1、李光順李光順 主講主講由具有各類特殊功能由具有各類特殊功能的信息（程序）組成的信息（程序）組成1. 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機的實體，由各計算機的實體，由各種電子元器件組成，種電子元器件組成，如主機、外設等如主機、外設等硬件硬件軟件軟件按任務需要編制成的各種程序按任務需要編制成的各種程序用來管理整個計算機系統(tǒng)用來管理整個計算機系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應用軟件應用軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語言處理程序語言處理程序標準庫程序標準庫程序服務性程序服務性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡軟件網(wǎng)絡軟件軟軟件件信息管理軟件信息管理軟件輔助設計軟件輔助設計軟件文字處理軟件文字處理軟件各種程序包

2、各種程序包 馮馮諾依曼計算機硬件框圖諾依曼計算機硬件框圖存儲器存儲器輸入設備輸入設備運算器運算器控制器控制器輸出設備輸出設備2. 2. 計算機硬件框圖計算機硬件框圖以存儲器為中心的計算機硬件框圖以存儲器為中心的計算機硬件框圖程序程序存儲器存儲器輸出設備輸出設備輸入設備輸入設備運算器運算器控制器控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果計算計算alu主存主存輔存輔存cpu主機主機i/o設備設備硬件硬件cu計算機的主要硬件計算機的主要硬件存儲器存儲器輸入設備輸入設備運算器運算器輸出設備輸出設備控制器控制器存儲體存儲體大樓大樓存儲單元存儲單元 存放一串二進制代碼存放一串二進制代碼 存儲單元存儲單元 存儲元件存儲元件（0

3、/1） 房間房間 床位床位（無人（無人/ / 有人）有人）( (1) )主存儲器主存儲器mdr主存儲器主存儲器存儲體存儲體mar3. .計算機的各主要組成計算機的各主要組成(2) 運算器運算器運算器運算器mqaccalux取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令pcircupcircu取指取指執(zhí)行執(zhí)行pc 存放當前欲執(zhí)行指令的地址，存放當前欲執(zhí)行指令的地址， 具有計數(shù)功能（具有計數(shù)功能（pc）+ + 1 1 pcir 存放當前欲執(zhí)行的指令存放當前欲執(zhí)行的指令訪存訪存訪存訪存完成完成一條一條指令指令( (3) ) 控制器控制器i/oi/o設備設備相應接口相應接口(4) i/o系統(tǒng)系統(tǒng)1. .

4、機器字長機器字長 cpu 一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。221 b = = 256 kb213 b = = 1 kb如如2. .存儲容量存儲容量主存容量主存容量輔存容量輔存容量存儲單元個數(shù)存儲單元個數(shù) 存儲字長存儲字長字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 80 gb如如 mar mdr 容量容量 10 8 16 32存放二進制信息的總位數(shù)存放二進制信息的總位數(shù)1k = 210 1b = 23b1gb = 230b1 k 8位位64 k 32位位3. .運算速度運算速度 mips (million instruction per second)百萬指令百萬指令每秒每秒 執(zhí)行一條指令所需要的平均

5、時鐘周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需要的平均時鐘周期數(shù) cpi (cycle per instruction) cpi (cycle per instruction) 每秒執(zhí)行的浮點操作數(shù)目每秒執(zhí)行的浮點操作數(shù)目 flops flops（floating point operation per floating point operation per secondsecond）或或 mflops (million flops)mflops (million flops)百萬浮點操作每秒百萬浮點操作每秒1946年年 美國美國 eniac1955年退役年退役十進制運算十進制運算18 0001 5001503

6、01 500多個電子管多個電子管多個繼電器多個繼電器千瓦千瓦噸噸平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬動開關和拔插電纜來編程用手工搬動開關和拔插電纜來編程世界上第一臺電子計算機世界上第一臺電子計算機 eniac(1946)第一臺第一臺von neumann 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機ibm system360 1.ibm: bluegene/l - eserver blue gene solution212 992 個個 cpu 最大平均速度最大平均速度 478 200 gflops最快的五臺超級計算機最快的五臺超級計算機（截止到（截止到 2007.11）2. .ibm: j

7、ugene - blue gene/p solution 65 536個個 cpu 最大平均速度最大平均速度 167 300 gflops 最快的五臺超級計算機最快的五臺超級計算機（截止到（截止到 2007.11）3. .sgi: sgi altix ice 820014 336個個 cpu 最大平均速度最大平均速度 126 900 gflops 最快的五臺超級計算機最快的五臺超級計算機（截止到（截止到 2007.11）4. hp : eka - cluster platform 3000 bl460c14 240個個 cpu 最大平均速度最大平均速度 117 900 gflops最快的五臺超

