计算机系统结构ppt
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计算机体系结构精选ppt
• 中央处理器和主存储器构成了计算机主体， 称为主机；相对地又把I/O设备称作外围设备或 外部设备，简称外设。
• 于是，计算机又被看成是由主机和外设两 大部分组成。但无论怎样划分，计算机的5大 部件始终是相对独立的子系统，缺一不可。
3.1.2 计算机硬件的典型结构
• 计算机系统的硬件结构包括各种形式的总线结构和通 道结构，它们是各种大、中、小、微型计算机的典型 结构体系。
第三章 计算机体系结构
• 硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。 硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可
以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件
或设备，或由它们组成的计算机部件或整个计 算机硬件系统。
• 计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等 多种结构形式，其硬件主要包括: 运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。
息的通路叫输入/输出总线(I／O总线)，各种I/O设备通过
I/O接口连接在I/O总线上。
这种结构的优点是控
制线路简单，对I/O
总线的传输速率相对
地可降低一些要求。
缺点是I/O设备与主
存储器之间交换信息
一律要经过CPU，将
耗费CPU大量时间，
降低了CPU的工作效
率。
3．小型机的总线型结构
（3）以存储器为中心的双总线结构
备之间均可以通过系统总线交换信息。
备与主存储器交换信息时，
CPU还可以继续处理默认的不
需要访问主存储器或I/O设备
的工作。缺点是同一时刻只允
许连接到单总线上的某一对设
备之间相互传递信息，限制了
信息传送的吞吐量(或称速率)。
此外，单总线控制逻辑比专用
的存储总线控制逻辑更为复杂，
• 于是，计算机又被看成是由主机和外设两 大部分组成。但无论怎样划分，计算机的5大 部件始终是相对独立的子系统，缺一不可。
3.1.2 计算机硬件的典型结构
• 计算机系统的硬件结构包括各种形式的总线结构和通 道结构，它们是各种大、中、小、微型计算机的典型 结构体系。
第三章 计算机体系结构
• 硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。 硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可
以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件
或设备，或由它们组成的计算机部件或整个计 算机硬件系统。
• 计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等 多种结构形式，其硬件主要包括: 运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。
息的通路叫输入/输出总线(I／O总线)，各种I/O设备通过
I/O接口连接在I/O总线上。
这种结构的优点是控
制线路简单，对I/O
总线的传输速率相对
地可降低一些要求。
缺点是I/O设备与主
存储器之间交换信息
一律要经过CPU，将
耗费CPU大量时间，
降低了CPU的工作效
率。
3．小型机的总线型结构
（3）以存储器为中心的双总线结构
备之间均可以通过系统总线交换信息。
备与主存储器交换信息时，
CPU还可以继续处理默认的不
需要访问主存储器或I/O设备
的工作。缺点是同一时刻只允
许连接到单总线上的某一对设
备之间相互传递信息，限制了
信息传送的吞吐量(或称速率)。
此外，单总线控制逻辑比专用
的存储总线控制逻辑更为复杂，
计算机硬件体系结构_图文
3.2 微型计算机主机结构
3.2.4 内存储器 内存储器在主机内部(简称内存)，一般由半
导体材料构成。内存储器可分为只读存储器和 随机读写存储器。
内存储器分类
3.2 微型计算机主机结构
1. 只读存储器 •特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或 存入，断电后信息不会丢失，可靠性高。 •ROM分类
3.1 计算机系统的构成 典型的计算机硬件体系结构如下 ：
CPU
（含运算 器和控制
器）
地址总线（AB ）
数据总线（DB）
控制总线（CB）
RAM
ROM
I/O接口
I/O设备
3.1计算机系统的构成
冯·诺依曼计算机体系结构的主要特点是： (1) 采用二进制形式表示程序和数据。 (2) 计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输 入设备和输出设备五大部分组成 。 (3) 程序和数据以二进制形式存放在存储器中。 (4) 控制器根据存放在存储器中的指令 (程序) 工作 。
② 数据总线。传输的是数据，一般是双向传输 。CPU进行“读”时，数据由外设流向CPU，当CPU进 行“写”时，数据由CPU流向外设。
③ 控制总线。传输的是对外设进行控制和状态 检测的信号，有的是CPU向内存或外部设备发出的信 号；有的是内存或外部设备向CPU发出的信号。对每 条控制线而言信号是单向传送，但作为整体是双向的 。
3.2 微型计算机主机结构
