計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論 學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)的第一門基礎(chǔ)課程 第三章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 本章要點(diǎn)： 掌握數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 了解數(shù)據(jù)的機(jī)器表示 了解存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 了解輸入輸出系統(tǒng) 了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 本邏輯關(guān)系及邏輯門 1. “與”邏輯關(guān)系及“與”門 : 運(yùn)算符號(hào)可以是“ ”、“ ”、“ ”或“ 邏輯函數(shù)： F AB “與”門的邏輯符號(hào) ： 2. “或”邏輯關(guān)系及“或”門： 運(yùn)算符號(hào)可以是“”、“ ”、“ ”或“ 邏輯函數(shù)： F A B “或”門的邏輯符號(hào) ： 3. “非”邏輯關(guān)系及“非”門 邏輯函數(shù)： F “非”門的邏輯符號(hào)： 4. “異或”邏輯關(guān)系及“異或”門 邏輯函數(shù)： F “異或”門的邏輯符號(hào)： A 數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 輯代數(shù)與邏輯函數(shù) 1. 邏輯變量與函數(shù) ： 邏輯函數(shù)由邏輯變量 A、 B、 C、 和算子“ ”、“”、“”及括號(hào)、等號(hào)等構(gòu)成的一個(gè)表達(dá)式。例如： F=A+B G=AB 2. 基本邏輯運(yùn)算： “ 與 ” 運(yùn)算、 “ 或 ” 運(yùn)算、 “ 非 ” 運(yùn)算。 3. 邏輯代數(shù)的定理及常用公式 （ 1）公理系統(tǒng) 公理 1 交換律 對(duì)于任意邏輯變量 A、 B，有 A B B A AB BA 公理 2 結(jié)合律 對(duì)于任意邏輯變量 A、 B、 C，有 （ A B） C A（ B C） （ AB） C A（ BC） 公理 3 分配律 對(duì)于任意邏輯變量 A、 B、 C，有 A（ BC）（ A B） （ A C） A（ B C） AB AC 公理 4 01律 對(duì)于任意邏輯變量 A，有 A 0 A Al A A 1 1 A0 0 公理 5 互補(bǔ)律 對(duì)于任意邏輯變量 A，存在唯一的 ，使得 01 2）基本定理 3）邏輯代數(shù)的重要規(guī)則 對(duì)偶規(guī)則 如果將邏輯函數(shù)表達(dá)式 ” 變成“”，“”變成“ ”“0” 變成“ 1” ，“ 1” 變成“ 0” ，而邏輯變量保持不變，則所得到的新邏輯表達(dá)式稱為函數(shù) 作F 。 例 )()( 數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 反演規(guī)則 如果將邏輯函數(shù)表達(dá)式 ” 變成“十”，“”變成“ ” ，“ 0” 變成“ 1” ，“ 1”變成“ 0” ，原變量變成反變量，反變量變成原變量，則所得到的新函數(shù)表達(dá)式為原函數(shù) 。 已知： 根據(jù)規(guī)則得： 代入規(guī)則 代入規(guī)則是指任何一個(gè)含有變量 果將所有出現(xiàn) ，則等式仍然成立 。 )()( 4. 邏輯表達(dá)式的化簡(jiǎn) 代數(shù)化簡(jiǎn)法 運(yùn)用邏輯代數(shù)的公理、定理和規(guī)則對(duì)邏輯函數(shù)進(jìn)行化簡(jiǎn)。 例 = = 卡諾圖化簡(jiǎn)法 最小項(xiàng)之和 ( 數(shù)據(jù)的機(jī)器表示 據(jù)的機(jī)器級(jí)表示 操作碼：規(guī)定 地址碼：指出源操作數(shù)從哪里取，結(jié)果送往什么 地方以及下一條指令從哪里取 操作碼 地址碼 據(jù)的匯編級(jí)表示 介于機(jī)器語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言之間的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，是將機(jī)器語(yǔ)言符號(hào)化的一種語(yǔ)言。 特點(diǎn)：匯編代碼效率高，編程復(fù)雜，可移植性差。 存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)系統(tǒng)概述 1. 存儲(chǔ)器的作用 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序信息和數(shù)據(jù)信息 。 存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 2. 存儲(chǔ)器分類 （ 1）按存儲(chǔ)介質(zhì)分：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器 （ 2）按工作方式分：隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、順序存儲(chǔ)器、直接存取存儲(chǔ)器 （ 3）按信息的可保存性：易失性存儲(chǔ)器、非易失性存儲(chǔ)器 （ 4）按作用：主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 1) 存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)器中可以容納的存儲(chǔ)單元總數(shù)稱為存儲(chǔ)容量 。 2）存儲(chǔ)周期 處理機(jī)可以連續(xù)二次啟動(dòng)該存儲(chǔ)器所需的最小時(shí)間間隔。 存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 3) 存儲(chǔ)訪問時(shí)間 存儲(chǔ)器收到有效地址到其輸出端出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔 4）性價(jià)比 性能與價(jià)格的比值是衡量存儲(chǔ)器經(jīng)濟(jì)性能好壞的綜合性指標(biāo) 。 5）功耗 存儲(chǔ)器耗電的多少，也相應(yīng)地反映了發(fā)熱的程度 。 6）可靠性 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)器正常工作的概率。 存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器 速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器 (三級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)的運(yùn)行原理，是建立在程序運(yùn)行的局部性原理之上的。 ) 中央處理器 C P a c h （ 1）時(shí)間局部性原理 : 在一小段時(shí)間內(nèi)，最近被訪問過(guò)的程序和數(shù)據(jù)很可能再次被訪問 。 （ 2）空間局部性原理 :最近被訪問過(guò)的程序和數(shù)據(jù)往往集中在一小片存儲(chǔ)區(qū)域中。 （ 3）指令執(zhí)行順序的局部性原理 :指令順序執(zhí)行比轉(zhuǎn)移執(zhí)行的可能性要大。 注意：三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，存儲(chǔ)的信息必須滿足 信息一致性 原則和 信息包含性 原則。 存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 高速緩沖存儲(chǔ)器 一種放置在規(guī)模較小的存儲(chǔ)器。 中央處理器C P UC a c h e 存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 虛擬存儲(chǔ)器 虛擬存儲(chǔ)器用于“主存一輔存”層次，它能使計(jì)算機(jī)具有輔存的容量，接近于主存的速度。它使程序員能夠在比主存大得多的空間編制程序，即按虛存空間編址 。 中央處理器C P 存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 虛擬存儲(chǔ)器 1. 主存輔存層次與 存層次的比較： 聯(lián)系： 主存 們采用的地址變換、映像方式及替換算法在原理上是相同的。 區(qū)別： 訪問時(shí)間 、傳送的基本信息單位 、實(shí)現(xiàn)。 存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 虛擬存儲(chǔ)器 2. 虛擬存儲(chǔ)器的基本信息傳送單位 （ 1）段式虛擬存儲(chǔ)器 （ 2）頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器 （ 3）段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 3. 虛擬存儲(chǔ)器的工作過(guò)程 在虛擬存儲(chǔ)器中將對(duì)虛擬地址與輔存實(shí)地址的變換。 輸入輸出系統(tǒng) 輸入輸出系統(tǒng)概述 1) 外部設(shè)備 2) 設(shè)備控制器 3) I/4) 中央處理機(jī) C P O 設(shè)備設(shè)備控制器I / O 輸入輸出系統(tǒng) 總線結(jié)構(gòu) 1) 按照總線所傳輸?shù)男畔?nèi)容分類： 地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線 2）按照總線在計(jì)算機(jī)中所處的位置分類 片級(jí)總線、內(nèi)部總線和外部總線 3）按照二進(jìn)制數(shù)碼的傳送方式分類 串行總線、并行總線 輸入輸出系統(tǒng) 總線結(jié)構(gòu) 1) 單總線結(jié)構(gòu) C P U 輸入輸出系統(tǒng) 總線結(jié)構(gòu) 2）雙總線結(jié)構(gòu) C P U I / O 接口I / O 通道主存I / O 接口I / O 接口內(nèi)存總線 I / O 輸入輸出系統(tǒng) 總線結(jié)構(gòu) 3）三總線結(jié)構(gòu) C P O 接口高速外設(shè)主存I / O 接口 I / O 接口內(nèi)存總線I / O 總線I / O 設(shè)備I / O 設(shè)備D M A 輸入輸出系統(tǒng) 1) 傳輸線： 包括地址線、數(shù)據(jù)線和控制線三部分。 2) 接口： 具有雙向傳輸信息功能。 3) 總線控制器： 用于決定總線使用權(quán)。 輸入輸出系統(tǒng) 輸入輸出接口 在主機(jī)與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)引入相應(yīng)的邏輯部件解決兩者之間的同步與協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等問題的邏輯部件。 輸入輸出系統(tǒng) 1) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖 2) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換 3) 提供外設(shè)和接口的狀態(tài) 4) 實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)之間的通訊聯(lián)絡(luò)控制 輸入輸出系統(tǒng) 3. I/ 數(shù)據(jù)寄存器； 設(shè)備地址譯碼器； 設(shè)備狀態(tài)寄存器； 數(shù)據(jù)格式變換器，用于串到并、并到串的轉(zhuǎn)換； 總線通信控制用的定時(shí)信號(hào)線路。 輸入輸出系統(tǒng) 1) 統(tǒng)一編址： 將對(duì)內(nèi)存的操作和對(duì) I/ 2) 單獨(dú)編址： 單獨(dú)設(shè)置 I/。 5. 接口的分類 （ 1）按數(shù)據(jù)傳輸寬度分：并行接口與串行接口 （ 2）按數(shù)據(jù)傳送的控制方式分：程序直接控制的輸入輸出接口、程序查詢控制接口、程序中斷輸入輸出接口、 （ 3）按操作節(jié)拍分：同步接口和異步接口 輸入輸出系統(tǒng) 外設(shè)數(shù)據(jù)傳送控制方式 處理機(jī)方式 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 高性能計(jì)算機(jī) 指令流： 是指機(jī)器執(zhí)行的指令序列； 數(shù)據(jù)流： 是由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類 由一個(gè)處理器和一個(gè)存儲(chǔ)器組成。每次執(zhí)行一條指令，每次從存儲(chǔ)器取或存一個(gè)數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)由一個(gè)指令控制部件、多個(gè)處理部件和多個(gè)存儲(chǔ)器組成。各處理器和各存儲(chǔ)器間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。 在同一時(shí)間執(zhí)行多條指令，但處理同一個(gè)數(shù)據(jù)。 多臺(tái)處理部件，（有自己的存儲(chǔ)器）。每個(gè)處理部件執(zhí)行各自的指令，并存取各自的數(shù)據(jù)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 高性能計(jì)算機(jī) 是一個(gè)擁有最先進(jìn)的硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)和算法的綜合概念。 網(wǎng)格計(jì)算是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)的，專門針對(duì)復(fù)雜科學(xué)計(jì)算的新型計(jì)算機(jī)模式 。 集群是指共同為客戶機(jī)提供網(wǎng)絡(luò)資源的一組計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 并行計(jì)算機(jī) 是由多個(gè)處理器組成，并能