太原网站建设案例,网页设计网站建设流程,手机版网站做一下多少钱,网站建设要考虑哪些方面目录第一章 计算机系统概论1.1 计算机系统简介1.1.1 计算机的软硬件概念1.1.2 计算机系统的层次结构1.1.3 计算机组成和计算机体系结构1.2 计算机的基本组成1.2.1 冯 诺伊曼计算机的特点1.2.2 计算机的硬件框图1.2.3 计算机的工作过程1.3 计算机硬件的主要技术指标1.3.1 机器字…
目录第一章 计算机系统概论1.1 计算机系统简介1.1.1 计算机的软硬件概念1.1.2 计算机系统的层次结构1.1.3 计算机组成和计算机体系结构1.2 计算机的基本组成1.2.1 冯 · 诺伊曼计算机的特点1.2.2 计算机的硬件框图1.2.3 计算机的工作过程1.3 计算机硬件的主要技术指标1.3.1 机器字长1.3.2 运算速度1.3.3 存储容量第一章 计算机系统概论 1.1 计算机系统简介 1.1.1 计算机的软硬件概念
计算机系统是由 软件 和 硬件 两大部分组成的。
硬件指计算机的实体部分它由看得见摸得着的各种电子元器件、各类光、电、机设备的实物组成如主机、外设等等。软件它是看不见摸不着的由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成。通常把这些信息诸如各类程序寄寓于各类媒体中如 RAM、ROM、磁带、磁盘、光盘等。
计算机的软件通常又可分为两大类系统软件和应用软件。
系统软件又称为系统程序主要用来管理整个计算机系统监视服务使系统资源得到合理调度确保高效运行。它包括表中程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软件等等。应用软件又称为应用程序它是用户根据任务需要所编制的各种程序。如科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、事务管理程序等等。 硬件是计算机的物理基础它决定了计算机系统的瓶颈在哪而软件又决定了可以将硬件的性能发挥到什么样的程度所以计算机性能的好坏取决于 “软”、“硬” 件功能的总和。 1.1.2 计算机系统的层次结构
计算机的解题过程 现代计算机的解题过程通常是先由用户用高级语言编写程序称作源程序)然后将它和数据一起送入计算机内再由计算机将其翻译成机器能识别的机器语言程序称作目标程序)机器自动运行该机器语言程序并将计算结果输出。
早期只有机器语言用户编写的机器语言程序直接在机器上执行我们把直接执行机器语言的实际机器称 M1 。 20 世纪 50 年代开始出现了符号式的程序设计语言即汇编语言它使程序员摆脱了繁杂而又易错的二进制代码编写程序但是没有机器能直接识别这种汇编语言程序必须先将汇编语言程序翻译成机器语言程序后才能被机器接受并自动运行。我们把具有翻译功能的汇编程序的计算机看作一台 M2 机器。
两级层次结构的计算机系统 20 世纪 60 年代开始出现了各种面向问题的高级语言如 FORTRAN、BASIC、Pascal、C 等等。这类高级语言对问题的描述十分接近人们的习惯给程序员带来了极大的方便当然M1 机器本身是不能识别高级语言的因此在进入 M1 机器运行前必须先将高级语言程序翻译成汇编语言程序然后再将其翻译成机器语言程序。我们把将高级语言程序直接翻译成汇编或者机器语言程序的机器称为 M3 。
三级层次结构的计算机系统 由于软件的发展使实际机器 M1 向上延伸构成了各级虚拟机器。同理 M1 机器内部也可向下延伸而形成下一级的微程序机器 M0 。M0 机器是直接将 M1 机器中的每一条机器指令翻译成一组微指令即构成一个微程序。微程序机器 M0 可看作是对实际机器 M1 的分解即用 M0 的微程序解释并执行 M1 的每一条机器指令。
四级层次结构的计算机系统 实际上再实际机器 M1 与虚拟机器 M2 之间还有一级虚拟机器它是由操作系统软件构成的。操作系统提供了在汇编语言和高级语言的使用和实现过程中所需的某些基本操作还起到控制并管理系统硬件和软件全部资源的作用。
五级层次结构的计算机系统 1.1.3 计算机组成和计算机体系结构
计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性即概念性的结构与功能特性通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O 机理等等大都属于抽象的属性。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性它包含了许多对程序员来说是不知道的硬件细节。 1.2 计算机的基本组成 1.2.1 冯 · 诺伊曼计算机的特点
1945 年数学家 冯·诺依曼 等人在研究 EDVAC 机时提出了 “存储程序” 的概念。以此概念为基础的各类计算机统称为 冯·诺依曼机。它的特点可归结为
