3-计算机科学导论-计算机组成资料.ppt

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1、第第3讲讲 计算机组成计算机组成Computer Organizations2本讲内容本讲内容1冯冯诺依曼模型诺依曼模型2计算机硬件计算机硬件3微型计算机微型计算机4.程序执行程序执行5.其他体系结构其他体系结构31 冯冯诺依曼模型诺依曼模型 计算机是一个接计算机是一个接受输入数据，处受输入数据，处理数据，产生输理数据，产生输出数据的黑盒子。出数据的黑盒子。输入输入数据数据输出输出数据数据程序程序 冯冯诺依曼（美籍匈牙利数学家科诺依曼（美籍匈牙利数学家科学家，计算机之父）提出的冯学家，计算机之父）提出的冯诺依曼诺依曼模型着眼于计算机的内部结构。模型着眼于计算机的内部结构。4计算机计算机输输入入

2、数数据据输输出出数数据据程序程序冯冯诺依曼模型诺依曼模型5计算机计算机输输入入数数据据输输出出数数据据程序程序输入输入/输出设备输出设备存储器存储器算术逻辑单元算术逻辑单元控制单元控制单元冯冯诺依曼模型诺依曼模型6l 计算机的硬件组成包括：存储器，算术逻辑单计算机的硬件组成包括：存储器，算术逻辑单元（元（ALU），控制单元和输入），控制单元和输入/输出设备。输出设备。存储器存储器:存储数据和程序存储数据和程序算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）:进行算术逻辑运算进行算术逻辑运算控制单元控制单元:控制程序的执行控制程序的执行输入输入/输出设备输出设备:接收来自外界数据接收来自外界数据/向外界发送

3、数据向外界发送数据7 1945 1945年年6 6月冯月冯诺依曼在一篇论文中第一次提出诺依曼在一篇论文中第一次提出了计算机三个主要思想：了计算机三个主要思想：l 计算机由四大部件组成计算机由四大部件组成l 程序和数据存储程序和数据存储l 程序和数据采用二进制数表示程序和数据采用二进制数表示 目前绝大多数计算机仍建立在这个思想的基础目前绝大多数计算机仍建立在这个思想的基础上，称之上，称之冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机。8 硬件硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体；通常是指一切看得见，摸得到的设备实体；软件软件通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是由一些

4、算法以及其在计算机中的表示所构成的。由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。+=计算机系统计算机系统硬 件 软 件 2 计算机硬件计算机硬件9运算器控制器主存储器主存储器输入设备输出设备辅助存储器辅助存储器CPU控制控制数据数据地址或指令地址或指令主机主机外设外设存储器存储器计算机硬件组成计算机硬件组成10CPU 包括三部分：算术逻辑单元包括三部分：算术逻辑单元(ALU)、控制单元和寄存器。、控制单元和寄存器。中央处理单元（中央处理单元（CPU）控制单元控制单元寄存器寄存器程序计数器程序计数器11 算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）&执行算术运算和逻辑运算。执行算术运算和逻辑运算。算术运算

5、：包括算术运算：包括 加法、减法、乘法和除法等。加法、减法、乘法和除法等。逻辑运算：包括逻辑运算：包括“非非”、“与与”、“或或”和和“异或异或”等。等。&控制单元负责选择这些运算中的一种。控制单元负责选择这些运算中的一种。数字电路数字电路/模拟电路模拟电路12l寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。lCPU的运算需要多个寄存器的运算需要多个寄存器l常见的寄存器常见的寄存器 寄存器寄存器数据寄存器数据寄存器指令寄存器指令寄存器程序计数器程序计数器用来存放输入数据，用来存放输入数据，运算中间结果和最运算中间结果和最终结果。终结果。存放从内存中

6、取出的存放从内存中取出的指令，指令，以便于稍后以便于稍后解释和执行它们。解释和执行它们。存放当前指令的存放当前指令的地址。当前指令地址。当前指令执行完后，程序执行完后，程序计数器自动加计数器自动加1，指向下一条指，指向下一条指令的地址令的地址。13n数据寄存器：用来存放输入数据，运算中间结果数据寄存器：用来存放输入数据，运算中间结果和最终结果。和最终结果。n指令寄存器：存放从内存中取出的指令，指令寄存器：存放从内存中取出的指令，以便于以便于稍后解释和执行它们。稍后解释和执行它们。n程序计数器：存放当前指令的地址。当前指令执程序计数器：存放当前指令的地址。当前指令执行完后，程序计数器自动加行完后

