计算机系统概论2.ppt

第1章 计算机系统概论,2019年7月23日星期二,2,目录,1.0 预备知识 1.1 计算机的分类 1.2 计算机的发展简史 1.3 计算机的硬件 1.4 计算机的软件 1.5 计算机系统的层次结构,2019年7月23日星期二,3,学习要求,了解计算机的发展历程； 清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成(五大部件的构成)、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程； 了解计算机性能评价指标和相关参数； 吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；MIPS、MFLOPS等。 要求 初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构，为进一步深入学习打下基础。,2019年7月23日星期二,4,1.0 预备知识,问题1：一台计算机一般有哪几部分组成？ 显示器、主机箱、键盘、鼠标、音箱等； 主机箱中有：主板、CPU、光驱、硬盘、内存、显卡、声卡等； 问题2：如何对以上设备分类？ 输入输出设备 中央处理设备 存储设备 接口转换卡 部件连接线 问题3：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？ 一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两部分。,显示器，键盘，鼠标，音箱,CPU（集处理和控制于一身）,光驱、硬盘、内存,显卡、声卡,总线,2019年7月23日星期二,5,2019年7月23日星期二,6,2019年7月23日星期二,7,主板,主板(Mother Board, ain Board, System Board)是一台PC的主体所在，主板要完成电脑系统的管理和协调，支持各种CPU、功能卡和各总线接口的正常运行。 它是PC机的“总司令部”，其上的CPU、CHIPSET、DRAM、BIOS等决定了它是什么“级别”，平时我们所说的386、486、Pentium机，其判断的标准就是机器所用的主板和CPU。 而其他的附件如显示器、声卡、键盘等，基本上是通用的。 主板芯片可分为数字芯片和模拟芯片两种。主板使用的芯片，除了少数几个是模拟芯片外，大部分都是数字芯片。,2019年7月23日星期二,8,（1）主板上的三大芯片 （2）北桥芯片决定主板性能高低 （3）南桥芯片决定主板功能多少 （4）BIOS芯片决定主板兼容性好坏,2019年7月23日星期二,9,2019年7月23日星期二,10,2019年7月23日星期二,11,2019年7月23日星期二,12,DDR内存条,SDRAM内存条,Synchronous Dynamic Random Access Memory （同步动态随机存储器）,(Double Data Rate SDRAM) 简称DDR， 也就是“双倍速率SDRAM” 的意思 DDR2,2019年7月23日星期二,13,80G硬盘,2019年7月23日星期二,14,硬盘数据线,2019年7月23日星期二,15,DVD光驱,2019年7月23日星期二,16,机内电源插头,2019年7月23日星期二,17,1.1计算机的分类,一、电子计算机从总体上来说分为两大类。 电子模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。 以连续变化的电流或电压来表示被运算量的电子计算机。 电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。,2019年7月23日星期二,18,1.1 计算机的分类,数字计算机,模拟计算机,专用计算机,通用计算机,处理数字量信息 按位运算， 不连续地跳动计算,处理模拟量信息 数值连续、运算过程连续,是针对某一任务设计的最有效、最经济和最快速的计算机，但适应性很差。,适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。,单片机,微型机,服务器,大型机,超级计算机,低,高,体积 功能 数据存储量 指令系统 价格,低,高,简 易 性,分 类,如P2 图1.1,工作站,2019年7月23日星期二,19,1.1计算机的分类,数字计算机与模拟计算机的主要区别,2019年7月23日星期二,20,目前，微型计算机与工作站、小型计算机乃至中、大型机之间的界限已经愈来愈模糊。,2019年7月23日星期二,21,世界上较快的五台超级计算机,1.IBM: Seaborg,6 080个 CPU 最大平均速度 7.304 TF (1012),2019年7月23日星期二,22,2.IBM: ASCI White,8 192个 CPU 最大平均速度 7.304 TF (1012),世界上较快的五台超级计算机,IBM: International Business Machine Corp. 国际商业机器公司,2019年7月23日星期二,23,3.Linux NetworX : MCR Linux Cluster,2 304个 CPU 最大平均速度 7.634 TF (1012),世界上较快的五台超级计算机,2019年7月23日星期二,24,4. HP : ASCI Q,4 096个 CPU 最大平均速度 13.88 TF (1012),世界上较快的五台超级计算机,2019年7月23日星期二,25,5.NEC: Earth Simulator,5 120个 CPU 最大平均速度 35.86 TF (1012),世界上较快的五台超级计算机,2019年7月23日星期二,26,1.2 计算机的发展简史,19721990年,19461957年，第一代计算机,19651971年,19581964年 第二代计算机,1991年至今,摩尔定律,1.2.1 计算机的五代变化,2019年7月23日星期二,27,第一代计算机,第一代计算机(1945年1958年) 采用电子管。 