计算机系统结构5_1
计算机系统的层次结构和功能模块
计算机系统的层次结构和功能模块在计算机科学领域，计算机系统是由不同层次和功能模块构成的复杂系统。
这些层次和功能模块相互协作，实现了计算机的各项功能和任务。
本文将详细探讨计算机系统的层次结构和各个功能模块。
一、计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构一般可以分为硬件层次和软件层次两个大的方面。
硬件层次包括物理层、逻辑层和微程序层；软件层次包括操作系统、系统软件和应用软件。
1. 物理层物理层是计算机系统的最底层，包括处理器、存储器、输入输出设备等硬件组成部分。
处理器是计算机的核心部件，负责执行各种指令和进行数据处理。
存储器用于存储数据和指令。
输入输出设备则用于与外部环境进行数据交互。
2. 逻辑层逻辑层主要负责解决数据传输和控制信号的问题，确保数据的正确传输和处理。
逻辑层包括总线、控制器和接口等组成部分。
总线是连接各个硬件设备的通信线路，用于传输数据和控制信号。
控制器则负责管理和控制各个硬件设备的工作。
接口用于连接外部设备和计算机系统。
3. 微程序层微程序层是计算机系统的底层软件，主要负责解释和执行计算机指令。
微程序层的设计和实现可以提高计算机系统的性能和灵活性。
4. 操作系统操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理和控制计算机系统的各项资源，提供用户与计算机之间的接口。
操作系统包括进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等模块，保证计算机系统的稳定运行和资源的有效利用。
5. 系统软件系统软件是在操作系统之上的软件层次，为用户提供各种工具和服务。
系统软件包括编译器、调试器、数据库管理系统等。
6. 应用软件应用软件是计算机系统中最顶层的软件，用于满足用户的各种需求。
应用软件包括办公软件、图像处理软件、娱乐软件等。
二、计算机系统的功能模块除了按照层次结构划分，计算机系统还可以按照功能模块进行划分。
计算机系统的功能模块包括：输入模块、输出模块、存储模块、运算控制模块、逻辑控制模块和时序控制模块。
1. 输入模块输入模块是用于将外部数据和指令输入到计算机系统中的模块。
计算机系统结构概述
计算机系统组成
硬件系统
包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 五个基本部分，以及连接这些部分的总线。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类，系统软件是控制和协 调计算机及外部设备，支持应用软件开发和运行的系统 ，主要功能是调度，监控和维护计算机系统；负责管理 计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作 。应用软件是为了某种特定的用途而被开发的软件，它 可以是一个特定的程序，也可以是一组功能联系紧密， 可以互相协作的程序的集合，也可以是一个由众多独立 程序组成的庞大的软件系统。
这一级别提供高级程序 设计语言，如C、C、 Java等，程序员使用高 级语言编写程序，然后 经过编译或解释得到机 器语言程序或字节码程 序。
02
指令系统
指令格式
操作码
指定指令要执行的操作类型，如加法、减法、乘 法等。
操作数地址
指定参与运算的操作数所在的位置，可以是寄存 器、内存地址等。
指令长度
指令所占用的位数，与计算机的字长有关。
计算机系统结构 概述
目录
• 计算机系统基本概念 • 指令系统 • 存储器层次结构 • 中央处理器 • 输入输出系统 • 并行处理技术
01
计算机系统基本概念
计算机系统定义
计算机系统是一种能够按照事先存储 的程序，自动、高速地进行大量数值 计算和各种信息处理的现代化智能电 子机器。
计算机系统由硬件系统和软件系统两 大部分组成，两者相互依存、缺一不 可，共同构成一个完整的计算机系统 。
