计算机体系结构完整讲义
系统结构讲义-2
码元分配：从树根开始，对每个中间结点的左右2个分支边各赋予
一位代码“0”和“1”（“0”在哪一侧不限）。读出从根结点到任一片树叶 的路径上依次出现的代码位就排成了这个事件（即指令）的完整编码。 由于频度高的事件较晚被合并，它的编码位数也就较少，符合Huffman压 缩原则。
上面所说的频度值就是各事件实际出现次数的百分比， 它是理论出现概率的近似值。 例：假设一台模型计算机共有7种不同的操作码，已 知各种操作码在程序中出现的概率如下表，利用Huffman 编码法进行操作码编码。 指令 概率 I1 0.45 I2 0.30 I3 0.15 I4 0.05 I5 0.03 I6 0.01 I7 0.01
第二章 指令系统
2.3 指令格式的优化设计
指令格式的优化是指如何用最短的二进制位数表示指令的操作码信息和 地址码信息，使指令的平均字长最短，同时便于译码。
指令的组成 操作码 地址码
1) 指令的操作种类。 2) 所用操作数数据 类型。
1) 操作数地址。 2) 地址附加信息。 3) 寻址方式。
指令格式的优化设计目标： 1) 使程序中指令的平均字长最短，节省程序的存储空间。 2) 指令格式要规整，减少硬件译码的复杂程度。
1632和64位固定32位指令时钟频率随技术发展而变化随技术发展而变化寄存器堆824个通用寄存器32192个分离的整数和浮点寄存器堆指令系统规模和类型约300条多于48种指令类型大都基于寄存器寻址方式约12种包含间接变址寻址35种只有取存寻址存储器高速缓存设计较早使用合一高速缓存有些使用分离高速缓存大多数使用分离的数据和指令高速缓存cpi及平均cpi120个周期平均4个简单操作1个周期平均约15个cpu控制大多数用微程序控制有些使用硬连线控制大多数用硬连线控制没有控制存储器代表性商品化处理器intelx86vax8600ibm390mc68040intelpentiumamd486和cyrix686sunultrasparcmipsr10000powerpc604hppa8000digitalalpha21164混合混合ciscriscciscrisc体系结构体系结构pentiumpropentiumpro处理器的处理器的ciscriscciscrisc体系结构体系结构分分基于基于riscrisc核心核心dbab将将x86x86代码转化为代码转化为riscrisc指令指令
中科大-并行计算讲义-并行计算机系统与结构模型
Intel Paragon系统框图
I/O部分
SCSI
计算
节点
节点
计算部分
计算 节点
……
服务部分 I/O部分
计算
服务
SCSI
节点
节点
节点
以太网
HIPPI 节点
计算 节点
计算 节点
……
计算 节点
服务 节点
SCSI 节点
FDDI
VME 节点
用户I/O
磁带
HIPPI 节点
计算 节点
计算 节点
……
计算 节点
CU
PE0
PE1
…
P E n-1
IN
M0
M1
…
M m-1
(b)共享存储阵列机
中科大-并行计算讲义-并行计算机系统与结构模 型
2021/1/21
6
阵列处理机的特点
• SIMD－单指令多数据流机
• 利用资源重复开拓计算空间的并行
• 同步计算－－所有PE执行相同操作
• 适于特定问题（如有限差分、矩阵运算等） 求解
2021/1/21
10
Balance同构对称多处理机系统
80386CPU Weitek1167FPU
…
80386CPU Weitek1167FPU
存储器 8MB
…
存储器 8MB
64KB 高速缓存
…
64KB 高速缓存 系统总线
存储控制器
… 存储控制器
总线适配器 以太局域网
磁盘控制器
…
磁盘
磁盘
总线适配器 多总线
• 阵列处理机 分布存储 共享存储 流水线
• 向量处理机 并行向量机
计算机组织与结构实验讲义(2014版)
计算机组织与结构实验讲义（2014版）任国林编写东南大学计算机科学与工程学院计算机组织与结构课程实验是为巩固教学效果而设置的，学生可以通过这些实验掌握计算机部件的逻辑组成及其工作原理，熟悉数字电路芯片的使用方法，提高逻辑设计能力，为设计计算机模型机打下基础。