计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成指令和数据以同等地位存放于存储器内并可按地址寻访指令和数据均以二进制码表示指令由操作码和地址码组成操作码用来表示操作的性质地址码用来表示操作数所在存储器中的位置存储程序指令在存储器内按顺序存放机器以运算器为中心输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器 1.2.2 计算机的硬件框图
冯 · 诺伊曼计算机结构框图 典型的冯·诺依曼计算机是以运算器为中心的。其中输入、输出设备与存储器之间的数据传送都需通过运算器。图中实线为数据线虚线为控制线和反馈线。
各组件的功能
运算器完成算术运算和逻辑运算并将运算的中间结果暂存在运算器内存储器用来存放数据和程序控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果输入设备将信息转换成机器能识别的形式比如键盘、鼠标等输出设备将结果转换成人民熟悉的形式比如打印机输出显示器输出等
这个结构存在两个问题
以运算器为中心导致运算器成为系统的瓶颈不具有层次化的特征
以存储器为中心的计算机硬件框图 以存储器为中心实现输入和输出设备与存储器之间直接的信息交换图中实现为控制线虚线为反馈线双线为数据线。
现代计算机硬件框图 由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构土联系十分紧密尤其在大规模集成电路制作工艺出现后这两大部件往往制作在同一芯片上因此通常将它们合起来统称为中央处理器Central Processing Unit简称 CPU。把输入设备与输出设备简称为 IO设备Input/Output equipment。
这样现代计算机可认为由三大部分组成CPU、IO设备及主存储器M.MMain Memory。CPU 与 M.M 合起来又可称为主机IO设备 可叫作外部设备。
主存储器 M.M 是存储器子系统中的一类用来存放程序和数据它可以直接与CPU 交换信息。另一类叫辅助存储器简称辅存又叫外存。
ALU (Arithmetic Logic Unit叫做算术逻辑运算单元简称算逻部件)用来完成算术逻辑运算。CUControl Unit叫做控制单元用来解释存储器中的指令并发出各种操作命令来执行指令。ALU 和 CU 是 CPU 的核心部件。
I/O设备 也受 CU 控制用来完成相应的输入、输出操作。 可见计算机有条不紊地自动工作都是在控制器统一指挥下完成的。
系统复杂性管理的方法3Y
层次化Hierachy将被设计的系统划分为多个模块或子模块模块化Modularity有明确定义well-defined的功能和接口规则化Regularity模块更容易被重用 1.2.3 计算机的工作过程
用计算机解决一个实际问题通常包含两大过程上机前的各种准备和上机运行。
上机前的准备 1建立数学模型2确定计算方式3编制解题程序 计算机的解题过程
存储器的基本组成 主存储器简称主存或内存包括存储体、各种逻辑部件及控制电路等。存储体由许多存储单元组成每个存储单元又包含若干个存储元件或称存储基元、存储元每个存储元件能寄存一位二进制代码 “0” 或者 “1”。一个存储单元可存储一串二进制代码称这串二进制代码为一个存储字这串二进制代码的个数叫做存储字长。
每个存储单元会被赋予一个编号叫做存储单元的地址号。主存的工作方式就是按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存、取。这种存取方式叫做按地址存取也即按地址访问存储器简称访存
为了能实现按地址访问的方式主存中还必须配置两个寄存器 MAR 和 MDR。
MARMemory Address Register存储器地址寄存器用来存放欲访问的存储单元的地址其位数对应存储单元的个数如 MAR 为 10 位则有 2101024 个存储单元记为 1K。MDRMemory Data Register存储器数据寄存器用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码其位数与存储字长相等。
运算器的基本组成及操作过程 运算器包括三个寄存器和一个算逻电路 ALU。其中 ACC (Accumulator)为累加器MQ (Multiplier-QuotientRegister) 为乘商寄存器X 为操作数寄存器。这三个寄存器在完成不同运算时所存放的操作数类别也各不相同。 不同机器的运算器结构可能不同。
以下简要分析这种结构的运算器其加、减、乘、除四则运算的操作
