1、计算机基础知识,主讲：毛建,一.现代计算机的组成：,计算机系统,硬件系统,软件系统,CPU,内存储器（主存储器）,运算器,控制器,主机,外部设备,输入设备,输出设备,外存储器（辅助存储器）,系统软件,应用软件,中央处理器（CPU)集成了运算器和控制器 输入设备和输出设备（I/O设备)输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等输出设备：显示器、打印机、扬声器等存储器内部存储器：ROM、RAM(SRAM、DRAM)外部存储器：硬盘驱动器、软盘驱动器、CD-ROM DVD-ROM/RAM、磁带机等,1.现代计算机的硬件组件：,计算机组成框图,2.计算机硬件的典型结构,单总线结构：即用一组系统总线将计算机
2、系统的各部件连接起来，各部件之间通过总线交换信息。 双总线：除了系统总线外，在主存和CPU之间设置一组专用高速存储总线。 采用通道的大型系统结构,单总线,单总线（系统总线）,CPU,MM,I/O接口,I/O设备1,I/O接口,I/O设备2,I/O接口,I/O设备n,以cpu为中心的双总线,输入/输出总线,CPU,MM,I/O接口,I/O设备1,I/O接口,I/O设备2,I/O接口,I/O设备n,存储总线,以存储器为中心的双总线,单总线（系统总线）,CPU,MM,I/O接口,I/O设备1,I/O接口,I/O设备2,I/O接口,I/O设备n,存储,总线,3 计算机软件系统,操作系统,系统软件,应用
3、软件,语言处理程序,数据库管理系统,服务程序,3.1 系统软件,操作系统 存储管理：内存管理和外存管理 进程管理：对处理机进行管理。为提高cpu利用率，采用多道程序技术 设备管理：对输入、输出设备管理。提交驱动和控制程序 文件管理：有效组织存储、保护文件、方便调用 作业管理：作业提交、组织、调度作业 作业：指用户在一次算题过程中要求计算机系统所作工作的集合,操作系统分类,批处理操作系统 把一批作业组织成作业流输入计算机系统。用户不在干预，计算机自动运行。不便调试。 分时操作系统 计算机分时轮流为各终端用户服务，并能及时响应用户请求 实时操作系统 分为实时控制系统和实时信息处理系统 网络操作系统
4、 具有网络通信管理模块，提供各种网络服务和远程通信服务,系统软件,数据库管理系统 由数据库DBMS组成 服务程序或叫实用程序（Utility） 帮助用户使用和维护计算机而编制的程序 语言处理程序 对程序设计语言进行编译处理的程序 应用软件,3.2 计算机语言及其编译,机器语言(000 001 010) 汇编语言(ADD R1, R2) 高级语言(A=A+B) 4GL语言,程序设计语言的编译,高级语言 程序,机器语言目标程序,可执行 程序,编译程序,连接程序,（a）,高级语言 程序,汇编语言 源程序,机器语言目标程序,可执行 程序,编译程序,汇编程序,连接程序,（b）,可执行 程序,计算结果,原
5、始数据,解释程序作用下代码的执行,高级语言源 程序,计算结果,解释程序,原始数据,一、中央处理器的功能当用计算机解决某个问题时，我们首先必须为它编写程序。一旦把程序装入内存，就可以由计算机来自动完成取出指令和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的计算机部件称为中央处理器，通常简称CPU。CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的功能：1、指令控制程序的顺序控制，称为指令控制。保证机器按顺序执行程序。2、操作控制管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作 信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。,3.3 CPU中央处理器,3、时间控制对各种操作实施时
6、间上的定时，称为时间控制。 4、数据加工所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理是CPU的根本任务。 二、CPU的基本组成 传统CPU的组成：运算器、控制器。（在诺曼机的定义中） 现代的CPU的基本部分有：运算器、Cache和控制器。控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控制器的主要功能有：,运算器的组成：算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器。运算器的主要功能： 1、 执行所有的算术运算。 2、 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。 这
