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)的層次結構26二月20243學習要求了解計算機的發(fā)展歷程；清楚計算機的系統(tǒng)層次結構、計算機硬件的基本組成(五大部件的構成)、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和相關參數(shù)；吞吐量、響應時間、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構，為進一步深入學習打下基礎。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設計的最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但適應性很差。適應性很大，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。作為迄今為止半導體發(fā)展史上意義最深遠的定律，摩爾定律被集成電路40多年的發(fā)展歷史準確無誤地驗證著。26二月202471.2.2半導體存儲器的發(fā)展20世紀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，半導體存儲器價格不斷降低，體積不斷減少，讀寫速度更快。有關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70年代的處理器4004800880808086808820世紀80年代的處理器80286386TMDX386TMSX486TMDX20世紀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，得出結果；繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)b，送入計算器；得到結果，繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)c；送入計算器，獲得結果；在紙上記錄結果；紙相當于存儲器；保存源數(shù)據(jù)和結果數(shù)據(jù)；計算器相當于運算器；運算、暫存中間結果；筆和手相當于輸入/輸出設備；將數(shù)據(jù)的輸入/輸出；人相當于控制器；控制整個計算過程；26二月2024141.3.2運算器功能：

處理所有的算術及邏輯運算。通常稱為ALU(算術邏輯單元)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）半導體存儲器；CPU直接訪問，存放當前系統(tǒng)運行所需的所有的程序和數(shù)據(jù)。兩個與主存相關的寄存器MAR(存儲器地址寄存器)：存放準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)調計算機各個部件的工作。主要任務：解釋并執(zhí)行指令；控制指令的執(zhí)行順序；負責指令執(zhí)行過程中，操作數(shù)的尋址；根據(jù)指令的執(zhí)行，協(xié)調相關部件的工作如運算類指令執(zhí)行時對標志寄存器的影響設置。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；遇到轉移類指令，控制器根據(jù)所執(zhí)行指令設置指令計數(shù)器的值；相關概念數(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備輸入設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備。輸出設備把計算機的處理結果變成人或其他機器設備所能接收和識別的信息形式的設備。適配器保證外圍設備用計算機系統(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、輸入設備和輸出設備五個部分組成；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·諾依曼體系結構的核心設計思想，機器自動化工作的關鍵；以運算器為中心。26二月202423馮·諾依曼機與現(xiàn)代微機馮·諾依曼機結構輸入設備存儲器輸出設備運算器控制器輸入設備控制器輸出設備存儲器運算器現(xiàn)代微機結構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；其余的設備均為外設。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設備；以存儲器為中心。減輕了CPU的數(shù)據(jù)傳送負擔，提高系統(tǒng)整體性能；26二月2024251.2.4計算機的性能指標（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。響應時間從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應之間的時間度量，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性。26二月2024261.2.4計算機的性能指標（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（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、構成及其關系；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:服務性程序，如診斷程序、排錯程序