第2章 计算机体系结构

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1、第2章计算机体系结构计算机科学概论学习目标了解计算机系统的层次结构理解计算机体系结构基本概念描述冯∙诺依曼机原理和体系结构理解指令和指令集概念，了解CISC和RISC结构原理理解流水线技术的原理了解并行处理和多处理器体系结构掌握计算机软件的总体层次分类123学习内容计算机系统的多级层次结构体系结构的基本概念冯∙诺依曼结构和哈佛结构处理器体系结构计算机软件系统45学习重点熟悉冯∙诺依曼机原理和体系结构掌握现代计算机处理器体系结构第一节计算机系统的多级层次结构1计算机系统的多级层次结构计算机是一个复杂的系统，是由硬件

2、和软件结合而成的有机整体，如同一切复杂的自然系统和人为系统一样，计算机内部也存在多级的层次结构。这种多层次结构是人们对于计算机一种深入的、本质的认识和应用，他是随着计算机的发展而逐步建立起来的。1计算机系统的多级层次结构虚拟机(VirtualMachine)：虚拟机（VM）是支持多操作系统并行运行在单个物理服务器上的一种系统，能够提供更加有效的底层硬件使用。在虚拟机中，中央处理器芯片从系统其它部分划分出一段存储区域，操作系统和应用程序运行在“保护模式”环境下。如果在某虚拟机中出现程序冻结现象，这并不会影响运行在虚

3、拟机外的程序操作和操作系统的正常工作1计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次：机器语言机器中间语言机器（汇编语言）高级语言机器Pascal语言C语言Java语言BASIC语言等无操作系统的划分方法1计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次：机器语言机器操作系统语言机器中间语言机器（汇编语言）高级语言机器用户程序机器有操作系统的划分方法1计算机系统的多级层次结构计算机的多级层次结构示意图1计算机系统的多级层次结构翻译高级语言的主要方法：1编译法：给计算机高级语言编制一套用机器语言编写的编译程序，它先把源程

4、序全部翻译成目的程序，再提供给机器执行。执行过程:典型语言：Pascal、C编译程序(机器语言)高级语言程序编译成目的程序生成执行程序1计算机系统的多级层次结构翻译高级语言的主要方法：2解释法：与编译法不同，它不是先把源程序全部编译为目的程序后再执行，而是把程序的语句逐条翻译成为目的程序并且立即逐条执行。即解释一条执行一条高级语言程序目的程序(逐条翻译)生成执行程序执行过程:典型语言：BASIC1计算机系统的多级层次结构计算机多级层次结构要解决的基本问题:(1)计算机系统的理解问题；(2)计算机功能扩展问题。第二

5、节体系结构基本概念2体系结构的基本概念计算机体系结构经典的“计算机体系结构”1964年C.M.Amdahl在介绍IBM360系统时提出的计算机组成计算机体系结构的逻辑实现计算机实现计算机组成的物理实现2体系结构的基本概念－计算机体系结构计算机系统的属性硬件子系统的结构概念及其功能特性主要特点：不同级别的计算机使用者所看到的计算机具有不同的体系结构2体系结构的基本概念－计算机组成（computerorganization）依据计算机体系结构确定并且分配了硬件系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组

6、成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性相应的软件系统实现指令的控制功能2体系结构的基本概念主要特点：相同的计算机体系结构所要求的功能，可以有多种不同的计算机组成设计方案——系列机相关产品：国际商用机器公司（IBM）的IBM370系列历史上出现的一些典型的系列机IBM370系列计算机2体系结构的基本概念2.另外，同一种计算机组成可以有多种物理实现典型实例—兼容机：软件兼容，同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样兼容机，不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机称

7、为兼容机一些典型的兼容机2体系结构的基本概念—计算机实现（computerimplementation）计算机实现，是计算机组成的物理实现。包括中央处理机、主存储器、输入输出接口和设备的物理结构，所选用的半导体器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分，电源、冷却、装配等技术，生产工艺和系统调试等各种问题，一句话，就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机，也就是把满足设计和运行、价格等各项要求的计算机系统真正地制作并调试出来。2体系结构的基本概念几个基本概念间的关系体系结构、计算机组成、计算机实

8、现计算机体系结构诊断计算机组成操作系统指令系统应用程序计算机实现由图示可见，体系结构在整个计算机系统中占据核心地位第三节冯∙诺依曼结构和哈佛结构3冯∙诺依曼结构和哈佛结构冯∙诺依曼结构3冯∙诺依曼结构和哈佛结构—冯∙诺依曼理论冯∙诺依曼理论的思想是：应该把程序和数据一起存储在存储器里，让计算机自己负责从存储器里提取指令，执行指令，循环式地执行这两个动作。这样，计算机在执行