降低能耗
多核处理器可以通过动 态调整内核的工作状态 来降低能耗。
提高可靠性
多核处理器可以通过冗 余设计来提高系统的可 靠性。
分布式内存并行计算
计算机系统结构
计算机系统结构计算机系统结构是指将计算机分解成各个部件，具体分析这些部件之间的功能和关系，以改进计算机的性能和可靠性的一门学科。
它包括主机系统结构、存储系统结构、外设结构、输入输出系统结构和控制系统结构等。
一、主机系统结构1、电路的基本功能: 主要元器件有中央处理器（CPU）、地址总线、数据总线、控制总线和存储器单元等。
2、系统识别: 包括主板、BIOS芯片等，它是驱动系统中最核心的硬件元器件。
它必须具有系统管理，从而保证操作系统的稳定性。
3、扩展总线: 扩展总线用来连接系统的其他硬件，如声卡、硬盘驱动器、图形显示卡等，提供更多的功能和性能。
二、存储系统结构1、SRAM、DRAM 和ROM: SRAM 是一种快速存储技术， DRAM 是一种稳定耐用的存储技术，而 ROM 是一种外部存储介质，负责支持电脑系统的运行。
2、存储设备: 存储设备负责存储各种数据，包括硬盘、闪存、光盘、磁带、U盘、SD 卡等。
三、外设结构1、外设的分类: 外设的分类主要为人机交互设备，如键盘、显示器和鼠标;信息输入、输出设备，如扫描仪、打印机等;图像输入、输出设备，如数码相机和多媒体设备等。
2、外设对操作系统的影响：外设对操作系统可以产生积极的作用，尤其是像智能手机、平板电脑这类的多媒体设备，可以更好的实现人机交互，提高用户的体验。
四、输入输出系统结构1、输入设备: 主要有键盘、鼠标、扫描仪、读卡器等。
2、输出设备: 包括显示器、打印机、多媒体设备等。
3、输入输出通道：主要有串行通道、并行通道和USB通道等。
五、控制系统结构1、控制器: 控制器是控制总线上设备之间通信的核心，主要有主控制器、起源控制器和目标控制器等。
2、指令系统：它用来指导处理器如何处理指令，以及如何从内存中读取和保存数据。
3、特殊功能：特殊功能主要用来控制处理器输入输出动作的状态，如中断、时钟状态等。
深入理解计算机系统（5.1）------优化程序性能
深⼊理解计算机系统（5.1）------优化程序性能 你能获得的对程序最⼤的加速⽐就是当你第⼀次让它⼯作起来的时候。
在讲解如何优化程序性能之前，我们⾸先要明确写程序最主要的⽬标就是使它在所有可能的情况下都能正常⼯作，⼀个运⾏的很快的程序但是却是错误的结果是没有任何⽤处的，所以我们在进⾏程序性能优化之前，⾸先要保证程序能正常运⾏，且结果是我们需要的。
⽽且在很多情况下，让程序跑的更快是我们必须要解决的问题。
⽐如⼀个程序要实时处理视频帧或者⽹络包，那么⼀个运⾏的很慢的程序就不能解决此问题。
再⽐如⼀个计算任务计算量⾮常⼤，需要数⽇或者数周，如果我们哪怕只是让它运⾏的快20%也会产⽣重⼤影响。
1、编写⾼效程序的切⼊点 ①、选择⼀组合适的算法和数据结构。
②、编写出编译器能够有效优化以转换成⾼效可执⾏的源代码。
③、多线程并⾏处理运算。
对于第⼀点，程序=数据结构+算法，选择合适的数据结构和算法⽆疑对于提⾼程序的运⾏效率有很⼤的影响。
第⼆点对于编程者则需要理解编译器的优化能⼒以及局限性，编写程序看上去只是⼀点⼩⼩的改动，可能都会引起编译器优化⽅式很⼤的变化；第三点技术主要这对运算量特别⼤的运算，我们将⼀个⼤的任务分成多个⼩任务，这些任务⼜可以在多核和多处理器的某种组合上并⾏的计算，这⾥我们也需要知道，即使是利⽤并⾏性，每个并⾏的线程都要以最⾼性能的⽅式执⾏。
2、编译器的优化能⼒和局限性 正确性，正确性，正确性这个要着重提醒，所以编译器必须很⼩⼼的对程序使⽤安全的优化。
限制编译器只进⾏安全的优化，会消除⼀些造成错误的运⾏结果，但是这也意味着程序员必须花费更⼤的⼒⽓写出程序使编译器能够将之转换为有效机器代码。
