计算机科学与程序设计导论PPT第3章 程序的运行与硬件-final.pptx

《计算机科学与程序设计导论PPT第3章 程序的运行与硬件-final.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机科学与程序设计导论PPT第3章 程序的运行与硬件-final.pptx（37页珍藏版）》请在汇文网上搜索。

1、主要内容内容提要1.程序与硬件2.计算机硬件系统3.硬件系统互联4.程序的执行5.简单的计算机举例1.程序与硬件程序与指令机器指令CPU能直接识别并执行二进制编码组成操作码：指令的功能操作数：参与运算的对象程序一条一条指令组成顺序存放在内存连续单元硬件工作流程分析作用指定的数据进行处理得到结果并展示给用户流程操作码：指令的功能无论是输入还是输出设备，都需要经过CPU处理先调入内存、然后再放入外存CPU只从主存储器上读取数据或者指令信息，所有的指令信息都从CPU中的控制器发出主存储器和CPU是程序的核心，计算速度由运算器决定，计算机的管理效率由控制器掌控主存储器与CPU之间读写速度影响CPU的运

2、行2.计算机硬件系统计算机硬件系统：组成中央处理单元主要作用用于数据的运算组成算术逻辑单元(ALU)控制器寄存器中央处理单元：ALU任务完成所有计算工作逻辑、移位和算术运算构成由很多门电路组成工作流程操作由控制器决定数据来自存储器（主存储器、cache中）处理后结果数据送回存储器中央处理单元：CU作用指挥中心构成指令译码器ID(Instruction Decoder)操作控制器OC(Operation Controller)工作流程从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器通过指令译码确定操作通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号中央处理单元：寄存器、Cache作用暂时保

3、存着待处理的数据或者中间结果构成缓存寄存器寄存器(Register)用来存放临时数据的高速独立的存储单元包括指令寄存器IR(Instruction Register)、程序计数器PC（Program Counter）和数据寄存器容量不大，访问速度快可分为专用寄存器和通用寄存器缓存(Cache)存在于主存与CPU之间的一级存储器由静态存储芯片(SRAM)组成容量比较小但速度比主存高得多减少了CPU的等待时间，提高了系统的效率中央处理单元：CPU字长概念处理机能同时处理（或运算）的位数，即同时处理多少位（bit）数据处理器的字长越大，运算能力越强举例寄存器Intel Pentium 4处理器字长为

4、32位，能同时处理32位的数据，即数据总线为32位处理器8,086，则为16位处理器64位处理器，它的数据吞吐能力更强，即能同时对64位数据进行运算主存储器作用存储程序和数据的部件分类主存储器辅助存储器主存储器：地址空间概念所有在存储器中标识的独立的地址单元的总数分类物理地址空间：和硬件直接对应，如内存条代表的主存，硬盘代表的磁盘，都是物理内存，其管理由硬件完成逻辑地址间空：是运行的程序看到的地址空间，是一维的线性的地址空间。逻辑地址空间依赖物理地址空间而存在存储器的容量以字节为基本单位的，一个内存地址代表一个字节（8bit）的存储空间内存地址用无符号二进制整数定义，通常以十六进制的形式显示N

5、根地址总线能访问2的N次方个存储单元寻址范围处理器的地址总线的位数，与机器字长没有关系地址总线大部分是32位主存储器：存储器的分类分类随机存取寄存器（RAM）只读存储器（ROM）RAM的特点以RAM用于内存（断电时将丢失其存储内容）包括DRAM(动态RAM)和SRAM（静态RAM）SRAM不需要刷新电路就能够保存数据，所以具有静止存取数据的作用，存储一位需要花6个晶体管DRAM则需要不停地刷新电路，否则内部的数据将会消失寻址范围，存储一位花一个电容和一个晶体管ROM的特点断电数据不丢失数据只读主存储器：存储器的层次结构需求价格与性能取舍解决方法当对速度要求很苛刻时可以使用少量高速存储器。CPU

6、中的寄存器就是这种存储器。用适量的中速存储器来存储经常需要访问的数据。例如下面将要讨论的高速缓冲存储器就属于这一类。用大量的低速存储器存储那些不经常访问的数据。主存就属于这一类辅助存储器概念除计算机内存及CPU缓存以外的储存器特点断电后仍然能保存数据分类硬盘存储器是一种涂有磁性物质的金属圆盘，通常由若干硬盘片组成盘片组光盘存储器光盘（CompactDisc，CD）是利用金属盘片表面凹凸不平的特征，通过光的反射强度来记录和识别二进制的0、1信息输入/输出子系统常见的输入/输出设备键盘、鼠标器、显示器、显示适配器、打印机输入设备键盘、鼠标、触摸屏、游戏摇杆、传感器、扫描仪键盘是最基本、最常用的输入

