chap12概述计算机系统组成与工作原理.ppt

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1、2信息在计算机中的表示 计算机结构与组成微机发展概况 计算机系统展望 3现代信息科学的六大组成部分现代信息科学的六大组成部分信息的生成、获取、存储、传输、处理及其应用是现代信息科学的六大组成部分 从计算机学科的角度分析，嵌入式系统在一定程度上代表了未来计算机发展的方向计算机在信息的后五部分都起到关键作用计算机的发展一直和数字电路设计的发展相辅相成，互相促进4信息(数据)在计算机中的存在形式5二进制的特点6拉丁文7 人类对数制认识非常深刻，应用广泛。每一个人每天都会用到不同的数制。例如：一天有 24 小时，即逢 24 进 1；一小时有 60 分，即逢 60 进 1。 数量是确定的，而表示数量进制

2、是可变的，例如：我们常说的“半斤八两”表示的数量相同，而“半斤” 是十进制； “八两” 是十六进制。 8 9多项式表示例10 11常用类型常用方法1200000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111F13二进制二进制 十进制间的权位法十进制间的权位法b7b6b5b4b3b2b1b02726252423222120128643216842114h1h0161160161151617188 位二进制无符数的表值范围位二进制无符数的表值范围二进制表示二进制表示 00000000B 11111

3、111B十进制表示十进制表示 0 255十六进制表示十六进制表示 00H FFH198 8 位二进制有符数的表值范围位二进制有符数的表值范围原码表示原码表示 - 127 - 127 + 127 + 127反码表示反码表示 - 127 - 127 + 127 + 127补码表示补码表示 - 128 - 128 + 127 + 12720算术运算法则算术运算法则逻辑运算法则逻辑运算法则21两二进制数的补码运算两二进制数的补码运算22设设 X3700100101、Y5100110011， 求求【X】补补、【Y】补补、【X】补补、【Y】补补、 【XY 】补补、【 XY】补补、【 XY】补补232425

4、二进制位与二进制字节二进制位与二进制字节位位”26272829阶符阶符阶码阶码尾符尾符尾数尾数30-1011.0110 的浮点表示的浮点表示3132表示式表示式 （-1）S 2 E（ b0 b1b2b3bp-1 ）规格化的形式规格化的形式 33 浮点数中的参数 单精度浮点 双精度浮点扩充精度浮点 浮点数总长度 326480尾数长 p 长度235264符号位 S 长度111指数 E 长度81115最小指数 - 126- 1022- 16382最大指数 + 127+ 1023+ 16383指数的偏移量值 + 127+1023+ 1638334 解：解：35 0000000000000 3637 8

5、421码5421码余3码格雷码0000010001200103001140100501016011070111810009100138012345670NULDLESP0Pp1SOHDC1!1AQaq2STXDC2“2BRbr3ETXDC3#3CScs4EOTDC4$4DTdt5ENQNAK%5EUeu6ACKSYN&6FVfv7BELETB7GWgw8BSCAN(8HXhx9HTEM)9IYiyALFSUB*:JZjzBVTESC+;KkCFFFS,NnFSIUS/?O_oDELHL3940 0123456789ABCDEF0NL SP0Pp 1 !1AQaq 2 “2BRbr 3 #3CS

6、cs 4 $4DTdt 5 %5EUeu 6 &6FVfv 7 7GWgw 8 (8HXhx 9 )9IYiy A *:JZjz B+;Kk C,Nn F /?O_o 4142434416 16 汉字字模及编码汉字字模及编码 45汉字区位码、国标码、机内码的转换汉字区位码、国标码、机内码的转换461 个点阵字模信息传送1 个符号的编码信息传送英英471.1.计算机发展计算机发展机械式计算机、电子技术和半导体技术机械式计算机、电子技术和半导体技术2.2.现代计算机系统组成与工作原理现代计算机系统组成与工作原理计算机层次结构计算机层次结构 Hiberarchy计算机体系结构计算机体系结构 Arch