对于下⾯两个程序：void add1(int *xp,int *yp){*xp += *yp;*xp += *yp;}void add2(int *xp,int *yp){*xp += 2* *yp;} 对上上⾯两个函数add1和add2，它们都是将存储在由指针 yp 指⽰的位置处的值两次加到指针 xp 指⽰的位置处的值。
简述计算机系统的硬件结构
简述计算机系统的硬件结构计算机系统是现代社会不可或缺的一部分，无论是个人使用还是商业运营，都需要计算机系统的支持。
计算机系统包括硬件和软件两部分，其中硬件是计算机系统的基础，也是支撑计算机系统运行的重要组成部分。
本文将简述计算机系统的硬件结构，为读者提供一些基础的计算机硬件知识。
一、计算机系统硬件结构概述计算机系统的硬件结构可以分为五个部分：中央处理器(CPU)、存储器、输入设备、输出设备和通信设备。
其中，中央处理器是计算机系统的核心部件，负责控制计算机系统的运行、执行指令、进行算术和逻辑运算等。
存储器用于存储计算机系统的程序和数据，包括随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两种类型。
输入设备用于将外界信息输入到计算机系统中，包括键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。
输出设备用于将计算机系统处理的信息输出到外界，包括显示器、打印机、扬声器等。
通信设备用于计算机系统之间或计算机系统与外界进行通信，包括调制解调器、网卡、路由器等。
二、中央处理器中央处理器是计算机系统的核心部件，也是计算机系统的重要组成部分。
中央处理器包括控制器和算术逻辑单元(ALU)两个部分。
控制器负责控制计算机系统的运行，执行指令、管理存储器等。
算术逻辑单元(ALU)负责进行算术和逻辑运算，包括加、减、乘、除、与、或、非等运算。
中央处理器的运行过程可以分为取指、译码、执行和存储四个步骤。
取指是指从存储器中读取指令，译码是指将指令翻译成机器语言，执行是指将指令转换成操作，并进行算术和逻辑运算，存储是指将运算结果存储到存储器中。
三、存储器存储器是计算机系统的重要组成部分，用于存储计算机系统的程序和数据。
存储器分为随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两种类型。
随机存储器(RAM)是一种易失性存储器，用于存储计算机系统的程序和数据，但当计算机系统关闭或断电时，存储器中的数据会丢失。
只读存储器(ROM)是一种非易失性存储器，用于存储计算机系统的程序和数据，但它的内容只能被读取，不能被写入或修改。
计算机系统结构第五章标量处理机
指令分析或者指令执行阶段还得修改指令计数器的更新，为下一条指令 作准备。
5
指令的重叠执行方式
1.顺序执行方式
执行n条指令所用的时间为：
n
T(t取 指 令 it分 析 it执 行 i）
i1
如果每段时间都为t，则执行n条指令所用的时间为：T＝3 n t
11
处理机结构
1.三个独立的控制器：
存储控制器、指令控制器、运算控制器。
2.四个缓冲栈：
先行指令缓冲栈、先行读数缓冲栈、先行操作栈、后行写数栈。
3.处理机组成
先行指令缓冲栈
指令分析器
主
存
存
储
先行操作栈
通
储
控
先行读数栈
用
器
制
运算控制器
寄
器
存
后行写数栈
运算器
器
12
处理机结构（续）
4.先行指令缓冲栈的组成
•重叠部分，无论谁先结束，都不能提前执行下一条指令，需要等待。 •无论任何时刻，在指令分析部件和指令执行部件内都只有相邻的两条指令重叠 执行，处理机只需要设置一套指令分析部件，——指令控制器；一套指令执行部 件，——运算控制器和运算器。控制方式简单。 •所需要时间为T=（1+n）t
15
处理机结构（续）
13
处理机结构（续）
先行缓冲站的组成
存
先行程序计数器 PC1
储
控
指令缓冲
存储器堆
制
器 控制逻辑
现行程序计数器 PC 指令分析器
指令寄存器 IR
指令缓冲存储器堆，采用先进先出的方式，保证指令的执行顺序不致混乱。
第1章-计算机系统结构(第五版)李学干【可编辑全文】
3.
