1、李光順李光順 主講主講由具有各類特殊功能由具有各類特殊功能的信息（程序）組成的信息（程序）組成1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的實(shí)體，由各計(jì)算機(jī)的實(shí)體，由各種電子元器件組成，種電子元器件組成，如主機(jī)、外設(shè)等如主機(jī)、外設(shè)等硬件硬件軟件軟件按任務(wù)需要編制成的各種程序按任務(wù)需要編制成的各種程序用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語(yǔ)言處理程序語(yǔ)言處理程序標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)程序標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)程序服務(wù)性程序服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)軟件軟軟件件信息管理軟件信息管理軟件輔助設(shè)計(jì)軟件輔助設(shè)計(jì)軟件文字處理軟件文字處理軟件各種程序包

2、各種程序包 馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備2. 2. 計(jì)算機(jī)硬件框圖計(jì)算機(jī)硬件框圖以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖程序程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果計(jì)算計(jì)算alu主存主存輔存輔存cpu主機(jī)主機(jī)i/o設(shè)備設(shè)備硬件硬件cu計(jì)算機(jī)的主要硬件計(jì)算機(jī)的主要硬件存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器輸出設(shè)備輸出設(shè)備控制器控制器存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體大樓大樓存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存放一串二進(jìn)制代碼存放一串二進(jìn)制代碼 存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存儲(chǔ)元件存儲(chǔ)元件（0

3、/1） 房間房間 床位床位（無(wú)人（無(wú)人/ / 有人）有人）( (1) )主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器mdr主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體mar3. .計(jì)算機(jī)的各主要組成計(jì)算機(jī)的各主要組成(2) 運(yùn)算器運(yùn)算器運(yùn)算器運(yùn)算器mqaccalux取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令pcircupcircu取指取指執(zhí)行執(zhí)行pc 存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址， 具有計(jì)數(shù)功能（具有計(jì)數(shù)功能（pc）+ + 1 1 pcir 存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存訪存訪存完成完成一條一條指令指令( (3) ) 控制器控制器i/oi/o設(shè)備設(shè)備相應(yīng)接口相應(yīng)接口(4) i/o系統(tǒng)系統(tǒng)1. .

4、機(jī)器字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng) cpu 一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。221 b = = 256 kb213 b = = 1 kb如如2. .存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量主存容量主存容量輔存容量輔存容量存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù) 存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 80 gb如如 mar mdr 容量容量 10 8 16 32存放二進(jìn)制信息的總位數(shù)存放二進(jìn)制信息的總位數(shù)1k = 210 1b = 23b1gb = 230b1 k 8位位64 k 32位位3. .運(yùn)算速度運(yùn)算速度 mips (million instruction per second)百萬(wàn)指令百萬(wàn)指令每秒每秒 執(zhí)行一條指令所需要的平均

5、時(shí)鐘周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需要的平均時(shí)鐘周期數(shù) cpi (cycle per instruction) cpi (cycle per instruction) 每秒執(zhí)行的浮點(diǎn)操作數(shù)目每秒執(zhí)行的浮點(diǎn)操作數(shù)目 flops flops（floating point operation per floating point operation per secondsecond）或或 mflops (million flops)mflops (million flops)百萬(wàn)浮點(diǎn)操作每秒百萬(wàn)浮點(diǎn)操作每秒1946年年 美國(guó)美國(guó) eniac1955年退役年退役十進(jìn)制運(yùn)算十進(jìn)制運(yùn)算18 0001 5001503

6、01 500多個(gè)電子管多個(gè)電子管多個(gè)繼電器多個(gè)繼電器千瓦千瓦噸噸平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬動(dòng)開(kāi)關(guān)和拔插電纜來(lái)編程用手工搬動(dòng)開(kāi)關(guān)和拔插電纜來(lái)編程世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī) eniac(1946)第一臺(tái)第一臺(tái)von neumann 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)ibm system360 1.ibm: bluegene/l - eserver blue gene solution212 992 個(gè)個(gè) cpu 最大平均速度最大平均速度 478 200 gflops最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2007.11）2. .ibm: j

7、ugene - blue gene/p solution 65 536個(gè)個(gè) cpu 最大平均速度最大平均速度 167 300 gflops 最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2007.11）3. .sgi: sgi altix ice 820014 336個(gè)個(gè) cpu 最大平均速度最大平均速度 126 900 gflops 最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2007.11）4. hp : eka - cluster platform 3000 bl460c14 240個(gè)個(gè) cpu 最大平均速度最大平均速度 117 900 gflops最快的五臺(tái)超

