计算机系统组成与结构(一)课件

大大大大 学学学学 计计计计 算算算算 机机机机 基基基基 础础础础 计算机系统组成与结构（一）COMPUTERSYSTEMCOMPOSITIONANDSTRUCTURE计算机系统组成与结构（一）COMPUTERSYSTEMC1计算机系统概述1中央处理器2主要内容主要内容计算机硬件系统（一）2024/6/13存储系统3计算机系统概述1中央处理器2主要内容计算机硬件系统（一）202PA R T01计算机系统概述COMPUTERSYSTEMSOVERVIEW2024/6/133PART01计算机系统概述COMPUTERSYSTEMS硬件系统是物理设备硬件系统是物理设备软件系统是支撑物理设备工作的灵魂软件系统是支撑物理设备工作的灵魂计算机系统硬件系统软件系统计算机系统概述硬件系统是物理设备计算机系统硬件系统软件系统计算机系统概述4以美籍匈牙利数学家冯.诺依曼为首的研制小组与参与研制ENIAC主要人员联名发表了计算机史上著名的101页报告，提出了存储程序控制的计算机结构（即诺依曼机）；从此，奠定了现代计算机的体系结构。1.硬件系统冯诺依曼体系结构计算机系统概述计算机之父以美籍匈牙利数学家冯.诺依曼为首的研制小组与参与研制ENIA5计算机由五个基本部件组成冯诺依曼体系结构1.硬件系统计算机系统概述计算机由五个基本部件组成冯诺依曼体系结构1.硬件系统计算6存储器运算器控制器输入设备输出设备控制线和反馈线数据线冯冯 诺依曼诺依曼工作原理工作原理1.硬件系统计算机系统概述存储器运算器控制器输入设备输出设备控制线和7计算机由五个基本部件组成数据和程序采用二进制代码二进制代码采用“存储程序存储程序”方式将编制好的程序（指令和数据）预先存入存储器中，计算机工作时自动地从存储器中取出程序代码和数据，并加以执行。冯诺依曼体系结构1.硬件系统计算机系统概述计算机由五个基本部件组成将编制好的程序（指令和数据）预先存入8诊断程序诊断程序语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统系统软件应用软件用户用户程序与文档程序与文档应用程序应用程序工具软件工具软件操作系统操作系统2.软件系统计算机系统概述诊断程序语言处理程序操作系统系统软件应用软件用户程序9用户程序与文档层用户程序与文档层应应 用用 程程 序序 层层操操 作作 系系 统统 层层硬硬 件件 层层系统软件应用软件冯诺依曼体系结构用户3.系统层次结构计算机系统概述用户程序与文档层应用程序层操作系统层硬件10PA R T02中央处理器（CPU）CENTRALPROCESSINGUNIT2024/6/1311PART02中央处理器（CPU）CENTRALPROCESCPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）计算机计算机计算机计算机运算和控制核心运算和控制核心运算和控制核心运算和控制核心中央处理器（CPU）CPU（CentralProcessingUnit，中央12CPUCPU插座插座主板主板中央处理器（CPU）CPU主板中央处理器（CPU）13CPU由算术逻辑单元、控制单元、寄存器组及实现它们之间联系的CPU总线构成。CPUCPUCPUCPUCPU内部总线寄存器控制单元CU算术逻辑单元ALU数据路径控制路径主要主要功能功能：控制计算机的操作和处理数据。中央处理器（CPU）1.CPU结构CPU由算术逻辑单元、控制单元、寄存器组及实现它们之间联系的14 指指令令：是是指指计计算算机机完完成成某某个个基基本本操操作作的的命命令令，是是程程序序设设计计的最小语言单位。的最小语言单位。中央处理器（CPU）2.指令系统（Instructionset）机机器器指指令令：根根据据冯冯诺诺伊伊曼曼的的“存存储储程程序序”思思想想，CPUCPU被被设设计成能够识别采用二进制编码的指令。计成能够识别采用二进制编码的指令。机器指机器指机器指机器指令：令：令：令：操作码操作码操作数操作数指令的功能指令的功能执执行的行的动动作作操作的操作的对对象象运算数据、运算数据、结结果或其地址果或其地址指令：是指计算机完成某个基本操作的命令，是程序设计的最小语15中央处理器（CPU）2.指令系统 0 0 0 1 1 1 00 1 00 0 01 1 01514131211109876543210ADD加运算加法机器指令示例加法汇编指令示例ADD R6,R2,R6R6目的操作数R2源操作数R6源操作数中央处理器（CPU）2.指令系统00016指令系统指令系统：一一台计算机所能执行的台计算机所能执行的全部指令全部指令的集合的集合。中央处理器（CPU）2.