1、計算機系統的組*計算機系統組成計算機硬件—1、計算機系統的組*計算機系統組成計算機硬件—計算機的物理實體如主機、外設計算機系計算機軟件—具有特殊功能的程序(信息處理需求如系統程序、應用系統組成部分的作用源(高①編輯—執行編輯程②編譯—執行編譯程③運行—執行目標程①語言)程目標(機語言)程②③解題結*計算機系統組成特性①軟件以硬件為依托(即軟件功能靠硬件實現②系統性能為運行在硬件上的軟件的性能4輸入設輸出設存儲設處理設2、計算機系統的層次結(1)早期計算機系統的層次結2、計算機系統的層次結(1)早期計算機系統的層次結編輯、執行機器語言程序(應用機器語言級機器硬件直接執行(實現電子線路級機器實機(2)中期計算機系統的層次結編執編執高級語言級機器硬件直接執電子線路級機器高級語言級機器機器語言解硬件直接執電子線路級機器虛機虛機編執實機實機5(3)現代計算機系統的層次結編(3)現代計算機系統的層次結編執高級語言級機器操作系統級機器虛機操作系統翻譯或解軟硬件交界機器語言級機器硬件直接執電子線路級機器實機△本課程主要討論傳統級及微程序級機器的組成原理6二、計算機硬件的基本組1、馮·諾依曼模二、計算機硬件的基本組1、馮·諾依曼模型計算*結構與組成：由5大部件組成，以運算器為中心存儲注數據信控制信反饋信運算控制*存儲器：由定長存儲單元構成的按地址訪問的線性空間*存儲程序原理：指令和數據以同等地位存放在存儲器中*指令組成：指令由操作碼及地址碼組成的性質，地址碼表示操作數在存儲器中的位置；7*程序控制流思想①下條指令地址由當前指令產生(指令逐條執行②程序執行過程為循*程序控制流思想①下條指令地址由當前指令產生(指令逐條執行②程序執行過程為循環的指令執行過程(指令自動執行例—程序控制流由當前指令產生示例程序執行過程令下條指令地取執行若為轉移指令、且轉程序內A⑴當前指令⑵當前指令⑶⑹⑼⑿當前指令⑷⑺⑽⒀當前指令ifgoto⑸⑻⑾⒁條件=真條件=假，當前指令⒅2、計算機硬件的結現代計算機結構一般均在馮·諾依曼模2、計算機硬件的結現代計算機結構一般均在馮·諾依曼模型基礎上進行改進*采用以存儲器為中心的結構：有利于提高性控制運算存儲數輸入設輸出設結*由多種存儲器構成存儲系統：有利于提高性能/價運算控制存儲主主存(內存輔存(外存I/O設9主算術邏輯單元注：I/O設(如DISK等設控制單主算術邏輯單元注：I/O設(如DISK等設控制單元現代計算機組成框*采用總線互連形式：有利于減少復雜性及提高可擴展存儲總主主系統總系統總或I/O接I/O接I/O接I/O接……I/O設I/O設I/O設I/O設3、計算機部件的基本組(1)存儲*功能：存儲程序和數據*組成：由存儲體、地址鎖存器、數據緩沖器等組成012…N-01…存儲(存儲陣列3、計算機部件的基本組(1)存儲*功能：存儲程序和數據*組成：由存儲體、地址鎖存器、數據緩沖器等組成012…N-01…存儲(存儲陣列……M-數據緩沖存儲*接收操作的類型：讀、寫*接收操作的步驟：①地址+命令；②數據①地址①地址①命令②數據①命令②數據存儲存儲寫操作過讀操作過…………鎖地存址*基本術語存儲元件—又稱存儲元，可存儲一個二進制位(0/1)的元件；存儲單元—可同時存儲一串二進制位的元件，存儲字—存儲單元存儲的信息，是存儲器對外交換信息的基本單位*基本術語存儲元件—又稱存儲元，可存儲一個二進制位(0/1)的元件；存儲單元—可同時存儲一串二進制位的元件，存儲字—存儲單元存儲的信息，是存儲器對外交換信息的基本單位存儲器地址—訪存時，所需存儲單元在存儲器中的編號(地址)；存儲器容量—存儲體可存儲的二進制位數，用B/K/M/G/T表示。