代表机型：ENIAC 1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制； 主要是为了解决美陆军提出的弹道计算问题 ； 花费40万美元； 1955年10月2日最后切断电源。,2019年7月23日星期二,28,ENIAC,2019年7月23日星期二,29,第二代计算机(19581964),晶体管,2019年7月23日星期二,30,摩尔定律,1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（Gordon Moore）在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。 作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路40多年的发展历史准确无误地验证着。 摩尔定律有另外一种表述方法，即每过10年计算机系统性能将会增加100倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费的资金不会增加。 返回,2019年7月23日星期二,31,微处理器飞速发展,80386,80486,奔腾,奔腾2代,奔腾4代,80286,8086,奔腾3代,IA-64 (安腾),4004,1971年,1978年,1983年,1985年,1989年,1993年,1997年,1999年,2000年,Moore(摩尔)定律: “微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番”,双核,2006年,2001年,2019年7月23日星期二,32,1.2.2 半导体存储器的发展,20世纪5060年代，磁芯存储器 价格昂贵，体积大，破坏性读出 1970年，半导体存储器 价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写 1974年之后，半导体存储器 价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。 有关存储器的介绍详见第3章,2019年7月23日星期二,33,1.2.3 微处理器的发展（以Intel为例）,20世纪70年代的处理器 4004 8008 8080 8086 8088 20世纪80年代的处理器 80286 386TM DX 386TM SX 486TM DX 20世纪90年代的处理器 486TM SX Pentium(即所谓的奔腾) Pentium Pro Pentium II Pentium 最近10年的处理器 Pentium 4 Itanium Itanium 2,2019年7月23日星期二,34,2019年7月23日星期二,35,高能奔腾,二代奔腾,2019年7月23日星期二,36,2019年7月23日星期二,37,双核CPU,三核CPU,2019年7月23日星期二,38,1.2.4 计算机的性能指标（1/3）,吞吐量 表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。 响应时间 从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。 利用率 在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。 处理机字长（机器字长） 处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位； 机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。,2019年7月23日星期二,39,1.2.4 计算机的性能指标（2/3）,总线宽度 一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。 注意课本上的表述错误！ 主存储器容量 主存储器所能存储二进制数据的位数。 或者说“主存储器中所有存储元的总数目”，而非“存储单元”！ 主存储器带宽 单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。 主频/时钟周期 CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。 度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。例如Pentium系列机为60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz 。主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。,2019年7月23日星期二,40,速度 衡量计算机速度常用的有两种指标： 运算速度：用每秒钟能执行多少条指令来表示。国际上通用的指标是每秒百万条指令MIPS（Million Instructions Per Second），通常用于较大的计算机系统。 主频：指CPU主时钟的工作频率（一秒钟内发生的同步脉冲数），主频越高，说明CPU的速度越快，微型计算机都用主频这个指标。主频的单位为赫兹(MHz)，早期的微机主频才几MHZ，而现在P4的主频已达到3GHz以上。 例如，“P4/2.4G”，“P4”表示CPU的型号（奔腾四代），“2.4G”就表示主频是2.4G赫兹 (GHz),2019年7月23日星期二,41,1.2.4 计算机的性能指标（3/3）,CPU的运算速度(可以从以下几个方面衡量) CPU执行时间：CPU执行一段程序所占用的CPU时间； CPU执行时间 CPU时钟周期数 CPU时钟周期长 CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期数； MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数； MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。 