7、设备输出设备显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备显示器是最基本、最常用的输出设备打印机是一种用于产生永久性记录的输出设备3.硬件子系统互联存储器与CPU的连接CPU与内存器的交互利用电信号交互信号是靠总线传输总线计算机中连接各个IC的导线总线分类数据总线：数据总线由多根线组成，每根线上每次传送一个位的数据，线的数量取决于该字的大小。控制总线：负责在CPU和内存之间传送控制信息。地址总线：地址总线允许访问存储器中的某个字，地址总线的线数取决于存储空间的大小。设备的连接方式通过一种被称为输入/输出控制器或接口的器件连接到总线输入输出控制器SCSI，小型计算机系统接口，8、

8、16、32线的并行接口，菊花链连接，两端必须有终结器，且设备必须有唯一的地址。火线，IEEE标准1394规定的串行接口，俗称火线。是高速串行接口，可在一条菊花链或树形连接上连接最多63个设备，不需要SCSI控制器中类似的终结器。USB(通用串行总线)，串行控制器。多个设备可以被连接到一个USB控制器上，这个控制器也称为根集线器。设备可以不需要关闭计算机很容易地被移除或连接到树中，这称为热交换。输入/输出设备的寻址分类独立寻址存储器映射寻址独立寻址用来读写内存的指令与用来读写输入输出的指令是完全不同每个输入输出设备有自己的地址存储器映射寻址输入/输出控制器中的每一个寄存器都看作是内存中的某个存储

9、字4.程序的执行程序的执行打开程序，系统把程序代码段和数据段送入计算机的内存控制器从存储器中取指令、分析执行，如此重复操作，直至执行完程序中全部指令，完成程序的执行把程序运行结果输出程序执行过程 机器周期取指令、译码、执行内存空间分配分配原则根据内存用途不同而不同分配方式静态分配和统一回收动态分配和回收内存分段代码段/数据段/堆/栈/静态段装载概念创建一个进程（进程是程序的一次运行活动）作用保证这些程序用到的内存总量要小于实际的物理内存内存分段保障各个进程的内存空间使用不受干扰方式提出了虚拟地址空间的概念处理好虚拟地址到物理内存地址的映射，就可以保证不同的程序最终访问的内存地址位于不同的区域，

10、没有重叠，达到内存地址空间相互隔离的效果代码段过程在程序装载时，每个进程都有自己的一套虚拟地址、页表等结构。但是装载器不会把代码装载到物理内存中，而是用一个页表把代码在硬盘上的位置记录下来，只有在真正运行的时候才会加载到内存里面。装载器会找到程序的入口地址，执行的时候，从入口地址开始读第一条指令运行过程运行时，由地址变换机构依据当时分配给该程序的实地址空间把程序的一部分调入物理内存空间中。每次访存，首先判断该虚拟地址所对应的部分是否在内存中如果是，则进行地址转换并用实地址访问内存；否则，按照某种算法将辅存中的部分程序调度进内存，再按同样的方法访问主存多任务操作系统多任务的操作系统同时运行多个程

11、序，执行多个进程，各个进程轮流使用CPU的时间片。当轮到某个进程执行的时候，就从装载器返回的入口点开始执行，CPU从程序入口处取出指令执行CPU不断的读数据、写数据，时间片到了，就把进程挂起来，进程其实不是独占CPU的，因为进程切换得非常快，从用户的角度来看，以为程序在同时执行结束过程根据程序的指令把最终结果放入指定的外存区域或者展示在某些输出设备中，通常这部分功能需要有程序员来实现。如果运行结果需要放入外存，其流程与载入时相反操作系统在进程结束的时，让内存管理模块把分页文件中与此进程相关的记录全部删除，并标记为“可用空间”，使所有申请的内存都一次性地回收进程结束后，其所有内存都将被释放，包括

12、堆上的内存5.简单计算机举例简单计算机 组成CPU，存储器，I/O子系统简单计算机 指令集16条简单指令右图：格式和不同的指令类型简单计算机 指令集16条简单指令右图：指令表简单计算机 指令处理指令译码存储程序和数据执行指令指令周期周期1周期2周期3周期4周期5简单计算机 指令处理指令译码存储程序和数据执行指令指令周期周期1周期2周期3周期4周期5简单计算机 指令处理指令译码存储程序和数据执行指令指令周期周期1周期2周期3周期4周期5简单计算机 指令处理指令译码存储程序和数据执行指令指令周期周期1周期2周期3周期4周期5简单计算机 指令处理指令译码存储程序和数据执行指令指令周期周期1周期2周期3周期4周期5