7、itectureCPUCPU指令集、存储器存取方式、指令集、存储器存取方式、I/OI/O控制方式控制方式计算机组成原理计算机组成原理 OrganizationCPUCPU控制单元和数据通路、存储器分层控制单元和数据通路、存储器分层/ /体结构、总线及体结构、总线及I/OI/O接口接口计算机性能评测计算机性能评测 Performance3.3.嵌入式系统嵌入式系统 概念、特点、组成、发展趋势概念、特点、组成、发展趋势48岩石上的刻痕、算盘、机械加法机岩石上的刻痕、算盘、机械加法机/ /乘法机乘法机/ /最大公约数机、通用图灵机最大公约数机、通用图灵机49电子管电子管(vacuum tube)时代

8、时代晶体管晶体管(transistor)时代时代第一个晶体管的诞生第一个晶体管的诞生5051 第一块第一块IC诞生之后，诞生之后，基尔比在基尔比在IRE(美国无美国无线电工程师线电工程师学会学会)的一次的一次会议上宣布会议上宣布了了“固体电固体电路路”(Solid circuit)的出的出现，这就是现，这就是以后的以后的“集集成电路成电路”的的代名词代名词 。5253 英特尔新一代新一代45nm处理器代号为代号为“Nehalem” 54P处理器处理器 M存储器存储器 C缓存缓存 Dsp核核 re可重构逻辑可重构逻辑 L专用逻辑专用逻辑 S交换开关交换开关 rni资源网络接口资源网络接口Syst

9、em on chipNet on chip55单芯片系统 系统知识系统知识 (硬件与软件硬件与软件)电路设计电路设计 (DAC、ADC 等等)晶圆工艺知识晶圆工艺知识 (90nm, 65nm, 45nm)制造工艺制造工艺(300mm 晶圆晶圆)A/DA/D数字射频处理器数字滤波与控制混合信号处理器 数字 基带混合信号处理器65nm 晶体管56 IC技术：技术：SSI/MSI- LSI- VLSI- ULSI- GLSI 晶圆尺寸：晶圆尺寸：100mm- 125mm- 150mm- 200mm- 300mm- 400mm ； 芯片特征尺寸：芯片特征尺寸：3m- 2m- 1.2m- 0.8m- 0

10、.5m- 0.35m- 0.25m- 0.18m- 0.13m- 90nm- 65nm57第零代（第零代（16421945年）机械计算器和继电器计算器年）机械计算器和继电器计算器第一代（第一代（19461955年）电子管计算机年）电子管计算机以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用机器语言，后期采用汇编语言。存储手段。软件采用机器语言，后期采用汇编语言。第二代（第二代（19551965年）晶体管计算机年）晶体管计算机以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高

11、级语言，并出现了早期的操作系统。广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。第三代（第三代（19651980年）集成电路计算机年）集成电路计算机以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件广泛使用操作系统，产生了分时、外存用磁盘。软件广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络实时等操作系统和计算机网络2022-7-32022-7-358第四代（第四代（1980年至今）个人计算机年至今）个人计算机以以LSI、VLSI为主要部件，以半导体存储器为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件方法上产生和磁盘为

12、内、外存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系统、数据库管理系统得到广想。网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展。段诞生并获得飞速发展。第五代第五代 无所不在的计算机无所不在的计算机生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、计算机、超导计算机、59（a）软硬件层次）软硬件层次 （b）语言层次）语言层次（a）图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上下而反映了系统求解）图自下而上反

13、映了系统逐级生成的过程，自上下而反映了系统求解问题的过程；问题的过程；软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如RISC思想）、软件硬化思想）、软件硬化（如（如CISC思想）、固件化（如微程序）思想）、固件化（如微程序） ；（b）图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器）图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器微体系结构层微体系结构层（微程序或硬连逻辑）（微程序或硬连逻辑）操作系统层操作系统层语言处理层（解释、编译）语言处理层（解释、编译）用户程序层（语言编程）用户程序层（语言编程）系统分析层（数学模型、算法）系统分析层（数学模型、

14、算法）硬核硬核级级数字逻辑层（硬件）数字逻辑层（硬件）指令系统层（机器语言指令）指令系统层（机器语言指令）应用语言虚拟机应用语言虚拟机高级语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机操作系统虚拟机操作系统虚拟机机器语言级机器语言级微程序级微程序级寄存器级（硬件）寄存器级（硬件）60n体系结构：程序员关心的计算机概念结构与功能特性体系结构：程序员关心的计算机概念结构与功能特性如：确定指令集中是否有乘法指令；如：确定指令集中是否有乘法指令；n计算机组成：从硬件角度关注物理机器的组织计算机组成：从硬件角度关注物理机器的组织如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现乘法；如：乘法指令由专用乘法器

