计算机科学导论(第2版)第3章 计算机体系结构

计算机科学导论 学习计算机专业的第一门基础课程 第三章 计算机体系结构 本章要点： 掌握数字逻辑与数字系统 了解数据的机器表示 了解存储系统组织结构 了解输入输出系统 了解计算机系统体系结构 数字逻辑与数字系统 本逻辑关系及逻辑门 1. “与”逻辑关系及“与”门 : 运算符号可以是“ ”、“ ”、“ ”或“ 逻辑函数： F AB “与”门的逻辑符号 ： 2. “或”逻辑关系及“或”门： 运算符号可以是“”、“ ”、“ ”或“ 逻辑函数： F A B “或”门的逻辑符号 ： 3. “非”逻辑关系及“非”门 逻辑函数： F “非”门的逻辑符号： 4. “异或”逻辑关系及“异或”门 逻辑函数： F “异或”门的逻辑符号： A 数字逻辑与数字系统 辑代数与逻辑函数 1. 逻辑变量与函数 ： 逻辑函数由逻辑变量 A、 B、 C、 和算子“ ”、“”、“”及括号、等号等构成的一个表达式。例如： F=A+B G=AB 2. 基本逻辑运算： “ 与 ” 运算、 “ 或 ” 运算、 “ 非 ” 运算。 3. 逻辑代数的定理及常用公式 （ 1）公理系统 公理 1 交换律 对于任意逻辑变量 A、 B，有 A B B A AB BA 公理 2 结合律 对于任意逻辑变量 A、 B、 C，有 （ A B） C A（ B C） （ AB） C A（ BC） 公理 3 分配律 对于任意逻辑变量 A、 B、 C，有 A（ BC）（ A B） （ A C） A（ B C） AB AC 公理 4 01律 对于任意逻辑变量 A，有 A 0 A Al A A 1 1 A0 0 公理 5 互补律 对于任意逻辑变量 A，存在唯一的 ，使得 01 2）基本定理 3）逻辑代数的重要规则 对偶规则 如果将逻辑函数表达式 ” 变成“”，“”变成“ ”“0” 变成“ 1” ，“ 1” 变成“ 0” ，而逻辑变量保持不变，则所得到的新逻辑表达式称为函数 作F 。 例 )()( 数字逻辑与数字系统 反演规则 如果将逻辑函数表达式 ” 变成“十”，“”变成“ ” ，“ 0” 变成“ 1” ，“ 1”变成“ 0” ，原变量变成反变量，反变量变成原变量，则所得到的新函数表达式为原函数 。 已知： 根据规则得： 代入规则 代入规则是指任何一个含有变量 果将所有出现 ，则等式仍然成立 。 )()( 4. 逻辑表达式的化简 代数化简法 运用逻辑代数的公理、定理和规则对逻辑函数进行化简。 例 = = 卡诺图化简法 最小项之和 ( 数据的机器表示 据的机器级表示 操作码：规定 地址码：指出源操作数从哪里取，结果送往什么 地方以及下一条指令从哪里取 操作码 地址码 据的汇编级表示 介于机器语言和高级语言之间的计算机编程语言，是将机器语言符号化的一种语言。 特点：汇编代码效率高，编程复杂，可移植性差。 存储系统组织结构 存储器与存储系统概述 1. 存储器的作用 存储器存储程序信息和数据信息 。 存储系统组织结构 2. 存储器分类 （ 1）按存储介质分：半导体存储器、磁存储器和光存储器 （ 2）按工作方式分：随机存储器、只读存储器、顺序存储器、直接存取存储器 （ 3）按信息的可保存性：易失性存储器、非易失性存储器 （ 4）按作用：主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器 存储系统组织结构 1) 存储容量 存储器中可以容纳的存储单元总数称为存储容量 。 2）存储周期 处理机可以连续二次启动该存储器所需的最小时间间隔。 存储系统组织结构 3) 存储访问时间 存储器收到有效地址到其输出端出现有效数据的时间间隔 4）性价比 性能与价格的比值是衡量存储器经济性能好坏的综合性指标 。 5）功耗 存储器耗电的多少，也相应地反映了发热的程度 。 6）可靠性 在规定的时间内存储器正常工作的概率。 存储系统组织结构 存储系统组织结构 存储器、辅助存储器 速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器 (三级结构的存储器系统的运行原理，是建立在程序运行的局部性原理之上的。 ) 中央处理器 C P a c h （ 1）时间局部性原理 : 在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问 。 （ 2）空间局部性原理 :最近被访问过的程序和数据往往集中在一小片存储区域中。 （ 3）指令执行顺序的局部性原理 :指令顺序执行比转移执行的可能性要大。 注意：三级存储系统中，存储的信息必须满足 信息一致性 原则和 信息包含性 原则。 存储系统组织结构 高速缓冲存储器 一种放置在规模较小的存储器。 中央处理器C P UC a c h e 存储系统组织结构 虚拟存储器 虚拟存储器用于“主存一辅存”层次，它能使计算机具有辅存的容量，接近于主存的速度。它使程序员能够在比主存大得多的空间编制程序，即按虚存空间编址 。 中央处理器C P 存储系统组织结构 虚拟存储器 1. 主存辅存层次与 存层次的比较： 联系： 主存 们采用的地址变换、映像方式及替换算法在原理上是相同的。 区别： 访问时间 、传送的基本信息单位 、实现。 存储系统组织结构 虚拟存储器 2. 虚拟存储器的基本信息传送单位 （ 1）段式虚拟存储器 （ 2）页式虚拟存储器 （ 3）段页式虚拟存储器 存储系统组织结构 3. 虚拟存储器的工作过程 在虚拟存储器中将对虚拟地址与辅存实地址的变换。 输入输出系统 输入输出系统概述 1) 外部设备 2) 设备控制器 3) I/4) 中央处理机 C P O 设备设备控制器I / O 输入输出系统 总线结构 1) 按照总线所传输的信息内容分类： 地址总线、数据总线和控制总线 2）按照总线在计算机中所处的位置分类 片级总线、内部总线和外部总线 3）按照二进制数码的传送方式分类 串行总线、并行总线 输入输出系统 总线结构 1) 单总线结构 C P U 输入输出系统 总线结构 2）双总线结构 C P U I / O 接口I / O 通道主存I / O 接口I / O 接口内存总线 I / O 输入输出系统 总线结构 3）三总线结构 C P O 接口高速外设主存I / O 接口 I / O 接口内存总线I / O 总线I / O 设备I / O 设备D M A 输入输出系统 1) 传输线： 包括地址线、数据线和控制线三部分。 2) 接口： 具有双向传输信息功能。 3) 总线控制器： 用于决定总线使用权。 输入输出系统 输入输出接口 在主机与外设进行数据交换时引入相应的逻辑部件解决两者之间的同步与协调、数据格式转换等问题的逻辑部件。 输入输出系统 1) 实现数据缓冲 2) 实现数据的转换 3) 提供外设和接口的状态 4) 实现主机与外设之间的通讯联络控制 输入输出系统 3. I/ 数据寄存器； 设备地址译码器； 设备状态寄存器； 数据格式变换器，用于串到并、并到串的转换； 总线通信控制用的定时信号线路。 输入输出系统 1) 统一编址： 将对内存的操作和对 I/ 2) 单独编址： 单独设置 I/。 5. 接口的分类 （ 1）按数据传输宽度分：并行接口与串行接口 （ 2）按数据传送的控制方式分：程序直接控制的输入输出接口、程序查询控制接口、程序中断输入输出接口、 （ 3）按操作节拍分：同步接口和异步接口 输入输出系统 外设数据传送控制方式 处理机方式 计算机系统体系结构 高性能计算机 指令流： 是指机器执行的指令序列； 数据流： 是由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。 计算机系统体系结构 计算机系统的分类 由一个处理器和一个存储器组成。每次执行一条指令，每次从存储器取或存一个数据。 系统由一个指令控制部件、多个处理部件和多个存储器组成。各处理器和各存储器间通过互联网络进行通信。 在同一时间执行多条指令，但处理同一个数据。 多台处理部件，（有自己的存储器）。每个处理部件执行各自的指令，并存取各自的数据。 计算机系统体系结构 高性能计算机 是一个拥有最先进的硬件、软件、网络和算法的综合概念。 网格计算是伴随着互联网技术迅速发展起来的，专门针对复杂科学计算的新型计算机模式 。 集群是指共同为客户机提供网络资源的一组计算机系统。 计算机系统体系结构 并行计算机 是由多个处理器组成，并能