1) 系列机只能在系统结构相同或相近(允许向后稍许发展) 的机器之间实现汇编语言软件的移植。 要求原来在B机器上运行的应用软件，能移植到有不同 系统结构的A机器上，根据层次结构概念，可把B机器的机器 语言看成是在A机器的机器语言级之上的一个虚拟机器语 言，在A机器上用虚拟机概念来实现B机器的指令系统，如图 1 - 6所示。
图 1-6 用模拟方法实现应用软件的移植
如果能直接用微程序去解释B机器的指令，如图1 - 7所 示，显然就会加快这一解释过程。
仿真和模拟的主要区别在于解释用的语言。仿真是用微 程序解释，其解释程序存在于控制存储器中; 而模拟是用机 器语言程序解释，其解释程序存在于主存中。
3) 不同系列间的软件移植一般是仿真和模拟并行。
TCPUICCPI1fc
假设系统共有n种指令，第i种指令的时钟周期数为 CPIi，第i种指令在程序中出现的次数为Ii，则
TCP U i n1 (CP iIIi)1 fc
这样
n
CP Ii1CIC P iIi i n1CP iIIIiC
为了反映程序的运行速度，通常引入如下一些定量指
(1) MIPS(Million Instructions Per Second，百万条指令 数每秒)
1 MFLOPS≈3 MIPS
2. 在设计计算机系统时，一般应遵循如下的定量设计原
理：
(1) 哈夫曼(Huffman)压缩原理。 (2) Amdahl定律。 性能可改进比fnew是系统性能可改进部分占用的时间与未 改进时系统总执行时间的比值，显然，0≤fnew≤1。部件加速 比rnew是系统性能可改进部分在改进后性能提高的比值。不 难看出，rnew＞1
1.1 计算机系统的层次结构 1.2 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现 1.3 计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理 1.4 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类 1.6 本章小结
计算机系统结构与组成了解计算机的层次结构和各个组成部分的功能与相互关系
计算机系统结构与组成了解计算机的层次结构和各个组成部分的功能与相互关系计算机系统结构与组成：了解计算机的层次结构和各个组成部分的功能与相互关系计算机系统是由硬件和软件两部分组成的，它们共同实现计算、控制、存储和输入/输出等功能。
在这个系统中，计算机的层次结构和各个组成部分具有紧密的功能联系和相互依赖关系，下面将介绍计算机系统结构的层次和各个组成部分的功能。
一、计算机系统结构的层次计算机系统结构可以划分为五个层次：硬件层、微程序层、指令系统层、操作系统层和应用层。
1. 硬件层：硬件层包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等，它们是计算机系统的基本组成部分，负责数据的处理和信息的存储。
2. 微程序层：微程序层主要包括微操作和微指令，它们是控制中央处理器工作的关键，通过微指令的执行来完成指令的解码和执行操作。
3. 指令系统层：指令系统层包括指令格式、寻址方式、指令集等，它规定了计算机的指令集和指令执行的方式，为高级语言提供了底层支持。
调计算机硬件和软件资源，提供用户与计算机系统之间的接口，为应用程序提供服务。
5. 应用层：应用层是计算机系统的最上层，包括各种应用软件（如文字处理、电子表格、数据库等），它们通过操作系统层来实现与底层硬件的交互。
二、计算机系统各部分的功能与相互关系1. 中央处理器（CPU）：CPU是计算机的核心，它负责进行算术逻辑运算、控制计算机的工作流程和解释执行指令等。
CPU由运算器和控制器组成，其中运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责指令的解码和执行。
