第2章 计算机系统的结构组成与工作原理要点ppt课件.ppt

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1、第二章计算机系统的结构组成与工作原理2.1计算机系统的基本结构与组成层次模型Hierarchy结构Architecture、组成Organization与实现Realization2.2计算机系统的工作原理冯·诺依曼计算机架构模型机：系统结构、指令集、工作流程2.3计算机体系结构的改革改进：指令集(RISC/CISC)、分层存储器、高速总线/接口改变：多种并行技术：流水线、超标量、多机/核、多线程2.4计算机体系结构分类2.5计算机性能评测字长、存储容量、运算速度2.6习题2021/8/131/50Flynn计算机执行C语言程序实现1+2求和功能生成可执行程序过程分析问题并得到解决

2、方法编写源代码（sum.c，保存在硬盘上)编译、链接得到可执行程序(sum.exe，保存在硬盘上)可执行文件(sum.exe)格式解析数据段（程序中定义的变量）代码段（程序中的可执行语句）计算机执行程序过程可执行程序从硬盘加载到内存（加载方式：操作系统或硬件加载）：变量加载到数据段，可执行语句加载到代码段，并把程序计数器（PC）初始化为代码段的首地址CPU根据当前PC值从内存读取一条指令到CPU内部，并更新PC=PC+N(N为一条指令的长度）分析该指令功能执行该指令功能，然后跳转到步骤b)，直到程序最后一条指令（a）软硬件实现（b）语言功能计算机系统的3种层次结构2.1.1节(1)

3、图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上而下反映了系统求解问题的过程；(2)图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器。微体系结构层（微程序）操作系统层语言处理层（解释、编译）用户程序层（语言编程）系统分析层（数学模型、算法）硬核级数字逻辑层（硬件）指令系统层（机器语言指令）应用语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机操作系统虚拟机机器语言级微程序级寄存器级（硬件）硬件系统：异常处理机构、指令系统、CPU、存储器、I/O及通信子系统系统软件：操作系统、编译器、数据库管理系统、Web浏览器、设备驱动、中断服务程序应用软件计算机系统层次结构（P31、P39）现代计算机是软件、硬件

4、和网络组件的复杂综合体，其基本功能包括信息的存储、处理和交换计算机功能通过软件实现还是硬件实现，取决于所需的速度、灵活性、成本、可靠性、更新频率等因素软件实现：灵活，硬件简单，成本低，但是速度慢硬件实现：速度快，灵活性差，硬件复杂，成本高软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如RISC思想）、软件硬化（如CISC思想）、固件化（如微程序）技术（同三种IP核对照理解）；计算机划分层次的好处（P31）计算机体系结构：是程序员所看到的计算机(机器语言级)的属性，即概念性结构与功能特性计算机组成：从硬件角度关注物理机器的各部件的功能以及各部件的联系。对程序员是透明的。计算机实现：指的是计

5、算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度；系列机2021/8/135/36计算机体系结构、组成与实现1.计算机体系结构是人眼看不见的东西，而计算机组成是人眼可见的2.计算机组成是计算机的外部，是使用人员所关心的系统硬件指标参数；而计算机实现是计算机的内部，是制造人员关心的内容3.相同体系结构(同系列)的计算机具有相同的结构和不同的组成。计算机体系结构1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士Mauchley和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界上第一台数字式电子计算机ENIAC。著名的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼参加了为改进ENIAC而

6、举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。1949年，英国剑桥大学的威尔克斯等人在EDSAC机上实现了冯·诺依曼模式。直至今天冯·诺依曼体系结构依然是绝大多数数字计算机的基础。2021/8/136/50注意：同一体系结构的计算机，不管其组成和实现如何变化，在代码级是完全兼容的。（例如更换相同平台下的CPU型号不需要修改源代码）2021/8/137/267/30计算机组成【例1】①确定是否有乘法指令属于　　　　　　　。②乘法指令是用专门的乘法器实现，还是经加法器用重复的相加和右移操作来实现，属于　　　　　。③乘法器、加法器的物理实现，如器件的选定(器件集成度、类型、数量、价格

7、)及所用微组装技术等，属于计算机体系结构计算机组成计算机实现计算机体系结构、组成及实现区分【例2】①主存容量与编址方式(按位、按字节、按字访问等)的确定属于。②为达到所定性能价格比，主存速度应多快，在逻辑结构上需采用什么措施(如多体交叉存储等)属于。③主存系统的物理实现，如存储器器件的选定、逻辑电路的设计、微组装技术的选定属于。计算机体系结构计算机组成计算机实现功能部件五大部分运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备以存储器为中心信息表示：二进制计算机内部的控制信息