8、級計算機最快的五臺超級計算機（截止到（截止到 2007.11）最快的五臺超級計算機最快的五臺超級計算機（截止到（截止到 2007.11）5. hp : cluster platform 3000 bl460c13 728個個 cpu 最大平均速度最大平均速度 102 800 gflopsmoore 定律定律intel 公司的締造者之一公司的締造者之一 gordon moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶體管數(shù)目每三年翻兩番晶體管數(shù)目每三年翻兩番1. 什么是總線什么是總線總線是連接各個部件的信息傳輸線，總線是連接各個部件的信息傳輸線，是是 各個部件共享的傳輸介質(zhì)各個部件共享的傳輸介

9、質(zhì)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線控制總線控制總線雙向雙向 與機器字長、存儲字長有關與機器字長、存儲字長有關單向單向 與存儲地址、與存儲地址、 i/o地址有關地址有關有出有出 有入有入計算機各部件之間計算機各部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線存儲器讀、存儲器寫存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認總線允許、中斷確認中斷請求、總線請求中斷請求、總線請求2. . 總線分類總線分類總線標準總線標準數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線總線時鐘總線時鐘帶寬帶寬isa168 mhz （獨立）（獨立）16 mbpseisa328 mhz （獨立）（獨立）33 mbpsvesa(vl-bus)326433 mhz （c

10、pu）133 mbpspci326433 mhz（獨立）（獨立）66 mhz（獨立）（獨立）132 mbps528 mbpsagp3266.7 mhz（獨立）（獨立）133 mhz（獨立）（獨立）266 mbps533 mbpsrs-232串行通信串行通信總線標準總線標準數(shù)據(jù)終端設備（計算機）和數(shù)據(jù)通信設備數(shù)據(jù)終端設備（計算機）和數(shù)據(jù)通信設備（調(diào)制解調(diào)器）之間的標準接口（調(diào)制解調(diào)器）之間的標準接口usb串行接口串行接口總線標準總線標準普通無屏蔽雙絞線普通無屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高最高1.5 mbps (usb1.0)12 mbps (usb1.0)480 mbps (usb2.0

11、) 3. 總線標準總線標準波特率波特率：單位時間內(nèi)傳送的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，：單位時間內(nèi)傳送的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位用單位用bps表示。表示。比特率比特率：單位時間內(nèi)傳送的二進制：單位時間內(nèi)傳送的二進制有效數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)的的位數(shù)，單位用位數(shù)，單位用bps表示。表示。磁盤、磁帶、光盤磁盤、磁帶、光盤 高速緩沖存儲器（高速緩沖存儲器（cache）flash memory存存儲儲器器主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器mrompromepromeepromramrom靜態(tài)靜態(tài) ram動態(tài)動態(tài) ram1. 按在計算機中的作用分類按在計算機中的作用分類緩存緩存cpu主存主存輔存輔存2. 緩存緩存 主存層次和

12、主存主存層次和主存 輔存層次輔存層次緩存緩存主存主存輔存輔存主存主存虛擬存儲器虛擬存儲器10 ns20 ns200 nsms虛地址虛地址邏輯地址邏輯地址實地址實地址物理地址物理地址主存儲器主存儲器（速度）（速度）（容量）（容量）程序訪問的局部性原理程序訪問的局部性原理cache cache 的命中率的命中率 cpu cpu 欲訪問的信息在欲訪問的信息在 cache cache 中的中的 比率。比率。 cache 的的 命中率命中率 與與 cache 的的 容量容量 、 塊長、塊長、程序本身和替換策略程序本身和替換策略等有關。等有關。磁盤磁盤磁磁盤盤組組主軸主軸磁頭磁頭音圈音圈電機電機位置檢測位

13、置檢測定位驅(qū)動定位驅(qū)動模擬控制模擬控制放放大大閉環(huán)自動控制系統(tǒng)閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由磁盤控制由磁盤控制器送來的目器送來的目標磁道信號標磁道信號測測速速輸輸出出讀寫臂讀寫臂傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)主軸主軸定位驅(qū)動定位驅(qū)動數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)控制程序查詢方式程序查詢方式程序中斷方式程序中斷方式dma方式方式i/o通道方式通道方式i/o處理機方式處理機方式i/o設備與主機信息傳送的控制方式設備與主機信息傳送的控制方式1. 數(shù)制與進位計數(shù)法數(shù)制與進位計數(shù)法符號符號:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,a,b,c,d,e,f:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,a,b,c,d,e,f（1）無符號數(shù)）無符號數(shù)用二進制