7、一章的主要内容是对控制器的讲解。,1、从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。,2、对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。,3、指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。,三、CPU中的主要寄存器 1、缓冲寄存器（DR）,缓冲寄存器用来暂时存放由内存读出的一条指令或一个数据字；反之，当向内存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在缓冲寄存器中。,2、指令寄存器（IR）,用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器，然后再传送至指令寄存器。,3、程序计数器（PC）,在程序开始执行前，程序的第一条指令所
8、在的内存单元地址送入PC，当执行指令时，CPU自动修改PC的内容（通常情况下PC加1，保证程序的顺序执行，但当遇到转移指令时，PC内容将从指令寄存器中的地址字段取得）。,4、地址寄存器（AR）,用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。由于在内存和CPU之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读/写操作完成为止。,5、累加寄存器（AC）,暂时存放ALU运算的结果。,四、控制器的组成1、程序计数器PC2、指令寄存器IR3、指令执行步骤标记线路： 指明每条指令的执行步骤4、控制信号保存或形成线路：给出计算机各功能部件部件协同运行所需要的控制信号。 五、控制器分类
9、按控制器的实现方案，控制器可分为： 1、硬布线控制器：采用组合逻辑技术来实现的2、微程序控制器：采用存储逻辑来实现的,6、状态条件寄存器（PSW）,保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，如CZVS。,时序控制 信号 形成部件,译码,IR,PC,输出 设备,输入 设备,主 存,运算器 部件,节拍,启停,地址寄存器械,地址总线,控制总线,.,控制条件,控制器信号,主振,硬布线 方案的 控制器,控制 存储器,映射,IR,PC,输出 设备,输入 设备,主 存,运算器 部件,下地址,启停,地址寄存器械,.,控制条件,微指令寄存器,主振,微程序 方案的 控制器,冯.诺依曼(Von
10、Neumenn)计算机现代型计算机的先驱冯.诺依曼 于20世纪40 年代末研制了EDVAC计算机。提出了程序存储的概念。提出计算机有运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备五个部分组成。,冯.诺依曼计算机结构特点： (1)计算机以运算器为中心 (2)存储器是字长固定的，顺序线性编址的一维结构； (3)指令由操作数和地址码组成： (4)数据和指令均用二进制表示，并无区别的存放在存储器中。 (5)指令是顺序执行的，程序分支由转移指令执行,2计算机系统结构的基本概念：,典型冯.诺依曼计算机结构,现代计算机体系架构,(1)由串行改进为并行，出现了向量计算机、并行计算机、多处理机等。 (2)缩小了高级
11、语言和机器语言的语义差距。 (3)硬件子系统和操作系统和数据库管理系统相适应。 (4)计算机体系结构从传统指令驱动改为数据驱动和需求驱动。 (5)为了提高可靠性而研制出了容错计算机 (6)为了适应特定环境，出现了专用计算机 (7)计算机系统功能分散化、专业化，出现了各种功能分布计算机。 (8)出现了处理非数值信息的智能计算机,计算机体系结构的分类,1.Flynn分类法 1966年Flynn提出如下定义： 指令流：机器执行的指令序列 数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果 多倍性：在系统最受限制的部件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数 单指令流单数据流SISD 单指
