计算机系统的多级.ppt

过汇编程序翻译成机器语言L1，再由M1执行L1。这个
翻译过程程序员无需过问，因此对于程序员似乎在M1
外又了现了一级具有L2语言的机器M2，它不是实际机
器，是具有L2汇编语言的虚拟机M2。
第二级
虚拟机M2 具有汇编语言L2
←
L2程序翻译成L1程序 再在M1上执行
特点：与L1相比有了较大提高，仍无通用性，需了解
2、已知某计算机字长为16位，内存64K×16，部件间信 息传送方向如下图所示，设备以字节为单位与主机交换 信息。
K
b
c
M
存储器
L
f
a
d
e
控制器
（1）K、M、L分别为何部件？ （2）a、b、c、d、e、f分别为何信息，各为几位？
[ M ] →MQ
X 来自主存MIR
ACC → X X × MQ → ACC / MQ
（4）除法
[M]→X ACC÷X → MQ /ACC
三、控制器子系统
1、控制器组成：现行指令地址寄存器、现行指令 寄存器、指令译 码器和控制信号发生器。 2、控制器作用：取指令、分析指令和执行指令
3、控制器基本结构
送到（来自）其它寄存器 来自CAR或CIR
3、访存：从存储器中读出或向存储器写入一个存储 器字的过程。
4、多体交叉存储器 它是由多个相互独立、容量相同的存储模块（存储
体）构成，每个存储体都有各自的读写线路、地址寄 存器和数据寄存器，各自以等同的方式与CPU传递信息。 CPU在一个周期内分时访问每个存储体。若多体交叉存 储器由n个存储模块构成，存储器的工作速度可提高n 倍。 一般用地址线的低位部分作为各个存储体的寻址 用地址线的高位部分作为每个存储体内的寻址。
A23~A3
地寄7#
地寄6#
地寄0#
A2~A0 data
7#
6#
0#
数 据 寄 存器
例：有四个存储体的交叉存储器中，依次访问的 数据分别在地址为0、5、10、15存储单元中， 分别在存储体0、1、2、3中。可在一个周期内 分时访问四个存储体，各个存储体的读写过程 重叠进行，一个周期内分时将0、5、10、15四 个数据从读出所需数据。（若数在1、3、5、7 存储单元需有多少周期？）
0# 1#
2# 3#
地址 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12 13 14 15
16 17 18 19
二、运算器子系统
1、 运算器组成：算术逻辑运算单元ALU、累加器 和各种通用寄存器。
2、 运算器基本结构 （1）加法
ACC
存储器
[ M ] →X
ALU
ACC + X →ACC
（2）减法
MQ
[ M ] →X ACC - X →ACC （3）乘法
B：单总线结构
I/O接口 ……… I/O接口
CPU 存储器 I/O设备存…储…器….. I/O设备 缺点：各部件争用总线使用权问题。 C：面向存储器的双总线
CPU
I/O接口 ……… I/O接口 存储器 I/O设备存…储…器….. I/O设备
（3）I/O系统功能的扩大 从中断技术的应用到DMA方式的推广，使
§4 ·1 计算机系统的多级层次结构
一、第一级机器M1 可执行机器语言L1的机器。
第一级
实际机器M1 具有机器语言L1
← L1程序由M1直接执行
特点：语言麻烦易出错，不易修改和调试，通用性差。
二、第二级机器M2
程序员为了摆脱繁杂的二进制代码的机器语言，
用符号（汇编语言L2）编写程序，M1无法辩认，需通
I/O设备与存储器交换
运存算储器器
信息需经CPU，CPU效
率低。
输输入入
存运储算器器
输输出出
B：以存储器为中心 采用中断技术提高CPU
控控制制器器
效率，但无法增撤I/O
设备
Ⅱ总线结构：将各功能部件挂在总线上，增撤I/O设备
A：以CPU为中心的双总线结构
CPU
I/O接口 ……… I/O接口
存储器 I/O设备 …存…储…器.. I/O设备 缺点：I/O设备与存储器交换信息需经过CPU，CPU效率低。
高级语言虚拟机M4 具有高级语言L4
← L4程序翻译成L3（L1）
程序再在M3、M1上执行
汇编语言虚拟机M3 具有汇编语言L3
← L3程序翻译成L1程序
