linux编程入门1

未来的行为；
8. 可靠性技术 : 采用什么样的冗余技术和容错技术来提高可靠性；
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结构、组织和实现 . 实现
Implementation
计算机实现指的是计算机属性的物理实现。包括处理器、主存等 部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底 板的划分与连接，微组装技术等等。
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结构、组织和实现
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Von Neumann 结构
Von Neumann 结构
Peripherals
Computer
Central Processing Unit Main Memory
Computer
Systems Interconnection
Input Output Communication lines
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3. 各种操作对部件的共享程度； 4. 功能部件的并行度 : 功能部件的控制和处理方式是采用顺序串
行， 还是采用重叠、 流水或分布处理；
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结构、组织和实现 . 组织
Organization Design (cont.)
计算机组织设计是对计算机属性的逻辑实现：
5. 控制机构的组成方式 : 事件、操作的排序机构采用硬联控制还是
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About The Exam
平时考核：

中期考试 30% 平时实验成绩 20%
期末考核：

笔试 50% 。 ( 暂定 )
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CH00 Preparation for CSAPP

体系结构、组织和实现☆ Von Neumann 结构★

2010_Spring_csapp@pe.cqnu

Fundamental Structures
C Programming
目前为止的课程主要强调了计算机的抽象；但其缺陷是，程序出现 bug 和性能问题时，需要理解底层的实现，所以要还原真实。
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Course Objective
先期基础：

Linux 操作技能、 C 语言编程基础、数字逻辑设计基础。
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结构、组织和实现 . 组织
Organization Design
计算机组织设计是对计算机属性的逻辑实现：
1. 数据通路宽度 : 在数据总线上一次并行传送的信息位数多少； 2. 专用部件的设置 : 设置哪些专用部件，如乘除法专用部件、 浮
点运算部件、字符处理部件、地址运算部件等，每种专用部件 设置的数量，这些都与机器所需达到的速度、专用部件的使用 频度高低及允许的价格等有关 ;
结构、组织和实现的关系

指令系统的确定属于计算机体系结构；指令的逻辑实现：如取指 令、指令操作码译码、计算操作数地址、取数、运算、送结果等的 操作安排和排序属于计算机组成；实现这些指令功能的具体电路、 器件的设计及装配技术属于计算机实现。 确定指令系统中是否要设乘法指令属于计算机体系结构；乘法指令 是用专门的高速乘法器实现，还是靠用加法器和移位器经一连串时 序信号控制其相加和右移来实现属于计算机组成；乘法器、加法 移 位器的物理实现：如器件的类型、集成度、数量、价格，微组装技 术的确定和选择属于计算机实现。 主存容量与编址方式（按位、按字节还是按字访问等）的确定属于 计算机体系结构；为达到性能价格要求，主存速度应该为多少，逻 辑结构是否采用多体交叉属于计算机组成；主存器件的选定、逻辑 设计、微组装技术的使用属于计算机实现。
课程目标：

到课程结束，能理解所有计算机系统的本质概念：

从程序员的角度，建立一个层次型的计算机系统概念模型， 从底层的数据内存表示，到指令的构成、虚拟存储器、编译 系统、动态链接库、直到最上层的用户应用程序。 深入理解计算机系统影响 C 程序性能的各个方面，提高学生 编写高效 C 程序的能力。

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TM ∑ fi ti
i=1
n
每秒执行百万条指令
CPI FLOPS
执行一条指令所需时钟周期数 每秒浮点运算次数
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Let's begin now...
''I hear and I forget; I see and I remember; I do and I understand. ''
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结构、组织和实现 . 体系结构
Hardware/Software Interface
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结构、组织和实现 . 组织
Organization
计算机组织：计算机体系结构的逻辑实现，包括机器级内的数据 流和控制流的组成以及逻辑设计等，它包含了许多对程序员来说 透明的硬件细节。 它着眼于机器级内各事件的排序方式与控制机构、 各部件的功能 及各部件间的联系。计算机组成设计要解决的问题是在所希望达到 的性能和价格下，怎样最佳、最合理地把各种设备和部件组织成计 算机，以实现所确定的体系结构。 近 40 年里，计算机组成设计主要是围绕提高速度，着重从提高 操作的并行度、重叠度，以及分散功能和设置专用功能部件来进 行的。
Von Neumann 结构
控制器
Control Unit
CPU
ALU Internal Bus Registers Control Unit
Sequencing Logic Control Unit Registers and Decoders
Control Memory
控制器普遍采用微程序的实现方法。
用微程序控制，采用单机处理还是用多机处理或分布处理；
6. 缓冲和排队技术 : 在不同部件之间怎样设置及设置多大容量的缓
冲器来弥补它们的速度差异；是采用随机方式，还是先进先出、 先进后出、优先级或循环方式来安排等待处理事件的先后顺序；
7. 预估、 预判技术 : 为优化性能和优化处理， 采用什么原则来预测
OPERATING ENVIROMENT Data Storage Facility



Source and Destination of Data
Data Movement Apparatus
Control Mechanism
Data Processing Facility
计算机的通用性是根本的，所有功能的专门化均发生在编程阶段，而不是在设计阶段。
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结构、组织和实现 . 体系结构
Architecture Design
体系结构需要设计的计算机属性一般包括：
1. 数据表示：硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等； 2. 寻址方式：最小可寻址单位、 寻址种类、地址计算等； 3. 寄存器组织：通用 / 专用寄存器的设置、数量、字长、使用约定等； 4. 指令系统：二进制或汇编级指令的操作类型、 格式、 排序方式、 控
Architecture
computer system
Data Structures Applications Programming
Transition from Abstract to Concrete!