7、，程序计数器自动加1，指向下一条指令的，指向下一条指令的地址。地址。14u 控制单元是整个计算机的指挥中心，被称为计算机控制单元是整个计算机的指挥中心，被称为计算机的大脑的大脑u控制通过线路的开（高电平）或关（低电平）实现控制通过线路的开（高电平）或关（低电平）实现u控制单元的基本功能：控制单元的基本功能：u从主存中取出指令从主存中取出指令u对指令译码，产生相应的操作控制信号对指令译码，产生相应的操作控制信号u指挥并控制指挥并控制CPU、主存和输入、主存和输入/输出设备之间的数输出设备之间的数据流动据流动 控制单元控制单元15n主存储器是存储单元的集合主存储器是存储单元的集合n每一个存储单元都

8、有惟一的标识符每一个存储单元都有惟一的标识符地址地址n数据以字（或字节）的形式在存储器中传入或数据以字（或字节）的形式在存储器中传入或传出传出 主存储器主存储器16地址地址值值存储器存储器17n每个存储单元存放一个字（或字节）。每个存储单元存放一个字（或字节）。n所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数称所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数称为为 地址空间地址空间。n存储地址用无符号二进制数表示。存储地址用无符号二进制数表示。n地址本身采用位模式。如果计算机有地址本身采用位模式。如果计算机有N个字的存个字的存储空间，则存储地址应当有储空间，则存储地址应当有log2N位。位。地址空间地址空间

9、18主存储器分为三种类型：主存储器分为三种类型：随机存储器随机存储器(RAM)只读存储器只读存储器(ROM)互补金属氧化物存储器互补金属氧化物存储器(CMOS)主存储器主存储器 RAMROMCMOS主存储器的种类主存储器的种类19&RAM的特点：的特点：计算机中主存的主要组成部分。计算机中主存的主要组成部分。用户既可以读，又可以写。用户既可以读，又可以写。对所有存储单元的读写时间均相同。对所有存储单元的读写时间均相同。具有易失性。若断电或关掉计算机，全部存储具有易失性。若断电或关掉计算机，全部存储 的信息将会丢失。的信息将会丢失。随机存取存储器（随机存取存储器（随机存取存储器（随机存取存储器（

10、RAMRAM）20&随机存储器（随机存储器（RAM）又分为两大类：）又分为两大类：静态静态RAM（SRAM）：利用触发器来存储信利用触发器来存储信息，当通电的时候信息始终存在，不需要刷新。息，当通电的时候信息始终存在，不需要刷新。存取速度快，但容量较小，价格较高。存取速度快，但容量较小，价格较高。动态动态RAM（DRAM）:利用电容上的电荷存储利用电容上的电荷存储信息，电容上的电荷会泄漏，需要周期性的刷信息，电容上的电荷会泄漏，需要周期性的刷新。存取速度慢，但容量较大，价格较低。新。存取速度慢，但容量较大，价格较低。21&RAM 的容量、速度：的容量、速度：衡量衡量RAM容量的单位通常用字节数

11、表示。每容量的单位通常用字节数表示。每1024个字节称为个字节称为1K字节（字节（210=1K），每），每1024K字字节称为节称为1M字节（字节（220=1M），每），每1024M字节称为字节称为1G字节（字节（230=1G）。）。磁带用两个卷轴承接起来，当磁带运动时，磁带用两个卷轴承接起来，当磁带运动时，可以通过读可以通过读/写磁头来读写磁带上的数据。写磁头来读写磁带上的数据。磁带是顺序访问的，用户要找一个文件，必磁带是顺序访问的，用户要找一个文件，必须从磁带头开始。须从磁带头开始。磁带磁带46利用激光技术来存储和读取数据利用激光技术来存储和读取数据。光存储设备有只读光盘光存储设备有只读光

