第 1 章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論-計(jì)算機(jī)組成原理

2023/2/2

?修訂第1版2016.91第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論2023/2/22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)系統(tǒng)的硬件組成計(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)的特點(diǎn)和性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用2023/2/231.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史

1.1.1更新?lián)Q代的計(jì)算機(jī)硬件通常將計(jì)算機(jī)的發(fā)展按“代”劃分為五個(gè)發(fā)展階段。

1.

電子管時(shí)代（20世紀(jì)40年代中期～50年代中期）2.晶體管時(shí)代（20世紀(jì)50年代末期～60年代中期）3.中、小規(guī)模集成電路時(shí)代（20世紀(jì)60年代中期～70年代中期）4.超大規(guī)模集成電路時(shí)代（20世紀(jì)70年代中期～90年代初期）5.超級規(guī)模集成電路時(shí)代（20世紀(jì)90年代初期～目前）2023/2/24電子管時(shí)代（1946～1959）運(yùn)算速度：5千～4萬（次/秒）在電子管時(shí)代，計(jì)算機(jī)以電子管作為基本邏輯單元，主存儲(chǔ)器采用汞延遲線、磁鼓等材料，數(shù)據(jù)用定點(diǎn)表示。2023/2/25USAENIAC2023/2/26晶體管時(shí)代（1957～1964）運(yùn)算速度：幾十萬～百萬（次/秒）2023/2/27晶體管時(shí)代的計(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)器由磁芯構(gòu)成，引入了浮點(diǎn)運(yùn)算硬件加強(qiáng)科學(xué)計(jì)算能力。2023/2/28第一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)PDP-8

2023/2/29中小規(guī)模集成電路時(shí)代（1965～1975）

運(yùn)算速度：百萬～幾百萬（次/秒）2023/2/210在中小規(guī)模集成電路（MSI、SSI）時(shí)代，集成電路器件成為了計(jì)算機(jī)的主要邏輯元件，由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器替代磁芯存儲(chǔ)器作為主存儲(chǔ)器。此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)得到快速發(fā)展。2023/2/211采用了Intel8080的個(gè)人電腦Altair88002023/2/212超大規(guī)模集成電路時(shí)代（1975～1990）運(yùn)算速度：幾百萬～幾千萬億（次/秒）2023/2/213這一階段集成電路的集成度進(jìn)一步提高，超規(guī)模、大規(guī)模電路（VLSI、LSI）被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)。采用并行技術(shù)、多機(jī)系統(tǒng)和分布式計(jì)算技術(shù)、RISC指令集等極大地提高了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。此時(shí)按照計(jì)算機(jī)性能和規(guī)模，劃分出了巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)和便攜機(jī)等不同的類型。2023/2/214超級規(guī)模集成電路時(shí)代（1990～）

運(yùn)算速度：幾千萬億～幾萬萬億（次/秒）采用超大、甚大規(guī)模集成電路（ULSI，ELSI）

2023/2/2152016全球超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)

/2016年6月20日，在德國法蘭克福召開的“2016國際超級計(jì)算大會(huì)”上，由國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的“神威?太湖之光”超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最新一屆世界超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜上擊敗占居榜首3年的“天河2號”位居第一。在這之前天河二號自2013年6月以來，已連續(xù)6次位居世界超算500強(qiáng)榜首。

2023/2/216神威?太湖之光超級計(jì)算機(jī)2023/2/217神威?太湖之光技術(shù)參數(shù)運(yùn)算速率：125.4PFLOPS

（理論峰值）

93PFLOPS（實(shí)際峰值）

（每秒運(yùn)算一千萬億次）

整臺(tái)“神威?太湖之光”由40個(gè)運(yùn)算機(jī)柜和8個(gè)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜組成。共使用了40960塊“申威26010”處理器，采用眾核+CPU架構(gòu)，計(jì)算核心總數(shù)達(dá)1065萬個(gè)。主內(nèi)存：1.31PB（約1300萬億字節(jié)）2023/2/218神威?太湖之光的能力“神威?太湖之光”一分鐘的計(jì)算能力相當(dāng)于全球72億人口用計(jì)算器不間斷計(jì)算32年。