2. 存储器：存储器用于存储数据和程序，包括主存储器（例如RAM）和辅助存储器（例如硬盘、光盘等）。
主存储器是CPU直接访问的存储空间，而辅助存储器用于长期存储和备份数据。
3. 输入输出设备：输入设备用于将外部数据输入到计算机系统中，如键盘、鼠标等；输出设备则用于将计算机处理的结果输出到外部，如显示器、打印机等。
输入输出设备与计算机系统通过接口进行数据传输和控制操作。
计算机系统结构(ComputerArchitecture)
02 中央处理器(CPU)
CPU的基本组成
运算器
执行算术和逻辑运算操作，处理数据。
寄存器
存储数据和指令，提供快速访问。
控制器
控制计算机各部件协调工作，发出控制信号。
指令集
一组指令集合，用于实现计算机的基本操作。
CPU的主要功能
数据处理
执行算术和逻辑运算，处理数据。
指令执行
解释和执行程序中的指令。
通道方式：通过独立的通道处 理输入输出操作，提高系统的 效率。
I/O设备的发展趋势
高速化
提高设备的传输速度，满足大数据处理的需 求。
智能化
设备具有更高的自主性和智能性，能够自动 完成更多的任务。
网络化
设备通过多个设备共享物理设备 的资源，提高设备的利用率。
CPU的发展趋势
多核化
通过增加核心数量提高处理能力。
并行化
采用多线程、多进程等技术提高并行 处理能力。
微处理器定制化
根据特定应用需求定制处理器。
节能环保
降低功耗，提高能效比，实现绿色计 算。
03 存储器系统
存储器的基本组成
数据存储单元
用于存储二进制数据，通常由晶体管组成。
地址存储单元
用于存储存储单元的地址，通过地址码来识别存 储单元。
计算机系统结构 (computerarchitecture)
contents
目录
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 计算机系统结构的发展趋势
01 计算机系统概述
计算机系统的基本组成
01
02
03
硬件
包括中央处理器、存储器、 输入输出设备等，是计算 机系统的物理基础。
计算机系统结构_第五章_标量处理机
1. 提高处理机的工作主频。5、60年代主要采用这种技术，每3、 4年处理机的速度要提高一个数量级。
2. 采用更好的算法和设计更好的功能部件，如采用RISC等。 3. 多条指令并行执行。指令级的并行技术。
流水线技术。 处理机中设置多个独立的功能部件，如浮点运算器，定点运算器， 访存部件等。 超长指令技术。
5.1.5 先行缓冲栈
5.1.6 缓冲深度的设计方法
2019/7/15
4
指令的重叠执行方式
一条指令的执行可以分为多个阶段，具体分法视处理机而定，一般可 以分为三个阶段：
取指令是指按照指令计数器的内容访问主存，取出一条指令送到指令寄 存器。
分析指令是指对指令的操作码进行译码，按照给定的寻址方式和地址字 段内容形成操作数地址，并用这个地址读出操作数，操作数可以在主存 也可以在寄存器。
2019/7/15
3
5.1 先行控制技术
先行控制技术的关键是采用缓冲技术和预处理技术，以及两者都采用，
通过对指令流和数据流的预处理和缓冲，能够尽量使指令分析器和指
令执行部件独立工作并始终处于忙碌状态。
5.1.1 指令的重叠执行方式
5.1.2 先行控制方式的原理
5.1.3 处理机结构
5.1.4 指令执行序列
如果再规定，执行指令所需要的操作数和执行结果只写到通用寄存器， 则取指令、分析指令和执行指令就可以同时进行。
在许多高性能处理机中，有独立的指令Cache和数据Cache。这种结构 被称为哈佛结构。
2019/7/15
10
先行控制方式的原理（续）
(3)采用先行控制技术
采用先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。