计算机科学导论3章课件

1、第三章 计算机体系结构第1页，共26页。本章要点：了解存储系统组织结构了解输入输出系统了解计算机系统体系结构第2页，共26页。3.3 存储系统组织结构3.3.1 存储器与存储系统概述1. 存储器的作用 存储器存储程序信息和数据信息。第3页，共26页。3.3 存储系统组织结构2. 存储器分类（1）按存储介质分：半导体存储器、磁存储器和光存储器（2）按工作方式分：随机存储器、只读存储器、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、非易失性存储器（4）按作用：主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器第4页，共26页。3.3 存储系统组织结构3.存储器的主要性能指标存储容量2） 存储周

2、期存储访问时间4） 性价比5） 功耗6） 可靠性 第5页，共26页。3.3 存储系统组织结构3.3.2 存储系统组织结构1.二级结构：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、辅助存储器(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。 )第6页，共26页。3.程序运行局部性原理：（1）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很可能再次被访问。 （2）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存储区域中。 （3）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要大。 注意：三级存储系统中，存储的信息必须满足信息一致性

3、原则和信息包含性原则。 第7页，共26页。3.3 存储系统组织结构3.3.3 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。是一种放置在CPU和主存储器之间的存取速度快、而规模较小的存储器。第8页，共26页。3.3.4 虚拟存储器 虚拟存储器用于“主存一辅存”层次，它能使计算机具有辅存的容量，接近于主存的速度。它使程序员能够在比主存大得多的空间编制程序，即按虚存空间编址。 第9页，共26页。3.4 输入输出系统3.4.1 输入输出系统概述外部设备设备控制器I/O接口中央处理机第10页，共26页。3.4.2 总线结构1.总线分类按照总线所传输的信息内容分类： 地址总线、

4、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 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 串行总线、并行总线 第11页，共26页。3.4.2 总线结构2.计算机总线结构类型单总线结构第12页，共26页。2）双总线结构第13页，共26页。3）三总线结构第14页，共26页。3.4 输入输出系统3.总线的组成传输线：包括地址线、数据线和控制线三部分。接口：具有双向传输信息功能。总线控制器：用于决定总线使用权。第15页，共26页。3.4.3 输入输出接口1.接口的概念在主机与外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、数据格式转换等问题的逻辑部件。第1

5、6页，共26页。3.4 输入输出系统2.输入输出接口的基本功能实现数据缓冲实现数据的转换提供外设和接口的状态实现主机与外设之间的通讯联络控制第17页，共26页。3.4 输入输出系统3. I/O接口的基本结构数据寄存器；设备地址译码器；设备状态寄存器；数据格式变换器，用于串到并、并到串的转换；总线通信控制用的定时信号线路。第18页，共26页。3.4 输入输出系统4.外部设备的寻址统一编址：将对内存的操作和对I/O设备的操作用相同的指令来完成。 单独编址：单独设置I/O指令来对I/O设备进行操作。 5. 接口的分类（1）按数据传输宽度分：并行接口与串行接口（2）按数据传送的控制方式分：程序直接控制

6、的输入输出接口、程序查询控制接口、程序中断输入输出接口、DMA接口（3）按操作节拍分：同步接口和异步接口第19页，共26页。3.4.4 外设数据传送控制方式1.程序直接控制方式2.程序查询方式3.程序中断方式4.DMA输入输出方式5.通道控制方式6.I/O处理机方式第20页，共26页。3.5 计算机系统体系结构3.5.1 高性能计算机指令流：是指机器执行的指令序列；数据流：是由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。 第21页，共26页。3.5.1 计算机系统的分类1.单指令流单数据流SISD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，每次从存储器取或存一个数据。 2

7、.单指令流多数据流SIMD计算机系统结构 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。 3.多指令流单数据流MISD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。 4.多指令流多数据流MIMD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自的指令，并存取各自的数据。 第22页，共26页。3.5.2 高性能计算机1.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。2.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，专门针对复杂科学计算的新型计算机模式。3.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。第23页，共26页。3.5.3 并行计算机1.并行计算机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。2.并行算法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。第24页，共26页。3.5 计算机系统体系结构3.5.4 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