǎng)標(biāo)志著運(yùn)算精度。 10

58、10i i=2=2j j, ,要保證要保證i位十進(jìn)制數(shù)的精度,至少要采用位十進(jìn)制數(shù)的精度,至少要采用3.3倍倍i位二進(jìn)制數(shù)的位數(shù),否則精度難以滿足要求。位二進(jìn)制數(shù)的位數(shù),否則精度難以滿足要求。 為了適應(yīng)不同應(yīng)用需要,兼顧精度和硬件成本,為了適應(yīng)不同應(yīng)用需要,兼顧精度和硬件成本,許多計(jì)算機(jī)都允許變字長(zhǎng)運(yùn)算,例如雙字長(zhǎng)運(yùn)算。許多計(jì)算機(jī)都允許變字長(zhǎng)運(yùn)算,例如雙字長(zhǎng)運(yùn)算。 常用的字長(zhǎng)單位是字節(jié)(常用的字長(zhǎng)單位是字節(jié)(8 8位二進(jìn)制數(shù)位)。字長(zhǎng)位二進(jìn)制數(shù)位)。字長(zhǎng)單位通常是字節(jié)的倍數(shù)單位通常是字節(jié)的倍數(shù)。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)70 2. 2. 主存容量主存容量 主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的最大信息量稱為

59、主主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的最大信息量稱為主存容量。存容量。 cpucpu需要執(zhí)行的程序和要處理的數(shù)據(jù)都存需要執(zhí)行的程序和要處理的數(shù)據(jù)都存放在主存中。放在主存中。 主存容量大,就可以運(yùn)行比較復(fù)雜的程主存容量大,就可以運(yùn)行比較復(fù)雜的程序,并可存入大量信息,可利用更完善序,并可存入大量信息,可利用更完善的軟件支撐環(huán)境。所以,計(jì)算機(jī)的處理的軟件支撐環(huán)境。所以,計(jì)算機(jī)的處理能力在很大程度上取決于主存容量的大能力在很大程度上取決于主存容量的大小。小。2021-11-24南京工業(yè)大學(xué)71 通常以字節(jié)數(shù)表示主存容量,如通常以字節(jié)數(shù)表示主存容量,如4mb4mb,表,表示可存儲(chǔ)示可存儲(chǔ)4m(1m4m(1m1024k)1

60、024k)個(gè)字節(jié)。在以字個(gè)字節(jié)。在以字為單位的計(jì)算機(jī)中常用字?jǐn)?shù)乘以字長(zhǎng)表為單位的計(jì)算機(jī)中常用字?jǐn)?shù)乘以字長(zhǎng)表示主存容量,如示主存容量,如512k512k3232位。位。 1k1k2 2101010241024 1m1m2 220202 21010k k 10485761048576 1g1g2 230302 21010m m2 22020k k 10737418241073741824 1t1t2 240 40 2 21010g g 2 22020m m 2 23030k k 109951162777610995116277762021-11-24南京工業(yè)大學(xué)72 3. 3. 運(yùn)算速度運(yùn)算速度

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