3.2.5 总线 总线：是一组连接各个部件的公共通信线路，是计 算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通 道，是计算机硬件的一个重要组成部分。 总线按所传输信号不同可分为： 数据总线 地址总线 控制总线。
3.2 微型计算机主机结构
① 地址总线。传输的是地址信号，一般是单向 传输。当CPU需要访问某个外设时，它向地址总线发 出相应外设的地址信号，以选择某个外设。
《计算机组成原理》ppt课件
VS
挑战
在计算机组成原理的发展过程中，面临着 许多挑战和问题，如处理器的性能和功耗 问题、存储器的速度和容量问题、系统的 可靠性和安全性问题等。这些问题需要不 断研究和探索，以推动计算机组成原理的 持续发展。
THANKS
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解释定点数与浮点数的表示方法，包括整数和实数的表示。
逻辑代数基础
1 2
逻辑变量与逻辑函数
引入逻辑变量和逻辑函数的概念，为后续的逻辑 运算打下基础。
基本逻辑运算
介绍与、或、非三种基本逻辑运算及其性质。
3
复合逻辑运算
阐述其他复合逻辑运算，如异或、同或等。
逻辑门电路
基本门电路
01
介绍与门、或门、非门等基本门电路的工作原理及实现。
01
03 02
I/O接口的功能和基本结构
数据传输寄存器
命令/状态寄存器
控制逻辑电路
I/O控制方式
优点
控制简单，易于实现
缺点
CPU利用率低，实时性差
I/O控制方式
优点
提高了CPU的利用率，实时性较好
缺点
中断次数多，开销大，数据丢失问题
I/O控制方式
优点
数据传输速度快，CPU干预少
缺点
需要专门的DMA控制器，硬件开销大
指令的执行过程
取指周期
从内存中读取指令，并放入指令 寄存器IR中。
中断周期
在执行过程中，如果出现中断请 求，则进入中断周期，保存现场 信息，并转向中断服务程序。
分析周期
对取回的指令进行分析，确定指 令的操作性质和操作数地址。
执行周期
根据分析结果，执行相应的操作 ，如算术运算、逻辑运算、数据 传输等。
计算机系统结构 PPT
Applied Operating System Concepts 2.17
CPU如何发现中断信号？ CPU如何发现中断信号？ 如何发现中断信号
处理器的控制部件中设一个能检测中断的机构，称为中 处理器的控制部件中设一个能检测中断的机构，称为中 断扫描机构
•在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器，询 每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器 扫描中断寄存器，
断处理程序
Applied Operating System Concepts
2.16
中断寄存器
• 为了区分和不丢失中断信号
对应每个中断源分别用一固定触发器寄存中断 信号 规定值为1 规定值为1时，表示有中断信号，为0时表示无 表示有中断信号，
• 这些触发器的全体称为中断寄存器 这些触发器的全体称为中断寄存器 • 每个触发器称为一个中断位 每个触发器称为一个中断位 • 所以中断寄存器是由若干个中断位组成
“中断”名称源于： 中断”名称源于：
• •
当异步事件（随机事件）发生后， 当异步事件（随机事件）发生后，打断了对当前程序 的执行， 的执行，而转去处理该异步事件 直到处理完了后， 直到处理完了后，再转回原程序中断点继续执行
Applied Operating System Concepts
2.12
从用户角度看中断
Module 2: Computer-System Structures 计算机系统结构 • I/O Structure I/O结构 结构 • Storage Structure 存储构造 • Storage Hierarchy 存储层次 • Hardware Protection 硬件保护 • General System Architecture 一般系统体系结构
CPU如何发现中断信号？ CPU如何发现中断信号？ 如何发现中断信号
处理器的控制部件中设一个能检测中断的机构，称为中 处理器的控制部件中设一个能检测中断的机构，称为中 断扫描机构
•在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器，询 每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器 扫描中断寄存器，
断处理程序
Applied Operating System Concepts
2.16
中断寄存器
• 为了区分和不丢失中断信号
对应每个中断源分别用一固定触发器寄存中断 信号 规定值为1 规定值为1时，表示有中断信号，为0时表示无 表示有中断信号，
• 这些触发器的全体称为中断寄存器 这些触发器的全体称为中断寄存器 • 每个触发器称为一个中断位 每个触发器称为一个中断位 • 所以中断寄存器是由若干个中断位组成
“中断”名称源于： 中断”名称源于：
• •
当异步事件（随机事件）发生后， 当异步事件（随机事件）发生后，打断了对当前程序 的执行， 的执行，而转去处理该异步事件 直到处理完了后， 直到处理完了后，再转回原程序中断点继续执行
Applied Operating System Concepts
2.12
从用户角度看中断