14、表示用二進制表示反映無符號數(shù)的表示范圍反映無符號數(shù)的表示范圍 8 位位 0 255（2）有符號數(shù)）有符號數(shù)原碼原碼反碼反碼補碼補碼移碼移碼n = srj浮點數(shù)的一般形式浮點數(shù)的一般形式s 尾數(shù)尾數(shù)j 階碼階碼r 基數(shù)（基值）基數(shù)（基值）浮點數(shù)的表示形式浮點數(shù)的表示形式sf 代表浮點數(shù)的符號代表浮點數(shù)的符號n 其位數(shù)反映浮點數(shù)的精度其位數(shù)反映浮點數(shù)的精度m 其位數(shù)反映浮點數(shù)的表示范圍其位數(shù)反映浮點數(shù)的表示范圍jf 和和 m 共同表示小數(shù)點的實際位置共同表示小數(shù)點的實際位置jf j1 j2 jm sf s1 s2 sn j 階碼階碼s 尾數(shù)尾數(shù)階符階符數(shù)符數(shù)符階碼的階碼的數(shù)值部分數(shù)值部分尾數(shù)的數(shù)值

15、部分尾數(shù)的數(shù)值部分小數(shù)點位置小數(shù)點位置ieee 754 標準標準短實數(shù)短實數(shù)長實數(shù)長實數(shù)臨時實數(shù)臨時實數(shù)符號位符號位 s 階碼階碼 尾數(shù)尾數(shù) 總位數(shù)總位數(shù)1 8 23 321 11 52 641 15 64 80s 階碼（含階符）階碼（含階符） 尾尾 數(shù)數(shù)數(shù)符數(shù)符小數(shù)點位置小數(shù)點位置尾數(shù)為規(guī)格化表示尾數(shù)為規(guī)格化表示非非 “0” 的有效位最高位為的有效位最高位為 “1”（隱含）（隱含）（1） 移位運算移位運算算術移位和邏輯移位算術移位和邏輯移位（2） 補碼加減運算補碼加減運算溢出判斷溢出判斷（3）原碼和補碼的乘法運算）原碼和補碼的乘法運算（4）原碼和補碼的除法運算）原碼和補碼的除法運算浮點加減運

16、算浮點加減運算浮點乘除運算浮點乘除運算1.1. 指令的尋址方式指令的尋址方式2. 2. 指令系統(tǒng)的設計指令系統(tǒng)的設計取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結(jié)果的輸出控制程序輸入及結(jié)果的輸出總線管理總線管理處理異常情況和特殊請求處理異常情況和特殊請求1. 控制器的功能控制器的功能2. 運算器的功能運算器的功能實現(xiàn)算術運算和邏輯運算實現(xiàn)算術運算和邏輯運算指令控制指令控制操作控制操作控制時間控制時間控制數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工處理中斷處理中斷2. cpu 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)pc ir指令控制指令控制操作控制操作控制時間控制時間控制數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工處理中斷處理中斷

17、alu 寄存器寄存器中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)cu 時序電路時序電路寄存器寄存器alu 中斷中斷 系統(tǒng)系統(tǒng)cucpu控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線完成一條指令分完成一條指令分 4 個工作周期個工作周期取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期10.1 組合邏輯設計組合邏輯設計10.2 微程序設計微程序設計組合邏輯設計步驟組合邏輯設計步驟1. 列出操作時間表列出操作時間表t2t1t0 fe取指取指 jmpldastaaddcomcla微操作命令信號微操作命令信號狀態(tài)狀態(tài)條件條件節(jié)拍節(jié)拍工作工作周期周期標記標記pc mar1 rm(mar) mdr ( pc ) +1

18、 pcmdr irop( ir ) id1 ind1 exii11111111111111111111111111111111111111111111112. 寫出微操作命令的最簡表達式寫出微操作命令的最簡表達式= fe t1 + ind t1 ( add + sta + lda + jmp + ban ) + ex t1 ( add +lda )m ( mar ) mdr= t1 fe + ind ( add + sta + lda + jmp + ban ) + ex ( add +lda ) 3. 畫出邏輯圖畫出邏輯圖特點特點 思路清晰，簡單明了思路清晰，簡單明了 龐雜，調(diào)試困難，修改困難龐雜，調(diào)試困難，修改困難 速度快速度快&11&1feindexldaaddjmpbanstat1m ( mar) mdr（risc）&