12、盘(CD-ROM)、可刻录光盘、可刻录光盘(CD-R)、可重写光盘、可重写光盘(CD-RW)、数字多功能光盘、数字多功能光盘(DVD)。光存储设备光存储设备光存储设备光存储设备光存储设备光存储设备光存储设备光存储设备CD-ROMCD-ROMDVDDVDCD-RCD-RCD-RWCD-RWCD-ROM的内容是由制造商写入的。用户不能删除，的内容是由制造商写入的。用户不能删除，也不能写入。也不能写入。CD-ROM 盘所需的费用是可调节的，尤其是大批盘所需的费用是可调节的，尤其是大批量地生产，每个盘片的费用会很便宜的。量地生产，每个盘片的费用会很便宜的。CD-ROM 驱动器被使用来读驱动器被使用来读

13、 CD-ROM 盘。盘。CD-ROM 驱动器有不同的速度，如单倍速，多倍驱动器有不同的速度，如单倍速，多倍速等。速等。只读光盘（只读光盘（只读光盘（只读光盘（CD-ROMCD-ROM）CD-ROM的制造需要先使用高能红外激光来制作主的制造需要先使用高能红外激光来制作主盘。激光在主盘上形成一系列的坑和纹间表面。盘。激光在主盘上形成一系列的坑和纹间表面。然后依照主盘，作成相应的模盘。然后依照主盘，作成相应的模盘。最后将溶解的聚碳酸酯树脂注入模盘中制成光盘。最后将溶解的聚碳酸酯树脂注入模盘中制成光盘。只读光盘（只读光盘（只读光盘（只读光盘（CD-ROMCD-ROM）49CD-R 制造时不需要主盘和模

14、盘。制造时不需要主盘和模盘。CD-R盘上的坑和纹间表面是模拟出来的。盘上的坑和纹间表面是模拟出来的。CD-R 是让用户自己制作的光盘。用户只需要一是让用户自己制作的光盘。用户只需要一次写入信息，就可以多次读出信息。次写入信息，就可以多次读出信息。可刻录光盘（可刻录光盘（可刻录光盘（可刻录光盘（CD-RCD-R）50CD-RW 技术又称之为可擦写光盘技术。技术又称之为可擦写光盘技术。CD-RW光盘可以写入、擦除、重写。光盘可以写入、擦除、重写。可重写光盘（可重写光盘（可重写光盘（可重写光盘（CD-RWCD-RW）51lDVD 采用与采用与CD类似的技术。两种盘尺寸相同。类似的技术。两种盘尺寸相同

15、。lDVD 盘的存储量远大于盘的存储量远大于 CD-ROM盘（如单层盘（如单层DVD盘的容量为盘的容量为4,700 MB，而，而 CD-ROM盘的盘的容量仅为容量仅为650 MB）。）。lDVD 盘更适用于多媒体对存储大容量数据的需盘更适用于多媒体对存储大容量数据的需要。要。数字多功能光盘（数字多功能光盘（数字多功能光盘（数字多功能光盘（DVDDVD）52 CPU与主存之间的连接与主存之间的连接主存主存数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线子系统间的连接子系统间的连接子系统间的连接子系统间的连接CPU 和主存之间通常通过系统总线连接。和主存之间通常通过系统总线连接。系统总线系统总线包

16、括三组线路包括三组线路：数据总线：数据总线、地址总线和控制总线。、地址总线和控制总线。53系统总线系统总线2数据总线数据总线：由双方向的多根信号线组成，由双方向的多根信号线组成，CPU可以沿这些可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据。通常数据总线的位数取决于字的宽度。如果计送出数据。通常数据总线的位数取决于字的宽度。如果计算机的字长是算机的字长是32位，就需要位，就需要32位宽度的数据总线，以便同位宽度的数据总线，以便同一时刻能够同时传送一时刻能够同时传送32位的数据。位的数据。2地址总线：地址总线：由单方向的多根

17、信号线组成，用于由单方向的多根信号线组成，用于CPU向主存、向主存、外设传输地址信息。地址总线的位数取决于存储空间的大外设传输地址信息。地址总线的位数取决于存储空间的大小。如果存储容量为小。如果存储容量为2n个字，那么地址总线需要个字，那么地址总线需要n位。位。54系统总线系统总线n控制总线：控制总线：传输的是控制信息，包括传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令送出的控制命令和主存和主存/外设反馈给外设反馈给CPU的状态信号。控制总线的位数取决的状态信号。控制总线的位数取决于计算机所需要的控制命令的总数。如果计算机有于计算机所需要的控制命令的总数。如果计算机有2m条控条控制命令，那么控制总