8、級(jí)計(jì)算機(jī)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2007.11）最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2007.11）5. hp : cluster platform 3000 bl460c13 728個(gè)個(gè) cpu 最大平均速度最大平均速度 102 800 gflopsmoore 定律定律intel 公司的締造者之一公司的締造者之一 gordon moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶體管數(shù)目每三年翻兩番晶體管數(shù)目每三年翻兩番1. 什么是總線什么是總線總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，是是 各個(gè)部件共享的傳輸介質(zhì)各個(gè)部件共享的傳輸介

9、質(zhì)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線控制總線控制總線雙向雙向 與機(jī)器字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)有關(guān)與機(jī)器字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)有關(guān)單向單向 與存儲(chǔ)地址、與存儲(chǔ)地址、 i/o地址有關(guān)地址有關(guān)有出有出 有入有入計(jì)算機(jī)各部件之間計(jì)算機(jī)各部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)總線允許、中斷確認(rèn)總線允許、中斷確認(rèn)中斷請(qǐng)求、總線請(qǐng)求中斷請(qǐng)求、總線請(qǐng)求2. . 總線分類總線分類總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線總線時(shí)鐘總線時(shí)鐘帶寬帶寬isa168 mhz （獨(dú)立）（獨(dú)立）16 mbpseisa328 mhz （獨(dú)立）（獨(dú)立）33 mbpsvesa(vl-bus)326433 mhz （c

10、pu）133 mbpspci326433 mhz（獨(dú)立）（獨(dú)立）66 mhz（獨(dú)立）（獨(dú)立）132 mbps528 mbpsagp3266.7 mhz（獨(dú)立）（獨(dú)立）133 mhz（獨(dú)立）（獨(dú)立）266 mbps533 mbpsrs-232串行通信串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（調(diào)制解調(diào)器）之間的標(biāo)準(zhǔn)接口（調(diào)制解調(diào)器）之間的標(biāo)準(zhǔn)接口usb串行接口串行接口總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)普通無(wú)屏蔽雙絞線普通無(wú)屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高最高1.5 mbps (usb1.0)12 mbps (usb1.0)480 mbps (usb2.0

11、) 3. 總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)波特率波特率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位用單位用bps表示。表示。比特率比特率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制有效數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)的的位數(shù)，單位用位數(shù)，單位用bps表示。表示。磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán)磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán) 高速緩沖存儲(chǔ)器（高速緩沖存儲(chǔ)器（cache）flash memory存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器mrompromepromeepromramrom靜態(tài)靜態(tài) ram動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài) ram1. 按在計(jì)算機(jī)中的作用分類按在計(jì)算機(jī)中的作用分類緩存緩存cpu主存主存輔存輔存2. 緩存緩存 主存層次和

12、主存主存層次和主存 輔存層次輔存層次緩存緩存主存主存輔存輔存主存主存虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器10 ns20 ns200 nsms虛地址虛地址邏輯地址邏輯地址實(shí)地址實(shí)地址物理地址物理地址主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（速度）（速度）（容量）（容量）程序訪問(wèn)的局部性原理程序訪問(wèn)的局部性原理cache cache 的命中率的命中率 cpu cpu 欲訪問(wèn)的信息在欲訪問(wèn)的信息在 cache cache 中的中的 比率。比率。 cache 的的 命中率命中率 與與 cache 的的 容量容量 、 塊長(zhǎng)、塊長(zhǎng)、程序本身和替換策略程序本身和替換策略等有關(guān)。等有關(guān)。磁盤(pán)磁盤(pán)磁磁盤(pán)盤(pán)組組主軸主軸磁頭磁頭音圈音圈電機(jī)電機(jī)位置檢測(cè)位

13、置檢測(cè)定位驅(qū)動(dòng)定位驅(qū)動(dòng)模擬控制模擬控制放放大大閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)由磁盤(pán)控制由磁盤(pán)控制器送來(lái)的目器送來(lái)的目標(biāo)磁道信號(hào)標(biāo)磁道信號(hào)測(cè)測(cè)速速輸輸出出讀寫(xiě)臂讀寫(xiě)臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸主軸定位驅(qū)動(dòng)定位驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)控制程序查詢方式程序查詢方式程序中斷方式程序中斷方式dma方式方式i/o通道方式通道方式i/o處理機(jī)方式處理機(jī)方式i/o設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式1. 數(shù)制與進(jìn)位計(jì)數(shù)法數(shù)制與進(jìn)位計(jì)數(shù)法符號(hào)符號(hào):0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,a,b,c,d,e,f:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,a,b,c,d,e,f（1）無(wú)符號(hào)數(shù)）無(wú)符號(hào)數(shù)用二進(jìn)制