设M 表示存储器的任意地址号 [M] 表示对应 M 地址号单元中的内容 X 表示 X 寄存器 [X] 表示 X 寄存器中的内容 ACC 表示累加器 [ACC] 表示累加器中的内容 MQ 表示乘商寄存器 [MQ] 表示乘商寄存器中的内容 假设 ACC 中已存有前一时刻的运算结果并作为下述运算中的一个操作数。则
加法操作过程 [M] - X[ACC] [X] - ACC
即将 [ACC] 看作被加数先从内存中取一个存放在 M 地址号内的加数 [M]送至运算器的 X 寄存器中然后将被加数 [ACC] 与加数 [X] 相加其结果和保留在累加器 ACC 中。
减法操作过程 [M] - X[ACC] - [X] - ACC
即将 [ACC] 看作被减数先取出减数 [M] 送入 X再作 [ACC] - [X]其结果差保留在 ACC 中。
乘法操作过程 [M] - MQ[ACC] - X0 - ACC[X] ×[MQ] - ACC//MQ ps// 表示两个寄存器串联
即把 [ACC] 看作被乘数先把在 M 号单元中的乘数 [M] 送入乘商寄存器 MQ再把被乘数送入 X 寄存器并将寄存器 A 清 “0”然后 [X] 和 [MQ] 相乘其结果积的高位保留在 ACC 中积的低位保留在 MQ 中。
除法操作过程 [M] - X[ACC] ÷ [X] - MQ余数 R 在 ACC 中
即将 [ACC] 看作被除数先将在 M 号单元内的除数 [M] 送至寄存器然后 [ACC] 除以 [X]其结果商暂留于MQ[ACC] 为余数 R。若需要将商保留在 ACC 中只需做一步 [MQ] - ACC 即可。
控制器的基本结构
控制器是计算机组成的神经中枢它指挥全机各部件自动、协调地工作它的主要功能是解释指令和保证指令的按序执行。
完成一条指令操作由取指、分析和执行三阶段组成。
取指阶段命令存储器读出一条指令这叫取指过程也称取指阶段分析阶段对取出来的指令进行分析指出该指令要完成什么样的操作并按寻址特征指明操作数的地址这叫做分析过程也称分析阶段执行阶段根据操作数所在的地址取出操作数并完成某种操作这叫作执行过程也称执行阶段
控制器由程序计数器 PCProgram Counter指令寄存器 IRInstruction Register以及控制单元 CU 几部分组成。
PC用来存放当前欲执行指令的地址它与主存的 MAR 之间有一条直接通路且具有计数功能即可自动形成下一条指令的地址。IR用来存放当前的指令内容来自主存的 MDR用来分析指令CU用来分析当前指令所需完成的操作并发出各种微操作命令序列用以控制所有被控对象 主机完成一条指令的过程
以取数指令为例 PC 将指令的地址送给 MAR再由 MAR 送给存储体在控制器的控制下存储体把指令存储单元当中保存的那条取数指令取出来送入 MDR 当中MDR 再将指令送到 IR IR 保存当前正在执行的这条指令完成取指的操作将指令寄存器 IR 当中的操作码部分送给 CUCU 内部分析指令、译码在控制器的控制之下需要把指令当中的地址部分送给存储器以便将数据从存储体当中取出来因为 IR 保存了当前指令和当前指令操作数的地址所以从 IR 的地址码部分把地址取出送入 MAR然后由 MAR 将该地址送往存储体在控制器的控制下从存储体中将取数指令要取的数取出来存入到 MDR最后送到 ACC 完成取数的操作
以存数指令为例 PC 将指令的地址送给 MAR再由 MAR 送给存储体在控制单元 CU 的控制下从存储体指定的存储单元当中将指令取出来放入到 MDR 当中MDR 再将指令送到 IRIR 保存当前正在执行的这条指令完成取指的操作将指令寄存器 IR 当中的操作码部分送给 CUCU 内部分析指令、译码CU 控制将 IR 当中地址码部分送到 MARMAR 再送入到存储体将 ACC 中的内容送到 MDR将 MDR 中的数据保存到存储体中
I/O 的基本结构 I/O 子系统包括各种外部设备及相应的接口。每一种设备都是由 I/O 接口与主机联系的他接受 CU 发出的各种控制命令完成相应的操作。如键盘由键盘接口电路与主机联系打印机由打印机接口电路与主机联系。 1.3 计算机硬件的主要技术指标 1.3.1 机器字长
机器字长是指 CPU 一次能处理数据的位数通常与 CPU 的寄存器位数有关。机器的字长会影响机器的运算速度倘如 CPU 字长较短又要运算位较多的数据那么需要经过两次或多次的运算才能完成这样势必会影响整机的运行速度。 1.3.2 运算速度
计算机的运算速度与许多因素有关如
主频核数每个核支持的线程数吉普森法综合考虑每条指令的执行时间以及它们在全部操作中所占的百分比CPI执行一条指令所需时钟周期数MIPS每秒执行百万条指令FLOPS每秒浮点运算次数 1.3.3 存储容量
存储容量的大小可以用存放二进制信息的总位数进行衡量。
存储器的容量包括主存容量和赋存容量。
主存容量是指主存中存放二进制代码的总数 衡量方法 存储单元个数 × 存储字长字节数 辅存容量 衡量方法 字节数