存儲字長01 …x地址空間 存儲 地址長度存儲器容量……(2)運算*功能：實現算術運算及邏輯運算，并(2)運算*功能：實現算術運算及邏輯運算，并暫存運算結果*基本組成：由寄存器、ALU、相關組合邏輯電路等組成通用通用源積累加或者A通用通用注：①不同Func時，源REG、累加REG、積商REG存放的操作數不同②現代CPU內通常設置通用寄存器組，以提高執行速度*加減法運算過程設操作數1已在累加REG中，操作數2在主存儲器MM地址為Y的存儲單元中；則，運算過程為①源REG←[Y]②累加REG←(累加REG)±(源△課件通用約定：地址為X的寄存器的內容用(X)表示地址為Y的存儲器的內容用[Y]表示(3)控制*功能：指揮及控制各部件協調地工作，以實現程序執行*指令(3)控制*功能：指揮及控制各部件協調地工作，以實現程序執行*指令執行過程：通常分為3個階段操作地址碼地址碼指令格式例取指階分析階執行階取指執行操寫結取指階段—①從主存MM中取一條指令到CPU中②形成下條指令地址(自動加主注：PC—指令未執行時，存放的是當前欲執行指令在MM中的地址指令執行結束前，存放的是下條指令地址IR—存放的是當前指令的具體內容 指令地址REGPC指令內容REG取操作指令譯分析階段—對IR中指令進行譯碼形成操作類型分析階段—對IR中指令進行譯碼形成操作類型、操作數地址等信息IR:操作碼譯碼譯碼譯碼…執行階段—①按操作數地址取得操作數到REG中②按操作類型完成指令的操作(對REG操作③按目的操作數地址存放結果到相應部件*程序執行過程：循環進行指令執行過程(指令執行時按程序順序改變PC值取指階若為轉移指執行階分析階*控制器實際功能①循環產生指令執行過程的階段標識信號②在不同階段，根據指令要求產生指令執行所需的控制信號。*基本組成：*控制器實際功能①循環產生指令執行過程的階段標識信號②在不同階段，根據指令要求產生指令執行所需的控制信號。*基本組成：由程序計數器(PC)、指令REG(IR)、譯碼器、序部件、控制信號形成部件等組成…控制時部注：時序部件—循環產生用于定時的時標控制信號形成部件—不同時刻產生指令要的不同信號碼器取分執√√譯碼√運算√(4)輸入/輸出設*功能：實現外部-內部信息的(4)輸入/輸出設*功能：實現外部-內部信息的轉換及輸入/輸出*種類：鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、磁盤等*速度：差距較大，與CPU速度不匹配主總線接口主存控制系統總用戶交互接磁盤適配通信接…鍵盤、鼠標磁串口三、計算機軟件的基本組1、計算機軟件分分為系統軟件及應用三、計算機軟件的基本組1、計算機軟件分分為系統軟件及應用軟件兩大類軟系統軟應用語言環應用軟應用語言程應用語言級機器虛機高級語言級機器高級語言環高級語言程匯編語言級機器匯編語言環匯編語言程操作系統級機器操作系統環操作系統命軟硬交界 機器語言級機器語言處理程科學計實機微程序級機器電子線路級機器(2)操作系統基本功(2)操作系統基本功*主要功能(管理軟件任務、硬件資源等環境文件管理—文件空間分配與回收、目錄管理、讀寫保作業管理—接收并啟動用戶提交的任務(程序執行請求)進程管理—管理軟件實體(進程)對硬件資源的占用*任務調度與控制調度—在適當時候，根據進程的優先級、時間等參數，使用一定算法進行進程調度；控制—當產生調度時，控制上行/下行進程的環境切換OS調CPU時四、計算機系統的工作過1、機器語言程序形有編程、翻譯兩個步驟。