其他的性能指标 主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性,2019年7月23日星期二,42,1.3计算机的硬件,1.3.1 硬件组成要素 通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理。 假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算y=ax+b-c这样一个题目。 解题步骤和数据记录在横格纸上，请先看思路过程。,2019年7月23日星期二,43,1.3.1 硬件的组成要素 y=ax+b-c思路过程： 假设a=1，b=2，c=3，x=1 1.在算盘上输入a=1，x=1，并将ax乘积中间结果1存放在算盘上 2.然后再输入b=2，并将ax+b和的中间结果3存放在算盘上 3.再输入c=3，得出ax+b-c的最后结果为0存放在算盘上 4.最后记录下来最终结果，整个工程到此结束,纸 相当于 存储器； 保存源数据和结果数据； 算盘 相当于 运算器； 运算、暂存中间结果； 笔和手 相当于 输入/输出设备； 将数据的输入/输出； 人 相当于 控制器； 协调整个计算过程；,2019年7月23日星期二,44,手工模仿计算机工作,2019年7月23日星期二,45,冯诺依曼机的特点,由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五个部分组成； 存储器以二进制形式存储指令和数据； 指令由操作码和地址码组成； 存储程序并按地址顺序执行； 冯诺依曼机的核心设计思想，机器自动化工作的关键； 以运算器为中心。,2019年7月23日星期二,46,算术运算 逻辑运算,存放数据 和程序,将信息转换成机 器能识别的形式,将结果转换成 人们熟悉的形式,指挥程序 运行,1.2,冯诺依曼计算机硬件框图,2019年7月23日星期二,47,冯诺依曼机与现代微机,冯诺依曼机结构,现代微机结构,以运算器为中心,以存储器为中心,2019年7月23日星期二,48,现代计算机的特点,将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称为CPU；而将CPU、主存储器、输入/输出接口和系统总线统称为主机；其余的设备均为外设。 以存储器为中心。 减轻CPU的数据传送负担，提高系统的整体性能；,2019年7月23日星期二,49,1.3.2 运算器,功能： 处理所有的算术及逻辑运算。 通常称为ALU(算术逻辑单元) 特点： 采用二进制数据进行运算； 运算器一次可以处理的数据 位数称为机器字长； 机器字长一般为8、16、32、 64位，机器字长直接决定着运算的精度和能力，但是所需的电子器件也在变化； 运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成。 运算器结构示意图演示,2019年7月23日星期二,50,1.3.2 运算器,(1)运算器的基本组成,ALU:算术逻辑单元 ACC:累加器 MQ：乘商寄存器 X：操作数寄存器,2019年7月23日星期二,51,1.3.2 运算器,(1)运算器的基本组成,被加数,被减数,被除数,乘数,商,加数,减数,被乘数,除数,加法,减法,乘法,除法,和,差,余数,2019年7月23日星期二,52, 加法操作过程,假设ACC中已经存有前一时刻的运算结果，并作为下述运算中的一个操作数，其中M表示存储器的任一地址号，【M】表示对应M地址号单元的内容,2019年7月23日星期二,53,1.3.3 存储器（1/2）,组成部分： 存储体 存储体：由很多存储单元组成，每个存储单元又包含多个存储元件（存储元），每个存储元件能寄存一位二进制代码“0”或“1”。 各种逻辑部件及控制电路 相关的寄存器MAR和MDR。 相关的概念 存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件； 存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成； 单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号； 存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。 存储器结构示意图演示,2019年7月23日星期二,54,MAR,MDR,存储器地址寄存器,用来存放欲访问的存储 单元的地址，其位数对应存储单元的个数， 例如MAR 10位，则210=1024个存储单元 反映存储单元的个数,存储器数据寄存器,用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码。 反映存储字长,(1)存储器的基本组成（补充）,2019年7月23日星期二,55,存储体,存储单元 存放一串二进制代码,存储字 存储单元中二进制代码的组合,存储字长 存储单元中二进制代码的位数,每个存储单元赋予一个地址号,按地址寻访, 存储单元, 存储元件,（0/1）,(2)存储器的基本组成（补充）,或存储元,2019年7月23日星期二,56,MAR,MDR,存储器地址寄存器 反映存储单元的个数,存储器数据寄存器, 反映存储字长,(3)存储器的基本组成（补充）,2019年7月23日星期二,57,1.3.3 存储器（2/2）,存储器的分类： 外存（辅助存储器） 磁盘存储器、光盘存储器； CPU不可直接访问； 内存（主存储器） 半导体存储器； CPU直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。 