第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論26二月20242目錄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)26二月20243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(píng)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、CPI、CPU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)。26二月202441.1計(jì)算機(jī)的分類數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)通用計(jì)算機(jī)處理數(shù)字量信息按位運(yùn)算處理模擬量信息是針對(duì)某一任務(wù)設(shè)計(jì)的最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，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(jì)性。單片機(jī)微型機(jī)中型機(jī)大型機(jī)超級(jí)計(jì)算機(jī)低高體積功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量指令系統(tǒng)價(jià)格低高簡易性分類如P2圖1.1小型機(jī)26二月202451.2計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)1965~1971年1958~1964年第二代計(jì)算機(jī)巨大規(guī)模集成電路1991年~至今摩爾定律1.2.1計(jì)算機(jī)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(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。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。26二月202471.2.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展20世紀(jì)50~60年代，磁芯存儲(chǔ)器價(jià)格昂貴，體積大，破壞性讀出1970年，半導(dǎo)體存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(jì)算機(jī)的硬件1.3.1硬件的組成要素使用計(jì)算器計(jì)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(jì)算器，得出結(jié)果；繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)b，送入計(jì)算器；得到結(jié)果，繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)c；送入計(jì)算器，獲得結(jié)果；在紙上記錄結(jié)果；紙相當(dāng)于存儲(chǔ)器；保存源數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)；計(jì)算器相當(dāng)于運(yùn)算器；運(yùn)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(gè)計(jì)算過程；26二月2024141.3.2運(yùn)算器功能：

處理所有的算術(shù)及邏輯運(yùn)算。通常稱為ALU(算術(shù)邏輯單元)特點(diǎn)：采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算；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、

64位，機(jī)器字長直接決定著運(yùn)算精度和運(yùn)算速度；運(yùn)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(chǔ)器（1/2）功能：保存所有的程序和數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：二進(jìn)制形式保存程序和數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)器是按存儲(chǔ)單元組織的，讀寫存儲(chǔ)單元必須給出單元地址；相關(guān)的概念存儲(chǔ)元：用于保存一位0/1二進(jìn)制數(shù)據(jù)的物理器件；存儲(chǔ)單元：能夠保存多位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，由若干個(gè)存儲(chǔ)元構(gòu)成；單元地址：能區(qū)分每一個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)，一般從0開始編號(hào)；存儲(chǔ)容量：一個(gè)存儲(chǔ)器所能保存的二進(jìn)制信息的總量。26二月2024161.3.3存儲(chǔ)器（2/2）存儲(chǔ)器的分類：外存（輔助存儲(chǔ)器）磁盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器；CPU不可直接訪問；內(nèi)存（主存儲(chǔ)器）半導(dǎo)體存儲(chǔ)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MAR(存儲(chǔ)器地址寄存器)：存放準(zhǔn)備訪問的存儲(chǔ)單元的地址；MDR(存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器)：存放從某存儲(chǔ)單元中取出的數(shù)據(jù)或準(zhǔn)備往某存儲(chǔ)單元存入的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器地址寄存器MAR主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)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(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；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(yùn)算類指令執(zhí)行時(shí)對(duì)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。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(shí)間執(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?？刂破鞴δ苁疽鈭D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(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)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(shí)別的信息形式的設(shè)備。適配器保證外圍設(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。26二月202422馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個(gè)部分組成；存儲(chǔ)器以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)；指令由操作碼和地址碼組成；計(jì)算機(jī)能夠存儲(chǔ)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(jì)思想，機(jī)器自動(dòng)化工作的關(guān)鍵；以運(yùn)算器為中心。26二月202423馮·諾依曼機(jī)與現(xiàn)代微機(jī)馮·諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備存儲(chǔ)器輸出設(shè)備運(yùn)算器控制器輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備存儲(chǔ)器運(yùn)算器現(xiàn)代微機(jī)結(jié)構(gòu)26二月202424現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)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(chǔ)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(chǔ)器，即內(nèi)存；硬盤、光盤等輔助存儲(chǔ)器屬于I/O設(shè)備；以存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（1/3）吞吐量表征一臺(tái)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。26二月2024261.2.4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(chǔ)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(chǔ)器容量主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)?；蛘哒f“主存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)元的總數(shù)目。”，而非“存儲(chǔ)單元”！主存儲(chǔ)器帶寬單位時(shí)間內(nèi)從主存儲(chǔ)器讀出的二進(jìn)制信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。主頻/時(shí)鐘周期CPU主時(shí)鐘的頻率——主頻；其倒數(shù)為CPU的時(shí)鐘周期(T周期)。26二月2024271.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（3/3）CPU的運(yùn)算速度CPU執(zhí)行時(shí)間：CPU執(zhí)行一般程序所占用的CPU時(shí)間；CPI（CyclePerInstruction）

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

每秒百萬指令數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)；MFLOPS：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。其他的性能指標(biāo)主存儲(chǔ)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(duì)于一個(gè)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(shí)間，T為時(shí)鐘周期，f為時(shí)鐘頻率（T的倒數(shù)），NC為CPU時(shí)鐘周期數(shù)。設(shè)CPI表示每條指令的平均時(shí)鐘周期數(shù)，MIPS表示每秒鐘執(zhí)行的百萬條指令數(shù)，請(qǐng)寫出如下四種參數(shù)的表達(dá)式：

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

26二月20242926二月202430假定機(jī)器字長8位，主存容量24×8bit；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(chǔ)器（4）控制器控制執(zhí)行程序用簡化模型描述使用計(jì)算機(jī)工作過程26二月202431程序計(jì)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(yùn)算器存儲(chǔ)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(dòng)方向；3、總線寬度及不同時(shí)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(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。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26二月202433序號(hào)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(jì)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(qǐng)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(chǔ)器控制器簡化模型演示26二月202435

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