12、令流多数据流SIMD 多指令流单数据流MISD 多指令流多数据流MIMD,计算机体系结构的分类,2.冯氏分类法 1972年冯泽云提出用最大并行度对计算机体系结构分类。 最大并行度：字计算机系统在单位时间能够处理的最大的二进制位数。Pm=MN 字串行、位串行WSBS N=1,M=1 字并行、位串行WPBS N=1,M1 字串行、位并行WSBP N1,M=1 字并行、位并行WPBP N1,M1,3. 指令系统,指令系统是计算机所有指令的集合。程序员用各种语言编写的程序都有翻译成以指令形式表示的机器语言后才能运行，所以指令系统反映了计算机的基本功能，是硬件设计人员和程序员都能看到的机器的主要属性。,
13、指令格式,1.地址码： 四地址指令、三地址指令、二地址指令、一地址指令、零地址指令 2.操作码 定长操作码 扩展操作码,寻址方式,1.操作数存放： CPU ：寄存器 主存储器：按字节编码、按字编码 堆栈：先入先出(LIFO)，SP堆栈指针寄 存奇（CPU） 外存：按文件名，需驱动器号、磁头号 扇区号等，使用命令，不用指令 外围设备：按外围接口中相关寄存器完 成I/O操作。统一编址、独立编址,常见寻址方式,指令寻址方式 1.顺序寻址：由PC指定 2.转移寻址：应用于转移指令，修改PC 操作数寻址 1.立即寻址：指令的地址码就是操作数 2.直接寻址：指令的地址码直接给出操作 数地址,复杂指令系统,
14、复杂指令系统（CISC）：随着硬件成本的不断下降，软件成本的不断提高，使得人们热衷于在指令系统中增加更多的指令和复杂的指令，来提高操作系统的效率，并尽量缩短指令系统与高级语言的语义差别，以便高级语言的编译和降低软件成本，同时为了保证程序兼容，新的计算机的指令系统只能增加而不能减少，所以就使得指令系统越来越来复杂！,精简指令系统,精简指令系统（RISC）：通过简化指令使计算机的结构更加简单合理，从而提高运算速度，特点： 1、优先选取使用频率最高的一些简单指令2、指令长度固定，指令格式种类少3只有取/存数访问存储器，其余指令的操作都在寄 存器之间进行！4CPU中通用寄存器数量相当多。5. 以硬布线
15、控制逻辑为主好处：1、简化指令系统设计2、提高机器的执行速度和效率3、降低设计成本！提高系统可靠性4、可直接支持高级语言的实现，简化编译程序的设计不足：1、指令少，占用存储空间多，加大了指令的信息流量2、对浮点和虚拟存储器的支持有待加强3、机器编译程序比CISC难写,4. 存储器,存储器主要用于存放计算机的程序和数据，存储器系统指的是存储器硬件设备以及管理该存储器的软、硬件设备。对存储器的基本要求是增大容量、提高速度、降低价格。单一的存储器硬件（主存储器）难以满足要求。所以就提出了多层次的存储体系结构（即：寄存器-Cache-主存外存）,存储器的组成,地址寄存器,CPU,有关部件,地址译码驱动
16、电路,存储体,读写电路,数据寄存器,控制逻辑,启动,读/写,存储器的工作原理,1.读出操作：CPU将要访问的存储单元地址经地址总线送到地址寄存器，在经地址译码驱动电路选中钥访问的存储单元。同时CPU经控制总线向主存发出“读”命令。当主存受到地址和“读”命令后，读出电路将被选单元的内容，经数据总线送往数据寄存器，然后向CPU反馈信息，表示“读”操作已完成,存储器的工作原理,2.写入操作： CPU将要访问的存储单元地址经地址总线送到地址寄存器，同时，将要写入的数据送到数据寄存器。CPU经控制总线向主存发出“写”命令。当主存收到地址和“写”命令后，写入电路将数据总线送来的数据写入被选中的单元，然后向
17、CPU反馈信息，表示“写”操作已完成,4.1 主存储器,在计算机中存放当前正在执行的程序以及被程序所使用的数据（包括运算结果）原存储器称为主存储器。 主存储器的技术指标 1.存储器的容量存储器容量是指存放二进制信息的总量，通常以字节为单位。其最大容量受计算机字长所限制，如现在32位的微机，最大的内存极限为：2 32 =4G2.存取周期指存储器进行两次连续的读/写操作之间所需要的最短时间3.存取时间（读/写时间） 指从启动一次存储器读/写操作到完成该操作所需的时间,主存容量,单位：B (Byte 字节,8bit）1KB (210字节）1MB (220字节）1GB(230字节）1TB(240字节）
