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数据与计算科学基础_第2章 计算机系统.pptx

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数据与计算科学基础 2022-7-21 第2章 计算机系统 01 计算机结构 02 软件和操作系统 2.1 计算机结构 三大子系统:冯·诺依曼现代计算机模型由五大部件构成,根据彼此间的联系,可以进一步把它们分为三大子系统:即由算术逻辑运算单元和控制单元组成的中央处理单元(Central Process Unit)、主存储器和输入/输出子系统。 (1)主存储器:主要用于实现数据、程序指令的存储,又称为内存,具体指我们电脑配置的8GB、16GB等内存。 (2)中央处理单元:主要用于实现算术/逻辑运算,以及系统控制功能。包含了冯·诺依曼架构中的ALU和CU。 (3)输入/输出系统:主要实现数据的生成、输入、接收、显示等。例如:键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪等。可以是各种各样不同的外部设备等。 2.1 计算机结构:主存储器 主存储器:主要用于实现数据、程序指令的存储,又称为内存,具体指我们电脑配置的8GB、16GB等内存。 地址:由一组存储位置组成,每个位置都有一个唯一的标识符。 数据:存储在对应内存地址位置中的0/1比特序列 数据以称为字(word)的一组比特位的形式写入到内存或者从内存读出(如左图的数据值)。一个字可以是8位、16位、32位或64位的一组比特值,如果字长为32位,我们称这个计算机为32位计算机,字长为64位,则称之为64位计算机。为了便于计算,称一个8位比特的组合为一个字节(Byte),则16位数据则为2字节、32位数据被称为4字节数据,字节是计算机中计算存储容量的基本单位。 2.1 计算机结构:主存储器 地址空间:内存中唯一可识别不同位置的总数称为地址空间,例如,一个存储容量为64KB的内存的地址空间的范围是0到65535。左图显示了用来表示内存容量的常用单位。一般来说,如果一台计算机有N字节的内存,我们需要一个大小为log2N位的无符号整数来标识每个内存位置。 存储器类型:常见的存储器可以分为两类:RAM(随机访问存储器,Random Access Memory)和ROM(只读存储器,Read Only Memory)。 (1)RAM:主要分为SRAM(静态RAM)和 DRAM(动态RAM),同材质的SRAM比DRAM存取速度更快,同时价格更昂贵。具有易失性特点,断电后数据消失。 (2)ROM:一般用于主板BIOS系统,有点为非易失性。 2.1 计算机结构:存储器的层次结构 寄存器:用于CPU执行指令时缓存数据或者指令的存储单元,一般使用SRAM。通常对速度要求很苛刻时使用。 CPU缓存:使用中等容量的中速内存来存储经常访问的数据。CPU和主内存之间的缓存内存(cache)就是这种类型。 主存储器(内存):为访问频率较低的数据使用大量的低速内存。计算机系统中主存是这种类型的。 至于我们常见的磁介质硬盘、固态硬盘等外部存储器等在本书中不做详细讨论。 2.1 计算机结构:中央处理单元 中央处理器(CPU)对数据进行操作(计算)。可以把它简化为如左图所示的三个组成部分:算术逻辑运算单元(ALU)、控制单元(CU)和一组寄存器。 寄存器:用于CPU执行指令时缓存数据或者指令的存储单元。通常对速度要求很苛刻时使用。一般包含一组数据寄存器、一个程序计数器、一个指令寄存器等。 ALU:算术逻辑单元(ALU)主要实现对数据的算术、逻辑、移位等运算。 (1)算术运算:对整数、实数等进行加、减、乘、除等算术运算;其他复杂运算如向量运算、矩阵运算、微分运算、积分运算等都可以最终通过数值方法由基本的算术运算来实现。 (2)逻辑运算:主要指逻辑学中的“逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑异或”等基本运算。 (3)移位运算:数据的移位运算主要有两种,即逻辑移位运算和算术移位运算。 控制单元(CU):控制单元的基本任务,就是按照计算程序所编排的指令序列,不断从存储器取出一条指令,然后放到指令寄存器IR中,对该指令的操作码由译码器进行分析判别,然后根据指令性质,执行这条指令,进行相应的操作。 2.1 计算机结构:计算机指令和执行逻辑 计算机指令:计算机程序就是一系列指令的集合,计算机通过执行程序,将输入数据转换成输出数据,程序和数据都放在内存中。一条计算机指令的组成一般包含两个部分:操作码和操作数。 样例:例如,一条加法指令,进行 5 + 6 的加法运算,可以这样设计指令:假如计算机只有4条指令,即加、减、乘、除,则可以用00、01、10、11分别代表这4中运算,加法用00进行编码,5和6分别为操作数,则直接使用其二进制数值编码,考虑用4位二进制数进行编码,则5对应0101,6对应0110;那么,一条5+6的加法指令可以表示为 00 0101 0110。 指令执行逻辑:CPU利用重复的机器周期来执行程序中的指令,一步一条,从开始到结束。一个简化的
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