Module 2: Computer-System Structures 计算机系统结构 • I/O Structure I/O结构 结构 • Storage Structure 存储构造 • Storage Hierarchy 存储层次 • Hardware Protection 硬件保护 • General System Architecture 一般系统体系结构
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“Real” computer architecture:
Specific requirements of the target machine Design to maximize performance within constraints:
cost, power, and availability Includes ISA, microarchitecture, hardware
Based on SPEED, the CPU has increased dramatically, but memory and disk have increased only a little. This has led to dramatic changed in architecture, Operating Systems, and Programming practices.
假设微处理器速度或芯片内存储器容量 不变，则微处理器芯片价格每18-24个月 将降低约48%
摩尔定律即将终结
Intel公司负责内部芯片设计的首席技术官 盖尔欣格认为：以地球文明所拥有的材 料环境，如果芯片的耗能和散热问题不 解决，则：
2005年芯片上集成2亿个晶体管，热的像核 反应堆
到摩尔定律截至年，2010年，就会达到火箭 发射时高温气体喷嘴的水平
从发展过程中体会本课程的含义。
Computing Systems Today
The world is a large parallel system
Microprocessors in everything Vast infrastructure behind them
Massive Cluster
4.0
6.0
8.0
10.0
12.5
– Way off! Chips staying small
CPU与Memroy的性能呈现剪刀差
Defining Computer Architecture
Defining Computer Architecture
“Old” view of computer architecture:
计算机系统结构
课程介绍
龚斌
山东大学计算机科学与技术学院
2012-2013学年第二学期
课程目标
本课程是计算机科学与技术专业的一门 的基础课程。通过本课程的学习，使学 生理解计算机系统的基本工作原理，以 及在硬件、软件界面划分的权衡策略 (tradeoff)，建立完整的、系统的计算机 软硬件整体概念。
Commercial Computers
1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation UNIVAC I (Universal Automatic Computer) Became part of Sperry-Rand Corporation Late 1950s - UNIVAC II
Faster More memory
IBM 360 series
1964 Replaced (& not compatible with) 7000 series First planned “family” of computers
Similar or identical instruction sets Similar or identical O/S Increasing speed Increasing number of I/O ports (i.e. more terminals) Increased memory size Increased cost
Milestones in Computer Architecture (1)
Some milestones in the development of the modern digital computer.
Tanenbaum, Structured Computer Organization, Fifth Edition, (c) 2006 Pearson Education, Inc. All rights reserved. 0-13-148521-0
0.35 0.25
0.18
0.12
0.10
– Industry is slightly ahead of projection
DRAM capacity: 16M
64M 256M
1G
4G
16G
– Doubles every 1.5 years
– Prediction on track
Chip area (cm2): 2.5
Semiconductor Industry Association, 1992 Technology Workshop
Projected future technology based on past trends
1992
1995
1998 2001
2004
2007
Feature size: 0.5
Milestones in Computer Architecture (2) Some milestones in the development of the modern digital computer.