18、线需要制命令，那么控制总线需要m位。位。552输入输出设备不能直接与输入输出设备不能直接与CPU和主存的总线相连。因为输和主存的总线相连。因为输入输出设备往往都是机电、磁性或光学设备，比入输出设备往往都是机电、磁性或光学设备，比CPU和主和主存的速度慢得多。必须要有存的速度慢得多。必须要有“中介中介”来处理速度上的差异，来处理速度上的差异，这个中介被称为设备控制器或接口。这个中介被称为设备控制器或接口。I/O设备的连接设备的连接键盘控键盘控制器制器监视器监视器控制器控制器打印机打印机控制器控制器磁盘控磁盘控制器制器56设备控制器有两种设备控制器有两种2串行控制器：串行控制器：只有一根数据线连接

19、到设备上。只有一根数据线连接到设备上。2并行控制器：并行控制器：数根数据线连接到设备上。数根数据线连接到设备上。I/OI/O设备的连接设备的连接设备的连接设备的连接串行接口串行接口并行接口并行接口58硬件硬件 微处理器微处理器 主板（扩展槽，适配器，接口，总线）主板（扩展槽，适配器，接口，总线）一组内存一组内存 辅助存储器辅助存储器 输入输出设备输入输出设备 电源电源 机箱机箱3.微型计算机微型计算机59微微处理器处理器微微微微处理器处理器是微型计算机的最关键的部件，直接是微型计算机的最关键的部件，直接决定了计算机的性能。决定了计算机的性能。Intel公司的产品代表了微处公司的产品代表了微处理

20、器技术的发展。理器技术的发展。微处理器微处理器 运算器运算器+控制器控制器大规模集成电路芯片大规模集成电路芯片Microprocessor（简称（简称MPU）微处理器是微型计算机的核心，它完成计算机所微处理器是微型计算机的核心，它完成计算机所有的运算和控制工作。微处理器的性能指标决定了由有的运算和控制工作。微处理器的性能指标决定了由它构成的微型计算机的性能指标。微处理器因其体积它构成的微型计算机的性能指标。微处理器因其体积小而得名。小而得名。微处理器微型计算机？微处理器微型计算机？微处理器不是微型计算机，因为它不能独立操作，必须与其它装置构成完整系统。微处理器的主要技术指标微处理器的主要技术指

21、标字长：字长：字长决定了微处理器在每个时钟周期内处理字长决定了微处理器在每个时钟周期内处理数据的能力，字长由微处理器的型号来区分。数据的能力，字长由微处理器的型号来区分。主频：主频：主频就是微处理器的时钟频率。主频越高，主频就是微处理器的时钟频率。主频越高，微处理器的速度就越快。时钟频率以微处理器的速度就越快。时钟频率以MHz或或GHz为为单位表示。单位表示。63主板主板 主板也称为主机板，它是一块印刷电路板，集主板也称为主机板，它是一块印刷电路板，集中放置了微型机的主要部件，目前一些常用的接口中放置了微型机的主要部件，目前一些常用的接口电路也放在主板上。电路也放在主板上。主板的主要部件包括：

22、主板的主要部件包括：微处理器芯片、芯片组、一组高速内存储器、微处理器芯片、芯片组、一组高速内存储器、基本输入输出接口、总线及总线接口、扩展槽、其基本输入输出接口、总线及总线接口、扩展槽、其它一些支持电路。它一些支持电路。64硬盘接口硬盘接口总线扩展槽总线扩展槽CPU插座插座输入输出设备接口输入输出设备接口电源插口电源插口只读存储器电源只读存储器电源主板主板主板主板前面板接口前面板接口n 基本输入输出接口基本输入输出接口例如：键盘、打印机接口等n 扩展槽:是适配器与微机总线之间的物理连接装置，其中可插入各类适配器。n 其它配套的支持电路其它配套的支持电路 扩展槽扩展槽配套电路配套电路键盘端口键盘

