5计算机科学导论第五章计算机组成.pptx

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1、12q列出计算机的三个子系统列出计算机的三个子系统.q描述中央处理单元（描述中央处理单元（CPU）的作用）的作用.q描述典型计算机中指令周期的三个阶段描述典型计算机中指令周期的三个阶段.q描述主存和它的地址空间描述主存和它的地址空间.q区分主存和缓存区分主存和缓存.q定义输入定义输入/输出子系统输出子系统.q理解子系统间的相互连接，列出各总线系统理解子系统间的相互连接，列出各总线系统.q描述输入描述输入/输出编址的不同方法输出编址的不同方法.q区分设计计算机体系结构的两种主要趋势区分设计计算机体系结构的两种主要趋势.q理解计算机如何使用官道改善吞吐量理解计算机如何使用官道改善吞吐量.q理解并行

2、处理是如何改善计算机吞吐量的理解并行处理是如何改善计算机吞吐量的.3计算机的组成部件可分为三大类计算机的组成部件可分为三大类：中央处理单元（中央处理单元（CPU）、存储器存储器和和输入输出子系统输入输出子系统Figure 5.1 计算机硬件（子系统）计算机硬件（子系统）4中央处理单元中央处理单元用于数据的运算。它由三个部分组成：用于数据的运算。它由三个部分组成：算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）、控制单元控制单元和和寄存器组寄存器组。55.2.1 算术逻辑单元算术逻辑单元算术算术运算运算算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）对数据进行）对数据进行算术、移位算术、移位和和逻辑逻辑运算。运算。移位

3、运算移位运算逻辑逻辑运算运算整数、实数在算术层面的运算，有些运算能被更高效的硬件整数、实数在算术层面的运算，有些运算能被更高效的硬件实现。实现。逻辑移位：用来对二进制位模式进行移位。逻辑移位：用来对二进制位模式进行移位。算术移位：应用于整数，用于对整数乘算术移位：应用于整数，用于对整数乘2或除或除2。非、与、或和异或。这些运算把输入数据作为二进制模式，非、与、或和异或。这些运算把输入数据作为二进制模式，运算的结果也是二进制位模式运算的结果也是二进制位模式65.2.2 寄存器（组）寄存器（组）寄存器是用来存放临时数据的寄存器是用来存放临时数据的高速高速独立的存储单元。独立的存储单元。CPU的的运

4、算离不开大量寄存器的使用。运算离不开大量寄存器的使用。指令寄存器（指令寄存器（IR，Instruction Register）程序计数器（程序计数器（PC，Program Counter）计算机存储的不仅有数据，还有程序。计算机存储的不仅有数据，还有程序。CPU从内存中取出指从内存中取出指令，并将指令存储在指令寄存器中，以便令，并将指令存储在指令寄存器中，以便CPU解释执行。解释执行。程序计数器保存着当前正在执行的指令的地址，当指令执行程序计数器保存着当前正在执行的指令的地址，当指令执行完毕后，计数器将加完毕后，计数器将加1，即移动到下一条指令所在的地址。，即移动到下一条指令所在的地址。75-

5、3 主存储器主存储器 MAIN MEMORY 主存储器（主存）是计算机内第二个子系统，它是存主存储器（主存）是计算机内第二个子系统，它是存储单元的集合，每个存储单元都有唯一的标识，称为储单元的集合，每个存储单元都有唯一的标识，称为地址地址。数据以。数据以字字的形式在内存中传入或传出。字可以的形式在内存中传入或传出。字可以是是8位、位、16位、位、32位甚至位甚至64位，称为位，称为字长字长。Figure 5.3 主存储器主存储器85.3.1 地址空间地址空间在存储器中存取每个在存储器中存取每个字字都需要相应的标识符，在硬件都需要相应的标识符，在硬件层次上每个字都是通过地址来标识，在存储器内所有

6、层次上每个字都是通过地址来标识，在存储器内所有独立的地址单元的总数称为独立的地址单元的总数称为地址空间地址空间。9Example 5.1一台计算机有一台计算机有32MB内存，需要多少位来寻址内存内存，需要多少位来寻址内存中任意一字节？中任意一字节？Example 5.2一台计算机有一台计算机有128MB内存，计算机字长为内存，计算机字长为64位，需位，需要多少位来寻址内存中任意一个单字？要多少位来寻址内存中任意一个单字？105.3.2 存储器类型存储器类型存储器主要分为两种类型：存储器主要分为两种类型：RAM和和ROM。RAM（Random Access Memory）随机存取存储器。在此设备

