计算机科学导论3章.ppt

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1、 1计算机科学导论第三章第三章 计算机体系结构计算机体系结构 2计算机科学导论本章要点：本章要点：了解存储系统组织结构了解存储系统组织结构了解输入输出系统了解输入输出系统了解计算机系统体系结构了解计算机系统体系结构 3计算机科学导论3.3 3.3 存储系统组织结构存储系统组织结构3.3.1 3.3.1 存储器与存储系统概述存储器与存储系统概述1.存储器的作用存储器的作用 存储器存储程序信息和数据信息。存储器存储程序信息和数据信息。4计算机科学导论3.3 3.3 存储系统组织结构存储系统组织结构2.存储器分类存储器分类（1）按存储介质分：半导体存储器、磁存储器）按存储介质分：半导体存储器、磁存储

2、器和光存储器和光存储器（2）按工作方式分：随机存储器、只读存储器、）按工作方式分：随机存储器、只读存储器、顺序存储器、直接存取存储器顺序存储器、直接存取存储器（3）按信息的可保存性：易失性存储器、非易）按信息的可保存性：易失性存储器、非易失性存储器失性存储器（4）按作用：主存储器、辅助存储器、高速缓）按作用：主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器冲存储器 5计算机科学导论3.3 3.3 存储系统组织结构存储系统组织结构3.存储器的主要性能指标存储器的主要性能指标1)存储容量存储容量2）存储周期存储周期3)存储访问时间存储访问时间4）性价比性价比5）功耗功耗6）可靠性可靠性 6计算机科学导论3.3

3、 3.3 存储系统组织结构存储系统组织结构3.3.2 3.3.2 存储系统组织结构存储系统组织结构1.二级结构：主存储器、辅助存储器二级结构：主存储器、辅助存储器2.三级结构：高速缓冲存储器、主存储器、辅助存三级结构：高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器储器(三级结构的存储器系统的运行原理，是建立在程三级结构的存储器系统的运行原理，是建立在程序运行的局部性原理之上的。序运行的局部性原理之上的。)7计算机科学导论3.程序运行局部性原理：程序运行局部性原理：（1）时间局部性原理）时间局部性原理:在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问很可能再

4、次被访问。（2）空间局部性原理）空间局部性原理:最近被访问过的程序和数据往往集中在一小片最近被访问过的程序和数据往往集中在一小片存储区域中。存储区域中。（3）指令执行顺序的局部性原理）指令执行顺序的局部性原理:指令顺序执行比转移执行的可能性指令顺序执行比转移执行的可能性要大。要大。注意：三级存储系统中，存储的信息必须满足注意：三级存储系统中，存储的信息必须满足信息一致性信息一致性原则和原则和信息信息包含性包含性原则。原则。8计算机科学导论3.3 3.3 存储系统组织结构存储系统组织结构3.3.3 3.3.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器Cache是一种存储空间较小而存取速度却很高的一种存储器。

5、是一种放是一种存储空间较小而存取速度却很高的一种存储器。是一种放置在置在CPU和主存储器之间的存取速度快、而规模较小的存储器。和主存储器之间的存取速度快、而规模较小的存储器。9计算机科学导论3.3.4 3.3.4 虚拟存储器虚拟存储器 虚拟存储器用于虚拟存储器用于“主存一辅存主存一辅存”层次，它能使计层次，它能使计算机具有辅存的容量，接近于主存的速度。它使程序员算机具有辅存的容量，接近于主存的速度。它使程序员能够在比主存大得多的空间编制程序，即按虚存空间编能够在比主存大得多的空间编制程序，即按虚存空间编址。址。10计算机科学导论3.4 3.4 输入输出系统输入输出系统3.4.1 3.4.1 输

6、入输出系统概述输入输出系统概述1)外部设备外部设备2)设备控制器设备控制器3)I/O接口接口4)中央处理机中央处理机 11计算机科学导论3.4.2 3.4.2 总线结构总线结构1.总线分类总线分类1)按照总线所传输的信息内容分类：按照总线所传输的信息内容分类：地址总线、数据总线和控制总线地址总线、数据总线和控制总线 2）按照总线在计算机中所处的位置分类）按照总线在计算机中所处的位置分类 片级总线、内部总线和外部总线片级总线、内部总线和外部总线 3）按照二进制数码的传送方式分类）按照二进制数码的传送方式分类 串行总线、并行总线串行总线、并行总线 12计算机科学导论3.4.2 3.4.2 总线结构

7、总线结构2.计算机总线结构类型计算机总线结构类型1)单总线结构单总线结构 13计算机科学导论2）双总线结构）双总线结构 14计算机科学导论3）三总线结构）三总线结构 15计算机科学导论3.4 3.4 输入输出系统输入输出系统3.总线的组成总线的组成1)传输线：传输线：包括地址线、数据线和控制线包括地址线、数据线和控制线三部分。三部分。2)接口：接口：具有双向传输信息功能。具有双向传输信息功能。3)总线控制器：总线控制器：用于决定总线使用权。用于决定总线使用权。16计算机科学导论3.4.3 3.4.3 输入输出接口输入输出接口1.接口的概念接口的概念在主机与外设进行数据交换时引入相应的在主机与外