计算机组织与结构课程实验共有4个，分别是运算器组成实验、存储器组成实验、寄存器组成实验、CPU数据通路实验。
所有实验均基于EDA工具Quartus II进行设计和功能仿真，条件允许时基于FPGA芯片进行功能验证。
实验一运算器组成实验一、实验目的（1）熟悉加/减法器的功能及使用方法。
（2）掌握算术逻辑部件(ALU)的功能及其逻辑组成。
（3）加深对运算器工作原理的理解。
二、实验内容（1）掌握Quartus II的使用方法，能够进行数字电路的设计及仿真。
（2）验证Quartus II所提供加/减法器的功能及使用方法。
（3）设计具有加法、减法、逻辑与、逻辑非4种功能的ALU，并进行功能仿真/验证。
三、实验原理及方案运算器是计算机硬件对数据进行加工的重要部件，算术逻辑部件ALU是其核心，还包括存放操作数和运算结果的寄存器/锁存器、存放运算结果状态的触发器等器件。
根据给定控制信号的不同，运算器可以实现不同的运算功能。
为便于运算器组成设计有效进行，先介绍一下Quartus II的使用方法。
1、基于Quartus II的电路设计及仿真方法基于Quartus II，电路设计的主要过程包括：建立工程文件、编辑原理图文件、编译原理图文件，电路仿真的主要过程包括：编辑仿真波形文件、生成功能仿真网表、验证仿真波形正确性。
以功能为Z=X·Y的电路为例，使用Quartus II、采用原理图方法进行电路设计的过程如下：1）建立工程文件：通过主菜单File→New Project Wizard可建立工程文件，包含5个页面的设置。
·第1页为设置工程文件信息，包括工程文件名、工作目录名·第2页为在工程中加入文件，可将已有的GDF文件添加到工程文件中，本例中无·第3页为选择FPGA器件型号，本例中采用Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片·第4页为添加准备使用的EDA工具，通常直接选择Next·第5页为查看、确认工程文件信息，无误时选择Finish即可。
计算机体系结构完整讲义ppt课件
• 计算机的更新换代
– 第一代：电子管计算机 – 第二代：晶体管计算机
硬件设计公理： 越小越快
– 第三代：中小规模集成电路
– 第四代：大或超大规模集成电路
– 第五代：VLSI(甚大规模集成电路)
计算机性能的大幅度提高和更新换代，一方面依靠 器件的不断更新，同时也依赖系统结构的不断改进。
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二 按计算机系统成本分类
• 是对计算机系统中各机器级之间界面的划 分和定义，以及对各级界面上、下的功能 进行分配
– 1964年，IBM/360系列机的总设计工程师G.M. Amdahl、G.A. Blauw、F.P. Brooks等人提出。 也称体系结构。
– 是从程序员的角度所看到的系统的属性，是 概念上的结构和功能上的行为
• 1.2.2 计算机系统的设计方法
• ---软硬件舍取的基本原则 • ---计算机系统设计者的主要任务 • ---计算机系统设计的基本方法 （三种）
• 计算机语言：是用以描述控制流程的、 有一定规则的字符集合
– 语言不是专属软件范畴，可以介属于计算机 系统的各个层次，具有不同作用
4
1.1.1计算机系统的多级层次结构
从使用语言的角度上，将计算机系统 看成按功能划分的多级层次结构
机器、汇编、高级、应用语言
低级
高级
后者比前者功能更强、使用更方便；
而前者是后者发展的基础，在单条指令的 执行速度相比较，前者更快。
•第1章 •第2章 •第3章 •第4章 •第5章 •第6章
计算机系统设计基础 数据表示与指令系统性能分析 流水技术和向量处理 阵列计算机 多处理机系统 数据流计算机
1
第1章 计算机系统设计基础
• 1.1 计算机系统的基本概念 • 1.2 计算机系统的设计技术 • 1.3 计算机系统的性能评价 • 1.4 计算机系统结构的发展
中职计算机组装与维护课件整套课件完整版ppt教学教程最全电子讲义教案后缀