7、中，可以使用存储单元地址来随机存取存储器。在此设备中，可以使用存储单元地址来随随机存取机存取一个数据项，而不需要存取位于它前面的所有数据项一个数据项，而不需要存取位于它前面的所有数据项。RAM可以读写，具有易失性，当系统断电后数据丢失。可以读写，具有易失性，当系统断电后数据丢失。RAM又分为两大技术：又分为两大技术：（1）SRAM，Static RAM静态静态RAM，使用触发器门电路来保存数据，数据始终存在，使用触发器门电路来保存数据，数据始终存在，不需要刷新，速度快，价格昂贵（高速缓存）。不需要刷新，速度快，价格昂贵（高速缓存）。（2）DRAM，Dynamic RAM动态动态RAM，使用电容

8、器，由于电容会随时间放电，所以内存，使用电容器，由于电容会随时间放电，所以内存单元需要周期性刷新，速度慢，价格便宜单元需要周期性刷新，速度慢，价格便宜11ROM（Read-Only Memory）只读存储器只读存储器的内容由硬件制造商写入（如固件），用户只能的内容由硬件制造商写入（如固件），用户只能读取但不能写入，具有非易失性。读取但不能写入，具有非易失性。PROM（Programmable ROM）可编程只读存储器可编程只读存储器，该存储器出厂时为空白，可以借助特殊，该存储器出厂时为空白，可以借助特殊设备向存储器写入程序，一旦写入便不可重写。设备向存储器写入程序，一旦写入便不可重写。EPRO

9、M（Erasable PROM）可擦除可编程只读存储器可擦除可编程只读存储器，可以对其进行编程，需要一种可，可以对其进行编程，需要一种可以发出紫外光的特殊仪器进行擦写，需要擦除后重装。以发出紫外光的特殊仪器进行擦写，需要擦除后重装。EEPROM（Electricity EPROM）电可擦除可编程只读存储器电可擦除可编程只读存储器，它的擦除和编程用电子脉冲即，它的擦除和编程用电子脉冲即可，无须从计算机拆下来。可，无须从计算机拆下来。125.3.3 存储器层次结构存储器层次结构Figure 5.4 存储器层次存储器层次135.3.4 高速缓冲存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器的存取速度比主存快，但

10、是比高速缓冲存储器的存取速度比主存快，但是比CPU内部的寄存器慢。内部的寄存器慢。缓存（缓存（Cache）程序指令和数据在内存中往往是连续的，并且有些指令和数据程序指令和数据在内存中往往是连续的，并且有些指令和数据需要重复使用。需要重复使用。引入缓存，使缓存中存储引入缓存，使缓存中存储CPU经常用到的指令或数据经常用到的指令或数据14高速缓冲存储器在任何时间都含有主存中一部分内高速缓冲存储器在任何时间都含有主存中一部分内容的副本，当容的副本，当CPU要存取内存中的一个要存取内存中的一个字字的时候，的时候，按照一下步骤进行：按照一下步骤进行：（1）CPU首先检查高速缓冲存储器；首先检查高速缓冲存

11、储器；（2）如果要存取的字存在，则）如果要存取的字存在，则CPU将它复制；如将它复制；如果不存在，果不存在，CPU将从主存中复制一份需要读取的字将从主存中复制一份需要读取的字开始的开始的数据块数据块，该数据块将覆盖高速缓存中的内容。，该数据块将覆盖高速缓存中的内容。（3）CPU存取高速缓冲存储器并复制该字。存取高速缓冲存储器并复制该字。原理：读取时，如果该字在缓存内，则直接读取；如原理：读取时，如果该字在缓存内，则直接读取；如果不在，则字和字果不在，则字和字后续的一些数据块后续的一些数据块会被写入缓存，会被写入缓存，因为因为CPU有很大的可能性在下次读取时读取该有很大的可能性在下次读取时读取该