18、,数据存储,单位：Word (字） 字长：单位数据字包含的二进制位数 8位 1字节字；16位2字节字32位4字节字；64位8字节字,4.2 主存储器的种类,是否需要定期刷新：静态：不停电情况下能长时间保留不变，速度快，但容量小，成本高动态：不停电的情况下也要定期刷新，容量大，成本高，常用在计算机系统中，常见的有：SDRAM、 DDR等 按读写功能来分：可读写（RAM）可擦写只读：EPROM（可擦写，用紫外线擦写）、EEROM（可用电擦写）、FLASH（电读写，但只能以块为单位，速度快，成本低，现在最常用）可编程：EROM（通过编程一次性写入）只读：ROM（制造时）,外存储器,外存用来存放暂时不
19、用的程序和数据，并且以文件的形式存储。CPU不能直接访问外存中的程序和数据，只有将其以文件为单位调入主存方可访问。 外存储器由磁表面存储器和光盘存储器构成。,常见外存储器种类,磁盘 道密度：沿径向的单位距离的磁道数。 位密度：磁道上单位距离可以记录的比 特数。 最大位密度：最内圈的位密度。 非格式话容量面数(磁道数/面）内圈周长最大位密度 格式化容量面数（磁道数/面）（扇区数/道）（字节数/扇面）,4.3 存储器,43存储器容量的扩展位扩展:位扩展是对存储器的位数进行扩充！字扩展：是对存储器的容量进行字扩展位、字扩展：对位数和容量都进行扩展 44存储器的校验（硬件实现）奇偶：海明码： 45多体
20、交叉存储：为了协调存储器与CPU速度的，其工作原理是：将存储器分成几个独立的个体，这样每次就能进行多个字的数据读写！影响多体交叉效率的因素： 多体存储的模值M 数据的分布情况 较移指令,4.6 存储管理,段式：一个程序可以由几个基本独立的程序模块和数据块组成。每个模块是一个段，每个段是连续的地址空间。页式：把主存分成固定大小的页面，每页内的地址是连续！一个程序可以占用多个页面段页式：是段式和页式管理的结合，每道程序有一个段表和一组页表，程序按模块分段，每个段含若干个页面。,4.7 Cache,在多级存储体系中，Cache处于CPU与存储器之间，其目的是使程序员能使作一个速度与寄存器相当而容量与
21、主存相当的存储器。1. 工作原理为：数据的局部性原理。2.工作方式：当存储器接收到读命令后，先在CACHE中查找此信息，若 在（又叫命中），则从CACHE中取出，不中才从主存中取出！3.当要写数据时，为了保证CACHE的内容与主存内容的一致性，经常采用以下方法中的一种： 写直达：同时写入CACHE和主存。 数据只写入存储器中，并将CACHE中有关数据位清零。 数据只入CACHE ，只有当CACHE要失效时，才将数据写回主存，又叫“写回”！ 假如命中，则两个都要写，如果不命中，则只写入主存！CACHE速度的计算：实际速度=cache的速度*命中率+（1-命中率）*主存的速度！,例题解析,1、在多
22、级存储系统中，Cache 处在 CPU 和主存之间，解决_A_问题。若 Cache 和主存的存取时间分别为 T1 和 T2，Cache 的命中率为 H，则该计算机实际存取时间为_B_！A：主存容量扩充主存和CPU速度匹配多个请求源访问主存BIOS存放 B： HT1+T2 (1-HT1)+HT2 T2-HT1 HT1+(1-H)T2,例题解析,分析：Cache是处理CPU和主存之间的一种硬件存储设备，它的容量很小，但速度很快，主要为解决CPU与RAM之间速度匹配的问题，这是因为CPU访问RAM时具有时间和空间的局部性。如果CPU所需的数据在Cache中，就从Cache中去取，则称为“命中”，如果
23、没有才再去RAM中去读取，所以采用了Cache体系后，能大大提高系统的RAM速度，其实际速度为：Cache的速度*命中率+不命中率*RAM的速度 所以本题的答案： A: 、B: ,多层次CACHE,当芯片的集成度提高后,可以将更多的电路集成在一个微处理器芯片中,于是近年来新设计的高速微处理器芯片都将CACHE集成在片内,片内CACHE的读取速度要比片外CACHE快得多,但片内CACHE的容量受芯片集成度的限制,其命中率比大容量的CACHE低,于是推出了二级CACHE方案,其中第一级CACHE(L1)设置成处理器芯片内,第二级设置成片外,(也有在片内的)二级CACHE容量可以从几百K到几M字节,