2023/2/2191.1.2日臻完善的計(jì)算機(jī)軟件1.匯編語言階段（20世紀(jì)50年代）2.程序批處理階段（20世紀(jì)60年代）3.分時(shí)多用戶階段（20世紀(jì)70年代）4.分布式管理階段（20世紀(jì)80年代）5.軟件重用階段（20世紀(jì)90年代）6.Web服務(wù)階段（21世紀(jì)前10年）7.云計(jì)算階段（現(xiàn)今全球熱點(diǎn)）2023/2/2201.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)—個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大系統(tǒng)組成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的各種物理裝置以及它們的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)軟件系統(tǒng)泛指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用的各種程序和文件2023/2/221計(jì)算機(jī)的抽象觀察2023/2/2221.2.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)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、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)必須要有相應(yīng)的功能部件（硬件）承擔(dān)有關(guān)工作。2023/2/2232023/2/224計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)主要包括計(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)。2023/2/2251.輸入設(shè)備輸入設(shè)備的主要功能：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)。常見的輸入設(shè)備有：鍵盤、掃描儀、語音輸入設(shè)備、手寫筆、觸摸屏、鼠標(biāo)、數(shù)碼攝像設(shè)備等。2023/2/2262.輸出設(shè)備輸出設(shè)備的主要功能：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)所要求的信息形式輸出。最常見的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、音箱等。計(jì)算機(jī)的輸入、輸出設(shè)備簡稱為I/O設(shè)備。2023/2/227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)，是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息的核心。存儲(chǔ)器可分為：

主存儲(chǔ)器(也稱內(nèi)存儲(chǔ)器，簡稱內(nèi)存、主存)

CPU能夠直接訪問的存儲(chǔ)器

輔助存儲(chǔ)器(也稱外存儲(chǔ)器，簡稱外存、輔存)

CPU不能直接訪問的大容量、速度較慢的存儲(chǔ)器。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CPU所使用。

3.存儲(chǔ)器2023/2/228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。每個(gè)主存單元的長度依機(jī)器而定。通常是一個(gè)字節(jié)或字節(jié)的若干倍。存儲(chǔ)器的訪問方式⑴按地址進(jìn)行訪問如果需要對存儲(chǔ)器某個(gè)單元進(jìn)行讀/寫操作，必須首先給出被訪問的存儲(chǔ)單元的地址碼。⑵按內(nèi)容進(jìn)行訪問按所需內(nèi)容對存儲(chǔ)器的多個(gè)單元同時(shí)進(jìn)行訪問。能夠進(jìn)行按內(nèi)容訪問的存儲(chǔ)器稱為相聯(lián)存儲(chǔ)器。2023/2/229主存的基本的組成2023/2/230存儲(chǔ)體：存放二進(jìn)制信息的主體地址寄存器：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存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)寄存器：主存與其它部件的接口。用于暫存從存儲(chǔ)器讀出(取出)或向存儲(chǔ)器中寫入(存入)的信息?？刂七壿嫞河糜诋a(chǎn)生存儲(chǔ)器操作所需各種時(shí)序信號。2023/2/231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)算以及對數(shù)據(jù)的加工處理。運(yùn)算器的核心是算術(shù)邏輯部件ALU(ArithmeticandLogicalUnit)。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。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，所以通常稱為通用寄存器。4．運(yùn)算器2023/2/232運(yùn)算器的簡單框圖2023/2/233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)行指揮的。程序：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。這種工作方式稱為存儲(chǔ)程序方式。5．控制器(CU)重點(diǎn)2023/2/2341.2.2馮·諾依曼計(jì)算機(jī)

存儲(chǔ)程序概念是美國數(shù)學(xué)家馮·諾依曼（JohnvonNeumann）于1946年首先提出來的，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)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)仍屬于馮·諾依曼的結(jié)構(gòu)格式。2023/2/235JohnvonNeumann2023/2/2361.存儲(chǔ)程序思想馮·諾依曼思想的基本要點(diǎn)：(1)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。