再在M1上执行
操作系统虚拟机M2 具有作业控制语言L2
← L2程序由机器语言解释
实际机器M1 具有机器语言L1
← 用微程序解释机器指令
微程序机器M0 具有微程序L0
CPU的效率得到了提高，但当I/O处理机的出现， 使CPU从大量的I/O操作中摆脱出来，I/O操作由 I/O处理机控制。
主存储器
主存控制器
I/O处理机 I/O处理机 …… I/O处理机
I/O设备 I/O设备 …… I/O设备 （4）微程序的出现
微程序的使用从设计控制器开始，到机器指 令系统的应用，使指令系统变得非常灵活，只要 修改微程序便可修改机器的指令系统。
五、具有操作系统的多级层次计算机系统
操作系统虚拟机M2 具有作业控制语言L2
← L2程序由机器语言翻译、解释
应用语言虚拟机M5 具有应用语言L5
← L5程序经应用程序包翻译成高级语言
具有操作系统的多级层次计算机系统
第五级 第四级 第三级 第二级 第一级 第0级
应用语言虚拟机M5 具有应用语言L5
← L5程序翻译成高级语言
2、计算机组成
如何实现计算机结构所体现的属性，如何将计 算机的各部件构成计算机的实体。
计算机组成分为元器件级、线路级、部件级及 子系统级。
二、Von.neumann 计算机的结构特点
1、Von.neumann 计算机的主要特点
（1）计算机由五大部分组成 （2）指令和数据以二进制存储于存储器。 （3）存储器线性编址，存储单元按址访问。 （4）指令由操作码和地址码组成。 （5）程序由PC控制，顺序执行。 （6）以运算器为中心。
§4 ·3 计算机各子系统的基本组成
一、存储器子系统
1、组成 存储器子系统包括由主存储器和辅助存储器。 主存储器由存储体、逻辑部件和控制电路组成。 存储体由多个存储单元组成，每个存储单元包
括若干个存储元件。存储单元按址访问。
2、结构
存储体
WR RD
来自控制器
存储器信 息寄存器
MIR MAR
存储器地 址寄存器
2、Von.neumann 型计算机的结构变化
（1）运算器及运算方法的改进 运算器由串行进位→并行进位；运算由1位
乘 → 多位乘；跳“0”、跳“1”除；浮点运算。 （2）总线结构
Ⅰ分散连接方式：五大部件相互独立，各部件 间以独立的通道相互联系统，内部连线复杂，牵一 线而动全机，无法增撤I/O设备。
A：以运算器为中心
ACC FA MQ X
存储体
..... CSG
MIR MAR
ID CIR CAR
运算器
存储器
控制器
四、I / O 子系统
1、I/O子系统组成：I/O处理机、I/O控制器和I/O 设备或I/O接口和 I/O设备。
2、I/O设备与主机联接方式
3、I/O处理机
4、I/O子系统的组成
0体 MIR MAR
n体 MIR MAR
存储器控制器
运算器
存储器
IOIR IOCR
I/O处理机
练习:
ACC FБайду номын сангаас MQ X
存储体
..... CSG
MIR MAR
ID CIR CAR
运算器
存储器
控制器
1、若存储器的存储容量为16K字，每个存储字长为16位， 在上图示的结构图中。 （1）写出MAR、MIR、CAR、CIR、ACC的名称和作用； （2）写出MAR、MIR、CAR、CIR、ACC各取几位？ （3）哪些寄存器之间有信息通路？
← L0程序由M0硬件直接执行
§4 ·2 Von.neumann 计算机的结构特点
一、计算机结构与计算机组成
1、计算机结构
是指抽象的概念性的结构，主要是指用机器语言 编写程序的程序员看到的传统机器的属性。
属性包括：程序的识别；数据的表示；数据的编 址；机器指令的类型、格式；数据的类型、格式；存 储器的编址、保护方法；I/O设备与机器接口等。
M1的组成和指令系统。
三、第三级机器M3 可执行高级语言L3的机器。
第三级
虚拟机M3 具有高级语言L3
← L3程序翻译成L2（L1）
程序再在M2、M1上执行
特点：高级语言L3得到了广泛的推广和普及。 四、第0级机器M0
可执行微程序L0的实际机器。
第0级
实际机器M0 具有微程序L0
← L0由M0直接执行