Tanenbaum, Structured Computer Organization, Fifth Edition, (c) 2006 Pearson Education, Inc. All rights reserved. 0-13-148521-0
让同学们明白计算机技术发展的趋势及影响，激发学习热 情、钻研和创新精神
了解新技术、新概念，扩大知识面
如：RISC、RAID、SMP、Cluster等 如：网格计算（Grid Computing），P2P，云计算（Cloud
Computing），GPU计算 如：多核（Multicore），众核（Manycore）,融核（Intel Xeon Phi） 如：Hadoop&MapReduce，大数据（Big Data）
Move to multi-processor RISC
在30年间计算机系统的速度提高 了6个数量级
对计算能力的需求持续增长
摩尔定律（1979年）
假设芯片价格保持不变，则微处理器芯 片上的晶体管数，每隔18-24个月便翻一 番
假设微处理器价格保持不变，则微处理 器速度每隔18-24个月便翻一番
Too late for war effort
Used until 1955 据说，每当它开机时，费城西区的电灯黯然失色（功
率过大）
ENIAC---最早的计算机（1946年）
ENIAC----技术细节
Decimal (not binary) 20 accumulators of 10 digits Programmed manually by switches 18,000 vacuum tubes 30 tons 15,000 square feet 140 kW power consumption 5,000 additions per second
Gigabit Ethernet Clusters
Internet Connectivity
Sensor Nets
Refrigerators
Scalable, Reliable, Secure Services Databases Information Collection Remote Storage Online Games Commerce …
Instruction Set Architecture (ISA) design i.e. decisions regarding:
registers, memory addressing, addressing modes, instruction operands, available operations, control flow instructions, instruction encoding
2015年，就会与太阳的表面一样热
Memory Capacity (and Cost) have changed dramatically in the last 20 years.
B itssize1000000000100000000
10000000
1000000
100000
10000
1000
课程主要内容
计算机系统结构概论 数据表示、寻址方式与指令系统 存储、中断、总线与I/O系统 存储体系 流水和指令级高速并行的超级机 阵列处理机 多处理机 数据流机和规约机*
课程的重点
从整体上掌握计算机系统的工作原理，以讲授计算机系统 结构的基本概念和基本原理为主，而不是完整介绍各种系 统结构，即不是以具体的机器为实例进行教学
处理器速度持续提高（广度）
从1971年第一颗微处理器Intel 4004问世以来，40年间处理器芯片集成的 晶体管数目从2300个发展到今天的数十亿个，处理器频率从不到1MHz 发展到今天最高接近5GHz，与英特尔4004相比，如今下一代英特尔酷 睿处理器的性能是其35万倍，每个晶体管的能耗却降低了5千倍。同期， 晶体管的价格下降了约5万倍。
计算机学科的组织构成
理科 工科 农 医 管理…
★计算机科学与技术专业
★★计算机系统结构
★★计算机软件与理论
★★计算机应用 ★软件工程专业
说明: ★ 一级学科 ★★ 二级学科
计算机技术的发展
自1946年以来，计算机近70年有了惊人的发展
Specific requirements of the target machine Design to maximize performance within constraints:
cost, power, and availability Includes ISA, microarchitecture, hardware
Based on SPEED, the CPU has increased dramatically, but memory and disk have increased only a little. This has led to dramatic changed in architecture, Operating Systems, and Programming practices.
假设微处理器速度或芯片内存储器容量 不变，则微处理器芯片价格每18-24个月 将降低约48%
摩尔定律即将终结
Intel公司负责内部芯片设计的首席技术官 盖尔欣格认为：以地球文明所拥有的材 料环境，如果芯片的耗能和散热问题不 解决，则：
2005年芯片上集成2亿个晶体管，热的像核 反应堆
到摩尔定律截至年，2010年，就会达到火箭 发射时高温气体喷嘴的水平
从发展过程中体会本课程的含义。
Computing Systems Today
The world is a large parallel system
Microprocessors in everything Vast infrastructure behind them
Massive Cluster
4.0
6.0
8.0
10.0
12.5
– Way off! Chips staying small
CPU与Memroy的性能呈现剪刀差
Defining Computer Architecture
Defining Computer Architecture
“Old” view of computer architecture:
计算机系统结构
课程介绍
龚斌
山东大学计算机科学与技术学院
2012-2013学年第二学期
课程目标
本课程是计算机科学与技术专业的一门 的基础课程。通过本课程的学习，使学 生理解计算机系统的基本工作原理，以 及在硬件、软件界面划分的权衡策略 (tradeoff)，建立完整的、系统的计算机 软硬件整体概念。
Commercial Computers
1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation UNIVAC I (Universal Automatic Computer) Became part of Sperry-Rand Corporation Late 1950s - UNIVAC II
Faster More memory
IBM 360 series
1964 Replaced (& not compatible with) 7000 series First planned “family” of computers
Similar or identical instruction sets Similar or identical O/S Increasing speed Increasing number of I/O ports (i.e. more terminals) Increased memory size Increased cost
Milestones in Computer Architecture (1)
Some milestones in the development of the modern digital computer.