程序包含指令和數據*計算機指令系統假設*求y=ax+b的機器語言程序如下(指令與四、計算機系統的工作過1、機器語言程序形有編程、翻譯兩個步驟。程序包含指令和數據*計算機指令系統假設*求y=ax+b的機器語言程序如下(指令與數據等同存儲4停5a原始數據6x原始數據7b原始數據8y結果數據程序指注0123指令類指令格操作功操作碼地址碼取存加乘停無通知OS程序已停止2、計算機的工作過假設計算機硬件結構如下圖…號形存儲設時部控制運算2、計算機的工作過假設計算機硬件結構如下圖…號形存儲設時部控制運算主存儲*主存儲器完成操作的過程：以讀操作為主存儲⑵地址譯⑴鎖存地存儲…⑶數據讀 ⑷輸出數………(1)指令的執行過*取數指令的執行過程：以AC←[X]為⑤④…號形②①①①(1)指令的執行過*取數指令的執行過程：以AC←[X]為⑤④…號形②①①①時部②③運算控制④*加法指令的執行過程：以AC←(AC)+[Y]為⑥④…號形⑥⑦⑥時部運算控制④⑤(2)程序的執行(2)程序的執行過*程序執行初始條件*程序執行實現方法即—①取指—②分析—③執行—取數、執行、寫結果(轉移指令寫④若無中斷執行要求，轉①*控制器的實現原理①循環產生指令執行過程的階段標識信號指令過指令過取指階段信分析階段信執*控制器的實現原理①循環產生指令執行過程的階段標識信號指令過指令過取指階段信分析階段信執行階段信時②根據指令要求，在相應階段產生所需部件控制信號指令1過指令2過PC控制信IR控制信ALU控制時①按PC取完成所取令的功3、程序3、程序執行的管(1)程序的執行請求方*從主存固定位置開始執行程序存放在主存中→主存由RAM及ROM組程序首指令地址在固定位置△常用于計算機硬件剛啟動時的程序執行*由操作系統管理的程序執行執行請求方式—用戶交互式請求執行請求管理—OS通過調度機構決定請求是否執行(2)程序的執行準*創建進程--軟件環境管理所(2)程序的執行準*創建進程--軟件環境管理所建立進程控制塊PCB(包含程序文件名、所需硬件資源進程ID、進程狀態等信息*加載程序--硬件資源管理所為進程申請主存，將程序文件內容拷貝到主存，并將關內容(如程序首指令地址等)填到PCB中②拷貝程序④按PC值取并執行指②填充③導入硬件相關內①創建*程序執行啟動程序被允許執行時，將PCB中與CPU相關內容導入到中，OS讓出CPU(管理程序暫停)；CPU按PC值取指令并執行計算機計算機系統性能指一、計算機系統性能指時間是唯一標準，主要有響應時間和吞吐率兩個指標*響應時間：指一個任務從輸入到結果輸出的總時間T響應=TCPU+TMEM訪問+TI/O訪特點—響應時間反映了系統軟硬件的總體性能*吞吐率：又稱吞吐量，指單位時間內能處理任務的數量。