两个与主存相关的寄存器 MAR(存储器地址寄存器)：接收由CPU送来的地址信息； MDR(存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。,2019年7月23日星期二,58,数据存储的组织形式(补充),1.位(bit) :位是计算机系统中数据的最小单位 2.字节(byte) :8位二进制数组成一个字节.字节是衡量信息存储容量的基本单位. 3.若干个字节构成一个存储单元.每一个存储单元都有一个唯一的编号,称为“地址”,通过地址对存储单元进行访问. 4.字(word) :字是一个存储单元所存储的内容. 5.一个存储单元(或一个字)所包含的二进制位数称为字长.字长 是衡量计算机精度和运算速度的主要技术指标.,2019年7月23日星期二,59,1.3.4 控制器,功能： 根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算机的各个部件的工作。 主要任务： 解释并执行指令； 控制指令的执行顺序； 负责指令执行过程中，操作数的寻址； 根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。 指令的形式 操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等； 地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。,2019年7月23日星期二,60,1.3.4 控制器（续）,相关概念 指令：计算机的基本操作，例如加减等。一个基本操作就叫做一条指令。 程序：解决某一问题的一串指令序列，叫该问题的计算机程序。 指令系统：一台计算机通常有几十种基本指令，从而构成了该计算机的指令系统。它是硬件设计的依据，软件设计的基础。 中央处理器：运算器和处理器合在一起称为中央处理器（CPU）。 中央处理机：将存储器也放入CPU，称为中央处理机。 数据字：该字代表要处理的数据； 指令字：该字为一条指令； 指令流：取指周期中，从内存读出的信息流； 数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。,2019年7月23日星期二,61,取指令,分析指令,执行指令,PC,IR,CU,取指,执行,IR 存放当前欲执行的指令,访存,访存,完成 一条 指令,1.3.4 控制器的基本组成(补充),2019年7月23日星期二,62,以存数指令为例,主机完成一条指令的过程,2019年7月23日星期二,63,计算机运算yaxbc,2019年7月23日星期二,64,设指令系统如下，试写出该指令序列。,101,1001,011,1100,001,1010,010,1011,110,1101,111,xxxx,000,xxxx,a(二进制数),b,c,x,y,如课本P9 图1.5 表1.5,2019年7月23日星期二,65,1.3.4 控制器（续）,控制器的基本任务 控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。 取指令的一段时间称为取指周期。 执行指令的一段时间称为执行周期。 控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。,2019年7月23日星期二,66,1.3.4 控制器（续）,控制器的工作周期 取指令的一段时间称为取指周期。 执行指令的一段时间称为执行周期。 指令按顺序执行的控制部件：指令计数器 每取出一条指令，指令计数器就加1； 遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；,控制器功能示意图演示,1条指令的字节数,2019年7月23日星期二,67,使用计算机的工作过程 （1）提出问题：计算 y=ax+b-c （2）按照指令系统编制程序 （3）将指令变为机器代码，送入主存储器 （4）控制器控制执行程序 PC:程序计数器，其位数与MAR相同。 IR:指令寄存器，其位数与MDR相同。,用简化模型描述使用计算机工作过程,2019年7月23日星期二,68,程序计数器 PC,指令寄存器 IR,控制单元 CU,MAR (存储器地址寄存器),MM,MDR (存储器数据寄存器),ALU,暂存器 X,累加器 ACC,乘商寄存器 MQ,高4位,低4位,运 算 器,存 储 器,控制字,控 制 器,2019年7月23日星期二,69,PC,IR,CU,MAR,M.M,MDR,ALU,X,ACC,MQ,高4位,低4位,控制字,1,0101 1001,0101,1001,2,a,请思考： 计算机如何区分从主存中取出的数据是指令还是数据？,运 算 器,存 储 器,控 制 器,2019年7月23日星期二,70,（1）指令系统，设有6条指令 汇编语言助记符 操作码 地址码 功能 LMA n 0001 n MACC SAM n 0010 n ACCM ADD n 0011 n ACC+MACC MUL n 0100 n ACC*MACC OUT n 0101 n 输出M HLT 0110 停机 *地址n假设为4位的二进制数。,举例： 假设简化计算机模型的指令格式如下：,2019年7月23日星期二,71,1.3.5 适配器与输入输出设备,输入设备 将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式的设备。 输出设备 把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备。 适配器 它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作，保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。 系统总线 构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之