第1章 計算機系統(tǒng)概論

第1章計算機系統(tǒng)概論26二月20242目錄1.1計算機的分類1.2計算機的發(fā)展簡史1.3計算機的硬件1.4計算機的軟件1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)26二月20243學(xué)習(xí)要求了解計算機的發(fā)展歷程；清楚計算機的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、計算機硬件的基本組成(五大部件的構(gòu)成)、計算機軟件的分類，以及計算機的基本工作過程；了解計算機性能評價指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)；吞吐量、響應(yīng)時間、CPU時鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時間；MIPS、MFLOPS等。要求初步掌握計算機系統(tǒng)的基本概念及基本結(jié)構(gòu)，為進一步深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。26二月202441.1計算機的分類數(shù)字計算機模擬計算機專用計算機通用計算機處理數(shù)字量信息按位運算處理模擬量信息是針對某一任務(wù)設(shè)計的最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但適應(yīng)性很差。適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。單片機微型機中型機大型機超級計算機低高體積功能數(shù)據(jù)存儲量指令系統(tǒng)價格低高簡易性分類如P2圖1.1小型機26二月202451.2計算機的發(fā)展簡史超大規(guī)模集成電路中小規(guī)模集成電路晶體管電子管1972~1990年1946~1957年，第一代計算機1965~1971年1958~1964年第二代計算機巨大規(guī)模集成電路1991年~至今摩爾定律1.2.1計算機的五代變化26二月20246摩爾定律1964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個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。這就是著名的摩爾定律。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)確無誤地驗證著。26二月202471.2.2半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展20世紀(jì)50~60年代，磁芯存儲器價格昂貴，體積大，破壞性讀出1970年，半導(dǎo)體存儲器價格更加昂貴，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26二月202481.2.3微處理器的發(fā)展20世紀(jì)70年代的處理器4004800880808086808820世紀(jì)80年代的處理器80286386TMDX386TMSX486TMDX20世紀(jì)90年代的處理器486TMSXPentiumPentiumProPentiumIIPentiumⅢ最近10年的處理器Pentium4ItaniumItanium226二月2024926二月20241026二月20241126二月202412雙核CPU三核CPU26二月2024131.3計算機的硬件1.3.1硬件的組成要素使用計算器計算y=ax+b-c已知a=1，b=2，c=3，x=4解題步驟：獲取數(shù)據(jù)a和數(shù)據(jù)x；輸入計算器，得出結(jié)果；繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)b，送入計算器；得到結(jié)果，繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)c；送入計算器，獲得結(jié)果；在紙上記錄結(jié)果；紙相當(dāng)于存儲器；保存源數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)；計算器相當(dāng)于運算器；運算、暫存中間結(jié)果；筆和手相當(dāng)于輸入/輸出設(shè)備；將數(shù)據(jù)的輸入/輸出；人相當(dāng)于控制器；控制整個計算過程；26二月2024141.3.2運算器功能：

處理所有的算術(shù)及邏輯運算。通常稱為ALU(算術(shù)邏輯單元)特點：采用二進制數(shù)據(jù)進行運算；運算器一次可以處理的數(shù)據(jù)

位數(shù)稱為機器字長；機器字長一般為8、16、32、

64位，機器字長直接決定著運算精度和運算速度；運算器主要由ALU和各類通用寄存器構(gòu)成。26二月2024151.3.3存儲器（1/2）功能：保存所有的程序和數(shù)據(jù)。特點：二進制形式保存程序和數(shù)據(jù)；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0/1二進制數(shù)據(jù)的物理器件；存儲單元：能夠保存多位二進制數(shù)據(jù)，由若干個存儲元構(gòu)成；單元地址：能區(qū)分每一個存儲單元的編號，一般從0開始編號；存儲容量：一個存儲器所能保存的二進制信息的總量。26二月2024161.3.3存儲器（2/2）存儲器的分類：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)運行所需的所有的程序和數(shù)據(jù)。兩個與主存相關(guān)的寄存器MAR(存儲器地址寄存器)：存放準(zhǔn)備訪問的存儲單元的地址；MDR(存儲器數(shù)據(jù)寄存器)：存放從某存儲單元中取出的數(shù)據(jù)或準(zhǔn)備往某存儲單元存入的數(shù)據(jù)。存儲器地址寄存器MAR主存儲器存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDR26二月2024171.3.4控制器功能根據(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)計算機各個部件的工作。主要任務(wù)：解釋并執(zhí)行指令；控制指令的執(zhí)行順序；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)部件的工作如運算類指令執(zhí)行時對標(biāo)志寄存器的影響設(shè)置。指令的形式操作碼：指出指令所進行的操作，如加、減、數(shù)據(jù)傳送等；地址碼：指出進行以上操作的數(shù)據(jù)存放位置。26二月2024181.3.4控制器（續(xù)）控制器工作的周期取指周期：取指令的一段時間執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時間指令按順序執(zhí)行的控制部件：指令計數(shù)器每取出一條指令，指令計數(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。控制器功能示意圖演示26二月202419LADR1,6指令的執(zhí)行過程演示102①LADR1,6103②LAD③610026二月202420JMP101指令的執(zhí)行過程演示105①JMP101106②JMP③10126二月2024211.3.5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器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式的設(shè)備。輸出設(shè)備把計算機的處理結(jié)果變成人或其他機器設(shè)備所能接收和識別的信息形式的設(shè)備。適配器保證外圍設(shè)備用計算機系統(tǒng)特性要求的形式發(fā)送或接收信息。系統(tǒng)總線構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。26二月202422馮·諾依曼計算機的特點計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個部分組成；存儲器以二進制形式存儲指令和數(shù)據(jù)；指令由操作碼和地址碼組成；計算機能夠存儲程序并按地址順序執(zhí)行；馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的核心設(shè)計思想，機器自動化工作的關(guān)鍵；以運算器為中心。26二月202423馮·諾依曼機與現(xiàn)代微機馮·諾依曼機結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備存儲器輸出設(shè)備運算器控制器輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備存儲器運算器現(xiàn)代微機結(jié)構(gòu)26二月202424現(xiàn)代計算機的特點將運算器、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；其余的設(shè)備均為外設(shè)。主機內(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；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)整體性能；26二月2024251.2.4計算機的性能指標(biāo)（1/3）吞吐量表征一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量。響應(yīng)時間從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時間度量，用時間單位來表示。利用率在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，用百分比表示。處理機字長（機器字長）處理機運算器中一次能夠完成二進制運算的位數(shù)，如32、64位；機器字長與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度具有一定的相關(guān)性。26二月2024261.2.4計算機的性能指標(biāo)（2/3）總線寬度一般指運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誤！主存儲器容量主存儲器所能存儲二進制數(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?！?，而非“存儲單元”！主存儲器帶寬單位時間內(nèi)從主存儲器讀出的二進制信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。主頻/時鐘周期CPU主時鐘的頻率——主頻；其倒數(shù)為CPU的時鐘周期(T周期)。26二月2024271.2.4計算機的性能指標(biāo)（3/3）CPU的運算速度CPU執(zhí)行時間：CPU執(zhí)行一般程序所占用的CPU時間；CPI（CyclePerInstruction）