=n÷n個任務總時間特點—吞吐率反映了系統軟硬件的多任務處理能力*其他：RASIS(可靠/可用/可維護/完整/安全性)，兼容性等2、硬件性能2、硬件性能參*機器字長：指CPU一次能處理的二進制位數對性能的影響—機器字長越長，數據處理性能越好注：應用數據長度＞機器字長時，需分次運對硬件的影響—直接影響ALU、REG、存儲字長如CPU為32位*主頻：指CPU內時鐘周期的頻率，常用表示主頻單位—時鐘周期—CPU執行指令時的最小定長時間單位，常f與TC關系—倒數關系，即f=1/TC*存儲器*存儲器容量：包括主存容量和輔存容量2個方面存儲器容量—存儲器容量=存儲單元數×存儲字長容量單位—通常以字節(B)為基本單位*MEM總線工作頻率總線帶寬—單位時間內最多能傳輸的二進制數據位數，即總線帶寬B=數據線位數×傳輸次數/秒，常用MBps表示；總線工作頻率—是反映傳輸次數/秒的一個重要參數(數據線位數常等于機器字長，總線工作頻率與MEM延遲有關3、系統性能與軟硬件性能參數關T響應3、系統性能與軟硬件性能參數關T響應=TCPU+TMEM訪問+TI/O訪(1)CPU性TCPU=T系統CPU+T用戶即TCPU為OS程序及應用程序執行時間的總和ICPIi TnT iC其中，n為指令系統指令種類數為程序執行指令總次數(≠程序指令數Ii為第i種指令執行次數△TCPU與解題算法、編譯程序、指令系統、CPI、TC均有關(2)MEM性(2)MEM性TMEM訪問=訪問次數*(T地址+T數據訪問次數=每次數據量/MEM存儲字長TMEM延遲=T地址+T數據，與MEM的結構、組成與器件有關△與CPU的每次訪問數據量、MEM的(3)I/O性TIO訪問=訪問次數*(T地址+T數據訪問次數=每次數據量/IO設備數據寬度TIO延遲=T地址+T數據，與IO設備的結構、組成及器件有關與CPU的每次訪問數據量、IO設備的4、系統性能指標的替代標系統性能指標主要為響4、系統性能指標的替代標系統性能指標主要為響應時間，但表示不方便通常用其他標準(速度)替代響應時間，但不夠準確(1)MIPS(每秒百萬次指令--替代標準MIPS時鐘頻率 CPITC*缺點：不能反映指令系統功能強弱(可采用相對MIPS方法(2)MFLOPS(每秒百萬次浮點運算--替代標準MFLOPS時鐘頻率程序執行時間*缺點：只能反映浮點操作能力，不能反映系統整體性能*MFLOPS與MIPS關系：1MFLOPS≈3MIPS二、性能設1、馮二、性能設1、馮·諾依曼模型計算機的性能瓶*CPU-MEM瓶頸△需從結構與技術方面解決CPU與MEM間速度匹配問題①更快的速②并行處→受器件技術的限→串行程序指令間相效果不△需從結構與技術方面解決指令間相關問題2、性能平衡設重點2、性能平衡設重點解決CPU-MEM性能瓶頸，減少訪存延遲*增設Cache：減少CPU訪問延遲，減少訪問MEM頻率*增加總線數據寬度：提高訪問效率，以減少次數及延遲*采用多級總線：使傳輸速度=器件速度，非min{器件速度重點解決指令串行執行瓶頸，提高并行性*開發并行技術：操作級流水→操作級并行→指令級并行(流水線(超標量流水*采用數據流技術：按序執行→亂序執行(程序順序(指令就緒順序*轉移預測技術：按猜測轉移方向執行，猜錯時回頭執行三、計三、計算機的結構、組織與實1、計算機系統結*指機器語言程序員或編譯程序編寫者所看到的計算機系統的屬性，即概念性結構和功能特性。功能特性—軟硬件功能界面(硬件功能的使用方法中斷機構、I/O系統機器工作狀態定義和切換、信息保護*系統軟硬件功能的分配及軟硬件界面的確定；反映硬件系統的外部特性。2、計2、計算機組織(又稱計算機組成*指計算機系統設計人員所看到的基本屬性，即各組成部分的內部構造及相互關系。*包含內容：功能部件邏輯設計；控制機構組成方式；部件互連方式、數據通路、接口設計等。3、計算機實*定義：指計算機組成部件的物理實現*包含內容：CPU、主存的物理結構，芯片集成度、速度、工藝，電源、冷卻、裝配、外觀設計等。