CPU的主频即CPU内核工作的时钟频率，英文全称叫 做（CPU Clock Speed），单位是MHz。主频和实际的 运算速度存在一定的关系，CPU的主频不代表CPU的速度， 但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。
• 外频
外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率，单位是 MHz（兆赫兹）。
4
100
9
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14
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• 单位
（1）位(bit)：是一个“0”或“1”，用“b”表示。 （2）字节(Byte):由8位的二进制数构成，用“B”表示。 （3）字：是计算机内部CPU进行数据处理的基本单位 （4）字长：一般将计算机数据总线所包含的二进制位称字
长。
字，字节，位之间的关系
字
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
(2)(八76进1)制Q。：逢八进一，用数字0~7表示通常写成(761)8或
(3)十六进制：逢十六进一，用字符“0~9、A~F”表示。
部分进制数制数对应表
十进制 二进制 十进制 二进制 十进制 二进制005101
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技能目标
• 熟练识别计算机各配件及常见种类 • 掌握计算机各配件的主要技术参数 • 能够根据实际需要选购适合需求的计算机
1.CPU的主要技术指标
• CPU的位和字长
CPU在单位时间内能一次处理的二进制数的位数称为 字长。所以，能处理字长为8位数据的CPU通常就称为8位 的CPU。同理，32位的CPU能在单位时间内处理字长为 32位的二进制数据。
北航计算机组成原理讲义-1
指令周期：指令执行的时间，包括取指令、
分析指令、执行指令所需的时间。
机器周期：指令周期按功能分成几个不同的
阶段，每个阶段所需的时间，称为一个机器
周期。比如取指周期，取数周期等。
节拍周期：也是时钟周期，微操作执行的时
间。
时钟脉冲信号：计算机系统的基本定时信号，
是其他时序信号的基准
一个指令周期 ＝ N 个机器周期
Memory）
•运算器＋控制器＝CPU（Central Process Unit）
计算机组成（2）
存储器
保存程序和数据 存储单元（bit, Byte, Word) 地址的概念（每一个字节单元一个唯一的地址） 存储器的工作方式：读、写 组成：存储体＋地址缓冲部件＋数据缓冲部件＋读写控制部件 存储器的层次：Cache ＋ RAM ＋ Disk ＋ Tape
L64852 MBus control
M-S Adapter
SBus
SBus
DMA
SCSI Ethernet
SBus Cards
STDIO
serial kbd mouse audio RTC
Floppy
计算机的工作原理
❖机器指令：计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的 二进制代码。
➢指令格式：操作码 ＋ 操作数（操作数地址） ➢操作码：指明指令的操作性质 ➢操作数（地址）：指令操作数的位置（或操作数本身）
指令的执行过程：微操作
Q AC Q
Q 微Q操作：计算机可以完成的最基D 本
B的D操作，一条机器指令的执行可以
AND
AC + B
AC
解释为一系列的微操作的执行
A B 操AN作D 性质：对数据进行某种处ALU理
计算机组成原理实验讲义(15-6)