CPU：運(yùn)算器和控制器的統(tǒng)稱。計(jì)算機(jī)主機(jī)：CPU與主存儲(chǔ)器(內(nèi)存)的統(tǒng)稱。I/O設(shè)備：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存儲(chǔ)器的統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備，簡稱為I/O設(shè)備。2023/2/237(2)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，程序是若干指令的有序集合。馮·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。兩者在存儲(chǔ)器中的地位相同，均可按地址訪問。

指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼表示指令的操作性質(zhì)，地址碼表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置。2023/2/238(3)采用存儲(chǔ)程序方式存儲(chǔ)程序方式：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)先存入主存儲(chǔ)器中。在解題過程(運(yùn)行程序)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、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)程序方式是馮·諾依曼思想的核心，是計(jì)算機(jī)能高速自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。2023/2/2392.早期的馮·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)算器為中心的，其它部件都通過運(yùn)算器完成信息的傳遞。

2023/2/240早期的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)圖

2023/2/2413.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)

隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，人們成功地研制出了微處理器。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)隨著半導(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，加上需要計(jì)算機(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)展的需求，甚至?xí)绊懹?jì)算機(jī)的性能。為適應(yīng)發(fā)展的需要，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐源鎯?chǔ)器為中心。

2023/2/2422023/2/243現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)仍然遵循馮·諾依曼思想2023/2/2441.3計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

軟件的作用⑴軟件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中起著指揮和管理的作用。⑵軟件是計(jì)算機(jī)用戶和硬件的接口界面。⑶軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

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)包括系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件兩大類。2023/2/2451.3.1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、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。系統(tǒng)軟件主要包括：操作系統(tǒng)語言處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分布式軟件系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)

各種服務(wù)程序2023/2/2461.3.2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)域中的各類問題而編制的程序。應(yīng)用軟件包括各種科學(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)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)用程序是多種多樣，極其豐富的。目前應(yīng)用軟件正向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化方向發(fā)展，許多通用的應(yīng)用程序可以根據(jù)其功能組成不同的應(yīng)用軟件包供用戶選擇使用。2023/2/2471.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)

1.4.1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。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)。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。軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂。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。2023/2/248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)、缺一不可的，但是對某一具體功能來說，可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)，這就是硬件、軟件在邏輯功能上的等效。硬件、軟件在邏輯功能上等效2023/2/249硬件、軟件在邏輯功能上的等效任何由硬件實(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)現(xiàn)的操作，在原理上都可硬化由硬件來實(shí)現(xiàn)。例：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)。例：在微小型機(jī)中，為了降低系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本，將一些在巨型、大型機(jī)中由硬件實(shí)現(xiàn)的功能由軟件編程實(shí)現(xiàn)。2023/2/250硬件的軟化：將由硬件實(shí)現(xiàn)的功能用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件的硬化：將由軟件實(shí)現(xiàn)的功能用硬件實(shí)現(xiàn)。固件：載有在用戶環(huán)境中不能加以改變的程序及數(shù)據(jù)的器件。將復(fù)雜且常用的程序?qū)懭胫蛔x存儲(chǔ)器就構(gòu)成了固件。固件從功能上看是軟件，但從形態(tài)上看是硬件。例如，PC機(jī)中的主板BIOS、顯卡BIOS，網(wǎng)卡BOOTROM等都屬于固件。2023/2/251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)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)，哪些功能通過軟件實(shí)現(xiàn)。這就是硬件、軟件的功能分配。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可以使軟件逐漸“固化”乃至“硬化”。所以設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)必須首先解決硬、軟件的功能分配問題。2023/2/2521.4.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(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。由于面對的應(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。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)的屬性及對計(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)行機(jī)器指令所規(guī)定的各種操作。而高級語言使用者則關(guān)心機(jī)器能否提供高效方便的編程環(huán)境。2023/2/253對不同的對象而言，一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就成為實(shí)現(xiàn)不同語言的、具有不同屬性的機(jī)器。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，就會(huì)大大影響系統(tǒng)的性能與效率。2023/2/254計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)根據(jù)從各種角度所看到的機(jī)器之間的有機(jī)關(guān)系，可以將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為多級層次結(jié)構(gòu)。目的：分清各級層次結(jié)構(gòu)彼此之間的界面，明確各自的功能，以便構(gòu)成合理、高效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2023/2/2552023/2/256第0級硬件操作時(shí)序?qū)嶋H的硬件層，是硬件組成的實(shí)體。第1級微程序機(jī)器層