執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)；MIPS（MillionInstructionsexecutedPerSecond）

每秒百萬指令數(shù)，即單位時間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)；MFLOPS：每秒百萬次浮點操作數(shù)，衡量機器浮點操作的性能。其他的性能指標(biāo)主存儲器的讀寫速度、IO的數(shù)據(jù)傳送率、帶寬的均衡性……例1.1對于一個給定的程序，IN表示執(zhí)行程序中的指令總數(shù)，tCPU表示執(zhí)行該程序所需的CPU時間，T為時鐘周期，f為時鐘頻率（T的倒數(shù)），NC為CPU時鐘周期數(shù)。設(shè)CPI表示每條指令的平均時鐘周期數(shù)，MIPS表示每秒鐘執(zhí)行的百萬條指令數(shù)，請寫出如下四種參數(shù)的表達式：

(1)tCPU(2)CPI(3)MIPS(4)NC26二月202428對應(yīng)公式如下：

26二月20242926二月202430假定機器字長8位，主存容量24×8bit；使用計算機的工作過程（1）提出問題：計算y=ax2+bx+c

（2）按照指令系統(tǒng)編制程序（3）將指令變?yōu)闄C器代碼，送入主存儲器（4）控制器控制執(zhí)行程序用簡化模型描述使用計算機工作過程26二月202431程序計數(shù)器PC指令寄存器IR控制單元CUMARMMMDRALU暫存器X累加器ACC乘商寄存器MQ高4位低4位運算器存儲器控制命令控制器注意圖中的以下內(nèi)容：1、各部件的作用、構(gòu)成及其關(guān)系；2、數(shù)據(jù)流動方向；3、總線寬度及不同時刻的數(shù)據(jù)位數(shù)；26二月202432（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LMAn

0001n[M]→ACCSAMn

0010n[ACC]→MADDn

0011n[ACC]+[M]→ACCMULn

0100n[ACC]*[M]→ACCOUTn

0101n

輸出[M]HLT

0110

停機**假定該簡化模型乘法運算中的乘積位數(shù)與乘數(shù)相同。舉例：假設(shè)簡化計算機模型的指令格式如下：操作碼地址碼4位4位26二月202433序號指令注釋

0LMAx;[M]ACC1MULx;[ACC]*[M]ACC2MULa;[ACC]*[M]ACC3SAMy;[ACC][M]4LMAx

5MULb6ADDy7ADDc8SAMy9HLT10Xdb?11Adb?12Bdb?13Cdb?14Ydb?000011010101001010201001011300101110400011010501001100600111110700111101

0010111090110000010x11a12b13c14y(2)試編制程序，計算y=ax2+bx+c匯編后內(nèi)存分配情況指令系統(tǒng)LMAn

0001nSAMn

0010

nADDn

0011

nMULn

0100

nOUTn

0101

nHLTn

0110

n26二月202434PCIRCUMARM.MMDRALUXACCMQ高4位低4位控制字000011010000110101x請思考：計算機如何區(qū)分從主存中取出的數(shù)據(jù)是指令還是數(shù)據(jù)？運算器存儲器控制器簡化模型演示26二月202435

1.4計算機的軟件系統(tǒng)程序用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途。包括:服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯程序