计算机科学学院计算机组成原理实验指导书（适用于计算机科学学院所有专业）计算机系统结构教研室2015年6月修订目录第1章TEC-8计算机硬件综合实验系统 (1)1.1TEC-8实验系统的用途 (1)1.2TEC-8实验系统技术特点 (1)1.3TEC-8实验系统组成 (1)1.4逻辑测试笔 (2)1.5TEC-8实验系统结构和操作 (2)1.6模型计算机指令系统 (5)1.7开关、按钮、指示灯 (6)1.8实验准备 (7)第2章计算机组成原理基本实验 (10)2.1运算器组成实验 (10)2.2双端口存储器实验 (14)2.3数据通路实验 (18)2.4微程序控制器实验 (22)第1章TEC-8计算机硬件综合实验系统1.1TEC-8实验系统的用途TEC-8计算机硬件综合实验系统，以下简称TEC-8实验系统，是清华大学科教仪器厂生产的一个专利产品，专利号ZL200720149391.9。
它用于数字逻辑与数字系统、计算机组成原理、计算机体系结构三门课程的实验教学，也可用于数字系统的研究开发，为提高学生的动手能力、培养学生的创新精神提供了一个良好的舞台1.2TEC-8实验系统技术特点⑴模型计算机采用8位字长、简单而实用，有利于学生掌握模型计算机整机的工作原理。
通过8位数据开关用手动方式输入二进制测试程序，有利于学生从最底层开始了解计算机工作原理。
⑵指令系统采用4位操作码，可容纳16条指令。
已实现加、减、与、加1、存数、取数、条件转移、无条件转移、输出、中断返回、开中断、关中断和停机等14条指令，指令功能非常典型。
⑶采用双端口存储器作为主存，实现数据总线和指令总线双总线体制，实现指令流水功能，体现出现代CPU设计思想。
⑷控制器采用微程序控制器和硬连线控制器2种类型，体现了当代计算机控制器技术的完备性。
⑸微程序控制器和硬连线控制器之间的转换采用独创的一次全切换方式，切换不用关掉电源，切换简单、安全可靠。
⑹控制存储器中的微代码可用PC计算机下载，省去了E2PROM器件的专用编辑器和对器件的插、拔。
中职计算机组装与维护讲义：主机(主板、CPU、内存)
第一章主机第一节主板知识梳理主板，又叫主机板、系统板或母版；主板的平面是一块PCB（印刷电路板），一般采用四层板或六层板。
一、主板分类按照主板板型划分：ATX（标准型30.5cm×21.8cm）、Micro-ATX （M-ATX紧凑型）、Mini-ITX（ITX迷你型）、加强型；按照主板结构划分：AT主板、Baby AT主板、ATX主板（就像把Baby AT主板横过来放置）和BATX主板等。
期中AT主板和Baby AT 主板已经被淘汰，目前主流为ATX主板，BATX主板是ATX主板的改进型，它使用窄板设计，使部件布局更加紧凑。
二、主板构成1.主要芯片（1）南北桥芯片：CPU插座旁边，被散热片盖住的就是北桥芯片，其主要功能是通过前端总线与CPU进行教据交换，主要负责处理CPU、内存、显卡三者间的“交通”，由于发热量较大，因而需要散热片散热。
南桥多位于PCI插槽的上面，与BIOS芯片相通，主要负责对外部设备数据的传输和处理，同时管理IDE设备，DMA通道控制、对AC97音频数据的处理，以及对网络接口、USB接口的控制和电源管理等。
南桥和北桥合称芯片组，芯片组是主板的核心，在很大程度上决定了主板的功能和性能，芯片组以北桥桥芯片为核心，一殷情况，主板的命名都是以北桥的核心名称命名的。
（2）BIOS芯片：BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）全称是ROM-BIOS，属于ROM（只读存储器）。
为电脑提供最低级最直接的硬件控制的程序，它是连通软件程序和硬件设备之间的枢纽，BIOS 中主要存放：POST加电自检程序；CMOS设置程序；系统自举装载程序；主要I/O设备的驱动程序和中断服务。
目前大多采用Flash ROM 作为存储介质，常见品牌；Award BIOS、AMI BIOS、Phoenix BIOS。
（3）CMOS芯片：CMOS（互补型金属氧化物半导体）属于RAM（随机存储器），其主要作用是用来存放BIOS中的设置信息。
计算机系统结构胡伟武老师chapter00_课程介绍
• 硕士《计算机体系结构》：主要介绍CPU微结构
• 包括指令系统结构、二进制和逻辑电路、静态流水线、动态流水线 、多发射流水线、运算部件、转移猜测、高速缓存、TLB、多核对 流水线的影响等
• 博士《高级计算机体系结构》：主要强调实践性
• 通过设计真实的（而不是简化的）CPU，运行真实的（而不是简化 的）操作系统，对结构设计、物理设计、操作系统做到融会贯通 7