8、设进行数据交换时引入相应的逻辑部件解决两者之间的同步与协调、逻辑部件解决两者之间的同步与协调、数据格式转换等问题的逻辑部件。数据格式转换等问题的逻辑部件。17计算机科学导论3.4 3.4 输入输出系统输入输出系统2.输入输出接口的基本功能输入输出接口的基本功能1)实现数据缓冲实现数据缓冲2)实现数据的转换实现数据的转换3)提供外设和接口的状态提供外设和接口的状态4)实现主机与外设之间的通讯联络控制实现主机与外设之间的通讯联络控制 18计算机科学导论3.4 3.4 输入输出系统输入输出系统3.I/O接口的基本结构接口的基本结构数据寄存器；数据寄存器；设备地址译码器；设备地址译码器；设备状态寄存器

9、；设备状态寄存器；数据格式变换器，用于串到并、并到串数据格式变换器，用于串到并、并到串的转换；的转换；总线通信控制用的定时信号线路。总线通信控制用的定时信号线路。19计算机科学导论3.4 3.4 输入输出系统输入输出系统4.外部设备的寻址外部设备的寻址1)统一编址：统一编址：将对内存的操作和对将对内存的操作和对I/O设备的操作用相同设备的操作用相同的指令来完成。的指令来完成。2)单独编址：单独编址：单独设置单独设置I/O指令来对指令来对I/O设备进行操作。设备进行操作。3)5.接口的分类接口的分类4)（1）按数据传输宽度分：并行接口与串行接口）按数据传输宽度分：并行接口与串行接口5)（2）按数

10、据传送的控制方式分：程序直接控制的输）按数据传送的控制方式分：程序直接控制的输入输出接口、程序查询控制接口、程序中断输入输出入输出接口、程序查询控制接口、程序中断输入输出接口、接口、DMA接口接口6)（3）按操作节拍分：同步接口和异步接口）按操作节拍分：同步接口和异步接口 20计算机科学导论3.4.4 3.4.4 外设数据传送控制方式外设数据传送控制方式1.程序直接控制方式程序直接控制方式2.程序查询方式程序查询方式3.程序中断方式程序中断方式输入输出方式输入输出方式5.通道控制方式通道控制方式处理机方式处理机方式 21计算机科学导论3.5 3.5 计算机系统体系结构计算机系统体系结构3.5.

11、1 3.5.1 高性能计算机高性能计算机指令流：指令流：是指机器执行的指令序列；是指机器执行的指令序列；数据流：数据流：是由指令流调用的数据序列，包括是由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。输入数据和中间结果。22计算机科学导论3.5.1 3.5.1 计算机系统的分类计算机系统的分类1.单指令流单数据流单指令流单数据流SISD计算机系统结构计算机系统结构 由一个处理器和一个存储器组成。每次执行一条指令，每次从由一个处理器和一个存储器组成。每次执行一条指令，每次从存储器取或存一个数据。存储器取或存一个数据。2.单指令流多数据流单指令流多数据流SIMD计算机系统结构计算机系统结构 系统由

12、一个指令控制部件、多个处理部件和多个存储器组成。系统由一个指令控制部件、多个处理部件和多个存储器组成。各处理器和各存储器间通过互联网络进行通信。各处理器和各存储器间通过互联网络进行通信。3.多指令流单数据流多指令流单数据流MISD计算机系统结构计算机系统结构 在同一时间执行多条指令，但处理同一个数据。在同一时间执行多条指令，但处理同一个数据。4.多指令流多数据流多指令流多数据流MIMD计算机系统结构计算机系统结构 多台处理部件，（有自己的存储器）。每个处理部件执行各多台处理部件，（有自己的存储器）。每个处理部件执行各自的指令，并存取各自的数据。自的指令，并存取各自的数据。23计算机科学导论3.

13、5.2 3.5.2 高性能计算机高性能计算机1.高性能计算机概述高性能计算机概述是一个拥有最先进的硬件、软件、网络和算法的综合概念。是一个拥有最先进的硬件、软件、网络和算法的综合概念。2.网格计算机系统网格计算机系统网格计算是伴随着互联网技术迅速发展起来的，专门针对网格计算是伴随着互联网技术迅速发展起来的，专门针对复杂科学计算的新型计算机模式复杂科学计算的新型计算机模式。3.集群系统集群系统集群是指共同为客户机提供网络资源的一组计算机系统。集群是指共同为客户机提供网络资源的一组计算机系统。24计算机科学导论3.5.3 3.5.3 并行计算机并行计算机1.并行计算机并行计算机是由多个处理器组成，

14、并能够调整、高效是由多个处理器组成，并能够调整、高效率地进行复杂问题计算的计算机系统。率地进行复杂问题计算的计算机系统。2.并行算法并行算法是在给定并行模型下的一种具体明确的计是在给定并行模型下的一种具体明确的计算机方法和步骤。算机方法和步骤。25计算机科学导论3.5 3.5 计算机系统体系结构计算机系统体系结构3.5.4 3.5.4 网络计算机网络计算机简称NC，是专用于高速网络环境下的计算机终端设备。3.5.5 3.5.5 分布式系统分布式系统是指呈现在用户面前如同单机系统一样的独立计算机的集合。26计算机科学导论3.6 3.6 本章小结本章小结 本章主要介绍了计算机的组织和体系结构。本章主要介绍了计算机的组织和体系结构。通过本章的学习，让读者了理解计算机及并行通过本章的学习，让读者了理解计算机及并行处理技术的体系结构。处理技术的体系结构。