12、字字或或后续字后续字，所以高速缓存会大大提高处理速度。，所以高速缓存会大大提高处理速度。155-4 输入输入/输出子系统输出子系统 I/O Subsystem输入输入/输出子系统是计算机内第三个子系统，它是一输出子系统是计算机内第三个子系统，它是一系列设备的集合。输入系列设备的集合。输入/输出设备可以分为两大类：输出设备可以分为两大类：非存储设备非存储设备和和存储设备存储设备。5.4.1 非存储设备非存储设备非存储设备使非存储设备使CPU可以与外界通信，但它们可以与外界通信，但它们不能存不能存储信息储信息。如键盘和监视器、扫描仪和打印机等。如键盘和监视器、扫描仪和打印机等。165.4.2 存储

13、设备存储设备存储设备的存储信息不易丢失，通常分为存储设备的存储信息不易丢失，通常分为磁介质磁介质和和光光介质介质两种。两种。磁介质存储设备磁介质存储设备（1）磁盘）磁盘磁盘由若干张磁片组磁盘由若干张磁片组成，每个磁片均有磁成，每个磁片均有磁头进行数据的读写。头进行数据的读写。磁盘是磁盘是随机存取设备随机存取设备17磁介质存储设备磁介质存储设备（2）磁带）磁带磁带常见的是用一种磁带常见的是用一种厚磁膜封装的半英寸厚磁膜封装的半英寸塑料磁带。塑料磁带。磁带磁带是是顺序顺序存取设备存取设备，没有，没有寻址装置寻址装置来读来读取任意块。取任意块。18光存储设备光存储设备光存储设备使用光存储设备使用激光

14、技术激光技术来存储来存储和读取数据。和读取数据。CD技术稍作改技术稍作改进后用于存储计进后用于存储计算机上的信息。算机上的信息。（1）CD-ROM（只读光盘（只读光盘） P7019光存储设备光存储设备（2）CD-R（可刻录光盘）（可刻录光盘） 允许用户一次写入，多次读取。允许用户一次写入，多次读取。P71Figure 5.10 制作制作CD-R20光存储设备光存储设备（3）CD-RW（可重写光盘）（可重写光盘） 允许用户擦除已写入的数据。允许用户擦除已写入的数据。P72Figure 5.11 制作制作CD-RW215-5 子系统的互连子系统的互连 Subsystem Interconnecti

15、on5.5.1 CPU和存储器的连接和存储器的连接通常由称为通常由称为总线总线的三组线路连接在一起，分别是：的三组线路连接在一起，分别是：数据总线数据总线、地址总线地址总线和和控制总线控制总线。Figure 5.12 总线总线22数据总线数据总线数据总线每根线传输数据总线每根线传输1位数据，线的数量取决于位数据，线的数量取决于计计算机字长算机字长。地址总线地址总线地址总线允许访问存储器的某个字，线的数量取决地址总线允许访问存储器的某个字，线的数量取决于于存储器空间大小存储器空间大小。控制总线控制总线控制总线负责在控制总线负责在CPU与内存之间传送信息，线的数与内存之间传送信息，线的数量取决于量

16、取决于计算机控制命令的数量计算机控制命令的数量。235.5.2 I/O设备的连接设备的连接I/O设备差异导致无法直接与系统总线相连，所以需设备差异导致无法直接与系统总线相连，所以需要要一一种中介来处理这种差异：种中介来处理这种差异：I/O控制器控制器或或接口接口。控制器或接口又分为控制器或接口又分为串行串行和和并行并行。Figure 5.12 I/O设备与总线的连接设备与总线的连接24USB（通用串行总线）（通用串行总线）USB使用使用4根线，两根线（根线，两根线（+5V和地）用于为低压和地）用于为低压设备供电，另外两根以双绞的形式传送数据等信息设备供电，另外两根以双绞的形式传送数据等信息。255.5.3 I/O设备的寻址设备的寻址在在此此种模式下，读写内存的指令与读写种模式下，读写内存的指令与读写I/O设备的指设备的指令是令是完全不同完全不同的。的。I/O独立寻址独立寻址Figure 5.12 I/O独立寻址独立寻址26在在此此种模式下，操作内存与种模式下，操作内存与I/O设备使用的是同一套设备使用的是同一套指令。该模式将指令。该模式将I/O控制器中每个寄存器都看作存储控制器中每个寄