• 建立指令系统和晶体管之间的“桥梁”，硕士课程的重点内容
• 运算器设计、指令流水线（控制器设计）
• 第五部分：并行处理结构（第10-11章）
• 现代计算机通过多层次的并行性开发来提高性能
• 应用程序的并行行为、多核处理器
• 第六部分：计算机性能分析（第12章）
• 性能不由一两个具体指标决定，而是若干因素综合平衡的结果 • 计算机性能指标（计算机性能基准测试程序、计算机性能比较）、 计算机性能分析方法
• 从界限清晰到界限不清晰
• ISA：CISC、RISC => Transmeta、虚拟机
• 逻辑和电路：晶体管 => 晶体管+连线 应用、操作系统、编译系统
计算机系统结构（性能、价格、功耗）
逻辑设计、电路设计、工艺制造
6
国科大《计算机体系结构》课程设置
• 本科《计算机体系结构基础》
• 作为软硬件界面的指令系统结构，包含CPU、GPU、南北桥协同的 计算机硬件结构，CPU的微结构，并行处理结构，计算机性能分析 等五部分主要内容。
• 微体系结构（Micro-architecture）是微处理器的组织结构，并行体
系结构是并行计算机的组织结构。 • 冯诺依曼结构的存储程序和指令驱动执行原理是现代计算机体系结构
_计算机组成原理复习讲义
第二章 计算机组成原理【知识点1】USB 的通用串行接口在使用的过程中，用户无需安装驱动程序，即插即用，但是要求操作系统是windows2000及以上的版本。
【典型考题】86．在Windows 中使用优盘不需专门安装相应的驱动程序，其他外围设备也无需安装驱动程序就可以正常工作。
【知识点2】计算机系统金字塔存储体系结构在计算机中为了解决CPU 和内存之间的速度不匹配，增加了访问速度介于两者之间的cache 存储器。
【典型考题】10．计算机系统配置高速缓冲存储器（Cache ）是为了解决_______A ．CPU 与内存储器之间速度不匹配问题B ．CPU 与辅助存储器之间速度不匹配问题C ．内存与辅助存储器之间速度不匹配问题D ．主机与外设之间速度不匹配问题84．高速缓存(cache)可以看作是主存的延伸，与主存统一编址，接受CPU 的访问，但其速度要比主存高得多。
( )85．RAM 按工作原理的不同可分为DRAM 和SRAM ．DRAM 的工作速度比SRAM 的速度慢。
( )6．下列存储器按读写速度由高到低排列，正确的是__________。
A．RAM、cache、硬盘、光盘B．cache、RAM、硬盘、光盘C．RAM、硬盘、cache、光盘D．cache、RAM、光盘、硬盘11．能够直接与外存交换数据的是__________。
A．控制器B．运算器C．键盘D．RAM83．通常情况下，高速缓存(Cache)容量越大，级数越多，CPU的执行效率越高。
【知识点3】总线的定义：用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息的一个共享的信息传输通路及其控制部件。
系统总线：处理器总线、I/O总线和存储器总线的统称。
处理器总线（CPU总线）用于连接CPU和内存的总线称为处理器总线或者前端总线（FSB）。
I/O总线（主板总线）是各类I/O设备控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的一组公用信号线.这些信号线与主板上扩充插槽中的各扩充板卡（I/O控制器）直接连接。
计算机网络自顶向下方法讲义资料课件
详细描述
计算机网络体系结构是用来标准化计算机网络各层之 间关系的结构框架，它规定了不同计算机之间进行通 信应遵循的规则和标准。计算机网络体系结构通常分 为OSI参考模型和TCP/IP模型两部分。OSI参考模型将 计算机网络划分为七个层次，从上到下分别是应用层 、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和 物理层。TCP/IP模型则将计算机网络划分为四个层次 ，分别是应用层、传输层、网络层和网络接口层。
计算机网络自顶向下方 法讲义资料课件
目录
Contents