實(shí)際的硬件層，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令。第2級傳統(tǒng)機(jī)器語言層

實(shí)際的硬件層，由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)。第3級操作系統(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。2023/2/257第4級匯編語言層

匯編語言是一種符號形式語言，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執(zhí)行。第5級高級語言層

高級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。該層由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。第6級應(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。

2023/2/258高級語言程序

C＝A＋B匯編語言程序

MOVAL，A

ADDAL，B

MOVC，AL機(jī)器語言程序

1000H000000011001H000000101002H000000000000H101000000001H000000000002H000100000003H000000100004H000000010005H000100000006H100010000007H000001100008H000000100009H000100002023/2/259在多級層次結(jié)構(gòu)中，第0、1、2級是實(shí)機(jī)器，上面幾層均為虛機(jī)器（虛擬機(jī)）。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)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。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)器的界面。2023/2/260利用多級層次結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)，可以在設(shè)計(jì)計(jì)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。同樣還可以明確在虛機(jī)器中各層次應(yīng)完成的功能，上級應(yīng)得到下級的哪些支持。多級層次結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)，對于了解掌握計(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)結(jié)構(gòu)有很大的幫助。2023/2/2611.4.3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)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織問題。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。2023/2/262點(diǎn)對點(diǎn)連線的計(jì)算機(jī)組織2023/2/263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.

總線：一組可為多個(gè)功能部件共享的公共信息傳送線路?？偩€規(guī)定了計(jì)算機(jī)組件間規(guī)范化的交換數(shù)據(jù)（data）的方式，以一種通用的方式為各組件提供數(shù)據(jù)傳送和控制邏輯。2023/2/2642023/2/2652.

總線的使用規(guī)定⑴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)候都是唯一的。⑵總線上的各個(gè)部件可同時(shí)接收總線上的信息。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。2023/2/266按總線的任務(wù)分(1)CPU內(nèi)部總線這是一級數(shù)據(jù)線，用于連接CPU內(nèi)部各寄存器和算術(shù)邏輯部件。在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU內(nèi)部總線也就是芯片內(nèi)的總線。(2)部件內(nèi)總線在計(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)存條、聲卡等插件上的總線。3.總線的分類2023/2/267(3)系統(tǒng)總線連接系統(tǒng)內(nèi)各大部件如CPU、主存、I/O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、控制/狀態(tài)總線。在微機(jī)系統(tǒng)中總線常見的系統(tǒng)總線有：PC總線、AT總線（ISA總線）、PCI總線等(4)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RS－232串行總線標(biāo)準(zhǔn)。2023/2/268按總線上信息傳送的方向分(1)單向總線

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。(2)雙向總線

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。2023/2/269按總線上信息傳送的位數(shù)分(1)并行總線

一次可以傳送多位二進(jìn)制信息的總線。如CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線、地址總線。(2)串行總線

一次只能傳送一位二進(jìn)制信息的總線。如USB總線。2023/2/270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)送部件的負(fù)載。

可以簡化硬件結(jié)構(gòu)，靈活地修改與擴(kuò)充系統(tǒng)。2023/2/2714.