14、表示用二進(jìn)制表示反映無(wú)符號(hào)數(shù)的表示范圍反映無(wú)符號(hào)數(shù)的表示范圍 8 位位 0 255（2）有符號(hào)數(shù)）有符號(hào)數(shù)原碼原碼反碼反碼補(bǔ)碼補(bǔ)碼移碼移碼n = srj浮點(diǎn)數(shù)的一般形式浮點(diǎn)數(shù)的一般形式s 尾數(shù)尾數(shù)j 階碼階碼r 基數(shù)（基值）基數(shù)（基值）浮點(diǎn)數(shù)的表示形式浮點(diǎn)數(shù)的表示形式sf 代表浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào)代表浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào)n 其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的精度其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的精度m 其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍jf 和和 m 共同表示小數(shù)點(diǎn)的實(shí)際位置共同表示小數(shù)點(diǎn)的實(shí)際位置jf j1 j2 jm sf s1 s2 sn j 階碼階碼s 尾數(shù)尾數(shù)階符階符數(shù)符數(shù)符階碼的階碼的數(shù)值部分?jǐn)?shù)值部分尾數(shù)的數(shù)值

15、部分尾數(shù)的數(shù)值部分小數(shù)點(diǎn)位置小數(shù)點(diǎn)位置ieee 754 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)短實(shí)數(shù)短實(shí)數(shù)長(zhǎng)實(shí)數(shù)長(zhǎng)實(shí)數(shù)臨時(shí)實(shí)數(shù)臨時(shí)實(shí)數(shù)符號(hào)位符號(hào)位 s 階碼階碼 尾數(shù)尾數(shù) 總位數(shù)總位數(shù)1 8 23 321 11 52 641 15 64 80s 階碼（含階符）階碼（含階符） 尾尾 數(shù)數(shù)數(shù)符數(shù)符小數(shù)點(diǎn)位置小數(shù)點(diǎn)位置尾數(shù)為規(guī)格化表示尾數(shù)為規(guī)格化表示非非 “0” 的有效位最高位為的有效位最高位為 “1”（隱含）（隱含）（1） 移位運(yùn)算移位運(yùn)算算術(shù)移位和邏輯移位算術(shù)移位和邏輯移位（2） 補(bǔ)碼加減運(yùn)算補(bǔ)碼加減運(yùn)算溢出判斷溢出判斷（3）原碼和補(bǔ)碼的乘法運(yùn)算）原碼和補(bǔ)碼的乘法運(yùn)算（4）原碼和補(bǔ)碼的除法運(yùn)算）原碼和補(bǔ)碼的除法運(yùn)算浮點(diǎn)加減運(yùn)

16、算浮點(diǎn)加減運(yùn)算浮點(diǎn)乘除運(yùn)算浮點(diǎn)乘除運(yùn)算1.1. 指令的尋址方式指令的尋址方式2. 2. 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結(jié)果的輸出控制程序輸入及結(jié)果的輸出總線管理總線管理處理異常情況和特殊請(qǐng)求處理異常情況和特殊請(qǐng)求1. 控制器的功能控制器的功能2. 運(yùn)算器的功能運(yùn)算器的功能實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算指令控制指令控制操作控制操作控制時(shí)間控制時(shí)間控制數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工處理中斷處理中斷2. cpu 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)pc ir指令控制指令控制操作控制操作控制時(shí)間控制時(shí)間控制數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工處理中斷處理中斷

17、alu 寄存器寄存器中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)cu 時(shí)序電路時(shí)序電路寄存器寄存器alu 中斷中斷 系統(tǒng)系統(tǒng)cucpu控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線完成一條指令分完成一條指令分 4 個(gè)工作周期個(gè)工作周期取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期10.1 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì)10.2 微程序設(shè)計(jì)微程序設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì)步驟組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1. 列出操作時(shí)間表列出操作時(shí)間表t2t1t0 fe取指取指 jmpldastaaddcomcla微操作命令信號(hào)微操作命令信號(hào)狀態(tài)狀態(tài)條件條件節(jié)拍節(jié)拍工作工作周期周期標(biāo)記標(biāo)記pc mar1 rm(mar) mdr ( pc ) +1

18、 pcmdr irop( ir ) id1 ind1 exii11111111111111111111111111111111111111111111112. 寫(xiě)出微操作命令的最簡(jiǎn)表達(dá)式寫(xiě)出微操作命令的最簡(jiǎn)表達(dá)式= fe t1 + ind t1 ( add + sta + lda + jmp + ban ) + ex t1 ( add +lda )m ( mar ) mdr= t1 fe + ind ( add + sta + lda + jmp + ban ) + ex ( add +lda ) 3. 畫(huà)出邏輯圖畫(huà)出邏輯圖特點(diǎn)特點(diǎn) 思路清晰，簡(jiǎn)單明了思路清晰，簡(jiǎn)單明了 龐雜，調(diào)試?yán)щy，修改困難龐雜，調(diào)試?yán)щy，修改困難 速度快速度快&11&1feindexldaaddjmpbanstat1m ( mar) mdr（risc）&