From: high-level language model To: underlying implementation
计算机组成原理参考：

《编程卓越之道 第一卷 : 深入理解计算机》 Randall Hyde 著 电子工业出版社 2007 年 3 月 高等教育出版社

《计算机组成原理（第 2 版）》 唐朔飞著 2008 年 1 月
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Course Outline

计算机系统漫游 信息的表示和处理 程序的机器级表示 处理器体系结构 存储器层次结构 链接 异常控制流 虚拟存储器 系统级 I/O
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Von Neumann 结构
某个 Von Neumann 结构
CPU
…
ACC MQ
5 6
IR PC
存储体
CU
ALU
控制 单元
27 1 4
MAR
3 8
MDR
I/O
X
运算器
控制器
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指令 = 操作码 + 操作数
主存储器
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Von Neumann 结构
计算机的性能指标
1. 机器字长 : CPU 一次能处理数据的位数。与 CPU 中的寄存器位数有关。 主频 吉普森法 2. 运算速度 MIPS
制机构等；
5. 存储组织：内存编址方式、容量、最大可编址空间等； 6. 中断机构：中断的分类与分级、中断处理程序功能及入口地址等； 7. 系统机器级的核心态和用户态的定义和切换； 8. 机器级 I/O 结构：输入输出设备的连接、 使用方式、 流量、 操作结
束、 出错指示等；
9. 系统各部分的信息保护方式和保护机构。
Von Neumann 结构
CPU
CPU
Computer
I/O System Bus Memory CPU
Registers
Arithmetic and Login Unit
Internal CPU Interconnection
Control Unit
CPU 是计算机中最有趣、最复杂的部分。
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CH00 Preparation for CSAPP

体系结构、组织和实现☆ Von Neumann 结构★

2010_Spring_csapp@pe.cqnu
Von Neumann 结构
Von Neumann 结构的设计
从最上层的角度来分析现有的计算机体系结构，都属于控制流驱 动的 Von Neumann 结构，其要点是：
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How To Study
学习动力：

为什么学？核心课；解决问题；兴趣；喜爱 ...
学习方法：

课前预习，注重概念的理解，有疑问作标记，也可 google 。 用心听讲，要求以理解为主，有感悟的地方先用草稿纸快速记 下，要求高度集中精力 ( 请晚上 10 点入睡，保证 ) 。 课后结合笔记整理讲义，多做练习题，强烈建议独立完成课后 上机作业，不要有困难就放弃。 上机课要求事先思考实验题目，勾勒初步解决方案并记在纸 上，然后上机解决。建议成立三人学习小组。
结构、组织和实现
现代计算机的层次结构
机器 : 能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体。 各级机器的实现主要靠翻译和解释。
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结构、组织和实现 . 体系结构
Architecture
体系结构：对计算机系统中各机器级之间 Interface 的划分和定义，是 各机器级对程序员可见的属性。类似于编程语言的函数库的调用接口。 在计算机层次结构中，各级都有它自己的体系结构。 透明：本来存在的事物或属性，从某个角度上看不到，称对它是透明 的。体系结构设计研究的就是对某级，哪些应当透明，哪些应当不透 明。正确合理地进行透明性分析和取舍是非常重要的。 一般所称的计算机体系结构指的是传统机器级 Interface 的体系结构， 研究的是软硬件之间的功能分配，提供其上级的机器语言、汇编语言 程序员或者编译程序设计者可见的计算机属性。 至于下级的机器级内部的数据流和控制流的组成，逻辑设计和器件设 计等对体系结构设计是透明的，属于计算机组织的内容。


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结构、组织和实现
结构、组织与 CSAPP
计算机体系结构和计算机组成是密切相关的，具有相同体系 结构的计算机可以因为速度等因素的不同而采用不同的组 织；计算机组织也会影响体系结构。二者往往是在一门课程 中讲授。 本门课程不同于传统的计算机结构与组织的课程，它不仅从 计算机结构和组织相结合的角度介绍计算机系统，并且更着 眼于讨论那些影响 C 语言程序的话题。
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Course Role
Networks Operating Systems Processes Mem. Mgmt Compilers Embedded Systems
Network Protocols
Machine Code Optimization Exec. Model Memory System

计算机采用二进制数制表示数据和指令 采用存储程序方式 由运算器，控制器，存储器，输入装置和输出装置组成


一般体系结构的设计者是从功能和结构从发进行设计的： 结构：部件相互关联的方式。 功能：作为相关结构组成部分的每个部件的操作。
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Von Neumann 结构
计算机的基本功能

Data processing Data storage Data movement Control
Computer Organization
Computer Systems
A Programmer's Perspective
Randal E. Bryant, David O'Hallaron
Hale Waihona Puke Baidu
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Reference
C 语言参考：

《 C 语言程序设计：现代方法》 ( 美 ) King, K.N. 著 , 吕秀锋译 人民邮电出版社 2007.11