15、还是用加法器实现乘法；n计算机实现：底层的器件技术和微组装技术计算机实现：底层的器件技术和微组装技术如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术；如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术；系列机系列机612022-7-32022-7-3硬件向上提供的硬件向上提供的接口：接口： 指令系统指令系统 异常事件异常事件 端口定义端口定义622022-7-32022-7-363n 冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构n以存储器为中心（五大部分）以存储器为中心（五大部分）n二进制二进制n存储程序原理存储程序原理 对冯对冯诺依曼体系结构的改进诺依曼体系结构的改进nCPU指令集指令集n存储器子系统存储器子系统n输入输

16、入/输出子系统输出子系统6465 66 CPUMEM I/ODBCBAB67地址总线 AB （Address Bus） 68 69707172 73硬件组成硬件组成n五大部分五大部分运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备n以存储器为中心以存储器为中心74二二. . 信息表示：二进制信息表示：二进制 计算机内部的控制信息和数据信息均采计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并存放在同一个存储用二进制表示，并存放在同一个存储器中。器中。三三. . 工作原理：工作原理：存储程序存储程序/指令指令(控制控制)驱动驱动 编制好的程序编制好的程序(包括

17、指令和数据包括指令和数据)预先经预先经由输入设备输入并保存在存储器中；由输入设备输入并保存在存储器中； 计算机开始工作后，在不需要人工干预计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控制器自动、高速地依次从的情况下由控制器自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行。存储器中取出指令并加以执行。75 改进改进CPUCPU指令集指令集 指令功能、指令格式、寻址方式指令功能、指令格式、寻址方式 存储器子系统存储器子系统 分层结构分层结构 输入输入/ /输出子系统输出子系统 总线总线/ /接口接口+ +多种多种I/OI/O方式方式 改变改变改变串行执行模式，发展改变串行执行模式，发展并行技术并行技术

18、；1.1.改变控制驱动方式，发展数据驱动、需改变控制驱动方式，发展数据驱动、需求驱动、模式驱动等其它驱动方式；求驱动、模式驱动等其它驱动方式； 重点重点76冯冯诺伊曼结构诺伊曼结构串行性：指令执行串行、存储器读写串行串行性：指令执行串行、存储器读写串行哈佛结构哈佛结构引入并行性：数据存储器与程序存储器可并行读取引入并行性：数据存储器与程序存储器可并行读取流水线结构流水线结构多机（核）并行多机（核）并行 并行处理技术实现多个处理器或处理器模块的并行性，其基本并行处理技术实现多个处理器或处理器模块的并行性，其基本思想包括时间重叠（思想包括时间重叠（time interleaving）、资源重复（）

19、、资源重复（resource replicaiton）和资源共享（）和资源共享（resource sharing）。）。77大规模并行处理机大规模并行处理机（MPP）是是一种价格昂贵的超级计算机，它由一种价格昂贵的超级计算机，它由许多许多CPU通过高速专用互联网络连接。通过高速专用互联网络连接。机群机群（cluster）由多台同构或异构的独立计算机通过高性能网络由多台同构或异构的独立计算机通过高性能网络或局域网连在一起协同完成特定的并行计算任务。或局域网连在一起协同完成特定的并行计算任务。刀片刀片（blade）通常指包含一个或多个通常指包含一个或多个CPU、内存以及网络接口、内存以及网络接口的

20、服务器主板。通常一个刀片柜共享其它外部的服务器主板。通常一个刀片柜共享其它外部I/O和电源，而辅助和电源，而辅助存储器则由距离刀片柜较近的存储服务器提供。存储器则由距离刀片柜较近的存储服务器提供。网格网格（Network）是一组由高速网络连接的不同的计算机系统，是一组由高速网络连接的不同的计算机系统，可以相互合作也可独立工作。网格计算机将接受中央服务器分配的可以相互合作也可独立工作。网格计算机将接受中央服务器分配的任务，然后在不忙的时候（如晚上或周末）执行这些任务。任务，然后在不忙的时候（如晚上或周末）执行这些任务。7878/327979Flynn分类分类：根据：根据指令流和数据流的多少进行分