總線的連接方式單機(jī)系統(tǒng)中采用的總線類型(1)單總線結(jié)構(gòu)用一組系統(tǒng)總線把CPU、主存及各種I/O接口連接起來。2023/2/272總線上各設(shè)備之間（CPU與MEM、MEM與I/O、CPU與I/O、I/O與I/O）都通過單總線交換信息。可將I/O與存儲(chǔ)器同等對待，統(tǒng)一進(jìn)行編址?？刂坪唵?，易于擴(kuò)充。單總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)2023/2/273單總線結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)同一時(shí)刻只能在一對設(shè)備之間或部件之間傳送信息，因此系統(tǒng)速度受到限制。把主存與I/O設(shè)備同等對待，降低了主存的地位。因?yàn)橹鞔媾cCPU間的信息傳送要比CPU與I/O設(shè)備間的信息傳送頻繁很多。2023/2/274(2)雙總線結(jié)構(gòu)①以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)采用以CPU為中心的存儲(chǔ)器總線和I/O總線，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。以CPU為中心的雙總線，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。但由于I/O設(shè)備與主存間的信息傳送都必須通過CPU進(jìn)行，使CPU要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行信息的輸入輸出處理，從而降低了CPU的工作效率。所以只在早期的機(jī)器中使用。2023/2/275以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)2023/2/276②面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)在單總線的基礎(chǔ)上，在CPU與主存之間增加了一組存儲(chǔ)器總線，CPU訪存直接通過存儲(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)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CPU的訪存速度，也減輕了系統(tǒng)總線的負(fù)擔(dān)。2023/2/277面向存儲(chǔ)器的雙總線結(jié)構(gòu)2023/2/278(3)三總線結(jié)構(gòu)在面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加I/O總線，使得CPU與主存、主存與I/O之間均具備獨(dú)立的信息傳輸通路。2023/2/279常見的三總線結(jié)構(gòu)2023/2/280多總線結(jié)構(gòu)2023/2/281總線結(jié)構(gòu)主要用于微、小型計(jì)算機(jī)中。對于中型、大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成，主要著重于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和效率的提高。為了增強(qiáng)系統(tǒng)功能，必然要配置更多的硬件資源和軟件資源。

由于I/O設(shè)備的增多使I/O處理成為又一個(gè)十分突出的問題。許多I/O設(shè)備由于具有機(jī)械動(dòng)作，其工作速度遠(yuǎn)比CPU的速度低，因此，如何解決速度匹配問題，使CPU與I/O操作盡可能并行地工作以提高CPU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“通道”的概念。2023/2/2825.通道通道是一種具有處理機(jī)功能的專門用來管理I/O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、I/O設(shè)備控制器、I/O設(shè)備四級連接方式。通道結(jié)構(gòu)具有較大的變化和擴(kuò)展余地，對較小的系統(tǒng)，可將設(shè)備控制器與I/O設(shè)備合并在一起，將通道與CPU合并在一起。對較大的系統(tǒng)，則可單獨(dú)設(shè)置通道。對更大的系統(tǒng)，可將通道發(fā)展為專門的I/O處理機(jī)，甚至更強(qiáng)功能的前端機(jī)。2023/2/2832023/2/2841.5

計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和性能指標(biāo)1.5.1計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)1.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，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)對話方式，一般在運(yùn)算處理過程中不需要人的直接干預(yù)。能自動(dòng)連續(xù)地工作是數(shù)字計(jì)算機(jī)的一個(gè)突出特點(diǎn)。2023/2/2852.運(yùn)算速度快由于計(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、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)和更高速器件的誕生，計(jì)算機(jī)將達(dá)到更高的速度。2023/2/2863.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)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。所以在計(jì)算機(jī)中不僅有單字長運(yùn)算，為了獲得更高的精度，還可以進(jìn)行雙倍字長、多倍字長的運(yùn)算。2023/2/2874.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，計(jì)算機(jī)功能就越強(qiáng)，使許多信息處理得以實(shí)現(xiàn)。