• 概述 • 物理层 • 数据链路层 • 网络层 • 传输层 • 应用层
01 概述
计算机网络定义
总结词
计算机网络是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系 统连接起来，以功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统。
详细描述
计算机网络是一个复杂的系统，它利用各种硬件和软件技术，将地理位置分散的 计算机系统连接在一起，形成一个能够进行信息交换和资源共享的虚拟环境。计 算机网络的基本构成包括通信设备和线路、计算机系统和网络软件。
计算机网络分类
总结词
根据不同的分类标准，计算机网络可以分为多种类型，如按覆盖范围可分为局域网、城域网和广域网；按拓扑结 构可分为总线型、星型、环型和网状型等。
应用层协议
FTP协议
用于文件传输。
DNS协议
用于域名解析。
HTTP协议
用于万维网中网页的传输和访 问。
SMTP协议
用于电子邮件传输。
TLS/SSL协议
用于实现安全的网络通信。
计算机组成与结构 TEC+XP+学生实验讲义 (郝尚富)
计算机组成与结构（面向信息科学与工程学院各本科专业）主编：郝尚富实验讲义河北北方学院信息科学与工程学院2010.11目录实验一基础汇编语言程序设计...................................................................... 实验二脱机运算器实验.................................................................................. 实验三存储器部件教学实验.......................................................................... 实验四微程序控制器实验.............................................................................. 实验五 I/O口扩展实验................................................................................... 实验六中断实验.............................................................................................. 附录一：教学机系统结构图.............................................................................. 附录二 TEC-XP 16 系统各功能部件之间的连接关系和信息传送路径........ 附录三 TEC-XP 16 系统教学实验简明操作卡附录四指令汇总表附录五基本指令执行流程框图附录六扩展指令执行流程框图........................................................................ 附录七微程序表实验一基础汇编语言程序设计1.1 实验目的：1．学习和了解TEC-XP教学实验系统监控命令的用法；2．学习和了解TEC-XP教学实验系统的指令系统；3．学习简单的TEC-XP教学实验系统汇编程序设计；1.2 实验内容：1．学习联机使用TEC-XP教学实验系统和仿真终端软件PCEC.2．使用监控程序的R命令显示/修改寄存器内容、D命令显示存储器内容、E命令修改存储器内容；3．使用A命令写一小段汇编程序，U命令反汇编刚输入的程序，用G命令连续运行该程序，用T、P命令单步运行并观察程序单步执行情况；1.3 实验步骤1.3.1 完成TEC-XP教学计算机与PC机的硬件连接：1．将TEC-XP放在实验台上，打开实验箱的盖子，确定电源处于断开状态；2．将黑色的电源线一端接220V交流电源，另一端插在TEC-XP实验箱的电源插座里；3．取出通讯线，将通讯线的9芯插头接在TEC-XP实验箱上的串口1上，另一端接到PC机的“COM1”或“COM2”（建议用COM2）串口上；4．将TEC-XP实验系统左下方的五个黑色的控制机器运行状态的开关置于正确的位置，在找个实验中开关应置为00110（连续、内存读指令、组合逻辑（或微程序）、联机、16位）。
