计算机科学概论(第10版)第二章课件

第2章数据操控,2.1计算机体系结构,2.2机器语言,2.3程序执行,2.4算术/逻辑指令,2.5与其他设备的通信,2.6其他体系结构,章节要求,主菜单,练习,章节要求：,本章学习计算机如何操纵数据以及如何与外围设备（如打印机和键盘）通信。为此，我们将研究计算机体系结构的基础，学习计算机是如何利用称为机器语言指令的编码指令来进行编程工作的。本章知识只要求学生了解，不作其他的硬性要求。,主菜单,2.1计算机体系结构,硬件,软件,中央处理器,运算器,控制器,存储器,内存,外存,ROM,RAM,输入输出设备,系统软件,应用软件,磁盘光盘,软盘硬盘,键盘、鼠标、显示器、打印机、投影仪、扫描仪、摄像头、麦克风、音箱,计算机系统,主菜单,2.1.1中央处理器CPU,CPU：算术/逻辑单元、控制单元和寄存器组（通用寄存器、专用寄存器）,Arithmetical/LogicalUnit（ALU）运算器,寄存器组,控制器,小而快速的存储单元临时保存数据和指令,协调计算的步骤,计算（算术和逻辑运算）,主菜单,2.1.2存储程序概念冯.诺依曼结构,1、计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成；2、以二进制形式将程序和数据存储在存储器中；3、采用“存储程序”以便计算机能保存指令和数据以及能够自动依次执行指令。,主菜单,冯.诺依曼思想,主菜单,2.2机器语言,机器语言（machinelanguage）为了应用存储程序概念，CPU被设计成可以识别二进制模式编码的指令。这组指令以及编码系统统称为机器语言。机器指令（machineinstruction）使用机器语言表达的指令称为机器指令。,主菜单,2.2.1指令系统,精简指令集计算机RISCCPU只需执行最小的一组机器指令集。效率高、速度快。苹果、IBM、摩托罗拉PowerPC系列复杂指令集计算机CISCCPU能执行大量复杂的指令。容易编程。英特尔奔腾系列,主菜单,机器指令的类型,数据传输类包含请求在各个位置之间传输数据的指令。算术/逻辑类告诉控制单元请求在算术/逻辑单元内实现一个活动。控制类包含指导程序执行而非数据操作的指令。,主菜单,2.2.2一种演示用的机器语言,机器指令的编码形式操作码：指明该指令要求的是什么运算；操作数：提供关于操作码指定运算的更详细的信息。,主菜单,2.3程序执行,指令寄存器（instructionregister）存储正在执行的指令；程序计数器（programcounter）包含下一个待执行指令的地址。,主菜单,2.3.1程序执行的一个例子,指令编码翻译156C把地址为6C的存储单元里的位模式载入寄存器5166D把地址为6D的存储单元里的位模式载入寄存器65056把寄存器5和6的内容相加结果存入寄存器0306E把寄存器0的内容存放到地址为6E的存储单元中C000停止,主菜单,存储,地址单元A015A16CA216A36DA450A556A630A76EA8C0A900,主菜单,过程,主菜单,主菜单,主菜单,2.3.2程序与数据,许多程序同时存储在主存储器中只要地址不同，就没有问题；数据也存储在主存储器中执行程序的时候会有影响吗？计算机无法识别是程序还是数据但这样使得一个程序可以操纵其它程序,主菜单,2.4算术/逻辑指令,算术/逻辑指令组由算术、逻辑、移位等运算指令组成。,主菜单,2.4.1逻辑运算,AND运算：与运算OR运算：或运算XOR运算：异或运算NOT运算：非运算,主菜单,2.4.2循环移位及移位运算,循环移位（circularshift）将右（左）侧移出的位放置在左（右）端的空位上；逻辑移位（logicalshift）丢弃移出边界的位，用0填充空位；算术移位（arithmeticshift）同逻辑移位，但是保留符号位不变。,主菜单,2.4.3算术运算,减法运算可以通过加法运算来实现乘法运算是反复进行加法运算的结果除法运算就是反复的进行减法运算,主菜单,2.5与其它设备的通信,主存储器和CPU与存储系统、打印机、键盘、监视器、数码相机以及其他计算机的通信,主菜单,2.5.1控制器的作用,控制器（controler）负责计算机和其它设备通信的中间设备。端口（port）通常控制器通过端口与外围设备相连接。标准USBFireWire存储映射输入/输出（memory-mappedI/O）CPU与外围设备的通信来自控制器而不是存储器,主菜单,2.5.2直接内存存取,直接内存存取DMA(directmemoryaccess)控制器在CPU不使用总线的短时间里实现与主存的通信。优点：DMA和CPU的活动可以同时执行，提高计算机的性能；缺点：使计算机总线的通信复杂化。冯.诺依曼瓶颈：CPU与控制器竞争总线存取时，中央总线可能称为障碍。,主菜单,2.5.3握手,握手（handshaking）保存计算机和外围设备之间交换设备状态的信息，协调它们之间的活动。状态字（statusword）由外围设备生成并发送给控制器的一个位模式，各个二进制位反映了该设备的各种状态。,主菜单,2.5.4流行的通信媒介,并行通信（parallelcommunication）若干位同时传输，每个位都在自己的线路上；串行通信（serialcommunication）在一条信号线上一个信号接一个信号的传输。,主菜单,2.5.5通信速率,常用的计量单位Bps:BitspersecondKbps:Kilo-bps(1,000bps)Mbps:Mega-bps(1,000,000bps)Gbps:Giga-bps(1,000,000,000bps)带宽（bandwidth）一条通信路径的传输速率以及所能容纳的信息。,主菜单,2.6其它体系结构,流水线一个机器周期内各步骤重叠进行。多处理器计算机SISD：单指令流单数据流MIMD：多指令流多数据流SIMD：单指令流多数据流,主菜单,2.6.1流水线,吞吐量：机器在给定时间内可以完成的工作总量流水线技术：在不要求提高执行速度的前提下，增加计算机吞吐量的一个例子,主菜单,2.6.2多处理器计算机,多处理器体系结构的一个变体是将多个处理器连接起来，使得它们一起执行同一个指令序列，每个处理器都有各自的数据集。,主菜单,巩固练习,（1