4、三者關*相互關系4、三者關*相互關系計算機實現—物理實現計算機組成的內容*對性能的影響程度計算機系統結構>>計算機組成>>計算機實現舉系統結計算機組計算機實乘法功是否有乘法指乘法器還是加法+移器件、電主存系最大容量、編址方速度保證、單體/多MEM總帶信號線數、時鐘、傳輸方計算機系統發展歷一、計算機硬件的發展歷1、計算機的產生與發*發展趨勢：器件技計算機系統發展歷一、計算機硬件的發展歷1、計算機的產生與發*發展趨勢：器件技術+結構設計+并行化第一第二第三第四第五年元器電子晶體SSI、VLSI、主磁半導輔磁帶、紙磁光字速度2、微型計算機的產生與發*微處理器發展：增加功能、線程/進程級并行、MEM集成CPU中、嵌入式CPU等型年字主地址線數據線其8實模8保護模2、微型計算機的產生與發*微處理器發展：增加功能、線程/進程級并行、MEM集成CPU中、嵌入式CPU等型年字主地址線數據線其8實模8保護模RISC、流水超標量流水、Pentium超級流水、動態執PentiumPentiumSSE、非阻塞PentiumSSE2、總線技Core2雙二、計二、計算機軟件的發展歷1、計算機語言的發*機器語言：面向機器*匯編語言：面向機器*高級語言：面向問題C/C++--適用于面向對象程序設計Java—適用于可移植軟件設計2、2、系統軟件的發*語言處理程序：匯編程序、編譯程序、解釋程序*操作系統：DOS、UNIX、(多道程序、分時/實時、網絡、分布式、面向對象*服務性程序：裝配、調試、診斷、排錯*數據庫：數據庫(網狀、層次、關系型)、數據庫管理軟件*網絡：協議(NetNIOS、TCP/IP等)及實現庫三、三、計算機系統分1、按規模及功能分單片機/嵌入式系統—工業控制等2、按信息處理特征分--Flynn分類有SISD、SIMD、MISD、MIMD四種△本課程重點討論2、按信息處理特征分--Flynn分類有SISD、SIMD、MISD、MIMD四種△本課程重點討論SISD計算機……附：課附：課程內容組織及要一、課程目1、結構與原理掌建立計算機系統的整機概念2、分析與計算能掌握對組成與結構進行性能分析的方法通過實驗，培養邏輯設計及理論指導實踐的能力二、課程內容組第一計算機系統概計算二、課程內容組第一計算機系統概計算機硬件組成，計算機工作過程，計算機性能指第二數據表示和運數制與編碼、定點數/浮點數表示及運算，ALU邏輯設第三存儲系層次化結構，MEM種類及RAM組成，Cache、虛存組成原第四指令系指令格式，尋址方式第五中央處理CPU功能與結構，指令執行過程，數據通路及結構，CU能及組成原理，CPU新技第六第七總線系I/O系組成及操作步驟，仲裁/定時方式，標I/O設備，I/O接口，I/O方三、課程學三、課程學習方1、學習方☆☆①建立整機概念，逐步將知識點融匯成知識面②從功能需求→邏輯實現，理解各部件的結構與組成☆③通過案例分析，深入掌握各部件的組成原理2、學習效☆①打印課件，以減少記筆記時間和增加聽講時間②上課聽講，以減少課后學習時間③獨立完成作業，以復習所學內容及暴露問題☆☆④及時質疑，以避免多米諾效應第一章第一章復習思考1、概念掌握：實際/虛擬機器、機器/匯編/高級語言、計算機組成/結構，主機、CPU、主存、存儲單元、存儲字、PC、IR、ALU、CU、AC，機器字長、存儲字長、指令字長、CPI、TC、CPU主頻、MIPS、MFLOPS。