2023/2/2885.通用性強(qiáng)由于計(jì)算機(jī)具有上面一些特點(diǎn)，使計(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，并滲透到社會(huì)生活的各個(gè)方面。2023/2/2891.5.2計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.基本字長基本字長是指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)。字長通常是硬件組織的基本單位，它決定著寄存器、ALU、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，因而直接影響著系統(tǒng)的硬件成本。字長標(biāo)志著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算精度。2023/2/290例：要保證i位十進(jìn)制數(shù)的精度，至少要采用3.3倍i位二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，否則精度難以滿足要求。

證：當(dāng)i位十進(jìn)制數(shù)與j位二進(jìn)制數(shù)比較時(shí)，如果要求10i

＝2j

則必須滿足：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)都允許變字長運(yùn)算，例如雙字長運(yùn)算。常用的字長單位是字節(jié)（8位二進(jìn)制數(shù)位）。字長單位通常是字節(jié)的倍數(shù)。2023/2/2912.主存容量主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的最大信息量稱為主存容量。CPU需要執(zhí)行的程序和要處理的數(shù)據(jù)都存放在主存中。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小。2023/2/292通常以字節(jié)數(shù)表示主存容量，如4MB，表示可存儲(chǔ)4M(1M＝1024K)個(gè)字節(jié)。在以字為單位的計(jì)算機(jī)中常用字?jǐn)?shù)乘以字長表示主存容量，如512K×32位。1K＝210＝10241M＝220＝210K

＝1048576（兆）1G＝230＝210M＝220K

＝1073741824（吉）1T＝240＝210G

＝220M＝230K

＝1099511627776（太）1P

＝250

＝1125899906842624（皮）2023/2/293由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行不同的操作所需時(shí)間可能不同，因而對運(yùn)算速度的描述常采用不同方法。①以加法指令的執(zhí)行時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算。

例如DJSl30機(jī)一次加法時(shí)間為2μs，所以運(yùn)算速度為50萬次/s。②根據(jù)不同指令在程序中出現(xiàn)的頻度，乘上不同的系數(shù)，求得系統(tǒng)平均值，得到平均運(yùn)算速度。③具體指明每條指令的執(zhí)行時(shí)間。3.運(yùn)算速度2023/2/294大、中型機(jī)常使用每秒平均執(zhí)行的指令條數(shù)(IPS)作為運(yùn)算速度單位。如：MIPS(每秒百萬條指令)

MFLOPS(每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算)。2023/2/295隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，運(yùn)算速度的單位也隨之增高。MFLOPS(megaFLOPS)

：

每秒百萬(106)次的浮點(diǎn)運(yùn)算

GFLOPS(gigaFLOPS)

：

每秒10億(109)次的浮點(diǎn)運(yùn)算

TFLOPS(teraFLOPS)

：

每秒萬億(1012)次的浮點(diǎn)運(yùn)算

PFLOPS(petaFLOPS)：

每秒千萬億(1015)次的浮點(diǎn)運(yùn)算

2023/2/296MIPS的計(jì)算例：設(shè)某計(jì)算機(jī)的主頻為400MHz，平均每條機(jī)器指令的執(zhí)行時(shí)間為2個(gè)時(shí)鐘周期。在執(zhí)行一段具有129500條機(jī)器指令的程序時(shí)，該機(jī)的MIPS值是多少？答：∵已知：IN＝129500；TE＝129500×2×1/400MHz∴2023/2/297微型機(jī)常用主時(shí)鐘頻率反映速度的快慢。如以Intel系列的CPU為核心的微機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率就從4.77MHz直到目前的4GHz甚至更高。2023/2/298目前還沒有一個(gè)確定的公式能夠定量主頻和實(shí)際的運(yùn)算速度兩者的數(shù)值關(guān)系。因?yàn)镃PU的運(yùn)算速度不僅取決于主頻，而且還與要看CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（架構(gòu)）有關(guān)。如流水線的性能指標(biāo)、緩存、指令集，CPU的位數(shù)等等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的速度需要將主頻和架構(gòu)綜合起來考慮。2023/2/299外部設(shè)備的配置及設(shè)備性能是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的重要因素，所以在系統(tǒng)技術(shù)說明中應(yīng)給出允許配置情況與實(shí)際