23、端口n 总线及总线接口总线及总线接口 CPU内存条内存条配套芯片配套芯片主板主板1.芯片组芯片组 主板性能好坏对总体指标产生举足轻重的影响，主板性能好坏对总体指标产生举足轻重的影响，关键在于芯片组的选用，决定主板本身性能和整个关键在于芯片组的选用，决定主板本身性能和整个计算机系统的级别，影响到支持什么性能的计算机系统的级别，影响到支持什么性能的CPU、硬盘图形加速卡等。硬盘图形加速卡等。芯片组是指主板上各种设备间的接口电路，主芯片组是指主板上各种设备间的接口电路，主要有内存控制器、硬盘控制器、要有内存控制器、硬盘控制器、CACHE控制器、总控制器、总线控制器等。线控制器等。672.总线及扩展插

24、槽总线及扩展插槽 早期产品只有一种早期产品只有一种ISA总线，即总线，即“Industry Standard Architecture”工业标准体系结构，工业标准体系结构，IBM制制定的总线标准。定的总线标准。只有只有16位，传位，传输速率低输速率低,现在只现在只有部分内置的调有部分内置的调制解调器、制解调器、10M网网卡等还使用。卡等还使用。69PCI（Peripheral Component Interconnect,外部外部设备互连）总线，具有设备互连）总线，具有132MB/S的数据传输能力和的数据传输能力和很强的带负载能力，被世界上大多数厂商采用。很强的带负载能力，被世界上大多数厂商采

25、用。70EIDE（Enhanced Integrates Drive Electronics,集集成驱动器电子部件）是硬盘接口标准。成驱动器电子部件）是硬盘接口标准。AGP（Accelerated Graphics Port)插槽，安装加插槽，安装加速图形卡，有专用总线和内存连接，速度达到速图形卡，有专用总线和内存连接，速度达到553MB/S。USB（Universal Serial Bus,通用串行总线），用通用串行总线），用于连接摄象头、数码相机、打印机等。于连接摄象头、数码相机、打印机等。USB支持热插支持热插拔，安装较简单。拔，安装较简单。PS/2鼠标、键盘插口。鼠标、键盘插口。71串

26、行端口串行端口 并行端口并行端口USB口口鼠标鼠标键盘端口键盘端口3.输入输出设备端口输入输出设备端口I/O接口接口电路电路微处微处微处微处理器理器理器理器外部外部设备设备内部总线内部总线外部数据线外部数据线接口板插在主板上插在主板上与总线相连与总线相连外部端口外部端口与外设相连与外设相连4.4.适配器适配器 适配器是微机系统中驱动某一个外部设备的功能适配器是微机系统中驱动某一个外部设备的功能模块电路的统称。该模块电路必须包含两个接口，一模块电路的统称。该模块电路必须包含两个接口，一个是与主机连接的总线接口，一个是与外部设备连接个是与主机连接的总线接口，一个是与外部设备连接的外设接口。适配器也

27、称为的外设接口。适配器也称为“卡卡”。显示卡总线接口外设接口主主机机总总线线外外设设端端口口适配器具有独立的系统功能，可与系统并行工作。适配器具有独立的系统功能，可与系统并行工作。与主机板相连与外设相连适配器微机计算机基本配置微机计算机基本配置 键盘显示器鼠标打印机显示卡并行接口卡串行接口卡主机板软 硬 盘 适 配 器软盘驱动器 硬盘驱动器电电 源源总线机机箱箱75RAM存储芯片和内存条存储芯片和内存条 过去，一般存储芯片都是双列直插封装的，过去，一般存储芯片都是双列直插封装的，简称简称DIP。目前，在微机上，越来越多地使用单。目前，在微机上，越来越多地使用单列直插存储模块列直插存储模块SIM

28、M和双列直插存储模块和双列直插存储模块DIMM，也就是通常所说的内存条。，也就是通常所说的内存条。主存主存76SDRAM和和DDR SDRAM SDRAM在同步脉冲的控制下工作，取消了内在同步脉冲的控制下工作，取消了内存等待时间，减少了数据传送的延迟时间，因而存等待时间，减少了数据传送的延迟时间，因而加快了系统速度。加快了系统速度。DDR SDRAM不仅能在时钟脉冲的上升沿读不仅能在时钟脉冲的上升沿读出数据而且还能在下降沿读出数据，不需要提高出数据而且还能在下降沿读出数据，不需要提高时钟频率就能加倍提高时钟频率就能加倍提高SDRAM的速度。的速度。主存主存77 标准的标准的SDRAM有有168