指令系统CPUCPU的的 指指 令令 是是 由由 指指 令令 集集 体体 系系 结结 构构（InstructionInstruction SetSetArchitectureArchitecture，ISAISA）规定的。）规定的。指令系统：一台计算机所能执行的全部指令的集合。中央处理器（C17指令类型：数据传数据传输指令输指令算术逻算术逻辑指令辑指令控控制指令制指令寄存器寄存器主存储器主存储器storeload外部设备外部设备I/O基本算术运算、布尔运算、移位运算基本算术运算、布尔运算、移位运算JumpJump（无条件转移、条件转移）（无条件转移、条件转移）中央处理器（CPU）2.指令系统指令类型：数据传输指令算术逻辑指令控制指令寄存器主存储器st18机器指机器指令编令编码举例码举例假设假设一台典型的计算机，它有一台典型的计算机，它有1616个通用寄存器，个通用寄存器，256256个主存个主存储器单元，每单元储器单元，每单元8 8位位。编码实现：将主存。编码实现：将主存6CH6CH和和6DH6DH单元中单元中的两个数相加，结果存入的两个数相加，结果存入6EH6EH单元中。单元中。寄存器编号：寄存器编号：0 0F F主存储器单元编号：主存储器单元编号：0000FFFF机器指令机器指令操作码操作码操作数操作数4 4位位1212位位中央处理器（CPU）2.指令系统机器指令编码举例假设一台典型的计算机，它有16个通用寄存器，19算法描述：Step1：从主存6CH单元中取出数放到一个寄存器中Step2：从主存6DH单元中出数放到另一个寄存器中Step3：将两个寄存器中的数相加，结果放到寄存器中Step5：停止Step4：从寄存器中取出计算结果存到主存6EH单元中中央处理器（CPU）2.指令系统将主存将主存6CH6CH和和6DH6DH单元中的两个数单元中的两个数相加，结果存入相加，结果存入6EH6EH单元中。单元中。算法描述：Step1：从主存6CH单元中取出数放到一个寄存器20指令序列：指令序列：00010101011011000001011001101101010100000101011000110000011011101100000000000000操作码操作码(二进制二进制)操作数操作数(十六进制十六进制)说说 明明00010001RXYRXY将地址为将地址为XYXY的存储的存储单元中的数据载入单元中的数据载入寄存器寄存器R R00110011RXYRXY将寄存器将寄存器R R中的数据中的数据存入地址为存入地址为XYXY的存的存储单元中储单元中01010101RSTRST将寄存器将寄存器S S、T T中的中的数相加，结果存入数相加，结果存入寄存器寄存器R R11001100000000停止执行（停止执行（HALTHALT）中央处理器（CPU）将主存将主存6CH6CH和和6DH6DH单元中的两个单元中的两个数数相加结果相加结果存入存入6EH6EH单元中。单元中。指令序列：0001010101101100操作码21中央处理器（CPU）2.指令系统MOVR0,#0;将寄存器R0置为0MOVR1,#1;将寄存器R1置为1LOOP:ADDR0,R1,R0;将R1与R0相加，结果保存到R0ADDR1,#1;R1加1CMPR1,#1000;比较R1与1000的大小BLELOOP;如果R1小于或等于1000，从LOOP指令开始执行HALT;程序结束汇编语言编码举例：计算1+2+3+1000的值。汇编指令汇编指令中央处理器（CPU）2.指令系统M22是运是运行指令行指令是结是结束指令束指令结结 束束执执行行指指令令分分析析指指令令？取一取一条条指指令令开开 始始中央处理器（CPU）3.CPU工作过程写结果写结果是运行指令是结束指令结束执行指令分析指令？取一条指令开始23指令执行常见节拍划分指令执行常见节拍划分中央处理器（CPU）3.CPU工作过程取指令取指令译码执行行写写结果果指令执行常见节拍划分中央处理器（CPU）3.CPU工作过程24中央处理器（CPU）3.CPU工作过程寄存器组程序计数器PC指令寄存器IRMOV R0,#0MOV R1,#1ADD R0,R1,R0ADD R1,#1CMP R1,#1000 BLE LOOPHALTA0A1A2CPU主存程序运行中在主存与寄存器之间的存储过程程序运行中在主存与寄存器之间的存储过程MOV R1,#1A2MOV R0,#0A0A101中央处理器（CPU）3.CPU工作过程寄存器组程序计数器P25CISC复杂指令集计算机（ComplexInstructionSetComputer）RISC精简指令集计算机（ReducedInstructionSetComputer）CPU设计成能够执行大量复杂的机器指令集。优点：能够有效缩短新指令的代码设计时间，控制简单。