24、有的系统还用了三级CACHE方案.,4.8 虚拟存储器,虚拟存储器通过增设地址映象表机构来实现程序在主存中的定位，将程序分割成若干段或页，用相应的映象表指明该程序的某段或某页是否已装入主存。若已装入，同时指明其要主存中的起始地址；若未装入，就去辅存中调段或调页，装入主存后在映象表中建立好程序空间和实存空间的地址映象关系。虚拟存储依主存的存储管理而有三种不同方式： 段式管理 页式管理 段页式管理 页面失效替换算法： 随机算法： 先进先出： 近期最少使用算法：,例题解析,1. 某一双面磁盘，每面 32 磁道，它的每面的盘格式化 32 扇区，每个扇区包含 4 块数据，每块数据为 0.5KB，则该磁盘
25、的容量为_A_供选择的答案 A： 1.44 M 2 M 4 M 4.096 M 分析：计算其容量： 容量=存储密度*存储长度（扇区*总的磁道数） 2(双面磁盘)*32(有32个磁道)*32(有32个扇区)*4(一个扇区有4个数据块)*0.5(每块的数据容量)=4096 KB 所以答案为: ,4. 总线输入输出系统,总线是从两个或两个以上源部件传送信息到一个或多个部件的一组传输线,如果一根传输线仅用于连接一个源部件(输出)和一个或多个目的部件(输入)则不称为总线.常用的总线有:ISA EISA PCI等计算机的外部设备,如磁盘驱动器,键盘和显示器等,都是独立的设备,这些独立设备与主机相连时,必须
26、按照规定的物理互连特性,电气特性等进行连接,这些特性的技术规范称为外设接口.常用的外设接口有:IDE 接口 SCSI接口 USB接口 RS232接口 和PCMCIA接口等! 输入输出系统包括输入输出没备、设备控制器及输入输出操作有关的软硬件输入输出系统的发展经历了3个阶段： 程序控制I/O 直接存储器访问 I/O处理机,通道的分类及计算,通道处理机是IBM公司首先提出来的一种I/O处理机方式。根据通道数据传送方式的不同，可分为字节多路、选择和数组多路三类通道。 字节多路通道：适用于连接大量低速设备，传送一个字的时间短，但等待的时间长，可以多台设备同时时行工作 数组通道：连接多台高速设备，开始寻
27、址辅助时间长，但传送速成率高，采用成组交叉方式工作，传送定长块，可以多台设备进行工作 选对通道：优先级高的磁盘等高速设备，独占通道，传送不定长块！ 最大流量的计算： 字节多路通道的最大流量为各个设备的流量之和数组和选择通道的最大流量为其中所挂载设备的最大流量,5. 重叠和流水,重叠（流水）是指通过控制机构同进解释两条（多条以至整个段）程序的方式，从而加快整个机器语言程序的解释！ 流水线的吞吐率：流水线的最大吞吐率为流水线中最慢子过程经过的时间。 提高吞吐率的手段： 1。细分瓶颈子过程 2。重复设置多套瓶颈段并联,重叠和流水,影响流水的主要因素:1.局部相关性: 先读后写 写-写 先写后读 先读
28、后写、写-写是异步流动可能发生的、先写后读两种都有!,重叠和流水,2.程序转移:处理方法: 1)猜测法2)加快和提前形成条件码3)采用延迟转移4)加快短循环程序处理 流水线中断处理: 不精确断点法: 不论指令I在流水线的那一段发生中断,未进入流水线的后续指令不再进入,已在流水线的指令仍继续流完,然后才转入中断处理程序. 实现简单,但不利于编程和程序的排错.精确断点法,6、阵列处理机,定义：阵列处理机也称并行处理机，它将大量重复设置的处理单元，按一定方式互连成陈列，在单一控制部件控制下对各自所分配的不同数据并行执行同一指令规定的操作，是操作级并行的SIMD计算机，处理单元是不带指令控制部件的算术
29、逻辑部件。特点是：利用资源重复，而不是时间的重叠，利用并行中的同时性，而不是并发性！,7、多处理机,定义：是具有两台以上的处理机，在操作系统控制下通过共享的主存或输入/出子系统或高速通讯网络进行通讯。多处理机是属于多控制流多数据流系统。目的是：1。用多台处理机进行多任务处理协同求解一个大而复杂的问题来提高速度 2、依靠冗余的处理机及重组来提高系统的可靠性，适应性和可用性 处理机有紧耦合和松耦合两种 紧耦合多处理机：是通过共享主存来实现处理机间通讯的，其通讯速率受限于主存频宽，各处理机与主存经互连网络连接，处理数受限于互连网络带宽及各处理机访主存冲突的概率。 松耦合多处理机：每台处理机都有一个容量较大的局部存储器，用于存储经常用的指令和数据，以减少紧耦合系统中存在的访主存冲突。不同处理机间或通过通道互连实现通讯，以共享某些外部设备；或都通过消息传送系统来交换信息。,
