《计算机系统结构教程》电子教案第2章.ppt

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1、第2章计算机系统结构中央处理器总线结构输入/输出系统通道处理机输入/输出处理机2.1中央处理器在计算机系统中，中央处理器（CPU）是整个计算机的核心，它的性能主要取决于数据处理、传输宽度和时钟频率。随着电子技术的进步，中央处理器发展非常迅猛，从早期的单核运算到现在的多核处理器，同时也使计算机的体系结构发生了很大的变化。2.1.1CPU的组成无论何种类型的CPU计算机系统，一个计算机系统主要由软件和硬件两大部分组成。计算机系统的硬件是指计算机系统中任何电子的、磁性的、光学的和机械的装置，它一般包括运算器、存储器、控制器和I/O部件等几部分。运算器和控制器等又称为中央处理器（CPU），如图2-

2、1所示。1．PentiumCPUPentium采用了与80X86处理器完全不同的结构，Pentium有32位地址总线、64位数据总线，两条流水线（U、V流水线），两个8KB的Cache（8KB代码Cache和8KB数据Cache）。Pentium芯片引脚按其功能分为：时钟、数据总线、地址总线、总线控制、中断、超高速缓存窥视、页面超高速缓存控制、突发就绪、数据出错报告等。Pentium处理器体系上有4个大的突破：①采用了超标量流水线：Pentium有U和V两条指令流水线，每条流水线都有ALU（算术逻辑单元）、地址生成单元、Cache接口，同时可以执行两条整型指令；②独立的数据Cache和指令

3、Cache：Pentium有两个8KB的Cache，一个作为数据Cache，另一个作为指令Cache，每个Cache均通向U和V流水线；③新的浮点单元：浮点单元在80486的基础上做了彻底改进，执行过程分8级流水线，一个时钟周期可完成一个浮点的运算；④分支预测：Pentium的BTB（分支目标缓冲器）动态预测程序分支，保证指令预取不会空置。2．双核处理器双核处理器就基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心，即是将两个物理处理器核心整合入一个内核中。双核架构并不是什么新技术，此前双核心处理器一直是服务器的专利，现在已在桌面计算机中。Intel处理器的双核构架如图1.4所示。2

4、.1.2数据表示计算机中采用的数据类型主要有两类：（1）基本数据类型，包括位、串、整数、实数、字符和布尔量等；（2）结构数据类型，包括向量、数据、字符串、堆栈、队列、记录等。计算机如何存储器中用0和1表示这些数据，即计算机的数据表示。数据类型不同于数据，数据类型除了指一组值的集合外，还定义了可作用于这个集合上的操作集，如一组整数值的集合，连同定义在这个集合上可进行的加减乘除等算术操作，这个整数的集合就是整数数据类型。在选择计算机的数值的表示方式时，需要考虑以下几个因素：（1）要表示的数的类型(小数、整数、实数和复数)；（2）可能遇到的数值范围；（3）数值精确度；（4）数据存储和处理所需要的

5、硬件代价。1.定点数与浮点数计算机处理的数值数据多数带有小数，小数点在计算机中通常有两种表示方法，（1）约定所有数值数据的小数点隐含在某一个固定位置上，称为定点表示法，简称定点数；（2）小数点位置可以浮动，称为浮点表示法，简称浮点数。（1）定点数表示法(Fixed-point)定点格式即约定机器中所有数据的小数点位置是固定不变的。在计算机中通常采用两种简单的约定：将小数点的位置固定在数据的最高位之前，或固定在最低位之后。一般常称前者为定点小数，后者为定点整数。定点小数是纯小数，约定的小数点位置在符号位之后、有效数值部分最高位之前。若数据X的形式为X=X0.X1X2…Xn(其中X0为符号位，

6、X1～Xn是数值的有效部分，也称为尾数，X1为最高有效位)，则在计算机中的表示形式为：定点整数是纯整数，约定的小数点位置在有效数值部分最低位之后。若数据X的形式为X=X0X1X2…Xn(其中X0为符号位，X1～Xn是尾数，Xn为最低有效位)，则在计算机中的表示形式为：（2）浮点数表示法(Floating-pointNumber)任意一个J进制数N，总可以写成：N=JE×M式中M称为数N的尾数，是一个纯小数；E为数N的阶码，是一个整数，J称为比例因子JE的底数。这种表示方法相当于数的小数点位置随比例因子的不同而在一定范围内可自由浮动，称为浮点表示法。浮点表示能扩大数据的表示范围，但浮点机在运

7、算过程中，仍会出现溢出现象。图2-5给出了阶码占3位，尾数占5位(各包括1位符号位)时规格化浮点数的数值表示范围。2.向量数据表示在标量计算机中，由于没有专门的向量数据表示，在计算一个向量(相当于一维数组的计算)时，每取用一个数据元素，都要用到计算该元素的地址。而在向量机中，由于有了向量数据表示，就可以把一个向量用一个位串来表示出来。向量指令就是能够用一条指令对向量的全部元素进行运算的指令。3.自定义数据表示为了减少高级