缺点：指令集与计算机结构设计复杂，指令执行速度慢。CPU设计成只执行最基本的机器指令集。优点：指令数目少，执行速度快。处理器设计更简单，可应用更多先进的技术，开发更快的下一代处理器。缺点：编写的代码量非常大。CISCCISC与与RISCRISC中央处理器（CPU）4.CPU高级话题CISC复杂指令集计算机（ComplexInstructi26并行处理是为了节省大型和复杂问题的解决时间，计算机系统中能同时执行两个或更多个处理的一种计算方法。从理论上讲，在n个并行处理的执行速度可能会是在单一处理机上执行的速度的n倍。并行处理（并行处理（ParallelProcessingParallelProcessing）中央处理器（CPU）4.CPU高级话题并行处理是为了节省大型和复杂问题的解决时间，计算机系统中能同27机器周期（CPU周期）：完成一个基本操作所需要的时间如取指周期、取数周期指令周期：取出一条指令并执行这条指令的时间总和一个指令周期通常由若干个机器周期组成指令不同，所需的机器周期数也不同机器周期、指令周期机器周期、指令周期中央处理器（CPU）4.CPU高级话题机器周期（CPU周期）：完成一个基本操作所需要的时间如取指周28中央处理器（CPU）我们有三个步骤。一般情况下指令是一条一条的来处理，这种顺序处理，机器里设备的利用情况是怎样的呢？假定一条指令的执行有以下三个阶段：4.CPU高级话题中央处理器（CPU）我们有三个步骤。一般情况下29中央处理器（CPU）我们有三个步骤。若每个阶段的执行时间是1ms，那么三条指令执行完需要9ms的时间。其中取值设备只有在1ms,4ms,7ms的时候在工作，有三分之二的时间空闲着，因此产生了很多设备的空闲，所以引入了流水线。1 2 3 4 5 6 7 8 9ms4.CPU高级话题中央处理器（CPU）我们有三个步骤。若每个阶段30是多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。目的：提高CPU利用率和执行指令的效率将每条指令分为若干个阶段，并行执行不同指令的不同阶段，从而同时执行多个指令。指令流水线（指令流水线（InstructionpipelineInstructionpipeline）中央处理器（CPU）4.CPU高级话题是多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。指令流水线（31中央处理器（CPU）我们有三个步骤。流水线方式执行三条指令所需时间：5ms1 2 3 4 5 6 7 8 9ms1 2 3 4 5 6 7 8 9ms4.CPU高级话题中央处理器（CPU）我们有三个步骤。流水线方式执行三条指令所32经典的处理器5级流水线指令流水线指令流水线中央处理器（CPU）流水流水线阶段段描描 述述IFInstruction Fetch，取指，取指IDInstruction Decode，译码EXExecute，执行行MEMMemory Access，内存数据，内存数据读或写或写WBWrite Back，数据写回到通用寄存器中，数据写回到通用寄存器中处理器的5级流水线4.CPU高级话题经典的处理器5级流水线指令流水线中央处理器（CPU）流水线阶33中央处理器（CPU）处理器的5级流水线5级流水线4.CPU高级话题中央处理器（CPU）处理器的5级流水线5级流水线4.CPU34在一个芯片中集成了两个或多个处理器核。也称单芯片多处理器（ChipMultiprocessors，简称CMP）多核处理器（多核处理器（Multi-coreprocessorMulti-coreprocessor）中央处理器（CPU）4.CPU高级话题在一个芯片中集成了两个或多个处理器核。多核处理器（Multi35PA R T03存储系统STORAGESYSTEM2024/6/1336PART03存储系统STORAGESYSTEM2023/8存储系统是指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、控制部件及管理信息调度的设备（硬件）和算法（软件）所组成的系统。追求目标：速度快、容量大、成本低存储层次：高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器三级。高速缓冲存储器用来改善主存储器与中央处理器的速度匹配问题。辅助存储器用于扩大存储空间。存储系统1.存储系统及层次结构存储系统是指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、控制部件37存储系统1.存储系统及层次结构存储系统1.