Tanenbaum, Structured Computer Organization, Fifth Edition, (c) 2006 Pearson Education, Inc. All rights reserved. 0-13-148521-0
0.35 0.25
0.18
0.12
0.10
– Industry is slightly ahead of projection
DRAM capacity: 16M
64M 256M
1G
4G
16G
– Doubles every 1.5 years
– Prediction on track
Chip area (cm2): 2.5
Semiconductor Industry Association, 1992 Technology Workshop
Projected future technology based on past trends
1992
1995
1998 2001
2004
2007
Feature size: 0.5
Milestones in Computer Architecture (2) Some milestones in the development of the modern digital computer.
Tanenbaum, Structured Computer Organization, Fifth Edition, (c) 2006 Pearson Education, Inc. All rights reserved. 0-13-148521-0
让同学们明白计算机技术发展的趋势及影响，激发学习热 情、钻研和创新精神
了解新技术、新概念，扩大知识面
如：RISC、RAID、SMP、Cluster等 如：网格计算（Grid Computing），P2P，云计算（Cloud
Computing），GPU计算 如：多核（Multicore），众核（Manycore）,融核（Intel Xeon Phi） 如：Hadoop&MapReduce，大数据（Big Data）
Move to multi-processor RISC
在30年间计算机系统的速度提高 了6个数量级
对计算能力的需求持续增长
摩尔定律（1979年）
假设芯片价格保持不变，则微处理器芯 片上的晶体管数，每隔18-24个月便翻一 番
假设微处理器价格保持不变，则微处理 器速度每隔18-24个月便翻一番
Too late for war effort
Used until 1955 据说，每当它开机时，费城西区的电灯黯然失色（功
率过大）
ENIAC---最早的计算机（1946年）
ENIAC----技术细节
Decimal (not binary) 20 accumulators of 10 digits Programmed manually by switches 18,000 vacuum tubes 30 tons 15,000 square feet 140 kW power consumption 5,000 additions per second
Gigabit Ethernet Clusters
Internet Connectivity
Sensor Nets
Refrigerators
Scalable, Reliable, Secure Services Databases Information Collection Remote Storage Online Games Commerce …
Instruction Set Architecture (ISA) design i.e. decisions regarding:
registers, memory addressing, addressing modes, instruction operands, available operations, control flow instructions, instruction encoding
2015年，就会与太阳的表面一样热
Memory Capacity (and Cost) have changed dramatically in the last 20 years.
B itssize1000000000100000000
10000000
1000000
100000
10000
1000
课程主要内容
计算机系统结构概论 数据表示、寻址方式与指令系统 存储、中断、总线与I/O系统 存储体系 流水和指令级高速并行的超级机 阵列处理机 多处理机 数据流机和规约机*
课程的重点
从整体上掌握计算机系统的工作原理，以讲授计算机系统 结构的基本概念和基本原理为主，而不是完整介绍各种系 统结构，即不是以具体的机器为实例进行教学
处理器速度持续提高（广度）
从1971年第一颗微处理器Intel 4004问世以来，40年间处理器芯片集成的 晶体管数目从2300个发展到今天的数十亿个，处理器频率从不到1MHz 发展到今天最高接近5GHz，与英特尔4004相比，如今下一代英特尔酷 睿处理器的性能是其35万倍，每个晶体管的能耗却降低了5千倍。同期， 晶体管的价格下降了约5万倍。
计算机学科的组织构成
理科 工科 农 医 管理…
★计算机科学与技术专业
★★计算机系统结构
★★计算机软件与理论
★★计算机应用 ★软件工程专业
说明: ★ 一级学科 ★★ 二级学科
计算机技术的发展
自1946年以来，计算机近70年有了惊人的发展