29、线（线（2个小缺口），而个小缺口），而DDR SDRAM有有184线（多出的线（多出的16个线占用了空个线占用了空间，故只有间，故只有1个小缺口），个小缺口），DDR SDRAM目前的目前的标准为标准为PC-266，可以工作在，可以工作在2.5V的低电压环境下。的低电压环境下。主存主存7879电 源硬 盘机箱机箱80 一般微机通常使用一般微机通常使用一般微机通常使用一般微机通常使用 5V5V或或或或 12V12V直流电，其直流电，其直流电，其直流电，其耗耗耗耗电功率为电功率为电功率为电功率为300300瓦瓦瓦瓦。微机的电源系统用于将微机的电源系统用于将微机的电源系统用于将微机的电源系统用于将2

30、20V220V的的的的交流电转换成系统所需的交流电转换成系统所需的交流电转换成系统所需的交流电转换成系统所需的直流电。直流电。直流电。直流电。电源电源81通用计算机通过执行程序来处理数据。通用计算机通过执行程序来处理数据。程序是指令的有序集合。程序是指令的有序集合。程序和数据都放在主存中。程序和数据都放在主存中。4.程序执行程序执行译码译码译码译码执行执行取指令取指令取指令取指令循环执行指令循环执行指令循环执行指令循环执行指令一条指令的执行过程一条指令的执行过程一条指令的执行过程一条指令的执行过程 指令是计算机进行操作的命令，将控制计算机指令是计算机进行操作的命令，将控制计算机完成规定动作的命

31、令称为指令。完成规定动作的命令称为指令。CPU利用重复的机器周期来执行指令。简化的周利用重复的机器周期来执行指令。简化的周期包括期包括3步：步：机器周期机器周期83 取指令取指令 在取指令阶段，控制单元命令系统取出一条指在取指令阶段，控制单元命令系统取出一条指令放在指令寄存器令放在指令寄存器I中，程序计数器中，程序计数器PC加加1。译码译码 把指令置于指令寄存器后进行译码，以确定这把指令置于指令寄存器后进行译码，以确定这是一条什么样的指令。是一条什么样的指令。执行执行 译码完毕后，控制单元发送命令到译码完毕后，控制单元发送命令到CPU的某个的某个部件，完成指令所确定的功能。部件，完成指令所确定

32、的功能。84一条指令由操作码和地址码两部分组成。一条指令由操作码和地址码两部分组成。操作码操作码操作码操作码地址码地址码地址码地址码Load 200,R1Load 200,R1Load 200,R1Load 200,R1Load 201,R2Load 201,R2Load 201,R2Load 201,R2Add R1,R2,R3Add R1,R2,R3Add R1,R2,R3Add R1,R2,R3Store 202,R3Store 202,R3Store 202,R3Store 202,R3HaltHaltHaltHalt把把200单元的内容送入寄存器单元的内容送入寄存器R1把把201单元

33、的内容送入寄存器单元的内容送入寄存器R2R1和和R2的内容相加结果放在的内容相加结果放在R3把把R3的内容存入的内容存入202单元单元停止所有操作停止所有操作1程序执行的实例程序执行的实例85070071072073200201202074主存主存Load 200 R1Load 200 R1 Halt HaltLoad 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3Store 202 R3Store 202 R3+14-10R1R2R3IPC070执行前主存和寄存器中的内容执行前主存和寄存器中的内容86070071072073200201202074主存主存

34、Load 200 R1Load 200 R1 Halt HaltLoad 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3Store 202 R3Store 202 R3+14-10Load 200 R1Load 200 R1取数指令取数指令R1R2R3IPC070Load 200 R1Load 200 R1071+14第一条指令执行后第一条指令执行后070071072073200201202074主存主存Load 200 R1Load 200 R1 Halt HaltLoad 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3

35、Store 202 R3Store 202 R3+14-10R1R2R3IPCLoad 201 R2Load 201 R2取数指令取数指令+14-10072Load 200 R1Load 200 R1071Load 201 R2Load 201 R2072第二条指令执行后第二条指令执行后070071072073200201202074主存主存Load 200 R1Load 200 R1 Halt HaltLoad 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3Store 202 R3Store 202 R3+14-10R1R2R3IPC073+14-10+4