存储系统及层次结构38简称主存，由CPU直接随机存取；采用半导体存储器，容量小、读写速度快、价格高等；存储地址：按地址存放信息；存储容量：容纳的存储单元总数。存储系统2.主存储器（Mainmemory，内存）简称主存，由CPU直接随机存取；存储系统2.主存储器（Ma39存储系统2.主存储器计算机组成框图存储系统2.主存储器计算机组成框图40只读存储器（ROM：ReadOnlyMemory）随机读/写存储器（RAM：RandomAccessMemory）存储系统2.主存储器只读存储器（ROM：ReadOnlyMemory）存41只读存储器（ROM）只能读不能写，在主板上；由设计者和制造商事先编制好的一些程序固化在里面；主要用于检查计算机系统的配置情况并提供最基本的输入/输出控制程序，如存储BIOS参数的CMOS芯片。计算机断电后存储器中的数据仍然存在存储系统特点只读存储器（ROM）只能读不能写，在主板上；计算机断电后存储42数据可以反复使用；断电信息会消失。随机读/写存储器（RAM）既能读又能写，是计算机工作的存储区，以内存条方式插在主板的内存插槽上。特点存储系统数据可以反复使用；随机读/写存储器（RAM）既能读又能写，43除计算机内存及CPU缓存以外的存储器；磁性介质或光盘，如硬盘，软盘，磁带，光盘、U盘等；断电仍能保存数据，能长期保存信息；由机械部件带动，速度比CPU和内存慢得多。存储系统3.辅助存储器（外存）除计算机内存及CPU缓存以外的存储器；存储系统3.辅助存储44机械硬盘存储系统硬盘（硬盘（HardDisk，HD）固态硬盘混合硬盘绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。机械硬盘存储系统硬盘（HardDisk，HD）固态硬盘混合45机械硬盘（HDD，传统硬盘）存储系统由一个或者多个铝制或者玻璃制的薄盘组成，覆盖铁磁性材料。机械硬盘（HDD，传统硬盘）存储系统由一个或者多个铝制或者46存储系统硬盘基本参数：硬盘容量=柱面数(磁道数)磁头数(盘面数)扇区数扇区字节数(512B)磁盘转速：电机主轴的旋转速度，即硬盘盘片在一分钟内所能完成的最大转数，如5400rpm、7200rpm等。磁道磁道扇区扇区存储系统硬盘基本参数：硬盘容量=磁盘转速：电机主轴的旋转47固态硬盘（SSD，新式硬盘）用固态电子存储芯片阵列（NANDFlash）而制成的硬盘。存储系统固态硬盘（SSD，新式硬盘）存储系统48存储系统速度快速度快抗震抗震动无噪音无噪音优点点价格价格贵容量小容量小寿命短寿命短缺缺点点容量大容量大 便便 宜宜寿命寿命长优点点怕震怕震动读写慢写慢噪音大噪音大缺缺点点存储系统优点速度快抗震动无噪音缺点价格贵容量小寿命短优点容量49硬盘接口种类IDE（电子集成驱动器）ATA（AdvancedTechnologyAttachment，高级技术附件）SATA(SerialATA，串行ATA)、SATA、SATASCSI（小型计算机系统接口）RAID（廉价磁盘冗余阵列）存储系统硬盘接口种类存储系统50CPUCPU插座插座内存内存插槽插槽软盘软盘FDCFDC接口接口硬盘硬盘IDEIDE接口接口主板主板存储系统硬盘硬盘SATASATA接口接口CPU内存软盘FDC接口硬盘IDE接口主板存储系统硬盘SAT51高密度光盘是一种光学存储介质，用聚焦的氢离子激光束处理记录介质的方法存储和再生信息，又称激光光盘。分为只读光盘（CD-ROM）、可刻光盘（CD-R）和可擦写光盘（CD-RW）、DVD光盘。可存放各种文字、声音、图形、图像和动画等多媒体数字信息。存储系统光盘光盘（CompactDisc，CD）高密度光盘是一种光学存储介质，用聚焦的氢离子激光束处理记录介52在主存与CPU之间，固化在CPU或主板上的一级存储器；由静态存储芯片(SRAM)组成；容量较小、速度较高，接近于CPU的速度。存储系统4.高速缓存（Cache）L2L2高速高速缓缓存存内内 存存ALUALUCPUCPU控制控制单单元元寄存器寄存器L1L1高速高速缓缓存存在主存与CPU之间，固化在CPU或主板上的一级存储器；存储系53了解软件系统的组成小结小结概概概概 述述述述掌握冯诺依曼体系结构特点中央处理器中央处理器中央处理器中央处理器了解CPU工作过程了解CISC、RISC、并行处理、流水线、机器周期、指令周期等概念了解计算机系统层次结构了解指令系统理解CPU结构存储系统存储系统存储系统存储系统了解存储系统层次结构理解主存功能与特点理解辅存功能与特点理解高速缓存功能与特点了解软件系统的组成小结概述掌握冯诺依曼体系结构特点中央处54作业作业习题习题5151、2 2、3 3、7 7作业习题51、2、3、755大大大大 学学学学 计计计计 算算算算 机机机机 基基基基 础础础础 THANKSTHANKS56