计算机网络讲义
N
它是OSI-RM中的第三层，也是最复杂 的一层,在此层中,数据传送的单位是分组(Packet) 或称为包。其功能在于使通信系统中发端运 输层(第四层)传下来的分组能够准确无误的找 到接收端并交付给运输层，同时具有拥塞控 制功能，并能向网管人员提供每个用户通过 网络发出的信息分组数或字符数、或比特数 以此作为收费依据，对于一个通信子网只包 括上述三层。
6.信息传送路线 由应用进程APA 发端OSI的七层 1层
通信子网交换节点
节点1第1～3层完成选择后回到1层 收端1～7层
物理媒体
节点2
物理层媒体
服务与协议
一.层次的表示 除最高层和最低层外的任一层均可 3称为(N)层，读做“第N层”，而N层则表 示有“N个层”、(N)层之上、下层用(N+1)层 和(N－1)层表示，每层又包含一个或多个 子系统(完成本层功能的集合),而每个子系 统又包含一个或多个实体(任何可以发送或 接收信息的硬件或软件、进程。)不同子系 统的同层内相互交互的实体称为对等层。
计算机－计算机网络
分组交换原理：将数据信息分解 成长度固定，还具有统一格式 的数据组，以分组为单位在系 统中进行存储—转发
分组交换
分组交换的优点:高效、灵活、 迅速、可靠
分组交换的缺点：时延大、开 销大、协议复杂
计算机体系结构的形成
各计算机制造厂商网络结构
标准
（IBM\DEC\UNIVAC\宝来）
第一章
概述
•计算机网络的形成与发展
•计算机网络的定义与功能
•分类 •若干术语
第一节 计算机网络的 形成与发展
发展
第一代：以单个计算机为中心的联机系 统 电路交换方式、用MODEM进行模数变换、 成批处理数据、多重线路 控制器 不适合计算机网络传输
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占用内存多
• 发展趋势
– 硬件实现的比例越来越高 – 硬件所占的成本越来越低
计算机系统的软硬件成本变化
成本
软件
70年代
硬件 年代
从概念和功能上将计算机系统看成多级层次结构 的优点：
1. 理解软件、硬件、固件的地位和作用 2. 理解各种语言的实质和实现途径 3. 探索虚拟机新的实现方法和新的系统设计
– 它不同于数据流程和控制的组织，不同于逻 辑设计以及物理实现方法
定义的理解
• 从两个角度理解
一是计算机系统结构既然是“从程序员的角度所看到 的系统的属性”，那么每一级“机器”都有一个系统结 构，而且它们相互不同
二是将计算机的系统结构定义在传统机器界面（M1） 程序员所看到的计算机的基本属性
计算机系统结构的基本属性
或者：一条N+1级指令--〉一串N级指令
例：解释一件事
翻译和解释是语言实现的两种基本技术。
•解释比翻译费时，但节省存有关
•解释为局部行为，不优化，效率低， 与平台无关
翻译+解释：Java
控制流程的三种实现方法
• 全硬件、软硬件结合、全软件
– 逻辑上等价，物理意义上不等价 – 硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占
第1章 计算机系统设计基础
• 1.1 计算机系统的基本概念 • 1.2 计算机系统的设计技术 • 1.3 计算机系统的性能评价 • 1.4 计算机系统结构的发展
本章学习要求
• 了解计算机系统的多级层次结构 • 掌握系统结构、组成和实现的定义及属
性，会透明性分析 • 掌握计算机系统的设计原理、性能计算 • 掌握计算机系统的分类，特别是Flynn分
类 • 了解软件对计算机系统结构发展的影响
1.1 计算机系统的基本概念
• 机器：能存储和执行相应语言程序的算 法和数据结构的执行体
• 计算机语言：是用以描述控制流程的、 有一定规则的字符集合
– 语言不是专属软件范畴，可以介属于计算机 系统的各个层次，具有不同作用
1.1.1计算机系统的多级层次结构