21、类指令流和数据流的多少进行分类单指令单数据单指令单数据SISD单指令多数据单指令多数据SIMD多指令单数据多指令单数据MISD多指令多数据多指令多数据MIMDCU控制部件控制部件PU处理部件处理部件MM存储单元存储单元CS为控制流为控制流DS为数据流为数据流IS为指令流为指令流传统的顺序处理机、传统的顺序处理机、标量流水线处理机、标量流水线处理机、超标量流水线处理机超标量流水线处理机阵列处理机阵列处理机、向量处理机向量处理机无实际机型对应无实际机型对应多处理机系统多处理机系统80计算机系统的性能由硬件性能和程序特性决定，计算机系统的性能由硬件性能和程序特性决定，通常可利用标准测试程序来测定性能

22、。通常可利用标准测试程序来测定性能。1、用、用MIPS (Million Instructions Per Second,每秒每秒百万条指令百万条指令)或或 MFLOPS(每秒百万次浮点操作每秒百万次浮点操作)的数值来衡量计的数值来衡量计算机系统的硬件速度。算机系统的硬件速度。812、用、用 CPU执行时间执行时间T来量化硬软件结合系来量化硬软件结合系统的有效速度。统的有效速度。MIPS = f(MHz)/CPI T(s) = (IC CPI)/f(Hz)f（时钟频率）：（时钟频率）： CPU的基本工作频率的基本工作频率IC（指令数目）：运行程序的指令总数（指令数目）：运行程序的指令总数CPI

23、（Cycles Per Instruction）：指令执行）：指令执行的平均时钟周期数，可从运行大量测试程序的平均时钟周期数，可从运行大量测试程序或实际程序产生的统计数据中计算出来或实际程序产生的统计数据中计算出来CPI数越小，数越小，CPU执行指令的速度越快执行指令的速度越快82假设一台计算机的时钟频率是假设一台计算机的时钟频率是100 MHz(每秒百万周期每秒百万周期)，具有，具有4种种类型的指令，它们的类型的指令，它们的使用率使用率和和CPI分别如下表所示。求该计算机分别如下表所示。求该计算机的的MIPS值以及运行一个具有值以及运行一个具有107条指令的程序所需的条指令的程序所需的CPU

24、时间。时间。76CPI0.420.340.082.50.2230.81.20.20.062.86MIPS100 / 2.8635102.86 /(10010 )0.286 (s)T每秒参千五百万条指令每秒参千五百万条指令8384IEEE定义定义devices used to control, monitor，or assist the operation equipment , machinery or plants国内普遍认同的定义国内普遍认同的定义以以各种形态各种形态嵌入到对象体系中的专用计算机系统嵌入到对象体系中的专用计算机系统 以应用为中心以应用为中心 软、硬件可裁剪软、硬件可裁剪 对

25、体积、功耗、实时性、可靠性、功能、成本对体积、功耗、实时性、可靠性、功能、成本等有严格约束等有严格约束芯片级（芯片级（MCU、SoC）板级（单板、模块）板级（单板、模块）设备级（工控机）设备级（工控机）Embedded SystemEmbedded Computer SystemEmbedded Real-time SystemEmbedded Device85嵌嵌入入式式系系统统硬件硬件软件软件开发系统开发系统嵌入式处理器嵌入式处理器存储器系统存储器系统外部接口外部接口EMPUEMCUEDSPESoCEPSoC程序ROM数据RAM参数EEPROMNVRAM并行接口串行接口音视频接口网络接口嵌入式操作系统嵌入式操作系统应用软件应用软件VxWorksc/OSWindows CE嵌入式Linux编译器链接器调试器集成软件环境集成软件环境硬件工具硬件工具仿真器编程器在线调试工具外围设备外围设备键盘LCD存储设备音频设备专用设备86878889 90网络化、支持分布式计算网络化、支持分布式计算可编程、可在线更新可编程、可在线更新集成度提高、集成度提高、SoC/NoCSoC/NoC开发平台的完备化开发平台的完备化 友好的人机界面友好的人机界面 91 Chap1 Chap1 作业：作业：1,2,3,8,101,2,3,8,10 思考：思考：4 4、5 5、6 6、9 9