36、Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3加法指令加法指令072073Load 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3第三条指令执行后第三条指令执行后070071072073200201202074主存主存Load 200 R1Load 200 R1 Halt HaltLoad 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3Store 202 R3Store 202 R3+14-10R1R2R3IPC073+14-10+4+4Store 202 R3Store 202 R3存数指令存数指令Add R1 R2

37、R3Add R1 R2 R3Store 202 R3Store 202 R3074第四条指令执行后第四条指令执行后90070071072073200201202074主存主存Load 200 R1 HaltLoad 201 R2Add R1 R2 R3Store 202 R3+14-10R1R2R3IPC+14-10+4+4 Halt Halt停机指令停机指令Store 202 R3Store 202 R3074 Halt Halt075最后一条指令执行后最后一条指令执行后有三种输入有三种输入/输出控制方式：输出控制方式：程序控制输入输出程序控制输入输出 CPU和和I/O设备之间的数据传输是通

38、过程序中的设备之间的数据传输是通过程序中的指令实现的。指令实现的。CPU不时地查询不时地查询I/O驱动器的状态，如驱动器的状态，如果设备准备就绪，就进行一次数据传输。果设备准备就绪，就进行一次数据传输。用于低速设备。用于低速设备。1输入输入/输出操作输出操作92 中断控制输入输出中断控制输入输出 CPU不需要不停地查询不需要不停地查询I/O设备的状态，当设设备的状态，当设备准备好后，向备准备好后，向CPU发中断情况，发中断情况，CPU暂时中止现暂时中止现行程序，执行中断服务程序，为设备服务。行程序，执行中断服务程序，为设备服务。用于低速设备。用于低速设备。1输入输入/输出操作输出操作93 直接

39、存储器存取（直接存储器存取（DMA）用于高速设备（如磁盘）和主存之间直接传输用于高速设备（如磁盘）和主存之间直接传输大的数据块。大的数据块。需要需要DMA控制器承担原来由控制器承担原来由CPU完成的一些功完成的一些功能。能。1输入输入/输出操作输出操作945 其他计算机体系结构其他计算机体系结构CISCCISC：复杂指令集计算机：复杂指令集计算机RISCRISC：精简指令集计算机：精简指令集计算机流水线：改善吞吐量（单位时间内完流水线：改善吞吐量（单位时间内完成的指令总数）成的指令总数）95并行计算机体系结构分类并行计算机体系结构分类 Flynn Flynn在在在在19661966年提出的计算

40、机分类方法，即按指令流和年提出的计算机分类方法，即按指令流和年提出的计算机分类方法，即按指令流和年提出的计算机分类方法，即按指令流和数据流进行计算机分类的方法仍适用至今。数据流进行计算机分类的方法仍适用至今。数据流进行计算机分类的方法仍适用至今。数据流进行计算机分类的方法仍适用至今。n n单指令流单数据流单指令流单数据流单指令流单数据流单指令流单数据流(SISD)(SISD)单处理器计算机单处理器计算机单处理器计算机单处理器计算机n n单指令流多数据流单指令流多数据流单指令流多数据流单指令流多数据流(SIMD)(SIMD)矢量计算机矢量计算机矢量计算机矢量计算机n n多指令流单数据流多指令流单

41、数据流多指令流单数据流多指令流单数据流(MISD)(MISD)市场上无此类计算机市场上无此类计算机市场上无此类计算机市场上无此类计算机n n多指令流多数据流多指令流多数据流多指令流多数据流多指令流多数据流(MIMD)(MIMD)通用多处理器并行计算机，通用多处理器并行计算机，通用多处理器并行计算机，通用多处理器并行计算机，是广泛应用的多处理器并行计算机体系结构是广泛应用的多处理器并行计算机体系结构是广泛应用的多处理器并行计算机体系结构是广泛应用的多处理器并行计算机体系结构 96总总 结结l了解冯了解冯诺依曼计算机模型的基本思想诺依曼计算机模型的基本思想l了解计算机系统了解计算机系统l理解计算机硬件系统的组成理解计算机硬件系统的组成l理解计算机程序执行过程理解计算机程序执行过程l了解其他计算机体系结构了解其他计算机体系结构