• 一般应包括以下几个方面
– 指令系统、数据表示、操作数的寻址方式 – 寄存器的构成定义、中断机构和例外条件 – 存储体系和管理、I/O结构 – 机器工作状态定义和切换、信息保护
在所有系统结构的特性中，指令系统的外特 性是最关键的
计算机组成 Computer Organization
• 研究硬件系统各组成部分的内部构造和相 互联系，以实现机器指令级的各种功能和 特性，目标是用最合理地方式将各种设备 和部件连接为计算机，以达到最优的性价 比，从而实现所确定的系统结构。
从设计人员看到的层次
• 应用程序级 • 高级语言级 • 汇编语言级 • 操作系统级 • 机器语言级 • 微程序控制级 • 硬联逻辑级
用户 高级语言程序员 汇编语言程序员 操作员 机器语言程序员
逻辑程序员 硬件设计员
翻译(Translation)：先用转换程序将高 一级机器级上的程序整个地变换成低一 级机器级上可运行的等效程序（中间程 序），然后再在低一级机器级上去实现 的技术。
由硬件固件实现——高级语言机器 多处理机系统——由真正微处理机实现 4. 理解计算机体系结构的定义
5. 在一台真正的宿主机上通过模拟或仿真另一台不 同的假想机器——自虚拟技术
1.1.2 系统结构、组成与实现
• 定义与理解 • 三者的相互关系
计算机系统结构的定义 System Architecture
它是计算机组成的物理实现
研究各部件的物理结构、机器的制造技术 和工艺等，它着眼于器件技术和微组装技 术 • 主存的物理实现，如存储器采用什么样器 件，逻辑电路设计和微组装技术均属计算 机实现
定义理解举例
指令系统
– 指令系统的确定--------系统结构 – 指令的实现--------------组成 – 具体电路、器件设计及装配技术---实现
翻译（编译程序） 汇编语言机器 L3虚拟机
翻译（汇编程序） 操作系统机器 L2虚拟机
部分解释（操作系统）
传统机器级 物理机器
微程序/硬联
解释
直接由硬件执行
多级层次结构（机器—语言）
• M5: 应用语言机器------应用语言（L5） • M4: 高级语言机器------高级语言（L4） • M3: 汇编语言机器------汇编语言（L3） • M2: 操作系统机器------作业控制语言（L2） • M1: 传统机器------------机器语言（L1） • M0: 微程序机器---------微程序语言（L0）
• 是对计算机系统中各机器级之间界面的划 分和定义，以及对各级界面上、下的功能 进行分配
– 1964年，IBM/360系列机的总设计工程师G.M. Amdahl、G.A. Blauw、F.P. Brooks等人提出。 也称体系结构。
– 是从程序员的角度所看到的系统的属性，是 概念上的结构和功能上的行为
例：英语翻译
计算机系统中的翻译功能常由应用程序 包、编译程序、汇编程序等软件完成。
解 释 （Interpretation ）：在 低 一级 机 器级上用它的一串语句或指令来仿真高 一级机器上的一条语句或指令的功能， 通过对高一级机器语言程序中的每条语 句或指令逐条解释来实现的技术
解释过程中不生成中间程序（节省了存 储空间）
从使用语言的角度上，将计算机系统 看成按功能划分的多级层次结构
机器、汇编、高级、应用语言
低级
高级
后者比前者功能更强、使用更方便；
而前者是后者发展的基础，在单条指令的 执行速度相比较，前者更快。
计算机系统的多级层次结构图
应用软件
系统软件 软件
软硬件交界面 硬件 固件
应用语言级 L5虚拟机
翻译（应用程序包） 高级语言机器 L4虚拟机
它是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器 级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计 等。
计算机组成的基本属性
• 数据通路宽度 • 各种操作功能部件的共享程度 • 专用部件的设置 • 功能部件的并行性 • 缓冲和排队技术 • 控制机构的组成方式 • 预测技术 • 可靠性技术
计算机实现 Computer Implementation