1、计算机系统概述1中央处理器2主要内容主要内容2022-6-6存储系统3PA R T01COMPUTER SYSTEMS OVERVIEW2022-6-63计算机系统硬件系统软件系统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之父 计算机由五个基本部件组成冯诺依曼体系结构1. 硬件系统存储器运算器控制器输入设备输出设备冯诺依曼工作原理1. 硬件系统 计算机由五个基本部件组成 数据和程序采用 采用“”方式将编制好的程序
2、（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. 硬件系统系统软件应用软件2. 软件系统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PA R T02CENTRAL PROCESSING UNIT2022-6-611CPU（Central Processing Unit，中央处理器） CPUCPU插座插座主板主板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CPU总线构成。CPU内部总线寄存器控制单元CU算术逻辑单元ALU数据路径控制路径控制计算机的操作和处理数据。1. CPU结构 指令：是指计算机完成某
3、个基本操作的命令，是程序设计的最小语言单位。2. 指令系统（Instruction set）根据冯诺伊曼的“存储程序”思想，CPU被设计成能够识别采用二进制编码的指令。2. 指令系统 0 0 0 1 1 1 00 1 00 0 01 1 01514131211109876543210ADD加运算加运算加法机器指令示例加法汇编指令示例ADD R6, R2, R6R6目的操作数目的操作数R2源操作数源操作数R6源操作数源操作数指令系统：一台计算机所能执行的全部指令的集合。2. 指令系统CPU的指令是由指令集体系结构（Instruction Set Architecture，ISA）规定的。指令类型
4、：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storeloadI/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）2. 指令系统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个主个主存储器单元，每单元存储器单元，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单元中的两个数相加，结果存入单元中的两个数相加，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
5、编号：0000FFFF机器指令机器指令4 4位位1212位位2. 指令系统算法描述：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2. 指令系统将主存将主存6CH6CH和和6DH6DH单元中的两个单元中的两个数相加，结果存入数相加，结果存入6EH6EH单元中。单元中。指令序列：指令序列：0001 0101 0110 11000001 0110 0110 11010101 0000 0101 01100011 0000
6、 0110 11101100 0000 0000 0000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）将主存将主存6CH6CH和和6DH6DH单元中的两单元中的
7、两个数个数相加结果相加结果存入存入6EH6EH单元中。单元中。2. 指令系统 MOV R0, #0 ; 将寄存器R0置为0 MOV R1, #1 ; 将寄存器R1置为1LOOP: ADD R0, R1, R0 ; 将R1与R0相加，结果保存到R0 ADD R1, #1 ; R1加1 CMP R1, #1000 ; 比较R1与1000的大小 BLE LOOP ; 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。是运行指令是结束指令3. CPU工作过程3. CPU工作过程取指令取指令译码译码执行执行写结果写结果3. CPU
8、工作过程寄存器组寄存器组程序计数器程序计数器PC指令寄存器指令寄存器IRMOV R0,#0MOV R1,#1ADD R0,R1,R0ADD R1,#1CMP R1, #1000 BLE LOOPHALTA0A1A2CPU主存主存MOV R1,#1A2MOV R0,#0A0A101CISC复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer）RISC精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer）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
9、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。CISC与RISC4. 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（Parallel Processing）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
10、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4. CPU高级话题我们有三个步骤。 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
11、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（Instruction pipeline）4. CPU高级话题我们有三个步骤。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高级话题经典的处理器5级流水线指令流水线流水线阶段流水线阶段描描 述述IFInstruction Fetch，取指，取指IDInstruction Decode，译码，译码EXExecute，执行，执行MEMMemory Access，内存数据读或写，内存数据读或写WBWrite Back，数据写回到通用寄存器中，数据写回到
12、通用寄存器中处理器的5级流水线4. CPU高级话题处理器的5级流水线5级流水线4. CPU高级话题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（Chip Multiprocessors，简称CMP）多核处理器（Multi-core processor）4. CPU高级话题PA R T03STORAGE SYSTEM2022-6-636存储系统是指计算机中由存放程序和数据的各种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存储设备、控制部件控制部件及管理信息调度的及管理信息调度的设备设备（硬件）和（硬件）和算法算法（软件）（软件）所组成的系统。所组成的系统。追求目标：追求目标：速
13、度快、容量大、成本低速度快、容量大、成本低存储层次：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、主存储器、辅助存储器三级。高速缓冲存储器高速缓冲存储器用来改善主存储器与中央处理器的用来改善主存储器与中央处理器的速度速度匹配问题。匹配问题。辅助存储器辅助存储器用于扩大用于扩大存储空间存储空间。1. 存储系统及层次结构1. 存储系统及层次结构 简称主存，由简称主存，由CPU直接随机存取直接随机存取； 采用半导体存储器，容量小、读写速度快、价格高等；采用半导体存储器，容量小、读写速度快、价格高等； 存储地址：存储地址：按地址存放信息；按地址存放信息； 存储容量：存储容量：容纳
14、的存储单元总数。容纳的存储单元总数。2. 主存储器（Main memory ，内存）2. 主存储器计算机组成框图 只读存储器（ROM：Read Only Memory） 随机读/写存储器（RAM：Random Access Memory）2. 主存储器只读存储器（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特 点数据可以反复使用；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
15、方式插在主板的内存插槽上。 特 点 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。3. 辅助存储器（外存） 机械硬盘硬盘（硬盘（Hard DiskHard Disk，HDHD） 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（HDD，传统硬盘） 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。硬盘基本参数：硬盘容量硬盘容量 = 柱面数柱面数( (磁道数磁道数) ) 磁头数磁头数( (盘面数盘面数) ) 扇区数扇区数 扇区字
16、节数扇区字节数(512B)(512B)磁磁盘转速盘转速：电机主轴的旋转速度，即硬盘盘片在一分钟内所能完成：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，如的最大转数，如5400rpm5400rpm、7200rpm7200rpm等。等。磁道扇区 固态硬盘（SSD，新式硬盘）用固态电子存储芯片阵列（NAND Flash）而制成的硬盘。速度速度快快抗震抗震动动无噪无噪音音优优点点价格价格贵贵容量容量小小寿命寿命短短缺缺点点容量容量大大 便便 宜宜寿命寿命长长优优点点怕震怕震动动读写读写慢慢噪音噪音大大缺缺点点硬盘接口种类 IDE（电子集成驱动器） ATA（Advanced Techno
17、logy Attachment，高级技术附件） SATA(Serial ATA，串行ATA)、SATA 、SATA SCSI（小型计算机系统接口） RAID（廉价磁盘冗余阵列）CPUCPU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接口接口主板主板硬盘硬盘SATASATA接口接口 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。光盘光盘（Compact DiscCompact Disc，CDCD）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。4. 高速缓存（Cache）了解软件系统的组成掌握冯诺依曼体系结构特点了解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
